Cenni su Luce e Laser 2016-10-19T10:00:48+00:00

La luce ed i laser

La luce

Per comprendere il funzionamento e le caratteristiche dei Laser è necessario conoscere alcuni dettagli sulla natura della luce e sulle sue caratteristiche. Questa breve guida fornisce una rapida e semplice introduzione all’argomento.

La luce può essere descritta come un fenomeno oscillatorio chiamato onda elettromagnetica. Della stessa natura della luce sono le onde radio, le microonde o i raggi X. Ciascuno di questi fenomeni si manifesta in maniera diversa a seconda della propria lunghezza d’onda, cioè dallo spazio percorso da una singola oscillazione o ripetizione. Le onde radio, quelle usate ad esempio dalla televisione, hanno lunghezze d’onda comprese fra il metro e il centimetro. La luce, che oscilla ad una velocità decisamente più elevata, ha lunghezze d’onda fra 400 e 700 miliardesimi di metro (nanometri, nm).

Il nostro occhio percepisce una luce di una unica lunghezza d’onda come monocromatica. Il grafico sottostante mostra il colore percepito a seconda della lunghezza d’onda della sorgente. Fra 380nm e 760nm è collocato lo spettro visibile, sotto i 380nm si parla di luce ultravioletta, sopra i 700nm si parla di infrarossi. Va detto che, anche se ultravioletti e infrarossi non sono visibili dall’occhio umano (ad esempio, tutti i corpi che rilasciano calore emettono infrarossi), la soglia fra luce visibile e non visibile è soggettiva, quanto lo è la percezione del colore.

Note

Lunghezza d'onda e frequenza sono legate proporzionalmente fra loro. Nel XX secolo l'osservazione sperimentale permise di determinare che la velocità della luce è indipendente dalla velocità relativa fra sorgente di emissione e osservatore (questa caratteristica è fondamento della teoria della relatività ristretta). Questo significa che, nel vuoto, le onde elettromagnetiche si propagano con la stessa velocità finita di circa 299792 km/s, oltre 24 volte il giro del nostro pianeta ogni secondo, indipendentemente se ci stiamo avvicinando o allontanando dalla sorgente.

La frequenza di un'onda elettromagnetica è il rapporto fra la velocità (spazio percorso ogni secondo) e la lunghezza d'onda (spazio percorso in una singola oscillazione). Ad esempio, la luce a 500nm ha frequenza di circa 600 000 miliardi di Hz (ripetizioni al secondo), o 600THz.

Colore ed energia assorbita

Percepiamo un singolo colore quando il nostro occhio viene colpito da luce con una singola lunghezza d’onda. La luce bianca è invece un insieme delle lunghezze d’onda dello spettro visibile.

Anche se gli oggetti che ci circondano non emettono luce, siamo in grado di distinguere il colore perchè ogni oggetto assorbe determinate lunghezze d’onda e ne riflette altre. Idealmente, un oggetto completamente nero assorbe tutta la luce che lo investe. Un oggetto bianco, al contrario, riflette tutta la radiazione che riceve. In realtà, un oggetto che noi percepiamo come bianco potrebbe assorbire alcune lunghezze d’onda non visibili.

La luce assorbita si trasforma in massima parte in calore. Questo è il motivo per cui due oggetti di colore diverso esposti alla piena luce del sole si scaldano in maniera diversa.

Allo stesso modo, i tessuti assobono in maniera differente la luce che li investe. Per questa ragione laser di diversa lunghezza d’onda sono utilizzati per applicazioni con tessuti differenti.

Nella sezione dedicata alle applicazioni medicali è descritto come i vari tessuti assorbono differenti lunghezze d’onda.

Natura della luce

Si è descritta la luce come un fenomeno ondulatorio. Tale natura è confermata sperimentalmente da fenomeni di diffrazione ed interferenza che si osservano in maniera simile nella propagazione delle onde sonore e nei liquidi.

Tuttavia, è possibile identificare alcuni comportamenti della luce come tipici delle particelle, ad esempio l’effetto fotoelettrico (emissione di elettroni dovuta ad eccitazione luminosa).

Le teorie legate alla meccanica quantistica indicano che esiste una particella minima e non divisibile di luce. Il “quanto” di luce è chiamato fotone.

Nell’immagine sottostante viene mostrato come nel modello corpuscolare della luce è possibile visualizzare in che modo il trasferimento di energia avviene fra il fotone e gli atomi della superficie del materiale colpito.

Quando un fotone colpisce un atomo, può spostare i suoi elettroni ad un’orbita superiore. In questa condizione l’atomo ha accumulato energia che deve cedere all’esterno, e lo fa emettendo un nuovo fotone con lunghezza d’onda (colore) precisamente dipendente dalla distanza fra le orbite.

Con il modello ondulatorio è possibile spiegare i fenomeni di diffrazione, come quelli che si verificano sulla superficie di un CD sul quale la luce viene scomposta.

Note

Tanto la rappresentazione corpuscolare quanto quella ondulatoria sono delle descrizioni della natura della luce, o dei modelli che permettono di spiegarne il comportamento. La teoria della meccanica quantistica spiega che il fotone (come altre particelle subatomiche) ha un comportamento che si allontana di molto dall'esperienza quotidiana. Afferma che non sia possibile determinare lo stato di una particella negli istanti prima delle misurazioni (che necessariamente perturbano il sistema). Ad esempio alcune teorie (sostenute da osservazioni sperimentali), affermano non solo che non sia possibile determinare contemporaneamente posizione e velocità di una particella (cioè, maggiore sarà la precisione di una misura, minore sarà quella dell'altra), ma anche che nel momento in cui avviene la misurazione viene fissato un parametro che negli istanti precedenti non aveva un valore determinato ma assumeva più valori contemporaneamente.
Il Laser

Il Laser (dall’inglese Ligh Amplification by Stimulated Emission of Radiation) è una sorgente di luce monocromatica e coerente (fascio di luce con la stessa fase, o stesso andamento nel tempo). Si tratta di un dispositivo relativamente recente; la prima dimostrazione pratica è del 1960.

lamp laser

Una comune lampadina emette luce composta da diverse lunghezze d’onda (che percepiamo come prevalentemente bianca), in direzioni diverse e non coerente. Viceversa, il laser emette luce coerente e monocromatica. Senza collimatore la luce si disperde con un’angolo dipendente dalla costruzione del dispositivo.

Esistono diverse tecnologie per generare luce laser. Una gran parte dei dispositivi laser utilizzati è a diodi, cioè genera luce attraverso il passaggio di corrente all’interno di una giunzione di un materiale semiconduttore nel quale sono ricavate due zone nelle quali il passaggio di corrente causa emissione di fotoni. Semplificando all’estremo il concetto, l’immagine seguente schematizza il dispositivo:

laser-diode

Una corrente elettrica viene fatta passare (nell’immagine è mostrata la direzione degli elettroni). Il passaggio di corrente permette l’emissione spontanea di fotoni (come avviene nei LED).  I fotoni così generati possono innescare l’emissione di nuovi fotoni con la stessa lunghezza d’onda negli atomi circostanti. La presenza della cavità centrale, dimensionata per essere un multiplo della lunghezza d’onda della luce emessa, permette di generare un effetto risonante, nel quale l’emissione dei fotoni avviene con la medesima fase.

In molti casi le proprietà della luce emessa dai laser sono sfruttate per concentrare la luce in un punto di dimensioni minime. Questo permette di trasferire un’elevata quantità di energia in un’area contenuta. Inoltre, il laser opportunamente alimentato permette di ottenere impulsi estremamente brevi, per una serie di applicazioni particolari.

Applicazioni dei laser

I laser sono ampiamente utilizzati in campo industriale, scientifico e medicale. La lista seguente elenca alcuni degli usi più comuni:

  • Puntamento: i normali puntatori laser sono realizzati con potenze minime, sono innocui se non guardati direttamente o con lenti, e utilizzati per misurazione di distanza, didattica, identificazione posizionale, ecc…
  • Telecomunicazioni: i laser permettono di trasmettere dati a grande distanza senza gli svantaggi del trasferimento di segnali elettrici (immunità ai disturbi), tramite fibre ottiche
  • Taglio e saldatura industriale: un’elevata quantità di luce concentrata su uno spot di piccole dimensioni permette di saldare metalli fra loro o di tagliare per vaporizzazione il materiale. In genere questo consente di evitare di surriscaldare il materiale
  • Chirurgia: il laser è ampiamente utilizzato in chirurgia per le proprietà coagulanti, per la minima invasività, per le proprietà sterilizzanti e per la precisione che è possibile raggiungere. Alcuni campi di applicazione sono: odontoiatria, oftalmologia, terapie oncologiche, fisioterapia, ecc…