Il termine laser si riferisce al processo e allo strumento di generazione di fasci di luce collimati, monocromatici e coerenti tramite amplificazione della radiazione stimolata e il necessario feedback. Fondamentalmente, la generazione laser richiede tre elementi: un "risonatore", un "mezzo di guadagno" e una "sorgente di pompaggio".
A. Principio
Lo stato di moto di un atomo può essere suddiviso in diversi livelli energetici e, quando l'atomo passa da un livello energetico alto a uno basso, emette fotoni di energia corrispondente (la cosiddetta radiazione spontanea). Analogamente, quando un fotone incide su un sistema di livelli energetici e viene assorbito, provoca la transizione dell'atomo da un livello energetico basso a uno alto (il cosiddetto assorbimento eccitato); successivamente, alcuni degli atomi che passano a livelli energetici superiori passano a livelli energetici inferiori ed emettono fotoni (la cosiddetta radiazione stimolata). Questi movimenti non avvengono in modo isolato, ma spesso in parallelo. Quando creiamo le condizioni appropriate, ad esempio utilizzando un mezzo, un risonatore o un campo elettrico esterno sufficientemente intenso, la radiazione stimolata viene amplificata in modo tale da superare l'assorbimento stimolato, generando in generale un numero maggiore di fotoni emessi, con conseguente emissione di luce laser.
B. Classificazione
In base al mezzo che produce il raggio laser, i laser si possono distinguere in laser a liquido, laser a gas e laser a stato solido. Attualmente, il laser a semiconduttore più comune è un tipo di laser a stato solido.
C. Composizione
La maggior parte dei laser è composta da tre parti: sistema di eccitazione, materiale laser e risonatore ottico. I sistemi di eccitazione sono dispositivi che producono energia luminosa, elettrica o chimica. Attualmente, i principali mezzi di innesco utilizzati sono la luce, l'elettricità o le reazioni chimiche. I materiali laser sono sostanze in grado di produrre luce laser, come rubini, vetro al berillio, gas neon, semiconduttori, coloranti organici, ecc. Il ruolo del controllo della risonanza ottica è quello di aumentare la luminosità del laser in uscita, regolare e selezionare la lunghezza d'onda e la direzione del laser.
D. Applicazione
Il laser è ampiamente utilizzato, principalmente nelle comunicazioni in fibra ottica, nella misurazione laser, nel taglio laser, nelle armi laser, nei dischi laser e così via.
E. Storia
Nel 1958, gli scienziati americani Xiaoluo e Townes scoprirono un fenomeno straordinario: quando illuminavano un cristallo di terre rare con la luce emessa da una lampadina interna, le molecole del cristallo emettevano una luce intensa e costante. Basandosi su questo fenomeno, proposero il "principio laser", secondo il quale, quando una sostanza viene eccitata con la stessa energia della frequenza di oscillazione naturale delle sue molecole, produce una luce intensa e costante: il laser. A sostegno di questa teoria, pubblicarono importanti articoli scientifici.
Dopo la pubblicazione dei risultati della ricerca di Sciolo e Townes, scienziati di vari paesi proposero diversi schemi sperimentali, ma senza successo. Il 15 maggio 1960, Mayman, uno scienziato del Hughes Laboratory in California, annunciò di aver ottenuto un laser con una lunghezza d'onda di 0,6943 micron, il primo laser mai realizzato dall'uomo, diventando così il primo scienziato al mondo a introdurre i laser in ambito pratico.
Il 7 luglio 1960, Mayman annunciò la nascita del primo laser al mondo. Il suo progetto consisteva nell'utilizzare un tubo a scarica ad alta intensità per stimolare gli atomi di cromo in un cristallo di rubino, producendo così una colonna di luce rossa sottile e molto concentrata. Quando viene puntata in un punto preciso, può raggiungere una temperatura superiore a quella della superficie del sole.
Lo scienziato sovietico H.Γ Basov inventò il laser a semiconduttore nel 1960. La struttura di un laser a semiconduttore è generalmente composta da uno strato P, uno strato N e uno strato attivo che formano una doppia eterogiunzione. Le sue caratteristiche principali sono: dimensioni ridotte, elevata efficienza di accoppiamento, velocità di risposta elevata, lunghezza d'onda e dimensioni compatibili con le dimensioni della fibra ottica, possibilità di modulazione diretta e buona coerenza.
Sei, alcune delle principali direzioni di applicazione del laser
F. Comunicazione laser
Oggigiorno, l'utilizzo della luce per trasmettere informazioni è molto comune. Ad esempio, le navi usano le luci per comunicare e i semafori utilizzano i colori rosso, giallo e verde. Tuttavia, tutti questi metodi di trasmissione di informazioni tramite luce ordinaria sono limitati a brevi distanze. Se si desidera trasmettere informazioni direttamente a luoghi distanti attraverso la luce, non è possibile utilizzare la luce ordinaria, ma solo i laser.
Come si fa quindi a trasmettere il raggio laser? Sappiamo che l'elettricità può essere trasportata attraverso fili di rame, ma la luce non può essere trasportata attraverso i normali fili metallici. A tal fine, gli scienziati hanno sviluppato un filamento in grado di trasmettere la luce, chiamato fibra ottica. La fibra ottica è realizzata con materiali vetrosi speciali, ha un diametro inferiore a quello di un capello umano, solitamente compreso tra 50 e 150 micron, ed è molto morbida.
In realtà, il nucleo interno della fibra è costituito da un vetro ottico trasparente ad alto indice di rifrazione, mentre il rivestimento esterno è in vetro o plastica a basso indice di rifrazione. Tale struttura, da un lato, permette alla luce di rifrarsi lungo il nucleo interno, proprio come l'acqua che scorre in avanti in un tubo o l'elettricità che si trasmette in avanti in un filo, anche se migliaia di torsioni e curve non hanno alcun effetto. Dall'altro lato, il rivestimento a basso indice di rifrazione impedisce alla luce di fuoriuscire, proprio come un tubo dell'acqua non perde e lo strato isolante di un filo non conduce elettricità.
L'avvento della fibra ottica ha risolto il problema della trasmissione della luce, ma ciò non significa che con essa qualsiasi luce possa essere trasmessa a grandi distanze. Solo un laser ad alta luminosità, con colori puri e una buona direzionalità, rappresenta la sorgente luminosa ideale per trasmettere informazioni. Il segnale viene captato da un'estremità della fibra con perdite quasi nulle e viene emesso dall'altra estremità. Pertanto, la comunicazione ottica è essenzialmente comunicazione laser, che presenta vantaggi quali elevata capacità, alta qualità, ampia disponibilità di materiali, forte riservatezza e durata. È considerata dagli scienziati una rivoluzione nel campo delle comunicazioni e uno dei risultati più brillanti della rivoluzione tecnologica.
Data di pubblicazione: 29 giugno 2023