laser

1. CITTADINANZA E COSTITUZIONE
 Liceo Scientifico Corradino D’Ascanio
 Classe: 5F
 Alunno: Kristi Dedja
LASER
storia ed evoluzione
STORIA
Nel 1917, Albert Einstein stabilì le basi teoriche per il laser e il maser nel documento Zur Quantentheorie der
Strahlung (Sulla teoria quantistica della radiazione) attraverso una re-derivazione della legge della radiazione
di Max Planck, concettualmente basata su coefficienti di probabilità (coefficienti di Einstein) per
l'assorbimento, l'emissione spontanea e l'emissione stimolata di radiazioni elettromagnetiche.
Albert Einstein
Nel 1928, Rudolf W. Ladenburg confermò l'esistenza dei fenomeni di emissione stimolata e assorbimento
negativo. Nel 1939, Valentin A. Fabrikant predisse l'uso dell'emissione stimolata per amplificare onde
"corte". Nel1947, Willis E. Lamb e R.C. Retherford ha trovato un'emissione stimolata apparente negli spettri
di idrogeno ed ha effettuato la prima dimostrazione dell'emissione stimolata. Nel 1950 Alfred Kastler
(Premio Nobel per la fisica 1966) propose il metodo del pompaggio ottico, confermato sperimentalmente,
due anni dopo, da Brossel, Kastler e Winter. Nel 1953, Charles Hard Townes e gli studenti laureati James P.
Gordon e Herbert J. Zeiger produssero il primo amplificatore a microonde, un dispositivo che funziona con
principi simili al laser, ma che amplifica la radiazione a microonde anziché la radiazione infrarossa o
visibile. Il maser di Townes poteva erogare solo una minima potenza, circa 10 nW. Nel frattempo,
nell'Unione Sovietica, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov stavano lavorando indipendentemente
sull'oscillatore quantico e risolto il problema dei sistemi di uscita continua usando più di due livelli di
energia.Nel 1955, Prokhorov e Basov suggerirono il pompaggio ottico, in seguito un metodo principale di
pompaggio laser.
Aleksandr Prokhorov

2. Nel 1957, Charles Hard Townes e Arthur Leonard Schawlow, allora ai Bell Labs,iniziarono a studiare
seriamente il laser a infrarossi. Mentre le idee si sviluppavano, abbandonarono le radiazioni infrarosse per
concentrarsiinvece sulla luce visibile. Il concetto originariamente era chiamato un "maser ottico".
Contemporaneamente, alla Columbia University, lo studente Gordon Gould stava lavorando a una tesi di
dottorato sui livelli energetici del tallio eccitato. Nel corso di una conferenza del 1959, Gordon Gould
pubblicò il termine LASER nell'articolo The LASER, Amplificazione della luce mediante emissione
stimolata di radiazioni. L'intenzione di Gould era quello di utilizzare la parola "-aser" come suffisso per
indicare con precisione lo spettro della luce emessa daldispositivo LASER; quindi raggi X: xaser,
ultravioletto: uvaser, eccetera; nessuno siaffermò come un termine specifico, sebbene "raser" fosse
brevemente popolare per indicare i dispositivi che emettevano radiofrequenze. Gli appunti di Gould
includevano possibili applicazioni per un laser, come spettrometria, interferometria, radar e fusione nucleare.
Ha continuato a sviluppare l'idea, e ha presentato una domanda di brevetto nell'aprile del 1959. L'Ufficio
brevetti degli Stati Uniti ha negato la sua domanda, e ha assegnato la possibilità di effettuare un brevetto alla
Bell Labs, nel 1960. Ciò provocò una causa lunga ventotto anni, con in gioco il prestigio scientifico e denaro.
Gould vinse il suo primo brevetto minore nel 1977, ma fu nel 1987 che vinse la prima significativa vittoria
della causa in materia di brevetti, quando un giudice federale ordinò all'Ufficio brevetti degli Stati Uniti di
rilasciare brevetti a Gould per i dispositivi laser a pompaggio ottico e di scarico del gas. Il 16 maggio 1960,
Theodore H. Maiman gestì il primo laser funzionante presso gli Hughes Research Laboratories,Malibu,
California, davanti a numerosi team di ricerca, tra cui quelli di Townes,alla Columbia University, Arthur
Schawlow, ai Bell Labs e Gould. Il laser funzionale di Maiman ha utilizzato un cristallo di rubino sintetico
pompato da una torcia per produrre luce laser rossa a 694 nanometri di lunghezza d'onda. Il dispositivo era in
grado di funzionare solo a impulsi, grazie al suo schema di progettazione di pompaggio a tre livelli. Più tardi
quell'anno, il fisico iraniano Ali Javan, William R. Bennett e Donald Herriott, costruirono il primo laser a
gas, usando elio e neon in grado di operare in modo continuo nell'infrarosso. Nel 1962, Robert N. Hall
dimostrò il primo dispositivo a diodi laser, che era fatto di arsenuro di gallio ed emesso nella banda del
vicino infrarosso dello spettro a 850 nm. Più tardi quell'anno, Nick Holonyak, Jr. dimostrò il primo laser a
semiconduttore con un'emissione visibile. Questo primo laser a semiconduttore poteva essere utilizzato solo
nel funzionamento a raggi pulsati e quando raffreddato a temperature di azoto liquido (77 K). Nel 1970,
Zhores Alferov, in URSS, e Izuo Hayashi e Morton Panish dei Bell Telephone Laboratories hanno anche
sviluppato in modo indipendente laser diodi a temperatura ambiente, a funzionamento continuo, utilizzando
la struttura di eterogiunzione.
Principi Fondamentali e caratteristiche
L'emissione laser è modellata dalle regole della meccanica quantistica, che limitano gli atomi e le molecole
ad avere quantità discrete di energia immagazzinata che dipendono dalla natura dell'atomo o della molecola.
Il livello di energia più basso per un singolo atomo si verifica quando i suoi elettroni sono tutti nelle orbite
più vicine possibili al suo nucleo (vedi configurazione elettronica). Questa condizione è chiamata stato
fondamentale. Quando uno o più elettroni di un atomo hanno assorbito energia, possono spostarsi verso
orbite esterne e l'atomo viene quindi definito "eccitato". Gli stati eccitati non sono generalmente stabili;
quando gli elettroni scendono da livelli di energia superiore a livelli di energia inferiore, emettono l'energia
extra come luce. Einstein ha riconosciuto che questa emissione potrebbe essere prodotta in due modi. Di
solito, i pacchettidi luce discreti noti come fotoni vengono emessi spontaneamente, senza intervento esterno.
In alternativa, un fotone di passaggio potrebbe stimolare un atomo o una molecola ad emettere luce, se
l'energia del fotone di passaggio corrispondesse esattamente all'energia che un elettrone rilasciare
spontaneamente quando cade in una configurazione a energia inferiore. Quale processo domina dipende dal
rapporto tra configurazioni di energia inferiore e di energia superiore. Di solito predominano le
configurazioni a bassa energia. Ciò significa che un fotone emesso spontaneamente ha maggiori probabilità
di essere assorbito e aumentare un elettrone da una configurazione a energia inferiore a una configurazione a
energia superiore rispetto a stimolare una configurazione a energia superiore per passare a una

3. configurazione a energia inferiore emettendo un secondo fotone. Finché gli stati a bassa energia sono più
comuni, l'emissione stimolata si estinguerà. Tuttavia, se predominano configurazioni di energia superiore
(una condizione nota come inversione di popolazione), i fotoni emessi spontaneamente hanno maggiori
probabilità di stimolare ulteriori emissioni, generando una cascata difotoni. Il calore da solo non produce
un'inversione di popolazione; alcuni processi devono eccitare selettivamente gli atomi o le molecole. In
genere,ciò avviene illuminando il materiale laser con luce intensa o facendo passare una corrente elettrica
attraverso di esso. Il sistema più semplice concepibile, come il maser di ammoniaca costruito da Townes,ha
solo due livelli di energia. I sistemi laser più utili comportano tre o quattro livelli di energia. In un laser a tre
livelli, il materiale viene prima eccitato a uno stato ad alta energia di breve durata che scende
spontaneamente a uno stato di energia leggermente inferiore con una durata insolitamente lunga, chiamato
stato metastabile. Lo stato metastabile è importante perché intrappola e trattiene l'energia di eccitazione,
costruendo un'inversione di popolazione che può essere ulteriormente stimolata ad emettere radiazioni,
riportando le specie allo stato fondamentale. Il laser rubino sviluppato da Theodore Maiman è un esempio di
laser a tre livelli.
(spiegazione dell’immagine) Laser a tre livelli;
Uno scoppio di energia eccita gli elettroni in più della metà degli atomi dal loro stato fondamentale a uno
stato superiore, creando un'inversione della popolazione. Gli elettroni quindi cadono in uno stato di lunga
durata con un meno energia, dove possono essere stimolati a liberare rapidamente l'energia in eccesso
quando scoppia un laser, riportando gli elettroni in uno stato fondamentale stabile. Sfortunatamente, il laser a
tre livelli funziona solo se lo stato fondamentale è spopolato. Quando gli atomi o le molecole emettono luce,
si accumulano nello stato fondamentale, dove possono assorbire l'emissione stimolata e arrestare l'azione del
laser, quindi la maggior parte dei laser a tre livelli può solo generare impulsi. Questa difficoltà viene superata
nel laser a quattro livelli, in cui si trova uno stato di transizione aggiuntivo tra stati metastabili e di terra. Ciò
consente a molti laser a quattro livelli di emettere un raggio costante per giorni e giorni.

4. (in riferimento alla foto) Laser a quattro livelli. È possibile ottenere un raggio laser sostenuto utilizzando
atomi che hanno due livelli relativamente stabili tra il loro stato fondamentale e uno stato eccitato di energia
superiore. Come in un laser a tre livelli, gli atomi prima cadono in uno stato metastabile di lunga durata in
cui possono essere stimolati ad emettere energia in eccesso. Tuttavia,invece di cadere nello stato
fondamentale, si fermano in un altro stato al di sopra dello stato fondamentale da cui possono essere
facilmente eccitati fino allo stato metastabile superiore, mantenendo così l'inversione della popolazione
necessaria per il funzionamento laser continuo.
Le inversioni della popolazione possono essere prodotte in un gas, liquido o solido, ma la maggior parte dei
supporti laser sono gas o solidi. Tipicamente, i gas laser sono contenuti in tubi cilindrici ed eccitati da una
corrente elettrica o da una fonte di luce esterna,che si dice che "pompa" il laser. Allo stesso modo, i laser a
stato solido possono usare semiconduttori o cristalli trasparenticon piccole concentrazioni di atomi che
emettono luce.
È necessario un risonatore ottico per accumulare l'energia della luce nel raggio. Il risonatore si forma
posizionando una coppia di specchiuno di fronte all'altro in modo che la luce emessa lungo la linea tra gli
specchi sia riflessa avanti e indietro. Quando si crea un'inversione di popolazione nel mezzo, la luce riflessa
avanti e indietro aumenta di intensità ad ogni passaggio attraverso il mezzo laser. Altre fughe di luce intorno
agli specchisenza essere amplificate. In una cavità laser reale, uno o entrambi gli specchitrasmettono una
frazione della luce incidente. La frazione di luce trasmessa,cioè il raggio laser, dipende dal tipo di laser. Se il
laser genera un raggio continuo, la quantità di luce aggiunta dall'emissione stimolata ad ogni giro circolare
tra gli specchi è uguale alla luce che emerge nel raggio più le perdite all'interno del risonatore ottico.
Emissione stimolata in una cavità laser.

5. La combinazione di mezzo laser e cavità risonante forma quello che spesso viene chiamato semplicemente
un laser ma tecnicamente è un oscillatore laser. L'oscillazione determina molte proprietà laser e significa che
il dispositivo genera luce internamente. Senza specchi e cavità risonanti, un laser sarebbe solo un
amplificatore ottico, che può amplificare la luce da una fonte esterna ma non generare un raggio
internamente. Elias Snitzer, un ricercatore di American Optical, ha dimostrato il primo amplificatore ottico
nel 1961, ma tali dispositivi erano poco utilizzati fino alla diffusione delle comunicazioni basate su fibre
ottiche.
La luce laser si differenzia generalmente dalla luce per essere focalizzata in un raggio stretto, limitato a una
gamma ristretta di lunghezze d'onda (spesso chiamata "monocromatica") e costituita da onde che sono in fase
tra loro. Queste proprietà derivano dalle interazioni tra il processo di emissione stimolata, la cavità risonante
e il mezzo laser. L'emissione stimolata produce un secondo fotone identico a quello che ha stimolato
l'emissione, quindi il nuovo fotone ha la stessa fase,lunghezza d'onda e direzione - cioè i due sono coerenti
l'uno rispetto all'altro, con picchi e valli in fase. Sia l'originale che il nuovo fotone possono quindi stimolare
l'emissione di altri fotoni identici. Passare la luce avanti e indietro attraverso una cavità risonante migliora
questa uniformità, con il grado di coerenza e la ristrettezza del raggio a seconda del design del laser. Sebbene
un laser visibile produca quello che sembra un punto di luce sulla parete opposta di una stanza,
l'allineamento o la collimazione del raggio non è perfetta. L'entità della diffusione del raggio dipende sia
dalla distanza tra gli specchi laser che dalla diffrazione, che disperde la luce sul bordo di un'apertura. La
diffrazione è proporzionale alla lunghezza d'onda del laser divisa per la dimensione dell'apertura di
emissione; maggiore è l'apertura, più lentamente il raggio si diffonde. Un laser rosso al neon-elio emette da
un'apertura di un millimetro a una lunghezza d'onda di 0,633 micrometri, generando un raggio che diverge
con un angolo di circa 0,057 gradi, o un milliradiante. Un angolo così piccolo di divergenza produrrà un
punto di un metro a una distanza di un chilometro. Al contrario, un tipico raggio di torcia produce un punto
simile di un metro in pochi metri. Tuttavia, non tutti i laser producono fasci stretti. I laser a semiconduttore
emettono luce vicino a una lunghezza d'onda di un micrometro da un'apertura di dimensioni comparabili,
quindi la loro divergenza è di 20 gradi o più e sono necessarie ottiche esterne per focalizzare i loro raggi. La
lunghezza d'onda di uscita dipende dal materiale del laser, dal processo di emissione stimolata e dall'ottica
del risonatore laser. Per ogni transizione tra i livelli di energia, un materiale può supportare l'emissione
stimolata su una gamma limitata di lunghezze d'onda; l'estensione di tale intervallo varia a seconda della
natura del materiale e della transizione. La probabilità di emissione stimolata varia con la lunghezza d'onda e
il processo concentra l'emissione a lunghezze d'onda in cui tale probabilità è la più alta. Le cavità risonanti
supportano l'oscillazione laser a lunghezze d'onda che soddisfano una condizione di risonanza: un numero
integrale N di lunghezze d'onda λ deve essere uguale alla distanza percorsa dalla luce durante un viaggio
circolare tra gli specchi. Se la lunghezza della cavità è L e l'indice di rifrazione del materiale nella cavità
laser è n, la distanza di andata e ritorno 2L deve essere uguale a Nλ / n o 2L = Nλ / n. Ogni risonanza è
chiamata modalità longitudinale. Ad eccezione dei laser a semiconduttore, le cavità sono lunghe migliaia di
lunghezze d'onda, quindi le lunghezze d'onda delle modalità adiacenti sono strettamente distanziate e di
solito il laser emette contemporaneamente luce su due o più lunghezze d'onda entro lo 0,1 percento l'una
dall'altra. Questi raggi sono monocromatici per la maggior parte delle applicazioni pratiche; altre ottiche
possono essere aggiunte per limitare l'oscillazione del laser ad una singola modalità longitudinale e ad una
gamma ancora più ristretta di lunghezze d'onda. I migliori laser da laboratorio emettono una gamma di
lunghezze d'onda che differiscono di meno dello 0,0000001 percento. Più stretta è la gamma di lunghezze
d'onda, più coerente è il raggio, il che significa più precisamente ogni onda luminosa nel raggio è in perfetta
sincronizzazione con ogni altra. Questo è misurato da una quantità chiamata lunghezza di coerenza. Se il
centro dell'intervallo di lunghezze d'onda emesse è λ e l'intervallo di lunghezze d'onda emesse è Δλ, questa
lunghezza di coerenza è uguale a λ2 / 2Δλ. Le lunghezze tipiche di coerenza vanno da millimetri a metri. Tali
lunghezze di coerenza sono essenziali, ad esempio, per registrare ologrammi di oggetti tridimensionali. I
laser possono generare raggi pulsati o continui, con potenze medie che vanno dai microwatt a oltre un
milione di watt nei laser sperimentali più potenti. Un laser è chiamato onda continua se la sua uscita è
nominalmente costante per un intervallo di secondi o più; un esempio è il raggio rosso fisso da un puntatore
laser. I laser pulsati concentrano la loro energia di uscita in brevi raffiche ad alta potenza. Questi laser
possono sparare impulsi singoli o una serie di impulsi a intervalli regolari. La potenza istantanea può essere

6. estremamente elevata al picco di un impulso molto breve. I laser da laboratorio hanno generato una potenza
di picco superiore a 1015 watt per intervalli di circa 10-12 secondi. Gli impulsi possono essere compressia
una durata estremamente breve,circa 5 femtosecondi (5 × 10-15 secondi) in esperimenti di laboratorio, al
fine di "congelare" l'azione durante eventi che si verificano molto rapidamente, come ad esempio le fasi delle
reazioni chimiche. Gli impulsi laser possono anche essere focalizzati per concentrare alte potenze su piccoli
punti, proprio come una lente di ingrandimento focalizza la luce solare su un piccolo punto per accendere un
pezzo di carta.
APPLICAZIONI DEL LASER
I laser forniscono fasci di luce coerenti, monocromatici, ben controllati e diretti con precisione. Ad esempio,
nei primi anni '70 molte persone furono introdotte ai laser per la prima volta da concerti che incorporavano
spettacoli di luci laser, in cui fasci laser in movimento di diversi colori proiettavano schemi mutevoli su
cupole planetarie, soffitti di sale da concerto o nuvole all'aperto.
La maggior parte delle applicazioni laser rientrano in una delle poche grandi categorie:
(1) trasmissione ed elaborazione delle informazioni;
(2) Precise delivery of energy;
(3) allineamento, misurazione e imaging;
Queste categorie coprono diverse applicazioni, dall'erogazione precisa di energia per la chirurgia delicata alla
saldatura per impieghi gravosi e dall'allineamento banale dei controsoffitti alle misurazioni di laboratorio
delle proprietà atomiche.
trasmissione ed elaborazione delle informazioni:
DISCO OTTICO
I laser a semiconduttore minuscoli ed economici leggono i dati da una crescente varietà di formati di
compact disc ottici per riprodurre musica, visualizzare registrazioni video e leggere software per computer. I
compact disc audio, usando laser a infrarossi, furono introdotti intorno al 1980; Presto seguirono i CD-ROM
(memoria di sola lettura per compact disc) per i dati del computer. Le unità ottiche più recentiutilizzano
laser più potenti per registrare dati su dischi sensibili alla luce chiamati CD-R (registrabili) o CD-RW (lettura
/ scrittura), che possono essere riprodotti in normali unità CD-ROM. I DVD (video digitali, o versatili,
dischi) funzionano in modo simile, ma usano un laser rosso a lunghezza d'onda più corta per leggere spot più
piccoli, quindi i dischi possono contenere abbastanza informazioni per riprodurre un film digitale. Una nuova
generazione di dischi chiamata Blu-ray utilizza laser a luce blu per leggere e archiviare i dati a una densità
ancora maggiore.

7. Precise delivery ofenergy:
Applicazioni Mediche
La rimozione chirurgica del tessuto con un laser è un processo fisico simile alla perforazione laser
industriale. I laser ad anidride carbonica bruciano i tessuti perché i loro raggi infrarossi sono fortemente
assorbiti dall'acqua che costituisce la maggior parte delle cellule viventi. Un raggio laser cauterizza i tagli,
bloccando l'emorragia nei tessuti ricchi di sangue come il tratto riproduttivo femminile o le gengive. Le
lunghezze d'onda del laser vicino a un micrometro possono penetrare nell'occhio, saldare una retina
distaccata in posizione o tagliare membrane interne che spesso diventano torbide dopo un intervento di
cataratta. Gli impulsi laser meno intensi possono distruggere i vasi sanguigni anomali che si diffondono
attraverso la retina nei pazienti affettida diabete, ritardando la cecità spesso associata alla malattia. Gli
oftalmologi correggono chirurgicamente i difetti visivi rimuovendo il tessuto dalla cornea, rimodellando lo
strato esterno trasparente dell'occhio con intensi impulsi ultravioletti.
(Chirurgia a fibre ottiche per terapia fotodinamica (PDT) Un farmaco fotosensibile assorbito dalle cellule
tumorali può essere attivato da un raggio laser guidato attraverso fibre ottiche per distruggere selettivamente
un tumore)
allineamento, misurazione e imaging
Agrimensura
Geometri e operai edili utilizzano raggi laser per tracciare linee rette nell'aria. Il raggio stesso non è visibile
nell'aria, tranne dove è sparso da polvere o foschia, ma proietta un punto luminoso su un oggetto distante. I
geometri rimbalzano il raggio da uno specchio per misurare la direzione e l'angolazione. Il raggio può
impostare un angolo per la classificazione dei terreni irrigati e un raggio rotante può definire un piano liscio
per i muratori che installano pareti o soffitti. Il radar laser a impulsi può misurare la distanza allo stesso
modo del radar a microonde amplificando il tempo impiegato da un impulso laser per riprendersi da un
oggetto distante. Ad esempio, nel 1969 il radar laser ha misurato con precisione la distanza dalla Terra alla

8. Luna e negli anni '70 sono stati sviluppati telemetri militari per misurare accuratamente la distanza dagli
obiettivi del campo di battaglia. La ricerca della portata laser è ora ampiamente utilizzata per il
telerilevamento. I radar laser utilizzati su aeromobili possono profilare gli strati di fogliame in una foresta e
Mars Global Surveyor ha usato un altimetro laser per mappare le elevazioni sulla superficie marziana.
(Olympus Mons, il punto più alto su Marte,in una vista obliqua generata dal computer, combinando le foto
ottenute dalla missione viking negli anni '70 con i dati topografici raccolti da Mars Global Surveyor un
quarto di secolo dopo. L'immagine mostra chiaramente la relativa planarità del vulcano scudo e il profilo
leggermente inclinato, la ripida scogliera rivolta verso l'esterno alla sua base (sepolta in luoghi sotto la lava
che è sfociata nelle pianure circostanti) e la complessa caldera di crateri intersecanti in cima.)
BIBLIOGRAFIA:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Laser
- https://www.britannica.com/technology/laser
- https://tharsis.gsfc.nasa.gov/MOLA/Background/science.team.php
- John Crawford—National Cancer Institute