Laser

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La parola LASER è un acronimo che significa "amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione" (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Per illustrare il funzionamento del LASER esaminiamo queste parole una ad una

Emissione stimolata di radiazione

Gli elettroni in un atomo nel suo stato stazionario non possono possedere energie qualunque, ma sono disposti su livelli di energia ben definiti. Nello schema seguente sono illustrati i primi livelli di un atomo con un solo elettrone (pallino rosso)

Livelli atomici.png

Questi livelli sono facilmente osservabili sperimentalmente grazie al fatto che quando un elettrone salta da un livello ad un altro emette energia elettromagnetica, tipicamente nella regione dell'ultravioletto, ma anche nel visibile. Lo "spettro atomico", cioè l'insieme di tutta l'energia elettromagnetica emessa, non si presenta quindi come un continuo, ma come un insieme di linee ben definite. Nello schema seguente sono illustrate i primi salti energetici possibili per l'elettrone, e le corrispondenti linee spettrali.

Spettro atomico.png

Ma in che modo un elettrone salta da un livello all'altro?

I due meccanismi principali, l'emissione spontanea e l'emissione stimolata, sono illustrati nella seguente tabella.

l'emissione spontanea l'emissione stimolata.

Nell'emissione spontanea un elettrone perde energia passando da un livello ad energia maggiore ad uno ad energia minore. L'energia perduta abbandona l'atomo sotto forma di fotone, cioè di un quanto di luce (radiazione elettromagnetica).

È possibile stimolare il processo di emissione avvalendosi di un altro quanto di luce avente energia pari esattamente alla differenza di energia dei due livelli elettronici che si vogliono impegnare. Il processo è il seguente: l'atomo è colpito da un fotone; nell'urto un elettrone scende di livello, e produce un altro fotone.

Emissione spontanea.png

Emissione stimolata.png

Bilancio: all'inizio si ha un atomo con un elettrone (pallino rosso) in uno stato eccitato; alla fine si trova l'atomo in uno stato non eccitato, e un fotone (freccia azzurra).

Bilancio: all'inizio si ha un atomo con un elettrone (pallino rosso) in uno stato eccitato e un fotone (freccia azzurra); alla fine si trova l'atomo in uno stato non eccitato, e due fotoni.

Amplificazione della luce

La caratteristica più notevole dell'emissione stimolata è che i due fotoni che si trovano nello stato finale sono del tutto indistinguibili: hanno la stessa energia, la stessa fase, sono emessi nella stessa direzione.

Si vede quindi che questo processo può essere sfruttato per ottenere una amplificazione della luce. Ovviamente questa amplificazione non crea nuova energia dal nulla: ricordiamo infatti che il sistema di atomi va "pompato" in uno stato eccitato prima di essere stimolato. La stimolazione non fa che estrarre l'energia che noi abbiamo fornito al sistema.

Il vantaggio è che l'estrazione di energia avviene rinforzando la coerenza e la monocromaticità della luce incidente.

Dove interviene la risonanza in questo processo?

  • Un primo fenomeno di risonanza (di tipo quantistico) compare nel processo stesso di emissione (spontanea o stimolata che sia). Esso è descritto sopra: il fotone "stimolante" deve essere in risonanza con i due livelli da cui si vuole estrarre un altro fotone perché il processo abbia luogo. In altre parole il fotone incidente deve avere energia pari alla differenza di energia dei livelli iniziale e finale tra cui si sposta l'elettrone.
  • Esiste poi una risonanza classica nella costruzione del dispositivo. Il laser è infatti esso stesso una cavità risonante, come è illustrato nel prossimo paragrafo.

Come è fatto un laser

Passando in rassegna schematicamente il principio di funzionamento illustrato sopra vediamo che per costruire un laser abbiamo bisogno dei seguenti componenti.

  • Un mezzo otticamente attivo, cioè un insieme di atomi in cui gli elettroni possono essere eccitati e diseccitati. Può trattarsi di un gas nobile, di un vapore metallico, di un cristallo semiconduttore, di un composto organico anche liquido, e, in un caso particolare, di un fascio di elettroni (vedi FEL)
  • Una sorgente di energia che "pompi" il mezzo in uno stato eccitato (condizione detta "inversione di popolazione"). Può essere una scarica elettrica, ma anche un flash luminoso, o un altro laser.
  • Una cavità risonante ottica, che ha lo scopo di riflettere avanti e indietro i fotoni in modo che essi passino più e più volte nel mezzo e sostengano l'amplificazione di luce contro le perdite di energia del sistema. La cavità risonante ottica è sostanzialmente una regione di spazio di lunghezza ben definita, racchiusa tra due specchi. Le onde elettromagnetiche viaggiano avanti e indietro tra gli specchi formando onde stazionarie.

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