CHE COS’È UN LASER ? Il nome laser deriva dalle iniziali di altrettante parole in lingua inglese che spiegano il fenomeno fisico dell'amplificazione di luce mediante emissione stimolata di radiazioni: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation   Il laser è quindi una fonte di luce che viene stimolata ripetutamente (Emission). IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL LASER Il funzionamento del laser si basa sull’emissione stimolata di radiazione da parte degli atomi di una certa sostanza che viene chiamata materia attiva. Gli atomi vengono dapprima eccitati, cioè pompati in uno stato energetico superiore tramite una sorgente, quindi stimolati ad emettere l’energia immagazzinata per mezzo di una radiazione esterna di frequenza determinata. I fotoni che compongono la radiazione emessa, hanno la frequenza caratteristica degli atomi che li hanno prodotti e viaggiano in fase con i fotoni stimolatori. L’amplificazione della luce viene ottenuta come conseguenza del movimento dei fotoni in una cavità risonante, cioè in uno spazio delimitato da due specchi paralleli, di cui uno totalmente riflettente e l’altro solo parzialmente. Durante il movimento, i fotoni colpiscono altri atomi eccitati che a loro volta emettono nuovi fotoni. Contemporaneamente, la luce laser monocromatica ad alta intensità e direzionalità filtra all’esterno attraverso lo specchio semiargentato. L’errore che più comunemente viene commesso è quello di pensare che il laser possa risolvere da solo qualsiasi problema in quanto apparecchio meraviglioso e sofisticato. Alla base del successo, rimane sempre e comunque l’uomo con le sue conoscenze  meccaniche . Alcuni esempi di Laser Laser a stato solido Laser a Rubino : il laser a rubino è importante soprattutto dal punto di vista storico, essendo stato il primo laser a funzionare nel 1960 (Maiman). Il rubino è un cristallo di allumina (sesquiossido di alluminio: Al2O3), drogato con circa lo 0.05% di ioni cromo trivalente Cr2O3, che gli conferiscono il caratteristico color rosso. L'alluminio e l'ossigeno sono otticamente inerti, mentre gli ioni Cr3+ sono i centri otticamente attivi. Si tratta di un laser a 3 livelli: quando si irraggia il cristallo di rubino con luce bianca, questa viene assorbita dagli ioni cromo e molti elettroni vengono eccitati in un'ampia banda di livelli energetici. Alcuni elettroni ritornano rapidamente allo stato fondamentale, ma altri, tramite una transizione che cede energia vibrazionale al cristallo, vanno in livelli metastabili la cui vita media è circa 104 volte maggiore di quella degli altri stati eccitati. Quando l'atomo si diseccita emette luce rossa. Questo fenomeno, che tra l'altro è responsabile della brillantezza del rubino, viene sfruttato per ottenere l'emissione laser del rubino su due righe a 692 e 694.3 nm. E' interessante notare come il rubino, cresciuto sotto forma di cristallo cilindrico, viene usato sia come mezzo attivo che come risonatore: le due basi del cilindro, piane e parallele, vengono infatti lavorate otticamente e rivestite con un coating riflettente (tipicamente R1 ~ 96% ed R2 ~ 50%) in modo da funzionare come i due specchi di un risonatore ottico. Il laser a rubino ha bisogno di una sorgente di pompaggio assai intensa, trattandosi di un sistema a tre livelli, quindi poco efficiente; si usano in genere lampade a Xenon o a vapori di mercurio. Le potenze di uscita tipiche sono dell'ordine di qualche Watt quando si opera in continua e arrivano a ~ 20 kW in regime impulsato (impulsi da 100 J), a 100MW in Q-switching (~ 10 ns) ed a qualche GW in mode-locking (1 fs). Laser a Nd:YAG : si tratta di uno dei più diffusi laser a stato solido. Il mezzo attivo è costituito da un cristallo di Y3Al5O12, detto comunemente YAG, drogato con Neodimio (Nd3+ che sostituisce Y3+). Costituisce un sistema a 4 livelli che emette a 1.06 mm (vicino infrarosso) con pompaggio ottico tramite lampada a Krypton. Il cristallo ha una ottima conduttività termica, il che gli permette di operare senza problemi in continua fino a ~ 700 W, o ad alte frequenze di ripetizione. In regime impulsato può fornire impulsi da 1013 W su 10 fs. Esiste una variante più economica di questo laser, che è il Nd:Glass, dove i centri attivi di neodimio sono ospitati invece che in un cristallo di YAG in un vetro. E' più economico, ma ha una peggiore conducibilità termica, per cui viene utilizzato solo in regime impulsato a basse frequenze di ripetizione. Laser a centri di colore : è una classe di laser che utilizzano come centri attivi i cosiddetti centri di colore in cristalli di alogenuri alcalini (KCl, NaCl, LiF...), vale a dire elettroni che sostituiscono uno ione negativo. Alcuni di questi centri, opportunamente associati con ioni impurezza positivi, costituiscono un ideale sistema a 4 livelli. I centri di colore emettono in genere nel vicino infrarosso e vengono pompati nel visibile. Si ottengono potenze medie dell'ordine del mW, ed il laser può essere usato per misure spettroscopiche a causa dell'elevata purezza spettrale e dell'accordabilità in frequenza della radiazione di uscita. Questi centri hanno il difetto di funzionare bene, in genere, alla temperatura dell'azoto liquido (77K), il che ne limita l'uso. Buone prospettive offre il laser composto da centri F2+ (un elettrone che sostituisce due ioni negativi) in LiF, che emette nel visibile a temperatura ambiente. Laser a gas Laser ad He-Ne : e' il laser a gas più comune, più economico e più utilizzato. Il mezzo attivo è il neon, mentre la presenza dell'elio facilita il pompaggio, ottenuto tramite scarica elettrica. E' stato il primo laser a funzionare in continua. La miscela viene tenuta alla pressione di 1 torr e la pressione parziale dell'elio è di circa 5-10 volte superiore rispetto a quella del neon. In questo modo l'elio assorbe l'energia della scarica portandosi dal livello 11S ai livelli 23S e 21S, i quali sono risonanti con i livelli 4S e 5S del neon, che funzionano come livelli superiori laser e transiscono nei livelli P sottostanti. Si hanno transizioni utili per il laser a l = 633 nm (rosso - la più usata), l = 543 nm (verde), l = 1.15 mm e l = 3.39 mm (infrarosso). La riga può essere selezionata tramite il risonatore ottico e si ottengono potenze di uscita in continua di qualche mW. Laser a CO2 : è il laser più importante per quanto riguarda le applicazioni industriali, in quanto permette di ottenere un fascio in continua di elevata potenza (fino a 1 MW), con efficienze di conversione che arrivano al 40%. Il mezzo attivo è composto da una miscela di CO2, N2 ed He. Le molecole di N2 hanno lo stesso ruolo che aveva l'elio nel laser He-Ne: sono le molecole di N2 eccitate che trasferiscono energia per collisione alle molecole di CO2. Emette a l = 10.6 mm (riga più utilizzata) e a l = 9.6 mm. Laser ad Argon : utilizza argon ionizzato (A+) come mezzo attivo. Come pompaggio si utilizza una scarica elettrica con elevate correnti. Emette su una serie di righe che vanno dal verde al blu-violetto. Le transizioni più importanti sono l = 514.5 nm (verde) e l = 488 nm (blu). Può raggiungere circa 100 W in continua e non presenta problemi di saturazione. Laser a Eccimeri : il termine eccimero indica "dimero eccitato", cioè una molecola, composta da due specie chimiche, che esiste solo nello stato eccitato mentre nello stato fondamentale non risulta legata chimicamente. Gli eccimeri più utilizzati sono gli alogenuri di gas nobili, dove atomi di argon, kripton, xenon, si combinano, nello stato eccitato, con alogeni quali cloro, fluoro... A seconda delle specie utilizzate si ha emissione a diverse lunghezze d'onda; ArF: l = 193 nm; KF: l = 248 nm; XeCl: l = 308 nm; XeF: l = 351 nm. Come si vede emettono tutti nell'ultravioletto e risultano essere la sorgente laser più efficiente in questa regione spettrale. Il pompaggio viene eseguito con una scarica elettrica, preceduta da una preionizzazione ottenuta con raggi X o utilizzando un fascio di elettroni. Si ottiene funzionamento in regime impulsato fino a frequenze di ripetizione di 1000 Hz e potenze medie di uscita fino a 1 kW . Laser a liquido Laser a colorante : tutta una classe di laser, detti a colorante, o dye lasers, usano coloranti (in alcool o acqua). La banda di fluorescenza risulta molto larga e quindi esiste la possibilità di accordare la frequenza del laser con facilità. In generale sono pompati otticamente, con lampade a flash molto rapide o con altri laser (N2 o Argon per la rodamina 64, che può anche lavorare in continua) Altri tipi di laser Laser a semiconduttore : contrariamente ai laser convenzionali, in cui vengono coinvolti gli stati atomi o molecole, in un semiconduttore non si può considerare un atomo isolato, ma bisogna considerare tutto il cristallo nel suo insieme, con una certa distribuzione degli elettroni, che si dispongono in "bande" di energia. Operando una semplificazione si può dire che in un semiconduttore avremo una "banda di valenza" che risulterà "piena" di elettroni, ed una "banda di conduzione", ad energia più elevata, a distanza DE dalla banda di valenza, che conterrà pochi elettroni. Con diversi metodi è possibile ottenere all'interno del cristallo una vera e propria inversione di popolazione. Se non si inserisce il sistema in un risonatore (che può essere costituito dallo stesso cristallo di semiconduttore) si ottiene un LED (Light Emitting Diode, dove si usa il materiale come diodo e si ottiene l'eccitazione quando la corrente fluisce in polarizzazione diretta), altrimenti avremo un laser a semiconduttore. Esistono molti di questi laser, che emettono potenze medie di 10 mW in continua e raggiungono i 100 W in regime impulsato. Sono assai efficienti (50-60%). Esempio tipico è il laser GaAs, che emette tra l = 820 nm e l = 900 nm (intrarosso). Laser a elettroni liberi (FEL) : nel Laser ad Elettroni Liberi non si usa un sistema di atomi o molecole come mezzo attivo, bensì un fascio di elettroni relativistici. Questi vengono costretti su una traiettoria oscillante da un campo magnetico statico variabile nello spazio (generato da un oggetto detto ondulatore magnetico), per cui, come tutte le cariche accelerate, perdono energia emettendo radiazione. Volendo trovare analogie con i sistemi laser convenzionali, si può osservare che il campo magnetico prodotto dall'ondulatore gioca il ruolo del mezzo attivo, mentre il fascio di elettroni è l'equivalente del sistema di pompaggio dei sistemi laser tradizionali. In effetti in un FEL ha luogo l'interazione tra la radiazione di sincrotrone emessa dagli elettroni, il campo statico dell'ondulatore e gli elettroni del fascio. In condizioni opportune è possibile sottrarre energia agli elettroni del fascio per trasferirla al fascio laser ottenendo così amplificazione della radiazione. Contrariamente a quanto avviene nei laser convenzionali è tuttavia possibile anche il processo inverso, che implica un'accelerazione degli elettroni a spese del campo elettromagnetico. La caratteristica che rende il Laser ad Elettroni Liberi assai interessante rispetto ai laser convenzionali è quella dell'accordabilità in lunghezza d'onda: in teoria è possibile variare la lunghezza d'onda di emissione . Dove lu è il periodo dell'oscillazione spaziale del fascio, g è il fattore relativistico che indica l'energia degli elettroni e K è legato al campo magnetico dell'ondulatore. Come si vede, è teoricamente possibile controllare la lunghezza d'onda della radiazione prodotta dal FEL cambiando questi parametri. Tuttavia lo spettro di variazione dei parametri in gioco è limitato da problemi fisici e tecnologici: l'energia degli elettroni dipende dalla macchina acceleratrice e con la stessa macchina non è possibile modificarla oltre certi limiti; i campi magnetici ottenibili hanno dei limiti fisici intorno a valori di una decina di Tesla ed il passo dell'ondulatore non può essere ridotto al di sotto del centimetro senza pregiudicare altri parametri del sistema. Infine le dimensioni ed il costo della macchina acceleratrice crescono al crescere dell'energia degli elettroni, rendendo così difficilmente realizzabile un FEL compatto per piccole lunghezze d'onda. Quindi si otterrà un laser che emetterà in una determinata regione spettrale (onde millimetriche, lontano infrarosso, vicino infrarosso, visibile, UV...) e avrà dei buoni margini di accordabilità, ma sempre nella stessa regione spettrale. Ad esempio presso il centro ENEA di Frascati è funzionante un FEL nella regione delle onde millimetriche operante tra l = 2.1 mm e l = 3.6 mm con una potenza di 1.5 kW su 4 ms, e sta per entrare in funzione una modifica dello stesso che permetterà di ottenere radiazione tra 400 ed 800 m m. Essendo il FEL una macchina tecnologicamente assai complessa e "giovane" nel panorama delle sorgenti di radiazione coerente, non sarebbe risultata proficua dal punto di vista applicativo la realizzazione di macchine operanti in zone spettrali già ampiamente coperte da sorgenti laser convenzionali, meno costose e più sperimentate. Questo lascia spazio alle piccole lunghezze d'onda - UV e raggi X - e alle grandi lunghezze d'onda - Lontano Infrarosso e Onde Millimetriche - ove vi è carenza di sorgenti convenzionali o ove queste presentano limiti. Il forte interesse per sorgenti coerenti a piccole lunghezze d'onda si scontra però con gli enormi costi e dimensioni, e con intrinseche difficoltà fisiche e tecnologiche, per la realizzazione di apparati FEL operanti in queste regioni spettrali. Applicazioni del Laser Le applicazioni dei laser sono molteplici ed assai importanti. Si può con certezza affermare che nel campo dell'ottica e della spettroscopia il laser ha avuto un ruolo pari a quello dei transistor nell'elettronica. Cercheremo qui di dare un'idea, seppure forzatamente limitativa, delle applicazioni dei laser nelle varie branche della scienza e della tecnologia e della ricaduta nella nostra vita quotidiana. Applicazioni scientifiche Ottica non lineare : la radiazione laser di elevata potenza può dar luogo a modifiche del comportamento di alcuni materiali e generare fenomeni non lineari. Un esempio tipico è quello della generazione di armonica in cristalli non lineari, ove è possibile ottenere frequenze multiple della frequenza incidente sul cristallo, permettendo così di "creare" sorgenti altrimenti non ottenibili. Spettroscopia : i laser risultano assai utili per lo studio delle proprietà di assorbimento dei materiali, in quanto sono accordabili in frequenza e la radiazione emessa esibisce larghezze di banda assai piccole. Risultano poi insostituibili quando è necessario effettuare spettroscopia in emissione, in quanto permettono di raggiungere elevate potenze di pompaggio in zone spettrali molto ben definite, al contrario delle lampade convenzionali. Generazione di impulsi ultracorti : la possibilità di ottenere da un laser impulsi ultracorti risulta assai utile quando si deve seguire la dinamica di fenomeni estremamente veloci, per esempio la fotosintesi. Applicazioni industriali Lavorazione materiali : il fascio laser può essere focalizzato su dimensioni dell'ordine della lunghezza d'onda. In tale modo è possibile tagliare, saldare, forare, trattare materiali con grande precisione. Inoltre se consideriamo un laser con potenza di uscita pari a 1 kW, focalizzato su un'area di 100 mm, si ottiene una densità di potenza pari a 107 W/cm2. In generale si ottiene la fusione dei metalli a partire da 105 W/cm2, mentre con 106-107 W/cm2 si ottiene evaporazione del materiale. Quando si raggiungono densità di potenza dell'ordine di 109 W/cm2 il vapore si ionizza e si produce plasma ad alta temperatura. Questo fenomeno è da evitare, in quanto il plasma assorbe la luce ed impedisce alla radiazione del laser di raggiungere il materiale. E' possibile saldare con il laser; per far questo è necessario utilizzare basse potenze ed impulsi lunghi (10-2-10-3 s). E' un metodo assai utilizzato in microelettronica, in quanto permette di ottenere saldature senza un contatto fisico con un altro materiale, il che evita la contaminazione della saldatura con impurezze. Microelettronica : nel campo della microelettronica si usa ad esempio per creare circuiti a film sottile. Un laser Nd:YAG, con potenze di picco di 1 kW, impulsi di 200 ns e frequenza di ripetizione di 400 Hz viene focalizzato su uno spot da 10 mm. Il fascio si muove ad una velocità di 2 mm/s ed evapora una stretta striscia di film metallico di spessore 1 mm depositata su un cristallo di zaffiro. E' possibile inoltre costruire microresistenze e microcapacità evaporando il film in maniera particolare. Trasmissioni : è noto che è possibile trasmettere informazione modulando opportunamente con un segnale una ampiezza o una frequenza, detta portante. Questo è il metodo con cui funziona la comune radio in modulazione di frequenza (FM) o di ampiezza (AM). Tuttavia un limite per questo metodo è costituito dal fatto che la frequenza del segnale (modulante) deve essere più bassa della frequenza della portante. In particolare il rapporto tra modulante e portante fornisce il numero di "comunicazioni" simultanee ottenibili. Questo significa che una linea telefonica su fibra ottica, ove la modulante è a frequenze dell'ordine del kHz e la portante è costituita dalla luce di un laser nel visibile, che ha frequenze dell'ordine di 1012 Hz, permette di gestire contemporaneamente 109 connessioni . Radar Laser : noto anche come Range Finder, funziona analogamente ad un radar a microonde, rivelando oggetti distanti e registrando informazioni su di essi. I vantaggi di un tale metodo sono legati all'elevata frequenza della portante, alla direzionalità della radiazione, all'operazione con impulsi ultracorti. Tuttavia esistono anche alcuni svantaggi: l'elevata risoluzione si traduce in tempi grandi per lo scanning, per cui in genere questo sistema viene utilizzato in parallelo con il radar tradizionale, che con un rapido scanning individua il target, quindi si usa il range finder per misure accurate, quali la misura della velocità per shift Doppler . Misura di distanze con metodi interferometrici : nella moderna ingegneria, soprattutto meccanica, è necessario lavorare pezzi di grosse dimensioni con precisioni elevate; per esempio i componenti di un aereo hanno dimensioni superioni al metro e vengono lavorati con precisioni dell'ordine dei 10 mm. Accuratezze di questo tipo possono essere raggiunte effettuando le misure con metodi di interferometria laser, in virtù della coerenza della radiazione, raggiungendo precisioni dell'ordine di l /2. Olografia : in una foto è possibile ricavare informazioni sull'ampiezza della luce che viene riflessa dal soggetto della foto (intensità) e sulla sua frequenza (colore). Si perde però ogni informazione sulla fase! Se fosse possibile ricostruire anche l'informazione di fase si potrebbe virtualmente ricreare un fronte d'onda identico a quello originariamente proveniente dal soggetto della foto. Questo è in linea di massima quello che avviene con un ologramma: su una lastra di tipo fotografico si registra l'informazione sulla fase. Per far questo è necessario utilizzare un fascio di luce coerente, sdoppiarlo ed utilizzarne una parte per illuminare l'oggetto e l'altra come fascio di riferimento. Quando si ricompongono i due fasci , dato che si tratta di onde coerenti daranno luogo ad una figura di interferenza, che impressionerà la lastra come una serie di punti di diversa opacità. Questa lastra fotografica è l'ologramma. Se ora si illumina la lastra con il solo fascio di riferimento, sarà possibile osservare in trasmissione un'immagine "virtuale" dell'oggetto fotografato. L'olografia, oltre a permettere la visualizzazione tridimensionale di oggetti può essere utilizzata per altri scopi: Accurate misure interferometrice di piccole variazioni delle dimensioni di un oggetto (fino ad variazioni dell'ordine di l/2) possono essere eseguite facendo interferire le onde diffratte dall'oggetto con quelle del suo ologramma ottenuto in precedenza. Questo metodo viene utilizzato, per esempio, per "visualizzare" le vibrazioni che si propagano sulla superficie di una struttura solida, in modo da poterne evidenziare difetti costruttivi o punti ove gli stress rischiano di diventare eccessivi. Le tecniche olografiche possono essere utilizzate nel campo della microscopia, ove la profondità di campo diventa un limite. La tecnica olografica permette di studiare l'intero campione, senza la necessità di sezionarlo in piani, con il rischio di modificarne la struttura. Studio della diffusione della luce da parte di particelle in sospensione in un gas, mediante l'esame di ologrammi ottenuti con una successione di brevissime esposizioni alla luce di laser impulsati. Studio del moto di un oggetto veloce: si utilizza la luce di un laser impulsato per ottenere le figure di inteferenza corrispondenti a fasi successive del moto dell'oggetto; in tale modo si ottengono descrizioni dettagliate delle onde d'urto e della scia prodotte dall'oggetto in movimento in un mezzo fluido. Misura dell'ampiezza di vibrazione di membrane, contando il numero di frange. Tecnica di immagazzinamento dell'informazione in una sorta di "memoria ottica". Applicazioni medicali In chirurgia è possibile utilizzare il laser come bisturi selettivo e ad alta precisione. Infatti, oltre alle dimensioni assai ridotte dello spot, dato che cellule diverse assorbono in maniera differente diverse lunghezze d'onda è possibile operare selettivamente su alcune cellule, lasciando intatte o quasi quelle circostanti. I laser più usati per queste applicazioni sono il laser ad argon con la riga a l = 488 nm, assorbito selettivamente dalle cellule del sangue ed utilizzato per curare il distacco della retina: viene infatti focalizzato sulla retina e passa attraverso il cristallino ed il corpo vitreo senza essere assorbito, mentre la retina, essendo vascolarizzata assorbe la radiazione e per effetto termico si produce una saldatura. Inoltre il laser ad argon penetra nella pelle e può essere usato per coagulare il sangue negli strati più interni. Per contro il laser a CO2 (l= 10.6 mm) viene assorbito dalla pelle ed in generale da tutti i tessuti che contengono acqua; viene quindi usato come bisturi, con il vantaggio che mentre taglia produce la cauterizzazione dei tessuti, evitando la perdita di sangue. Notiamo che questo laser emette nell'infrarosso, per cui, per poterlo orientare, si usa un laser nel visibile di bassa potenza che viaggia nella stessa guida di luce. Proprio la possibilità di far viaggiare la radiazione del laser in fibra ottica rappresenta un altro vantaggio:è possibile utilizzare un laser anche "all'interno" del paziente, semplicemente operando con una sonda, una fibra ottica collegata al laser ed una collegata ad una telecamera. In questo modo si può evitare di "aprire" il paziente o addirittura si possono eseguire operazioni altrimenti impensabili (come la rimozione delle masse tumorali all'interno dei bronchi).