martedì 15 dicembre 2015

Come funzionano i Laser

Ciao a tutti amanti della fisica!
 I laser sono dispositivi estremamente diffusi nella nostra società: basti pensare che ogni lettore CD si basa proprio su questa tecnologia. Ma le applicazioni di questi fasci di luce non si fermano certo qui! Chirurgia laser e laser dentale sono solo alcuni esempi dei suoi utilizzi in medicina, per non parlare poi delle fibre ottiche (nell'ambito delle telecomunicazioni), delle livelle laser o della possibilità di raffreddare la materia fino a pochissimi gradi Kelvin mediante questa tecnologia... Insomma, non c'è certo bisogno che vi convinca dell'importanza che i laser hanno raggiunto oggigiorno. È allora lecito chiedersi come si sono sviluppati e come funzionano questi apparecchi...


Tutto nasce con l'Ammoniaca
 Potrà sembrare strano, ma la tecnologia laser affonda le proprie radici nello studio della molecola di ammoniaca, la stessa sostanza che si usa per le pulizie. Ma da cos'è composta?
 Una molecola di ammoniaca è costituita da 3 atomi di idrogeno e 1 di azoto. Tuttavia, più che alla composizione siamo interessati alla struttura di tale composto.
 In una molecola di ammoniaca, i tre atomi di idrogeno si dispongono ai vertici di un triangolo equilatero e l'atomo di azoto si colloca sopra al centro di tale triangolo.
Rappresentazione della molecola di Ammoniaca
 In sostanza, la particolarità di questo composto è che l'atomo di azoto (rappresentato in blu) può oscillare attorno al centro del triangolo formato dai tre atomi di idrogeno (in grigio). Insomma, in particolari circostanze, l'azoto può attraversare il piano del triangolo fino ad occupare la posizione simmetrica rispetto ad esso.
 Possiamo quindi identificare due diversi stati della molecola: uno in cui l'azoto sta "sotto" al triangolo e uno in cui sta "sopra". La differenza tra questi due è che uno dei due stati, ad esempio quello con l'azoto "sopra", è più energetico dell'altro. Quello che si verifica in particolare è che ogni volta che l'azoto passa dallo stato "sopra" allo stato "sotto" emette un fotone di energia pari alla differenza energetica dei due stati. Viceversa, per far sì che l'azoto passi dallo stato "sotto" allo stato "sopra" è necessario fornirgli la stessa quantità di energia. 

 Se trovate difficile visualizzare il procedimento potete pensare all'azoto nella molecola di ammoniaca come a un tuffatore. 
Ogni volta che il tuffatore si lancia dal trampolino converte parte della sua energia gravitazionale in energia cinetica. L'azoto invece emette energia sotto forma di un fotone. Similmente, il tuffatore deve spendere dell'energia per risalire fino al trampolino ed effettuare un altro tuffo, così come l'azoto ha bisogno che qualcosa gli fornisca l'energia necessaria ad effettuare una nuova transizione *(ovvero necessita di energia per poter passare dallo stato "sotto" allo stato "sopra") .

 In un campione di ammoniaca queste transizioni avvengono così frequentemente che queste sono state utilizzate come dei veri e propri orologi atomici. In condizioni normali una molecola effettua circa 24 miliardi di cicli al secondo! Ma torniamo a noi e vediamo come questo può esserci d'aiuto per costruire qualcosa di simile a un laser.


Il Maser

 Abbiamo scoperto che la molecola di ammoniaca può emettere un fotone se si trova in un particolare stato. Tale fotone ha una lunghezza d'onda di 1,25 centimetri, e si trova quindi nella regione spettrale delle microonde. Se invece la molecola di ammoniaca si trova nello stato che abbiamo chiamato "sotto", meno energetico, può assorbire un fotone della stessa lunghezza d'onda e passare nello stato "sopra". Ricapitolando:
  • Se l'ammoniaca si trova nello stato "sopra" può diseccitarsi spontaneamente, ovvero passare allo stato "sotto" ed emettere un fotone di lunghezza d'onda 1.25 centimetri.
  • Se invece si trova nello stato "sotto" e viene colpita da un fotone di lunghezza d'onda 1.25 centimetri passa immediatamente nello stato "sopra" **(come conseguenza dell'aver assorbito il fotone) .
Vi è però un altro possibile caso, scoperto da Einstein nel 1917:
  • Se l'ammoniaca si trova già nello stato "sopra" e viene colpita dal fotone con lunghezza d'onda 1.25 centimetri è costretta a diseccitarsi e a passare nello stato "sotto", con conseguente emissione del fotone caratteristico. In definitiva, l'ammoniaca viene colpita dal primo fotone, e a seguito della transizione ci sono due fotoni liberi!
 In particolare, il fotone emesso dalla molecola avrà la stessa direzione del fotone che l'ha colpita. Tale processo va sotto il nome di emissione stimolata.

Townes, a sinistra, col primo maser
 Tutto ciò è molto interessante, ma non incontrò applicazioni pratiche fino al 1957, quando il fisico Charles Hard Townes scoprì come isolare le molecole di ammoniaca che si trovano nello stato "sopra". Ciò portò alla realizzazione del maser, una prima versione del laser.

 Immaginiamo infatti di riuscire ad aggregare un gran numero di molecole nello stato "sopra" e di irradiare questo campione con delle microonde di lunghezza d'onda 1.25 centimetri. I fotoni delle microonde andranno ad impattare sulle molecole di ammoniaca, che emetteranno altri fotoni identici passando allo stato "sotto". Questi fotoni si aggiungeranno ai precedenti e andranno ad impattare su altre molecole nello stato "sopra". La conseguenza è che disponendo di un debolissimo fascio di microonde è possibile aumentare notevolmente la sua intensità irradiando un campione di questo tipo.


 Tale principio è alla base del maser, una sigla che sta appunto per:
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Ben presto furono sviluppati diverse apparecchiature basate su questo meccanismo, e vennero identificate altre sostanze con lo stesso comportamento dell'ammoniaca.

 Tuttavia, i primi maser avevano un grave difetto: erano intermittenti. In effetti, una volta che tutte le molecole erano passate nello stato "sotto" non era più possibile ottenere l'amplificazione di radiazione. Quello che accadeva era più o meno questo:
  1. Si isolavano le molecole nello stato "sopra"
  2. Si bombardavano queste molecole per ottenere emissione stimolata, e quindi amplificazione di radiazione
  3. Il campione utilizzato doveva essere nuovamente "ricaricato", per riportare le molecole nello stato "sopra" e dare inizio a una nuova amplificazione.
Il problema stava proprio nel fatto che non era possibile ottenere un'amplificazione continua, ma bisognava continuamente interromperla per ricaricare il campione.
Tale processo è chiamato "Pompaggio Ottico"
 Tale problema venne risolto utilizzando molecole con tre diversi stati, anziché due. In pratica, si aggiungeva uno stato "medio", con energia compresa tra quella dello stato "sopra" e quella dello stato "sotto". La differenza sta nel fatto che i fotoni necessari a far passare la molecola dallo stato "sotto" allo stato "medio" e dallo stato "medio" allo stato "sopra" sono diversi da quelli che provocano l'emissione stimolata (ovvero quelli che fanno passare la molecola da "sopra" a "sotto"). Lo so, è un po' complicato da capire!
 Tuttavia, l'utilizzo di queste nuove molecole consentì di sviluppare il primo maser continuo. Diventava possibile irradiare il campione con due tipi di onde: delle microonde per ottenere l'emissione stimolata e delle onde a lunghezza d'onda maggiore per portare le molecole dallo stato "sotto" allo stato "medio" e quindi dallo stato "medio" allo stato "sopra". Con questa nuova tecnica non era più necessario interrompere l'amplificazione per effettuare un nuovo pompaggio!
Il Laser
 
 In effetti, nulla ci costringe ad utilizzare solamente molecole in grado di amplificare delle microonde. In linea di principio lo stesso principio di funzionamento del maser può essere applicato a tutte le onde, a patto di identificare delle molecole adatte. Fu lo stesso Townes a proporre la realizzazione del primo maser ottico, coniando così la sigla laser, ossia:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

 Il primo laser venne costruito nel 1960, utilizzando le molecole di un rubino (ossido di alluminio e di cromo), che però presentavano il problema dell'intermittenza. Ad ogni modo, pochi mesi più tardi venne utilizzata una miscela di neon ed elio per produrre il primo laser continuo.

 Fu una vera rivoluzione. Dopo soli tre anni dalla creazione del primo maser si era in grado di generare una radiazione con caratteristiche mai raggiunte fino ad allora:
  • Realizzazione della luce più intensa mai generata fino ad allora
  • Luce quasi perfettamente monocromatica ***(ovvero formata da onde aventi la stessa lunghezza d'onda)
  • Luce quasi perfettamente collimata, quindi in grado di percorrere lunghe distanze senza ridurre notevolmente la sua intensità
Oltre a molte altre caratteristiche peculiari... Per farci un'idea di quanto sia collimata la luce di un laser ci basti pensare che nel 1962 uno di essi fu puntato verso la Luna, e venne studiato il suo riflesso sulla Terra. Dopo aver percorso quasi 400000 kilometri, il diametro del raggio laser si era allargato ad appena 3 kilometri. Può sembrare molto, dato che non siamo abituati ad osservare raggi luminosi così larghi, ma è un risultato davvero eccezionale!

 In breve i laser fecero la loro comparsa nel mondo accademico, e quindi nel mondo in generale. Infine, nel 1964 Townes ricevette il premio Nobel per le sue ricerche sull'amplificazione della radiazione elettromagnetica.

 Da quel momento le applicazioni del laser divennero innumerevoli in moltissimi ambiti, al punto che è impossibile elencarle tutte in quest'articolo. Inoltre, probabilmente il futuro ci riserverà nuovi sviluppi di questa eccezionale tecnologia.
Ricordatevelo quando guarderete Star Wars VII

 Conclusioni

 L'invenzione della tecnologia laser è relativamente recente, ma ciò non le ha impedito di diffondersi largamente. Probabilmente oggi non esiste nessun ambito scientifico in cui non si faccia uso di questi strumenti. Personalmente trovo davvero affascinante il funzionamento di questi oggetti, e spero di averne trasmesso l'interesse attraverso questo post.
Grazie per aver letto fin qui,

Giulio






Immagini tratte da:
www.medben.it
www.tntcarta.it
iccarmagnolaprimo.gov.it
www.spiz.it
www.britannica.com
http://www.treccani.it/enciclopedia/ottica-quantistica_%28Enciclopedia_del_Novecento%29/
www.tomshw.it 

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