laser

laser

làser s. m. – Dispositivo per ottenere fasci intensi ed estremamente concentrati di radiazioni elettromagnetiche coerenti nei campi infrarosso, visibile e ultravioletto.

L. al silicio. – La ricerca mirante alla realizzazione di un l. nel quale il materiale attivo sia costituto da silicio è un settore di grande rilevanza per la realizzazione di dispositivi optoelettronici e ottici di nuova generazione, in particolare nel settore dei cosiddetti calcolatori ottici che, secondo alcune valutazioni, rappresentano la nuova frontiera della tecnologia informatica, nella quale il ruolo funzionale che nell'elettronica tradizionale è svolto dagli elettroni viene affidato ai fotoni, emessi appunto da un dispositivo laser. Questa innovazione nella tecnologia degli elaboratori potrebbe portare a un rilevante aumento della potenza di calcolo. Il vantaggio di sviluppare, in particolare, un l. al silicio sta nell'economicità del materiale e nella possibilità di sfruttare in modo integrato le tecnologie di produzione standard attualmente usate per i dispositivi elettronici a base di silicio. Nel corso del primo decennio del 21° secolo, varie ricerche hanno mostrato che, contrariamente a quanto ritenuto in precedenza, il silicio può funzionare come materiale attivo per l'emissione l. se presente in forma di cristalli di dimensioni nanometriche, le cui proprietà elettroniche e ottiche sono diverse da quelle del materiale normale e tali da poter generare un guadagno ottico. Oltre ai nanocristalli, altre tecnologie sono allo studio per la realizzazione di l. a base di silicio. Una di queste di fonda sull'effetto di diffusione Raman e ha consentito di costruire (2004) il primo l. interamente al silicio, con emissione nel campo del vicino infrarosso. Di diversa concezione, e di più semplice realizzabilità, sono i cosiddetti l. al silicio ibridi, nei quali il mezzo attivo è un semiconduttore contenente elementi dei gruppi 13 e 15 della tavola periodica (fosfuro di indio, arseniuro di gallio), mentre il silicio funge da guida d'onda. L'insieme viene integrato su un comune wafer di silicio. L. di questo tipo sono stati realizzati a partire dal 2005.

L. a elettroni liberi. ‒ Dispositivo capace di emettere radiazione dotata delle caratteristiche tipiche di un l., in cui il materiale attivo è costituito da un fascio di elettroni liberi accelerati ad altissima velocità (velocità relativistiche); spesso è indicato con la sigla FEL (Free electron laser). Si basa su un principio di funzionamento del tutto diverso da quello dei l. classici, in cui la radiazione viene emessa mediante la diseccitazione indotta di uno stato energetico eccitato appartenente allo spettro di energie degli stati legati (a energia negativa) di un sistema atomico o molecolare. Nel FEL, invece, responsabile dell'emissione l. è un fascio di elettroni liberi (non facenti parte di un sistema atomico-molecolare) e l'emissione di radiazione è conseguente al passaggio del fascio elettronico in un magnete ondulatore. Questo è costituito da una successione periodica di poli magnetici alternati, che genera una componente trasversale della velocità degli elettroni la quale, interagendo con la componente trasversale del campo elettrico generato dagli elettroni stessi, origina l'emissione di radiazione l., la cui frequenza dipende dalla velocità degli elettroni e dall'intensità del campo magnetico. Gli ondulatori sono realizzati sia con magneti permanenti alternati con elevata induzione residua, sia con elettromagneti, o con ambedue contemporaneamente. Il terzo componente base del FEL è la cavità ottica nella quale ha luogo il processo di amplificazione. Per ottenere radiazioni di piccola lunghezza d'onda occorrono acceleratori di alta energia, come gli anelli di accumulazione. A differenza dei l. tradizionali, quindi, i FEL sono dispositivi il cui sviluppo e funzionamento richiedono apparecchiature costose e di grandi dimensioni, motivo per il quale nel mondo si conta una ventina di FEL operativi. Le difficoltà maggiori si incontrano nella realizzazione di FEL che emettono nella regione dei raggi X (XFEL), che necessitano di fasci molto energetici e di cui esistono pochi esemplari. A causa della mancanza di specchi adeguati per radiazioni così energetiche, gli XFEL operano mediante un meccanismo noto come SASE (Self-amplified stimulated emission, emissione stimolata autoamplificante). Importanti progetti sono in corso negli Stati Uniti, in Giappone e in Europa per realizzare XFEL di caratteristiche sempre più avanzate e capaci di produrre radiazione X di lunghezza inferiore a 1 nm. Sebbene il primo esemplare di FEL risalga alla fine degli anni Settanta del 20° secolo, il l. a elettroni liberi è, tra le sorgenti l., quella su cui si concentrano i maggiori interessi scientifici potendosi, almeno in linea di principio, ottenere radiazione a qualsiasi frequenza dello spettro elettromagnetico, dai raggi X alle microonde, variando con continuità i parametri fondamentali come l'energia degli elettroni e l'ampiezza del campo di induzione magnetica dell'ondulatore. In prospettiva, le applicazioni di questi dispostivi spaziano dalla diagnostica medica alla scienza dei materiali, allo studio di reazioni chimiche ultraveloci, agli usi in campo militare.