Il termine laser si riferisce al processo e allo strumento che genera fasci di luce collimati, monocromatici e coerenti attraverso l'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 elevato a uno basso, rilascia fotoni di energia corrispondente (la cosiddetta radiazione spontanea). Analogamente, quando un fotone incide su un sistema di livelli energetici e viene assorbito da esso, provoca la transizione dell'atomo da un livello energetico basso a uno alto (il cosiddetto assorbimento eccitato); quindi, alcuni degli atomi che transitano a livelli energetici più elevati passeranno a livelli energetici inferiori ed emetteranno fotoni (la cosiddetta radiazione stimolata). Questi movimenti non avvengono isolatamente, ma spesso in parallelo. Quando creiamo una condizione, come l'utilizzo del mezzo appropriato, di un risonatore o di un campo elettrico esterno sufficientemente ampio, la radiazione stimolata viene amplificata in modo che, oltre all'assorbimento stimolato, vengano emessi fotoni, con conseguente emissione di luce laser.
B. Classificazione
A seconda del mezzo che genera il laser, questo può essere suddiviso in laser liquido, laser a gas e laser 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 una reazione chimica. Le sostanze 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, nei sistemi di telemetria 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 magico: quando proiettavano la luce emessa dalla lampadina interna su un cristallo di terre rare, le molecole del cristallo emettevano una luce intensa, intensa e sempre unita. Sulla base di questo fenomeno, proposero il "principio laser", ovvero che quando la sostanza viene eccitata con la stessa energia della frequenza di oscillazione naturale delle sue molecole, produce questa luce intensa che non diverge: il laser. Scrissero importanti articoli a riguardo.
Dopo la pubblicazione dei risultati delle ricerche di Sciolo e Townes, scienziati di vari paesi proposero diversi schemi sperimentali, ma senza successo. Il 15 maggio 1960, Mayman, uno scienziato dell'Hughes Laboratory in California, annunciò di aver ottenuto un laser con una lunghezza d'onda di 0,6943 micron, il primo laser mai ottenuto dall'uomo, e Mayman divenne così il primo scienziato al mondo a introdurre i laser in campo pratico.
Il 7 luglio 1960, Mayman annunciò la nascita del primo laser al mondo. Il progetto di Mayman consisteva nell'utilizzare un tubo flash 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 che, quando veniva sparata in un certo punto, poteva raggiungere una temperatura superiore a quella della superficie del sole.
Lo scienziato sovietico H.G. Basov inventò il laser a semiconduttore nel 1960. La struttura del laser a semiconduttore è solitamente composta da uno strato P, uno strato N e uno strato attivo che formano una doppia eterogiunzione. Le sue caratteristiche sono: dimensioni ridotte, elevata efficienza di accoppiamento, elevata velocità di risposta, lunghezza d'onda e dimensioni adatte alle dimensioni della fibra ottica, modulabilità diretta e buona coerenza.
Sei, alcune delle principali direzioni di applicazione del laser
F. Comunicazione laser
L'uso della luce per trasmettere informazioni è molto comune oggi. Ad esempio, le navi usano le luci per comunicare e i semafori usano il rosso, il giallo e il verde. Ma tutti questi metodi di trasmissione di informazioni utilizzando la luce ordinaria possono essere limitati solo a brevi distanze. Se si desidera trasmettere informazioni direttamente a luoghi distanti tramite la luce, non è possibile utilizzare la luce ordinaria, ma solo i laser.
Come si trasmette il laser? Sappiamo che l'elettricità può essere trasportata lungo fili di rame, ma la luce non può essere trasportata lungo 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 speciali materiali di vetro, il cui diametro è inferiore a quello di un capello umano, solitamente tra i 50 e i 150 micron, ed è molto morbida.
Infatti, 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. Una tale struttura, da un lato, consente alla luce di essere rifratta lungo il nucleo interno, proprio come l'acqua che scorre in un tubo dell'acqua, e all'elettricità di essere trasmessa lungo il filo, anche se migliaia di giri e torsioni non hanno alcun effetto. Dall'altro lato, il rivestimento a basso indice di rifrazione può impedire la dispersione della luce, proprio come il tubo dell'acqua non filtra e lo strato isolante del filo non conduce elettricità.
L'avvento della fibra ottica ha risolto il problema della trasmissione della luce, ma non significa che con essa si possa trasmettere qualsiasi tipo di luce a distanze molto elevate. Solo un laser ad alta luminosità, a colori puri e con una buona direzionalità è la sorgente luminosa ideale per trasmettere informazioni: l'ingresso avviene da un'estremità della fibra, con perdite pressoché nulle, e l'uscita avviene dall'altra estremità. Pertanto, la comunicazione ottica è essenzialmente una comunicazione laser, che presenta i vantaggi di grande capacità, alta qualità, ampia scelta di materiali, elevata riservatezza, durata, ecc., ed è considerata dagli scienziati una rivoluzione nel campo della comunicazione, nonché una delle conquiste più brillanti della rivoluzione tecnologica.
Data di pubblicazione: 29 giugno 2023