Cos’è e come funziona un raggio laser?
I laser sono incredibili fasci di luce abbastanza potenti da ingrandire miglia nel cielo o tagliare grumi di metallo. Sebbene sembrino invenzioni piuttosto recenti, in realtà sono stati con noi per oltre mezzo secolo: la teoria è stata capita nel 1958; il primo laser pratico fu costruito nel 1960. A quel tempo, i laser erano esempi entusiasmanti di scienza all’avanguardia: l’agente segreto 007, James Bond, fu quasi tagliato a metà da un raggio laser nel film del 1964 Goldfinger. Ma a parte i cattivi di Bond, nessun altro aveva idea di cosa fare con un raggio laser; notoriamente, sono stati descritti come “una soluzione alla ricerca di un problema”. Oggi abbiamo tutti i laser nelle nostre case (nei lettori CD e DVD), nei nostri uffici (nelle stampanti laser) e nei negozi in cui facciamo acquisti (negli scanner di codici a barre). I nostri vestiti sono tagliati con i laser, fissiamo la nostra vista con un raggio laser e inviamo e riceviamo e-mail su Internet con segnali che i laser sparano cavi in fibra ottica. Che ce ne rendiamo conto o no, tutti noi utilizziamo i laser tutto il giorno, ma quanti di noi capiscono veramente cosa sono o come funzionano?
L’idea di base di un laser è semplice. È un tubo che concentra la luce più e più volte fino a quando non emerge in un raggio davvero potente. Ma come succede esattamente? Cosa succede dentro un laser? Diamo un’occhiata più da vicino!
I laser non sono solo potenti torce elettriche. La differenza tra luce ordinaria e luce laser è come la differenza tra le increspature nella vasca da bagno e le enormi onde sul mare. Probabilmente avrai notato che se muovi le mani avanti e indietro nella vasca da bagno puoi fare onde abbastanza forti. Se continui a muovere le mani al passo con le onde che crei, le onde diventano sempre più grandi. Immagina di farlo qualche milione di volte in mare aperto. In poco tempo, avresti onde montuose che torreggiano sulla tua testa! Un laser fa qualcosa di simile con le onde luminose. Inizia con una luce debole e continua ad aggiungere sempre più energia in modo che le onde luminose diventino sempre più concentrate.
I raggi laser seguono percorsi precisi tra gli specchi in un esperimento di laboratorio.
Foto: è molto più facile far sì che i raggi laser seguano percorsi precisi rispetto ai normali fasci di luce, come in questo esperimento per sviluppare celle solari migliori. Foto di Warren Gretz per gentile concessione di US DOE / NREL (Dipartimento per l’Energia / National Renewable Energy Laboratory).
Se hai persino visto un laser in un laboratorio scientifico, avrai notato subito due differenze molto importanti:
Laddove una torcia produce luce “bianca” (una miscela di tutti i diversi colori, prodotta da onde luminose di tutte le diverse frequenze), un laser produce quella che viene chiamata luce monocromatica (di una singola frequenza e colore molto precisi, spesso rosso brillante o verde o un “colore” invisibile come infrarossi o ultravioletti).
Dove un raggio di torcia si diffonde attraverso una lente in un cono corto e piuttosto sfocato, un laser spara un raggio molto più stretto e più stretto su una distanza molto più lunga (diciamo che è altamente collimato).
C’è una terza differenza importante che non avrai notato:
Dove le onde di luce in un raggio di torcia sono tutte confuse (con le creste di alcuni raggi mescolate con le depressioni di altri), le onde nella luce laser sono esattamente al passo: la cresta di ogni onda è allineata con la cresta di ogni altra onda. Diciamo che la luce laser è coerente. Pensa a un raggio di torcia come una folla di pendolari, che spingono e spingono, spingendosi lungo la piattaforma di una stazione ferroviaria; in confronto, un raggio laser è come una parata di soldati che marciano tutti esattamente al passo.
Queste tre cose rendono i laser precisi, potenti e incredibilmente utili fasci di energia.
Di cosa hai bisogno per fare un laser?
Abbiamo bisogno di due parti fondamentali:
Un carico di atomi (un solido, liquido o gas) con elettroni in essi che possiamo stimolare. Questo è noto come il mezzo o, talvolta, il mezzo di amplificazione o “guadagno” (perché guadagno è un’altra parola per l’amplificazione).
Qualcosa con cui stimolare gli atomi, come un tubo flash (come la lampada flash allo xeno in una fotocamera) o un altro laser.
Un tipico laser rosso conterrebbe un lungo cristallo di rubino (il mezzo, mostrato nella grafica sotto come una barra rossa) con un tubo flash (linee a zig-zag gialle) avvolto attorno ad esso. Il tubo del flash assomiglia un po ‘a una striscia fluorescente, solo che si avvolge attorno al cristallo di rubino e lampeggia ogni tanto come una lampada flash di una fotocamera.
1- Un’alimentazione elettrica ad alta tensione fa accendere e spegnere il tubo.
2- Ogni volta che il tubo lampeggia, “pompa” l’energia nel cristallo di rubino. I lampi fa iniettare energia nel cristallo sotto forma di fotoni.
3-Gli atomi nel cristallo di rubino (grandi chiazze verdi) assorbono questa energia in un processo chiamato assorbimento. Gli atomi assorbono energia quando i loro elettroni saltano a un livello di energia più elevato. Dopo alcuni millisecondi, gli elettroni ritornano al loro livello di energia originale (stato fondamentale) emettendo un fotone di luce (piccole chiazze blu). Questo si chiama emissione spontanea.
4-I fotoni che gli atomi emanano zoomano su e giù all’interno del cristallo di rubino, viaggiando alla velocità della luce.
5-Ogni tanto uno di questi fotoni stimola un atomo già eccitato. Quando ciò accade, l’atomo eccitato emette un fotone e riprendiamo anche il nostro fotone originale. Questo si chiama emissione stimolata. Ora un fotone di luce ha prodotto due, quindi la luce è stata amplificata (maggiore intensità). In altre parole, “l’amplificazione della luce” (un aumento della quantità di luce) è stata causata da “emissione stimolata di radiazioni” (da qui il nome “laser”, perché è esattamente così che funziona un laser!)
6-Uno specchio ad un’estremità del tubo laser mantiene i fotoni che rimbalzano avanti e indietro all’interno del cristallo.
7-Uno specchio parziale all’altra estremità del tubo rimbalza alcuni fotoni nel cristallo ma lascia scappare.
8-I fotoni in fuga formano un raggio molto concentrato di potente luce laser.
Se hai tutti i dettagli che vuoi sapere sui laser, puoi smettere di leggere ora o saltare più in basso alla pagina per i tipi di laser. Questa sezione ripercorre gli stessi punti del riquadro sopra in modo un po ‘più dettagliato e un po’ più “teoricamente”.
Nei libri leggerai spesso che “laser” sta per Amplificazione della luce per emissione stimolata di radiazioni. È un boccone complesso e confuso ma, se lo fai lentamente, è in realtà una spiegazione molto chiara di come i laser producono i loro fasci di luce super potenti.
Illustrazione: Come funzionano i laser in teoria: Sinistra: Assorbimento: energia del fuoco (verde) in un atomo e puoi spostare un elettrone (blu) dal suo stato fondamentale a uno stato eccitato, il che di solito significa spingerlo più lontano dal nucleo (grigio) . Al centro: emissione spontanea: un elettrone eccitato tornerà naturalmente al suo stato fondamentale, emettendo un quanto (pacchetto di energia) come un fotone (verde oscillazione). A destra: emissione stimolata: spara un fotone vicino a un gruppo di atomi eccitati e puoi innescare una cascata di fotoni identici. Un fotone di luce innesca molti, quindi quello che abbiamo qui è l’amplificazione della luce (fare più luce) dall’emissione stimolata di radiazione (elettromagnetica) — LASER !.
Se è così che i laser illuminano, perché creano un singolo colore e un raggio coerente? Si riduce all’idea che l’energia può esistere solo in pacchetti fissi, ognuno dei quali è chiamato un quanto. È un po ‘come il denaro. Puoi avere denaro solo in multipli dell’unità più elementare della tua valuta, che potrebbe essere un centesimo, un centesimo, una rupia o qualsiasi altra cosa. Non puoi avere un decimo di centesimo o un ventesimo di una rupia, ma puoi avere 10 centesimi o 20 rupie. Lo stesso vale per l’energia ed è particolarmente evidente all’interno degli atomi.
Come i pioli di una scala, i livelli di energia negli atomi sono in punti fissi, con degli spazi tra loro. Non puoi mettere il piede da nessuna parte su una scala, solo sui pioli; e esattamente allo stesso modo, puoi muovere solo elettroni in atomi tra i livelli di energia fissi. Per far saltare un elettrone da un livello inferiore a uno superiore, è necessario alimentare una quantità precisa (quantistica) di energia, pari alla differenza tra i due livelli di energia. Quando gli elettroni tornano indietro dal loro stato eccitato al loro stato fondamentale, emettono la stessa quantità precisa di energia, che assume la forma di un fotone di luce di un colore particolare. L’emissione stimolata nei laser fa sì che gli elettroni producano una cascata di fotoni identici – identici in energia, frequenza, lunghezza d’onda – ed è per questo che la luce laser è monocromatica. I fotoni prodotti sono equivalenti alle onde di luce le cui creste e depressioni si allineano (in altre parole, sono “in fase”) – ed è ciò che rende coerente la luce laser.