Origine , nome e storia del Laser

Laser è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , ovvero si tratta di un amplificatore di luce per emissione indotta di radiazione . L'acronimo specifica lo stesso principio di funzionamento del Laser , che fu messo a punto negli USA ad inizio degli anni '60 con diverse tecniche : in California con una tecnica allo stato solido che sfruttava il cristallo del rubino e , contemporaneamente , fu depositato sempre negli Stati Uniti un brevetto di un laser a partire da due gas , elio e neon.

Quest'ultimo brevetto venne in realtà inizialmente definito Maser ottico a gas : storicamente la realizzazione del Maser ( Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ha preceduto la costruzione del Laser ; fu infatti realizzato circa un decennio prima e il nome è frutto di un acronimo molto simile a quello del Laser , in cui Light ( Luce ) è sostituito da Microwaves ovvero microonde , cioè radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda maggiore ( cioè frequenza inferiore ) a quella dello spettro della luce visibile.

Alla base del dispositivo c'è il fenomeno dell'emissione stimolata o emissione indotta , indagata nei decenni precedenti a partire da uno studio di Albert Einstein nel 1917 . A differenza dell'emissione spontanea , che altro non è che la luminescenza cioè il fenomeno di emissione di radiazioni luminose da parte dei corpi durante il passaggio da stati ad energia superiore a stati di energia inferiore , dove i fotoni emessi hanno direzione e fase casuale , nell'emissione stimolata questo passaggio di stato è appunto provocato da radiazione elettromagnetica alla stessa frequenza , direzione e fase di quella incidente ed è una luce coerente. Vedremo nel prossimo paragrafo cosa si intende per luce coerente.

Le caratteristiche della luce laser e le sue applicazioni

Le applicazioni del laser sono dovute a caratteristiche molto particolari del fascio luminoso emesso dal dispositivo , che sono :

- coerenza spaziale e temporale : le onde luminose conservano la stessa fase nel tempo e hanno la stessa fase in tutti i punti del fascio luminoso ;
- monocromaticità : lo spettro delle frequenze luminoso è molto stretto , caratteristica legata alla coerenza temporale ;
- direzionalità : il fascio luminoso è fortemente direzionale e collimato ( cioè non si disperde anche a distanze molto lunghe ) , questa caratteristica è legata alla coerenza spaziale ;
- alta irradianza o densità di potenza W/cm2 : è legata alla direzionalità , essendo la potenza concentrata su una superficie molto stretta , il rapporto W/cm2 è alto ;

Come viene prodotta la luce laser : mezzo attivo , pompaggio e cavità

Per arrivare dall'enunciazione delle teorie sull'emissione indotta ad un dispositivo in grado di tradurre queste teorie in luce laser sono stati impiegati diversi anni , perché la tecnologia è effettivamente molto più complessa di quanto possa sembrare.

Il primo problema da risolvere consiste nel pompaggio del mezzo attivo , ovvero nel portare il mezzo attivo che produrrà l'emissione indotta ad uno stato di inversione della popolazione , dove la maggior parte degli atomi del materiale possiede più elettroni nello stato eccitato che nello stato fondamentale. A seconda della tecnica impiegata per portare il mezzo attivo in questo stato si parla di pompaggio ottico ( mediante luce ) , pompaggio elettrico ( mediante il passaggio di corrente o una scarica elettrica ) , pompaggio chimico ( mediante una reazione chimica ) o pompaggio atomico ( collisioni tra atomi o molecole ).

Il secondo aspetto tecnologicmente rilevante consiste nell'amplificare l'emissione indotta e nel renderla di caratteristiche tali da poterla utilizzare nelle varie applicazioni del laser. Questo avviene calando il mezzo attivo in una cavità ottica o risonatore ottico : immaginiamola come costituita da due specchi , di cui uno semiriflettente. La luce nella cavità viene ripetutamente riflettuta e amplificato , finché parte viene emessa attraverso la parete semiriflettente .

Il diodo Laser e la grande diffusione del Laser

Un grande impulso alla diffusione del laser e al moltiplicarsi delle sue applicazioni si è avuto negli anni '70 quando si è iniziato a realizzare laser con dispositivi a semiconduttore , il cosiddetto diodo laser , con conseguente miniaturizzazione e calo dei costi grazie alle economie di scala.

I diodi laser trovano applicazione nei seguenti campi : 

1) lettori ottici come quelli di CD , DVD , Blu Ray . Il lettore CD è forse stato il primo esempio di impiego di massa dei diodi laser : era il 1982 e il lancio del lettore CD da parte di Sony e Philips , grazie anche alla produzione di massa dei diodi laser da parte di Sharp , segno la fine dell'era analogica nel settore audio e hi-fi per entrare nell'era digitale. 
2) stampa Laser : la stampa laser è ormai sul mercato da oltre 40 anni , quando furono introdotte da Xerox , e oggi permettono di raggiungere alte velocità e qualità di stampa con grande affidabilità e silenziosità ; i costi sono ancora mediamente più alti della stampa a getto d'inchiostro , ma si sono sensibilmente ridotti col crescere della loro diffusione ; le stampanti laser funzionano in realtà su principi di elettrostatica : il compito del fascio laser è di colpire determinati punti del tamburo, un rullo caricato di carica elettrostatica positiva , facendo perdere la carica nei punti colpiti ; in questo modo i punti rimasti carichi positivamente attirano la polvere del toner , che è invece caricata negativamente ; la polvere si poggia sul foglio di carta e viene fissata mediante calore passando attraverso i rulli fusori.
3) sorgenti nei sistemi di comunicazione ottica : a questo proposito è immediato pensare alle fibre ottiche , ma la caratteristica del fascio laser di non disperdersi anche su lunghe distanze , li rendono ideali anche per le comunicazioni ottiche in spazio libero. Queste comunicazioni hanno lo svantaggio di poter raggiungere distanze di qualche decina di km e di necessitare che non vi siano ostacoli o agenti atmosferici tra trasmettitore e ricevitore ; 
4) strumenti di misura come telemetri e livelle laser : qui affrontiamo nel dettaglio come funziona un telemetro
5) lettori di codici a barre
6) puntatori laser : nati per i sistemi di puntamento in ambito militare e di armamenti , la loro miniaturizzazione e diffusione li ha resi facilmente disponibili a qualsiasi utente; per questo è importante la classificazione della pericolosità per la salute umana secondo le norme IEC 60825 e Cenelec EN 60825-1 ;
7) visori a sovraimpressione ( o head-up display ) : inizialmente nati in ambito aeronautico militare , poi diffusisi nell'aviazione civile e ora anche in ambito automobilistico
8) strumenti per la realtà aumentata , proiezione di immagini , dolby vision