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Come funziona il laser
Il primo a funzionare
fu il laser a rubino. Per
comprenderne il funzionamento,
che è alla base di
quello di qualsiasi laser,
occorre partire dalla
considerazione che la
luce è composta da fotoni,
i quali a loro volta sono
particelle aventi ciascuna
un’energia (w) pari a:
w = h x f
dove h è la costante di
Planck (6,634 x 10 -34
joule x secondo) ed f la
frequenza della lunghezza
d’onda corrispondente alla
radiazione cui appartengono.
A sua volta f vale:
f = / v
dove è la lunghezza
d’onda della radiazione e v
rubino
raggio
lampada
allo xeno
causare! E non possiamo dimenticare
che l’idea di realizzare
armi a laser, seppure sia stata
abbandonata per quelle portatili
(l’elevata energia che servirebbe
ad alimentarle, difficilmente si
può ricavare da un sistema da
tenere in mano...) ha trovato ampio
sfogo nelle postazioni fisse:
cannoni laser per difesa aerea
e non solo, già operano a terra,
sulle navi e persino su speciali
aerei. E le applicazioni non si
fermano qui, perché la luce del
laser, per coerenza, concentrazio-
40 Novembre 2010 ~ Elettronica In
la velocità della luce.
Normalmente la luce che
investe un materiale gli
cede una parte dell’energia
che possiede: maggiore
è tale fenomeno,
più la radiazione viene
assorbita. L’energia ceduta
eccita gli atomi del
materiale, innalzandone
il livello energetico degli
elettroni periferici (gli
elettroni ruotano intorno
al nucleo dell’atomo) che
passano dallo stato normale
a quello eccitato; ciò
vuol dire che si portano su
un’orbita più esterna. Siccome
ogni elettrone tende
a tornare al suo posto,
quando lo fa restituisce
l’energia in eccesso sotto
forma di fotone. L’energia
del fotone dipende da
quella ceduta dall’elettrone
e quanto più è alta,
specchio
riflettente
cilindro riflettente
specchio
semi-riflettente
alimentatore
tanto maggiore è la frequenza
dell’onda luminosa
prodotta e tanto minore è
la lunghezza d’onda. Questa
emissione stimolata si
verifica se nel materiale
ci sono più atomi eccitati
che atomi normali, allorché
la luce che attraversa
il materiale guadagna
potenza invece di perderla
per assorbimento. Nel
laser, gli atomi vengono
dapprima eccitati, cioè
pompati tramite una fonte
d’energia, quindi stimolati
ad emettere l’energia
immagazzinata per
mezzo di una radiazione
esterna di frequenza ben
determinata. I fotoni che
compongono la radiazione
emessa sono sincronizzati
e viaggiano in fase con
quelli che li stimolano.
Il laser a rubino si basa su
un cristallo cilindrico che
funge sia da mezzo attivo
ne e direzionalità, ben si presta
a veicolare informazioni di tipo
numerico e analogico. Certamente
chi per primo ha ipotizzato il
laser avrebbe potuto immaginare
solo una parte degli sviluppi
della sua invenzione. Ma cos’è
esattamente un laser? Per comprenderlo
bisogna richiamare il
concetto di “emissione stimolata”
di elettroni da parte dei corpi.
Questo fenomeno, già impiegato
nei tubi termoionici, è stato alla
base del MASER, l’antenato del
laser: qui gli elettroni rilasciati a
che da risonatore: le due
basi del cilindro, piane e
parallele, vengono lavorate
e rivestite con uno
strato riflettente (un lato
riflette al 96 e l’altro al 50
%) in modo da funzionare
come i due specchi di un
risonatore ottico. Il rubino
sintetico è un cristallo di
allumina (Al2O3) drogato
con circa lo 0,05 % di ioni
cromo trivalente che gli
conferiscono il caratteristico
colore rosso;
l’alluminio e l’ossigeno
sono otticamente inerti,
mentre gli ioni di cromo
sono otticamente attivi.
Si tratta di un laser a tre
livelli: quando si irraggia il
cristallo con luce bianca,
questa viene assorbita
dagli ioni di cromo e molti
elettroni vengono eccitati
in un’ampia banda di livelli
energetici. Alcuni elettroni
ritornano rapidamente allo
I fotoni stimolano l’emissione di altri fotoni
quando gli atomi tornano nello stato normale
seguito della stimolazione subiscono
un’amplificazione e l’onda
che si produce acquista un’energia
consistente. Ma non solo: gli
elettroni liberati oscillano alla
stessa frequenza della radiazione
che li stimola. Nel caso del laser
avviene un fenomeno analogo,
con la differenza sostanziale che
ad essere stimolata è l’emissione
di fotoni; il fotone è la particella
elementare (quanto) componente
sia la luce che vediamo, sia
quella che sfugge ai nostri occhi
(infrarosso ed ultravioletto).