IL LASER. Principio di funzionamento.

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Bruno Capone
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1 IL LASER Acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione di luce per mezzo di emissione stimolata di radiazione), è un amplificatore coerente di fotoni, cioè un dispositivo che, quando al suo ingresso si presenta un fotone con una determinata frequenza e fase, ha la capacità di generare altri fotoni con la stessa frequenza ed in fase con il fotone di ingresso, di fatto amplificando la luce entrante. Ciò è reso possibile dal fenomeno fisico dell emissione stimolata. Sebbene la possibilità di realizzare un amplificatore di luce fosse già stata teorizzata da Einstein agli inizi del secolo, solo nel 1954 si riuscì a realizzare il primo amplificatore di radiazione elettromagnetica nelle micro-onde (MASER) e solo nel 1960 il primo laser nel visibile (il laser a rubino). Principio di funzionamento. In un sistema fisico semplice (atomo o molecola) con due livelli di energia (stato fondamentale E1 e stato eccitato E2), le possibili interazioni tra radiazione elettromagnetica e il sistema stesso sono tre. Assorbimento: quando il sistema si trova nello stato fondamentale E1 e viene investito da un fotone con energia hν = E2-E1, il sistema ha una certa probabilità (coefficiente di assorbimento α) di assorbire il fotone passando allo stato eccitato E2. 1

ingresso, di fatto amplificando la luce entrante. Ciò è reso possibile dal fenomeno fisico dell emissione stimolata.

Emissione spontanea: quando si trova nel livello di energia E2, il sistema ha una probabilità di emettere un fotone di energia hν = E2-E1, passando dallo stato eccitato allo stato fondamentale; tale

2 Emissione spontanea: quando si trova nel livello di energia E2, il sistema ha una probabilità di emettere un fotone di energia hν = E2-E1, passando dallo stato eccitato allo stato fondamentale; tale probabilità è funzione del tempo e determina la vita media dello stato eccitato. Emissione stimolata: quando si trova nel livello di energia E2 e viene investito da un fotone di energia hν = E2-E1, il sistema può essere stimolato a passare dallo stato eccitato a quello fondamentale emettendo un fotone identico a quello che ha stimolato l emissione ed in fase con esso; si hanno quindi in uscita dal sistema due fotoni identici, ovvero il fotone entrante è stato amplificato di un fattore due. La probabilità che il fotone causi emissione stimolata è uguale alla probabilità di assorbimento α. In un sistema fisico in condizioni normali il numero di atomi o molecole che si trovano nello stato fondamentale N1, è sempre maggiore al numero di atomi o molecole che si trovano nello stato eccitato N2, perciò un fotone che attraversa il sistema ha maggiore probabilità di venire assorbito che di stimolare una emissione. 2

Emissione stimolata: quando si trova nel livello di energia E2 e viene investito da un fotone di energia hν = E2-E1, il sistema può essere stimolato a passare dallo stato eccitato a quello

3 Se il sistema viene posto in condizioni tali da causare una inversione di popolazione (N2>N1), per quanto detto sopra, la probabilità che il fotone causi una emissione stimolata è maggiore della probabilità di venire assorbito e il sistema si comporta da amplificatore di radiazione e si dice attivo. Lo schema più semplice di laser è il cosiddetto laser a tre livelli che implica un sistema con tre livelli energetici: E1 ed E2 (livelli tra i quali avviene la transizione laser) ed un livello ausiliario E3 > E2. Mediante un trasferimento di energia detto pompaggio, gli atomi vengono portati dallo stato fondamentale allo stato eccitato E3. Da qui si diseccitano spontaneamente e velocemente al livello E2 il quale è in genere un livello metastabile cioè con una probabilità di diseccitazione spontanea molto bassa. Se quindi il meccanismo di pompaggio è rapido rispetto alla diseccitazione spontanea di E2, si verifica la condizione di inversione di popolazione ed il mezzo diventa attivo. Livelli energetici di un laser a tre livelli A questo punto occorre precisare che sebbene laser voglia dire amplificatore di luce, il termine viene utilizzato per indicare delle sorgenti autonome di luce coerente, cioè degli oscillatori ottici. Per realizzare un oscillatore si pone il mezzo attivo tra due specchi (cavità risonante) in modo che i fotoni uscenti dal mezzo attivo vengono riflessi dallo specchio, rientrano nel mezzo attivo ove vengono ulteriormente amplificati, per poi uscire dal lato opposto dove il secondo specchio li riflette nuovamente nel mezzo attivo e così via. 3

Lo schema più semplice di laser è il cosiddetto laser a tre livelli che implica un sistema con tre livelli energetici: E1 ed E2 (livelli tra i quali avviene la transizione laser) ed un livello

4 Perché l effetto delle successive riflessioni e amplificazioni sia costruttivo, è necessario che i fotoni amplificati nelle successive riflessioni siano in fase tra loro, condizione che si verifica se la distanza fra gli specchi è pari a un multiplo intero di λ/2 (essendo λ la lunghezza d onda dei fotoni amplificati). Abbiamo ora una gran quantità di fotoni che rimbalzano tra i due specchi della cavità. Per utilizzarla è necesario estrarne una parte; ciò si fa sostituendo uno dei due specchi con uno specchio semiriflettente che rifletta indietro la maggior parte della luce e ne lasci passare una piccola parte (p. es. 1%). Si raggiunge così un equilibrio tra il guadagno di fotoni dovuto al mezzo attivo e i fotoni persi attraverso lo specchio semiriflettente che a loro volta sono la potenza utile di radiazione laser. Tipi di laser Sebbene i meccanismi di pompaggio siano in genere molto più complicati di quello sopra descritto, ogni tipo di laser si basa sulla inversione di popolazione e sulla presenza di una cavità risonante. Le principali famiglie di laser sono: a cristallo (ad es. rubino, neodimio), a gas (ad es. elioneon, argon, anidride carbonica), a semiconduttore (diodi laser). 4

Abbiamo ora una gran quantità di fotoni che rimbalzano tra i due specchi della cavità.

5 Nei laser a cristallo i livelli energetici sono dovuti ad impurezze presenti nel cristallo ed il pompaggio avviene per illuminamento con lampade, LED o per mezzo di altro laser. Nei laser a gas, in genere il sistema è complesso, coinvolge più di tre livelli energetici e diversi gas di cui solo uno provvede a emettere la radiazione e gli altri hanno ruoli diversi nel meccanismo di inversione di popolazione; l energia di pompaggio è fornita da una scarica elettrica che attraversa la miscela di gas. I laser a semiconduttore sono una evoluzione dei diodi LED, dove i livelli energetici sono determinati dal drogaggio del semiconduttore ed il pompaggio è dovuto alla corrente che attraversa la giunzione p-n. A differenza degli altri tipi di laser, la cavità risonante non è costituita da due specchi, bensì dall interfaccia semiconduttore-aria che, pur avendo una riflettività di solo il 70%, è sufficiente per innescare l oscillazione dato l elevatissimo guadagno del mezzo attivo. Proprietà e applicazioni del fascio laser La possibilità del laser di generare un numero enorme (non vi è un limite superiore teorico) di fotoni identici tra loro in frequenza, in fase e direzione, conferisce a tale fascio elettromagnetico proprietà uniche che hanno aperto prospettive di applicazioni tecnologiche e scientifiche altrimenti impensabili ed in continua evoluzione. La monocromaticità, cioè la capacità di emettere fotoni aventi (entro un piccolissimo intervallo) la stessa frequenza (colore), abbinata all accordabilità, ovvero la possibilità di variare (entro un determinato intervallo che dipende dal tipo di laser) tale frequenza, rende il laser uno strumento ormai insostituibile nel campo della spettroscopia in quanto permette di osservare con una risoluzione ed una accuratezza altrimenti impensabili gli spettri di assorbimento degli atomi e delle molecole. Monocromaticità e accordabilità sono anche fondamentali nel campo delle comunicazioni in fibra ottica dove in ogni fibra vengono convogliati contemporaneamente fasci di diversa frequenza recante ognuno una enorme quantità di informazioni. La coerenza spaziale, conseguenza dell elevatissima monocromaticità, è la proprietà che hanno i fotoni del fascio di rimanere in fase tra loro anche dopo un lungo percorso. Tale proprietà permette la realizzazione degli interferometri strumenti che per la loro intrinseca accuratezza hanno rivoluzionato il mondo delle misure dimensionali. L elevatissima densità di energia ottenibile con un fascio laser è utilizzata in applicazioni in cui sia necessario un riscaldamento localizzato di un tessuto organico o altro materiale. Un esempio comune è l uso del laser in oftalmica per la correzione dei difetti della vista: in questo caso un fascio di luce ultravioletta viene focalizzato sulla cornea e causa l evaporazione di una minuscola porzione di tessuto; l operazione ripetuta milioni di volte permette di rimodellare ad hoc la superficie della cornea. In campo industriale si utilizza il laser per tagliare, forare, saldare, marcare metalli ed altri materiali con il vantaggio di non utilizzare utensili meccanici e di operare con elevata precisione. 5

meccanismo di inversione di popolazione; l energia di pompaggio è fornita da una scarica elettrica che attraversa la miscela di gas.

6 In questo caso si usano principalmente laser nell infrarosso ad anidride carbonica e a neodimio che sono i laser con maggiore rendimento e che permettono di generare fasci di grande potenza (decine di kilowatt). Altre comuni utilizzazioni dei laser sono: rilevamento del territorio per mezzo di teodoliti laser e opere di ingegneria civile che sfruttano la piccolissima divergenza dei fasci laser (pochi milliradianti) e quindi la possibilità di tracciare nello spazio linee virtuali perfettamente rettilinee; stampanti laser, compact disc e DVD ove viene sfruttata la possibilità di focalizzare il fascio laser in un punto di dimensioni paragonabili alla lunghezza d onda, gli ologrammi ove viene sfruttata la elevata coerenza spaziale. 6

Altre comuni utilizzazioni dei laser sono: rilevamento del territorio per mezzo di teodoliti laser e opere di ingegneria civile che sfruttano la piccolissima divergenza dei fasci laser

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