Cosa sono i laser e come funzionano?

I laser sono dispositivi che concentrano i raggi di luce forzando l'allineamento delle loro forme d'onda e frequenze

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I laser sono dispositivi che concentrano i raggi di luce forzando l’allineamento delle loro forme d’onda e frequenze. Sviluppata per la prima volta negli anni ’60 per amplificare le microonde, la moderna tecnologia laser può allineare i raggi luminosi in quasi ogni parte dello spettro elettromagnetico, ad eccezione delle onde gamma.

La parola laser sta per Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – che in senso tecnico spiega come funzionano i laser, anche se per essere più precisi, i laser oggi non amplificano la luce: fanno oscillare le onde all’interno del raggio per disporle in un ordine pulito e ordinato.

In che modo i laser fanno cose laser?

Il cuore pulsante dei laser sono i materiali che, mentre vengono attraversati dalla luce, forniscono una spinta di energia a parti dello spettro elettromagnetico. Questo aumento viene definito “guadagno” e può amplificare efficacemente la potenza della luce.

Dietro questa amplificazione c’è un processo chiamato emissione stimolata. Agli atomi nel materiale viene data un’esplosione di energia (come un’elevata corrente elettrica), spingendo i loro elettroni in uno stato eccitato. Brillare o riflettere la luce attraverso questo materiale eccitato fa sì che gli elettroni assorbano e quindi emettano i propri fotoni.

In alcuni laser, questo mezzo non è affatto un materiale fatto di atomi, ma solo un gruppo di elettroni che sfrecciano velocemente.

Bloccato all’interno di una cavità che fa rimbalzare la luce, il mezzo di guadagno amplifica tecnicamente la quantità di luce che lo attraversa. Questa è la base fondamentale dell’amplificazione della luce mediante emissione stimolata.

Anche se l’amplificazione è una parte fondamentale del processo, la caratteristica che lo rende il tipo di laser che usiamo per intrattenere i gatti, riprodurre DVD o affondare i cacciatorpediniere è qualcosa chiamato coerenza.



diagramma di coerenza laser

La luce che passa attraverso il mezzo di guadagno acquisisce tutta lo stesso colore. Esattamente la stesso. Identica lunghezza d’onda, stessa direzione, stessa polarizzazione. Solo un po’ di più.

L’invio delle onde avanti e indietro attraverso la cavità ottica filtra quindi il raggio e ciò che esce sono onde della stessa fase. Ogni fotone in questo raggio non solo ha le stesse caratteristiche, ma oscilla a tempo con gli altri.

Qual è il laser più potente mai realizzato?

Il laser più potente progettato fino ad oggi si trova presso la struttura European Extreme Light Infrastructure in Romania. I suoi raggi laser sono tra i più intensi al mondo e generano impulsi incredibilmente brevi di fotoni, protoni, neutroni e neutrini con un’energia incredibile.

Il suo sistema laser ad alta potenza utilizza un mezzo di guadagno in zaffiro addizionato con titanio progettato per generare impulsi laser fino a 10 petaWatt. Considera che un watt è un joule di energia in un solo secondo. Per ulteriore contesto, sono necessari poco più di 4.000 joule per riscaldare un litro d’acqua di un grado Celsius.

Un petaWatt è un quadrilione (1015) joule al secondo. Certo, l’impulso termina in 22 femtosecondi (22 x 10-15 secondi), ma si tratta comunque di una discreta quantità di energia compressa in una piccola frazione di un battito di ciglia.

Il record, però, potrebbe non reggere a lungo. La “Stazione di Luce Estrema” cinese potrebbe farla crollare nei prossimi anni con una tecnologia emergente in grado di generare laser da 100 petaWatt: un’esplosione di energia così intensa da scuotere lo spazio vuoto producendo una pioggia di particelle in una dimostrazione di fisica di quelli che non abbiamo mai visto prima.
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