Principi di funzionamento del laser / Principles of laser operation

Principi di funzionamento del laser / Principles of laser operation

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Descrizione generale

sm. inv. [dalle lettere iniziali dell'inglese Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation, amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni]. Dispositivo per la generazione di fasci di luce o radiazione coerente ad alta monocromaticità e radianza che utilizza fenomeni atomici di amplificazione della radiazione per emissione stimolata. Benché i fondamenti teorici dell'emissione stimolata di radiazione fossero contenuti nella teoria quantistica dell'emissione e assorbimento pubblicata da A. Einstein nel 1917, le prime applicazioni pratiche si ebbero solo intorno al 1950 nell'ambito delle ricerche sui campioni di frequenza od orologi atomici, durante le quali si comprese che il mezzo attivo consentiva l'amplificazione di radiazioni per emissione stimolata. Lungo questa linea, C.H. Townes, J.P. Gordon e H.J. Ziegler svilupparono nel 1954 il maser ad ammoniaca nel campo delle microonde e negli anni seguenti numerosi gruppi di ricerca lavorarono in diversi Paesi per estendere gli stessi concetti a lunghezze d'onda più corte fino al visibile. T.H. Maiman nel 1960 ottenne l'azione laser nel rubino, seguito da A. Javan negli USA e N.G. Basov nell'URSS che realizzarono pressoché contemporaneamente il laser a gaselio-neo.

Chimica: principio di funzionamento

Il funzionamento dei laser è basato sul fenomeno dell'emissione stimolata di fotoni da parte di atomi eccitati. Un atomo può passare dallo stato fondamentale, corrispondente a un livello di energia E, a uno stato eccitato, corrispondente a un livello di energia maggiore E₂, assorbendo un fotone di frequenza  , dove h è la costante di Planck. Lo stato eccitato non è stabile e l'atomo può tornare spontaneamente al livello fondamentale emettendo un fotone di energia pari a quella richiesta per portarsi allo stato eccitato: si ha in tal caso emissione spontanea. L'emissione spontanea da parte di diversi atomi di una sostanza è casuale, quindi i fotoni emessi successivamente non hanno alcuna relazione di fase, ossia sono incoerenti. Se invece su un atomo allo stato eccitato incide un fotone di frequenza opportuna, l'atomo si diseccita cedendo la sua energia sotto forma di fotone avente la stessa frequenza e la stessa fase di quello incidente, ossia coerente con esso: si ha così un processo nel quale l'atomo libera, per emissione stimolata, un fotone la cui energia si somma a quella del fotone incidente. In condizioni di equilibrio termico in una sostanza il numero di atomi che si trova allo stato fondamentale è superiore a quello degli atomi allo stato eccitato, quindi l'assorbimento dei fotoni prevale sull'emissione stimolata; se però si provoca la cosiddetta inversione della popolazione, cioè si fa in modo che gli atomi allo stato eccitato siano più di quelli allo stato fondamentale, si ha prevalenza dell'emissione stimolata sull'assorbimento. Il processo con cui si attua tale inversione prende il nome di pompaggio. Gli elementi fondamentali di un laser sono la cavità ottica, il mezzo attivo e il sistema di eccitazione (o di pompaggio) . In relazione ai vari tipi di laser si possono però avere configurazioni e prestazioni molto diverse. Facendo riferimento al a rubino, che è il capostipite dei laser a stato solido, il mezzo attivo è ossido di cromo (Cr2O3 allo 0,05% in un cristallo sintetico di rubino lavorato in forma di cilindro; la cavità è delimitata da due specchi piani e paralleli, l'uno a riflessione totale, l'altro a riflessione parziale per consentire l'emissione di parte della radiazione in cavità; il sistema di eccitazione si compone di una lampada flash allo xeno e di un riflettore ellittico, di cui la lampada occupa uno dei fuochi. La luce emessa dalla lampada viene fatta incidere sul cilindro di rubino, situato in corrispondenza dell'altro fuoco. Quando la lampada viene accesa, per esempio per scarica di una batteria di condensatori, gli atomi di cromo, normalmente a riposo nello stato fondamentale 1, ricevono un'energia sufficiente a trasferire un'elevata percentuale di essi alla banda eccitata 2, dalla quale passano al livello 3 con un decadimento spontaneo rapido. Il livello 3 è metastabile nel senso che la diseccitazione A31 (emissione spontanea) è relativamente lenta, verificandosi con costante di tempo di qualche millisecondo. Su questa scala di tempi, le transizioni che possono aver luogo tra i livelli 1 e 3 sono l'assorbimento B13 e l'emissione stimolata B31 (azione laser). Le probabilità di queste transizioni sono proporzionali ai rispettivi coefficienti, che la legge di Einstein stabilisce essere uguali, B13=B31, e alle densità di occupazione dei livelli, n e n. Se dunque n₃>n, cioè se si è prodotta con il pompaggio della lampada flash un'inversione di popolazione rispetto alla condizione normale di equilibrio termico, nella quale n₁ è molto maggiore di n, l'emissione stimolata predomina sull'assorbimento e il mezzo diviene otticamente attivo, ovvero in grado di amplificare la radiazione di lunghezza d'onda λ=hc/ΔE (dove c è la velocità della luce), corrispondente al salto di energia ΔE tra i livelli 1 e 3. A differenza di quanto avviene nell'emissione spontanea, l'emissione stimolata conserva le relazioni di fase della radiazione amplificata, proprietà che prende il nome di coerenza temporale (vedi anche oltre). Se il mezzo otticamente attivo è inserito in una cavità che chiude su se stessa il cammino ottico, si sviluppa un continuo processo di amplificazione per emissione stimolata (per esempio a partire da un singolo fotone di emissione spontanea) e la radiazione in cavità raggiunge il massimo livello compatibile con il mantenimento dell'inversione di popolazione stabilito dinamicamente dal pompaggio della lampada flash. Parte della radiazione è trasmessa in uscita attraverso lo specchio a riflessione parziale e costituisce la radiazione laser emessa dal sistema. Lo specchio di uscita non può avere una trasmissione troppo alta perché il mezzo attivo ha un guadagno limitato, che nel funzionamento deve essere superiore alla somma delle perdite lungo il cammino ottico della cavità. La radiazione emessa dal laser a rubino ha carattere impulsivo: l'inversione di popolazione avviene infatti soltanto durante l'eccitazione flash e ha una durata tipica di un millisecondo con un'energia radiante totale intorno a 1 joule. Per ottenere un'emissione ripetitiva occorre raffreddare la cavità, per esempio con circolazione forzata di acqua, per rimuovere il calore dissipato dalla lampada flash. Si può ottenere così fino a 1 watt di emissione media, con potenze di picco di parecchi chilowatt, anche in relazione alle dimensioni della barretta di rubino. Più elevate potenze di picco si conseguono con la tecnica degli impulsi giganti, che consiste nell'introdurre in cavità, tra il rubino e lo specchio a riflessione totale, un assorbitore saturabile o un otturatore elettro-ottico. Questi elementi introducono forti perdite in cavità impedendo l'azione laser fino a che l'inversione di popolazione non ha raggiunto un valore molto elevato; solo allora vengono aperti provocando la scarica del livello eccitato 3 in un solo impulso della durata di pochi tempi di transito lungo la cavità, cioè intorno alla decina di nanosecondi. Poiché l'energia è praticamente la stessa del funzionamento normale, si ottengono potenze di picco nel campo dei 100 mW, che mettono in evidenza tutta una serie di fenomeni interessanti e fecondi di applicazioni nell'interazione con la materia, anche se l'energia in gioco è relativamente limitata. Il rendimento di un laser a rubino è molto basso, tipicamente l'1‰, in quanto il livello fondamentale è densamente popolato a temperatura ambiente e richiede perciò un'alta energia di pompaggio per l'inversione di popolazione. Se il livello terminale della transizione laser è differente dal livello fondamentale e perciò a minor occupazione di questo, l'efficienza aumenta sensibilmente. Il neodimio in tungstato di calcio oppure in YAG (granato di ittrio e alluminio) possiede i quattro livelli energetici necessari per questo modo di funzionamento per cui, con la stessa configurazione del laser a rubino, raggiunge rendimenti di qualche per cento, con emissione nel vicino infrarosso a 1060 nm rispetto all'emissione del rubino nel rosso a 694,3 nm.

Fisica: proprietà delle sorgenti laser

Inerenti al meccanismo di emissione stimolata sono le proprietà di coerenza temporale e monocromaticità della radiazione laser. Poiché la transizione laser si verifica tra livelli ben definiti energeticamente e la cui fluttuazione è dovuta a effetti di secondo ordine (interazioni reticolari, effetto Doppler), la corrispondente lunghezza d'onda di emissione λ=hc/ΔE è altrettanto ben definita, cioè la radiazione è monocromatica, con larghezze di riga generalmente migliori di Δλ/λ=10–5. Inoltre, anche la cavità può intervenire con un effetto selettivo sui modi di oscillazione, e in particolari condizioni si possono ottenere oscillazioni con precisioni di frequenza migliori di 10–10. Derivano dalla presenza della cavità anche le due altre importanti proprietà delle sorgenti laser, la coerenza spaziale e la collimazione. Infatti, le oscillazioni laser in cavità si stabiliscono come onde elettromagnetiche stazionarie con nodi di vibrazione agli specchi, e il fascio laser in uscita conserva lungo la sua sezione trasversale le relazioni di fase ivi determinatesi, cioè è spazialmente coerente. Le differenti parti del fascio laser possono perciò produrre fenomeni di interferenza tra loro, ciò che non è possibile con sorgenti ottiche tradizionali. La coerenza spaziale implica anche la proprietà di collimazione, in quanto il fascio laser si propaga con una divergenza angolare, determinata soltanto dalla diffrazione, quantitativamente molto piccola. Ne consegue che la radianza di una sorgente laser è relativamente elevata, anche se la potenza radiante P è modesta. Per esempio, un modesto laser a elio-neo (vedi oltre) di 1 mW di potenza radiante (equivalente in termini fotometrici a poco più di 1 candela) emette un fascio di area S=0,1 cm², con una divergenza di 0,3 milliradianti, e possiede una radianza di 105W/cm²sr, ossia ca. 100 volte più intensa di quella del Sole.

Tecnologia: i tipi di laser

Numerosi sono i materiali che, in vari stati di aggregazione, possiedono livelli energetici adatti a manifestare un'inversione di popolazione dei livelli quando siano opportunamente eccitati. Oltre ai a cristallo di cui sono esempi quelli al rubino e al neodimio, importanti classi di laser sono i a gas, i a semiconduttore, i a liquidi e ia elettroni liberi. Il meccanismo di eccitazione di un a gas, come per esempio quello a elio-neo, è una scarica elettrica nel gas, che produce l'ionizzazione dell'elio. Da questo l'eccitazione è trasferita per collisione al neo, che ha a disposizione tra i livelli 3s, 2s e 3p, 2p oltre quindici transizioni favorevoli all'azione laser. Le righe di più intensa emissione sono nel visibile a 632,8 nm (rosso) e nell'infrarosso vicino a 1150 nm e medio a 3390 nm, alle quali sono emesse potenze radianti nel campo 1-100 mW con funzionamento continuo della sorgente. Per eccitazione indiretta tramite l'elio si ottiene azione laser anche in numerosi vapori metallici (laser elio-cadmio, elio-selenio, elio-piombo) con emissione continua di qualche decina di mW su una serie di righe nel visibile, mentre gli ioni dei gas nobili più pesanti (Ar, Kr, Xe) sono eccitabili direttamente dalla scarica elettrica ed emettono notevoli potenze continue nel visibile e nell'ultravioletto (specialmente il laser ad argo, che raggiunge potenze di 10-50 W). Le più elevate potenze sono peculiari dei laser ad anidride carbonica, che utilizzano una miscela di CO2, He, Co, N2 per l'eccitazione indiretta dei livelli vibrazionali della molecola di CO2, con emissione nell'infrarosso lontano a 9600 e 10.600 nm di potenze continue che superano il kWcon alto rendimento (ca. 20%). Altri meccanismi di eccitazione applicabili ai laser a gas e in particolare al CO2 sono la combustione dei gas seguita da un'espansione a velocità supersonica ( gasdinamici) e la reazione chimica tra miscele di gas ( chimici). I a semiconduttore sono costituiti da un diodo ad arseniuro di gallio, fortemente drogato e polarizzato in conduzione diretta a elevati livelli di corrente. Nella regione di svuotamento della giunzione, l'alta concentrazione di elettroni iniettati produce l'inversione di popolazione tra i livelli di conduzione e di valenza dei portatori di carica e la ricombinazione produce pertanto emissione stimolata. I laser ad arseniuro di gallio emettono nel vicino infrarosso a 850-910 nm in dipendenza dalla temperatura di funzionamento, con rendimenti del 10-50% e potenze limitate soltanto dai requisiti di dissipazione inerenti alle piccole strutture realizzabili (0,1-1 mm). Con lo stesso meccanismo, altri semiconduttori a transizione diretta (CdS, PbSe, PbSnTe) forniscono emissione sul campo di lunghezze d'onda 380-24.000 nm. I a liquidisono simili ai laser a cristallo sia per i meccanismi di eccitazione sia per la struttura dei livelli di energia. Il materiale attivo, chelati di terre rare o coloranti organici (rodamina, cumarina), è disciolto in un solvente trasparente alle lunghezze d'onda di emissione e di eccitazione (per esempio metanolo, metilacrilati, acqua) e può essere eccitato da una lampada flash o da una sorgente continua di sufficiente potenza (per esempio laser ad argo). Poiché gli stati eccitati sono allargati in banche continue di energia per interazione con i complessi modi di vibrazione della molecola organica, la emissione laser si può verificare su un intervallo continuo di lunghezze d'onda e questa può essere selezionata e variata con continuità introducendo in cavità un elemento selettivo quale, per esempio, un reticolo di diffrazione. Simile a un oscillatore elettronico regolabile in frequenza, questo tipo di sorgente laser prende il nome di accordabile e costituisce uno strumento di grande flessibilità nelle potenziali applicazioni dei laser. I a elettroni liberi sono laser caratterizzati da alto rendimento, alta potenza e possibilità di funzionare, in teoria, a qualunque lunghezza d'onda. Si distinguono dai laser convenzionali per il rendimento elevato che, sempre in teoria, può raggiungere anche il 65% dell'energia d'ingresso; questi laser possono essere accordati a diverse lunghezze d'onda, ma in una banda ben più ampia e con una potenza decisamente superiore rispetto ad altri tipi di laser. I laser a elettroni liberi sono basati su fasci di elettroni accelerati nel vuoto in acceleratori di particelle; la radiazione coerente viene emessa da questi ultimi quando passano da un livello energetico in una banda continua di energie a un livello energetico più basso, anch'esso in una banda continua. Per il fatto che gli elettroni sono liberi, il livello iniziale e quello finale possono essere scelti praticamente a piacere e quindi anche la lunghezza d'onda della radiazione coerente emessa può essere fatta variare a piacere. Tale radiazione viene emessa facendo propagare gli elettroni all'interno di una cavità (la cavità laser) entro la quale si propaga parallelamente al fascio di elettroni un'onda elettromagnetica. La radiazione laser viene prodotta per effetto di un campo magnetico variabile con periodicità spaziale lungo la direzione di propagazione degli elettroni. Il sistema di magneti a polarità alternata lungo il cammino del fascio è chiamato wiggler ed è proprio questo campo magnetico che agisce sugli elettroni in moto e li forza a cedere energia al campo elettromagnetico che si propaga con essi; in questo modo l'onda elettromagnetica viene amplificata e si produce il caratteristico effetto laser. Il meccanismo attraverso il quale avviene l'amplificazione è basato sul fatto che per effetto del combinarsi del campo elettromagnetico della radiazione con il campo magnetico del wiggler si forma un'onda di battimento che ha una frequenza pari a quella della radiazione elettromagnetica, ma per la quale il numero delle lunghezze d'onda contenute nell'unità di lunghezza (numero d'onda) è dato dalla somma dei numeri d'onda del campo magnetico del wiggler e dell'onda elettromagnetica propagantesi nella cavità. L'onda di battimento ha quindi una lunghezza d'onda minore di quella dell'onda elettromagnetica e pertanto si propaga nella cavità a una velocità minore di questa. Se gli elettroni si propagano nella cavità a una velocità pari a quella dell'onda di battimento, nel loro sistema il campo in cui sono immersi è per essi un campo stazionario, un campo i cui valori corrispondono a quelli della porzione (fase) dell'onda in cui si trovano mentre si propagano. Se un elettrone si propaga a velocità maggiore dell'onda progressiva di battimento (che è un'onda ponderomotrice, cioè in grado di esercitare sugli elettroni delle forze in direzione parallela a quella di propagazione) esso ne viene rallentato e cede quindi all'onda l'energia cinetica che perde. È proprio in questo modo che si ha l'amplificazione della radiazione all'interno della cavità.

Tecnologia: applicazione dei laser

Tra i settori in cui lo sviluppo del laser ha subito un'enorme espansione vi sono quelli della tecnologia meccanica e della metrologia ottica. Nel campo delle lavorazioni meccaniche, i laser di media e alta potenza si sono dimostrati vantaggiosi rispetto alle macchine utensili tradizionali in un'ampia gamma di processi che vanno dai trattamenti termici alla foratura, alla saldatura e al taglio. Tra i vantaggi più importanti si possono annoverare il miglioramento della qualità del prodotto, la riduzione dei costi dei materiali e del processo, l'alta produttività risultante dalla riduzione degli spazi per i macchinari e dalla riduzione degli ammortamenti, il miglioramento dell'ambiente di lavoro. Con il laser si lavorano materiali molto duri (come il diamante), molto fragili (come le ceramiche), ma anche materiali “molli” come la carta, la gomma, le materie plastiche. La prospettiva più importante in questi campi consiste nell'utilizzo generalizzato di laser di potenza nel settore delle industrie di produzione di massa, con un impatto sicuramente rilevante sulle economie delle nazioni industrializzate. Nel campo della metrologia ottica le caratteristiche dei laser a bassa potenza ne hanno consentito l'applicazione sempre più generalizzata nei sistemi di controllo non distruttivo di prodotti industriali e nelle tecniche non perturbative usate nei centri di ricerca per indagini sperimentali. Le tecniche più comunemente usate sono di tipo interferometrico: il fascio di radiazione coerente, emesso dal laser e opportunamente allargato, viene utilizzato in appositi interferometri nei quali una zona abbastanza ampia di spazio viene utilizzata per inserire i pezzi da esaminare o da collaudare. Interferometri laser trovano applicazione soprattutto per il collaudo di materiali trasparenti, per esempio i vetri usati nell'industria automobilistica e aeronautica. Lo studio delle frange di interferenza permette di valutare esattamente variazioni microscopiche di spessore nei vari punti del campione e di osservare eventuali difetti di incrudimento dovuti al raffreddamento o alla lavorazione. Gli interferometri laser sono anche ampiamente usati per studiare i processi di combustione (le frange di interferenza all'interno della fiamma corrispondono a isoterme in essa, cioè a linee di uguale temperatura) e per valutare, senza contatto fisico, l'ampiezza di vibrazione nei vari punti di una struttura vibrante. Le più raffinate tecniche di interferometria olografica consentono inoltre di effettuare analisi dettagliate delle deformazioni e delle vibrazioni cui è sottoposto un corpo di natura qualsiasi. Poiché i centri di vibrazione sono generalmente anche centri di rumore, queste tecniche si sono rivelate preziose per ridurre la rumorosità di organi meccanici in movimento. Una terza tecnica interferometrica laser fa uso dell'effetto di marezzatura, cioè delle frange moiré che compaiono quando si sovrappongono due reticoli che hanno all'incirca la stessa periodicità spaziale. Anche in questo caso l'utilizzo principale si ha nell'industria automobilistica, dove tale tecnica è ampiamente usata per controllare deformazioni (soprattutto nella produzione di carrozzerie) che vanno da pochi decimi di millimetro a vari millimetri. Nel controllo industriale vanno assumendo importanza sempre crescente anche altre tecniche basate sull'uso del laser: il controllo a distanza dello stato di rugosità superficiale di pezzi mediante la diffusione di un'onda laser piana e monocromatica (scattering); lo studio dei fenomeni di combustione nei casi più diversi, dalla combustione di una fiamma a quella che ha luogo nel cilindro di un motore a scoppio (in questi casi il raggio laser viene usato come una sonda che non modifica la situazione analizzata e che permette di effettuare misure punto per punto); l'anemometria laser, che ha lo scopo di misurare velocità medie e velocità locali all'interno di fluidi in moto; il riconoscimento di forme e di oggetti, di importanza fondamentale per la costruzione e per l'uso di robot industriali e per lo sviluppo di sistemi automatici di immagazzinamento. In campo militare il laser è impiegato nei telemetri e nei dispositivi di puntamento dei cannoni dei carri armati, in sostituzione dei classici sistemi ottici e a raggi infrarossi; durante il conflitto nel Vietnam comparvero per la prima volta bombe guidate da fasci laser utilizzate dagli Stati Uniti per i bombardamenti aerei. Questa tecnica è stata via via perfezionata; in particolare sono state costruite bombe, le cosiddette “bombe intelligenti”, capaci, tramite guida laser, di autopuntare e seguire un bersaglio. Nella strumentazione scientifica e nella ricerca di base il laser ha dato nuovo impulso alle tecniche interferometriche estendendo i campi di misura sia per la più elevata intensità a disposizione sia per l'intrinseca coerenza temporale. Queste proprietà e la coerenza spaziale consentono importanti applicazioni, oltre che nel campo dell'olografia, nel filtraggio coerente delle immagini e nelle memorie ottiche. Altre applicazioni, di varia natura, riguardano la telemetria a modulazione di intensità, i velocimetri Doppler, la granulometria per diffrazione e l'uso come strumento di allineamento. Nella ricerca scientifica il laser non soltanto è stato oggetto di studi, ma anche strumento talvolta indispensabile alla sperimentazione in vari settori della fisica e della chimica. Tra i filoni più importanti in fase di sviluppo sono da citare gli studi di fusione indotta da un fascio laser su un bersaglio di deuterio, nella prospettiva di produrre energia per fusione controllata, e gli studi di fotochimica selettiva con implicazioni a processi biologici. Nel campo delle telecomunicazioni lo sviluppo di laser a semiconduttore, la possibilità di modulare ad altissima frequenza la luce laser da essi emessa e lo sviluppo di fibre ottiche a bassissima attenuazione (vi si può trasmettere un segnale luminoso per 100 km senza necessità di amplificarlo) hanno permesso di ottenere una tecnologia talmente competitiva rispetto a quella degli impianti tradizionali, che le fibre ottiche e i commutatori elettro-ottici stanno rimpiazzando poco alla volta le tradizionali linee basate sui cavi di rame. L'utilizzo congiunto delle fibre ottiche e dei laser sta completamente ridisegnando l'utilizzo in rete dei computer. Un'ulteriore applicazione della tecnologia dei laser è quella che mira a sostituire i microprocessori elettronici (i chips) con dei microprocessori ottici, dove i segnali elettrici sono sostituiti da quelli ottici generati da microscopici diodi laser. Un altro uso del laser è quello riguardante l'olografia, cioè la ricostruzione virtuale dell'immagine tridimensionale di un oggetto reale.

Tecnologia: utilizzazione del laser in medicina

In medicina, il laser rubino, il dye laser, il laser ad argon ad anidride carbonica, a diodi, a neodimio yag, ad alexandrite e a erbium trovano numerose applicazioni e vengono utilizzati per la cura di varie patologie. Le radiazioni laser hanno effetti biologici diversi in rapporto all'intensità: i fasci dotati di bassa potenza (laser medico) vengono utilizzati per ottenere un'azione analgesica e antinfiammatoria nelle malattie reumatiche; sembra che l'efficacia del laser in questo campo sia legata alla sua capacità di provocare un sensibile aumento dell'afflusso di sangue nel distretto trattato, con conseguente produzione di calore, rilasciamento dei fasci muscolari e rimozione delle sostanze coinvolte nei processi infiammatori. Da sole o abbinate alle onde d'urto o agli ultrasuoni, le radiazioni laser possono contribuire anche a risolvere tendiniti, traumi sportivi, lesioni muscolari e postumi dolorosi di distorsioni. Il laser medico è inoltre in grado di stimolare i processi riparativi dei tessuti, attraverso un incremento della rigenerazione cellulare e per questa sua proprietà è utilizzato per ottenere una guarigione più rapida in caso di gravi ferite o lesioni ulcerative del rivestimento cutaneo. Esso può essere utile nel trattamento correttivo dell'invecchiamento cutaneo per risolvere le piccole rughe delle labbra, le “zampe di gallina”, le rughe della fronte, in quanto può rimodellare le fibre elastiche e il collagene. Un raggio laser molto più potente è il laser chirurgico che è in grado di produrre, quasi istantaneamente, nel tessuto cui è stato applicato la disidratazione, la morte e la rapida evaporazione del materiale biologico trattato. Per la notevole precisione con cui incide i tessuti, il laser chirurgico è utilizzato come un bisturi, con il vantaggio di promuovere un immediato arresto del sanguinamento dell'area incisa, di garantire un'assoluta sterilizzazione, di provocare lesioni che guariscono più rapidamente e che lasciano cicatrici poco visibili. Le discipline chirurgiche in cui il laser è più diffusamente sfruttato sono l'oculistica (per interventi quali l'ablazione della cataratta, che grazie al laser possono oggi essere eseguiti ambulatorialmente; per la correzione dei difetti refrattivi quali la miopia, l'astigmatismo e l'ipermetropia) e la ginecologia (per esempio, per l'escissione di condilomi vaginali; per curare le lesioni del collo dell'utero causate dall'infezione da papilloma virus). In associazione all'endoscopia il laser permette l'aggressione chirurgica di formazioni all'interno di cavità corporee (utero, bronchi, canale digerente ecc.) accedendo all'area da operare dall'esterno, lungo il tubo sottile e flessibile dell'endoscopio, le cui fibre ottiche permettono la visualizzazione diretta delle strutture che si attraversano: ciò permette di asportare formazioni patologiche interne, senza la necessità di creare un accesso chirurgico, minimizzando le implicazioni cliniche ed economiche dell'anestesia, della ferita chirurgica, della durata della degenza ecc. Fa parte della pratica clinica, ed è applicata ai pazienti con il loro consenso informato l'utilizzazione del laser per la disostruzione di vasi periferici e per l'interruzione di piccoli fasci intracardiaci anomali, capaci di creare veri e propri cortocircuiti, responsabili di gravi disturbi del ritmo cardiaco. L'uso del laser non è scevro di rischi e deve essere affidato esclusivamente a personale altamente specializzato, per la sicurezza sia dei pazienti sia degli operatori.

ENGLISH

General description
sm. inv. [from the initial letters of the English Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation, amplification of light by stimulated emission of radiation]. Device for the generation of light beams or coherent radiation with high monochromaticity and radiance that uses atomic phenomena of radiation amplification by stimulated emission. Although the theoretical foundations of the stimulated emission of radiation were contained in the quantum theory of emission and absorption published by A. Einstein in 1917, the first practical applications occurred only around 1950 in the field of research on frequency samples or atomic clocks , during which it was understood that the active medium allowed the amplification of radiation by stimulated emission. Along this line, C.H. Townes, J.P. Gordon and H.J. In 1954 Ziegler developed the ammonia maser in the microwave field and in the following years numerous research groups worked in different countries to extend the same concepts to shorter wavelengths up to the visible. T.H. Maiman in 1960 obtained the laser action in ruby, followed by A. Javan in the USA and N.G. Basov in the USSR who produced the gas-oil laser almost simultaneously.

Chemistry: operating principle
The operation of lasers is based on the phenomenon of stimulated emission of photons by excited atoms. An atom can pass from the ground state, corresponding to an energy level E, to an excited state, corresponding to a higher energy level E₂, absorbing a photon of frequency, where h is the Planck constant. The excited state is not stable and the atom can spontaneously return to the fundamental level by emitting a photon of energy equal to that required to reach the excited state: in this case there is spontaneous emission. The spontaneous emission by different atoms of a substance is random, so the photons emitted subsequently have no phase relation, ie they are inconsistent. If, instead, on an atom in the excited state a photon of appropriate frequency incides, the atom is de-energized yielding its energy in the form of a photon having the same frequency and the same phase as the incident one, ie coherent with it: thus has a process in which the atom frees, by stimulated emission, a photon whose energy is added to that of the incident photon. In conditions of thermal equilibrium in a substance the number of atoms that is in the ground state is higher than that of atoms in the excited state, therefore the absorption of the photons prevails over the stimulated emission; if, however, the so-called inversion of the population is provoked, that is to say that the atoms in the excited state are more than those in the fundamental state, the stimulated emission on the absorption is prevalent. The process by which this inversion takes place is called pumping. The fundamental elements of a laser are the optical cavity, the active medium and the excitation (or pumping) system. In relation to the various types of lasers, however, they can have very different configurations and performances. With reference to the ruby, which is the forerunner of solid-state lasers, the active medium is chromium oxide (0.05% Cr2O3 in a synthetic ruby ​​crystal worked in the shape of a cylinder; the cavity is delimited by two flat mirrors and parallel, the one with total reflection, the other with partial reflection to allow the emission of part of the radiation in cavities, the excitation system is composed of a xenon flash lamp and an elliptical reflector, of which the lamp it occupies one of the fires.The light emitted by the lamp is made to engrave on the ruby ​​cylinder, located at the other focus.When the lamp is turned on, for example by discharge of a battery of condensers, the chrome atoms, normally at rest in the ground state 1, they receive enough energy to transfer a high percentage of them to the excited band 2, from which they pass to level 3 with a rapid spontaneous decay. Level 3 is metastable in sense that the de-excitation A31 (spontaneous emission) is relatively slow, occurring with a time constant of a few milliseconds. On this time scale, the transitions that can take place between levels 1 and 3 are absorption B13 and stimulated emission B31 (laser action). The probabilities of these transitions are proportional to the respective coefficients, which Einstein's law establishes to be equal, B13 = B31, and to the occupation densities of the levels, n and n. 

If therefore n₃> n, that is if a population inversion with respect to the normal condition of thermal equilibrium has been produced with the pumping of the flash lamp, in which n is much greater than n, the stimulated emission predominates over absorption and the medium it becomes optically active, ie able to amplify the wavelength radiation λ = hc / E (where c is the speed of light), corresponding to the energy jump ΔE between levels 1 and 3. Unlike what happens in the 'spontaneous emission, the stimulated emission preserves the phase relations of the amplified radiation, a property that is called temporal coherence (see also below). If the optically active medium is inserted in a cavity that closes the optical path on itself, a continuous process of amplification develops by stimulated emission (for example starting from a single photon of spontaneous emission) and the radiation in the cavity reaches its maximum level compatible with maintaining the population inversion established dynamically by the pumping of the flash lamp. Part of the radiation is transmitted out through the partially reflecting mirror and constitutes the laser radiation emitted by the system. The output mirror cannot have a transmission too high because the active medium has a limited gain, which in operation must be greater than the sum of the losses along the optical path of the cavity. The radiation emitted by the ruby ​​laser is impulsive: population inversion occurs only during flash excitation and has a typical duration of one millisecond with a total radiant energy of around 1 joule. To obtain a repetitive emission it is necessary to cool the cavity, for example with forced circulation of water, to remove the heat dissipated by the flash lamp. Thus, up to 1 watt of average emission can be obtained, with peak powers of several kilowatts, also in relation to the size of the ruby ​​bar. Higher peak powers are obtained with the technique of giant impulses, which consists in introducing a saturable absorber or an electro-optical shutter into the cavity, between the ruby ​​and the total reflection mirror. These elements introduce strong losses in cavities preventing the laser action until the population inversion has reached a very high value; only then they are opened causing the discharge of the excited level 3 in a single pulse of the duration of a few transit times along the cavity, that is to say around the ten nanoseconds. Since energy is practically the same as in normal operation, we obtain peak powers in the 100 mW range, which highlight a whole series of interesting and fruitful phenomena of applications in the interaction with matter, even if the energy in game is relatively limited. The yield of a ruby ​​laser is very low, typically 1‰, as the fundamental level is densely populated at room temperature and therefore requires a high pumping energy for population inversion. If the terminal level of the laser transition is different from the fundamental level and therefore at lower occupation than this, the efficiency increases significantly. Neodymium in calcium tungstate or in YAG (yttrium and aluminum garnet) possesses the four energy levels necessary for this mode of operation, therefore, with the same configuration of the ruby ​​laser, it reaches yields of a few percent, with emission in the neighbor infrared at 1060 nm with respect to the emission of ruby ​​in red at 694.3 nm.

Physics: properties of laser sources

Inherent in the stimulated emission mechanism are the properties of temporal and monochromatic coherence of laser radiation. Since the laser transition occurs between well defined energetically levels and whose fluctuation is due to second order effects (reticular interactions, Doppler effect), the corresponding emission wavelength λ = hc / E is equally well defined, ie the radiation is monochromatic, with line widths generally better than Δλ / λ = 10–5. Moreover, even the cavity can intervene with a selective effect on the oscillation modes, and in particular conditions oscillations with better frequency precision than 10–10 can be obtained. The two other important properties of laser sources derive from the presence of the cavity, spatial coherence and collimation. In fact, the laser oscillations in cavities are established as stationary electromagnetic waves with vibration nodes to the mirrors, and the outgoing laser beam preserves along its cross section the phase relations determined therein, ie it is spatially coherent. The different parts of the laser beam can therefore produce interference phenomena between them, which is not possible with traditional optical sources.

Spatial coherence also implies the property of collimation, since the laser beam propagates with an angular divergence, determined only by the diffraction, which is quantitatively very small. It follows that the radiance of a laser source is relatively high, even if the radiant power P is modest. For example, a modest helium-neo laser (see below) of 1 mW of radiant power (equivalent in photometric terms to just over 1 candle) emits a beam of area S = 0.1 cm², with a divergence of 0, 3 milliradians, and has a radiance of 105W / cm²sr, or approx. 100 times more intense than that of the Sun.

Technology: the types of lasers

There are many materials that, in various states of aggregation, possess energy levels suitable for manifesting a population inversion of the levels when they are suitably excited. In addition to the crystals of which ruby ​​and neodymium are examples, important classes of lasers are gas, semiconductor, liquid and free electrons. The excitation mechanism of a gas, such as the helium-neo one, is an electric discharge in the gas, which produces the ionization of the helium. From this the excitation is transferred by collision to the neo, which has between fifteen transitions favorable to the laser action between levels 3s, 2s and 3p, 2p. The most intense emission lines are visible at 632.8 nm (red) and in the infrared near 1150 nm and medium at 3390 nm, to which radiant powers are emitted in the 1-100 mW range with continuous source operation. By indirect excitation through helium, laser action is also obtained in numerous metallic vapors (helium-cadmium, helium-selenium, helium-lead laser) with continuous emission of a few tens of mW on a series of visible lines, while the ions of heavier noble gases (Ar, Kr, Xe) are directly excitable from the electric discharge and emit considerable continuous powers in the visible and ultraviolet (especially the argon laser, which reaches powers of 10-50 W). The highest powers are specific to carbon dioxide lasers, which use a mixture of CO2, He, Co, N2 for indirect excitation of the vibrational levels of the CO2 molecule, with far-infrared emission at 9600 and 10,600 nm of power continuous exceeding the kW with high efficiency (approx. 20%). Other excitation mechanisms applicable to gas lasers and in particular to CO2 are the combustion of gases followed by an expansion at supersonic speed (gasdynamic) and the chemical reaction between (chemical) gas mixtures. The semiconductor consists of a gallium arsenide diode, heavily doped and polarized in direct conduction at high current levels. In the region of depletion of the junction, the high concentration of injected electrons produces the population inversion between the levels of conduction and valence of the charge carriers and the recombination therefore produces stimulated emission. Gallium arsenide lasers emit in the near infrared at 850-910 nm depending on the operating temperature, with yields of 10-50% and powers limited only by the dissipation requirements inherent to the small realizable structures (0.1-1 mm) . With the same mechanism, other direct transition semiconductors (CdS, PbSe, PbSnTe) provide emission on the field of 380-24.000 nm wavelengths. The liquids are similar to crystal lasers both for excitation mechanisms and for the structure of energy levels. The active material, rare earth chelates or organic dyes (rhodamine, coumarin), is dissolved in a transparent solvent at emission and excitation wavelengths (for example methanol, methyl acrylates, water) and can be excited by a flash lamp or from a continuous source of sufficient power (for example, argon laser). Since the excited states are enlarged in continuous banks of energy by interaction with the complex modes of vibration of the organic molecule, the laser emission can occur over a continuous range of wavelengths and this can be selected and varied continuously by introducing into cavities a selective element such as, for example, a diffraction grating. Similar to a frequency-adjustable electronic oscillator, this type of laser source is called tunable and is a very flexible instrument in the potential applications of lasers. Free electrons are lasers characterized by high efficiency, high power and the possibility to function, in theory, at any wavelength. They are distinguished from conventional lasers by their high performance which, again in theory, can even reach 65% of the input energy; these lasers can be tuned to different wavelengths, but in a much wider band and with a much higher power than other types of lasers.

Da:Free electron lasers are based on electron beams accelerated in vacuum in particle accelerators; the coherent radiation is emitted by the latter when they pass from an energy level in a continuous band of energies to a lower energy level, also in a continuous band. Due to the fact that the electrons are free, the initial and final levels can be chosen practically at will and therefore also the wavelength of the emitted coherent radiation can be made to vary at will. This radiation is emitted by propagating the electrons inside a cavity (the laser cavity) within which an electromagnetic wave is propagated parallel to the electron beam. Laser radiation is produced by effect of a variable magnetic field with spatial periodicity along the direction of electron propagation. The system of magnets with alternating polarity along the path of the beam is called wiggler and it is this magnetic field that acts on the electrons in motion and forces them to yield energy to the electromagnetic field that propagates with them; in this way the electromagnetic wave is amplified and the characteristic laser effect is produced. The mechanism through which the amplification takes place is based on the fact that due to the combination of the electromagnetic field of radiation with the magnetic field of the wiggling, a beat wave is formed which has a frequency equal to that of electromagnetic radiation, but for the which the number of wavelengths contained in the unit of length (wave number) is given by the sum of the wave numbers of the magnetic field of the wiggler and of the electromagnetic wave propagating in the cavity. The beat wave therefore has a wavelength less than that of the electromagnetic wave and therefore propagates in the cavity at a speed lower than this. If the electrons propagate in the cavity at a speed equal to that of the beat wave, in their system the field in which they are immersed is for them a stationary field, a field whose values ​​correspond to those of the portion (phase) of the wave in which they find themselves as they propagate. If an electron propagates at a speed greater than the progressive beat wave (which is a ponderomotive wave, ie capable of exerting forces on the electrons in a direction parallel to that of propagation) it is slowed down and then yields to the wave l kinetic energy that loses. It is precisely in this way that there is the amplification of the radiation inside the cavity.

Technology: laser application
Among the sectors in which the development of the laser has undergone an enormous expansion there are those of mechanical technology and optical metrology. In the field of mechanical processing, medium and high power lasers have proven to be advantageous compared to traditional machine tools in a wide range of processes ranging from thermal treatments to drilling, welding and cutting. Among the most important advantages we can include the improvement of product quality, the reduction of material and process costs, the high productivity resulting from the reduction of space for machinery and the reduction of amortization, the improvement of the working environment . With the laser, very hard materials (such as diamond), very fragile (such as ceramics) are processed, but also "soft" materials such as paper, rubber and plastics. The most important perspective in these fields is the general use of power lasers in the mass production industries sector, with a significant impact on the economies of industrialized nations. In the field of optical metrology the characteristics of low-power lasers have allowed their increasingly generalized application in non-destructive control systems of industrial products and in non-perturbative techniques used in research centers for experimental investigations. The most commonly used techniques are of the interferometric type: the beam of coherent radiation, emitted by the laser and appropriately enlarged, is used in special interferometers in which a fairly large area of ​​space is used to insert the pieces to be examined or tested. Laser interferometers are mainly used for testing transparent materials, such as glass used in the automotive and aeronautics industries. The study of interference fringes makes it possible to accurately assess microscopic thickness variations in the various points of the sample and to observe any work-hardening defects due to cooling or processing. 

Laser interferometers are also widely used to study combustion processes (the interference fringes inside the flame correspond to isotherms in it, that is to lines of equal temperature) and to evaluate, without physical contact, the amplitude of vibration in the various points of a vibrant structure. The most sophisticated techniques of holographic interferometry also make it possible to carry out detailed analyzes of the deformations and vibrations to which a body of any nature is subjected. Since vibration centers are generally also noise centers, these techniques have proved invaluable in reducing the noise of moving mechanical parts. A third laser interferometric technique makes use of the marbling effect, that is of the moiré fringes that appear when two lattices overlap that have roughly the same spatial periodicity. Also in this case the main use is in the automotive industry, where this technique is widely used to control deformations (especially in the production of car bodies) ranging from a few tenths of a millimeter to several millimeters. In the industrial control, other techniques based on the use of the laser are becoming increasingly important: the remote control of the surface roughness status of pieces through the diffusion of a flat and monochromatic laser wave (scattering); the study of combustion phenomena in the most diverse cases, from the combustion of a flame to that which takes place in the cylinder of an internal combustion engine (in these cases the laser beam is used as a probe that does not modify the analyzed situation and which allows make measurements point by point); laser anemometry, which has the purpose of measuring average speeds and local speeds inside moving fluids; the recognition of forms and objects, of fundamental importance for the construction and use of industrial robots and for the development of automatic storage systems. In the military field, the laser is used in rangefinders and in the tracking devices of the cannons of tanks, replacing the classic optical and infrared systems; during the conflict in Vietnam bombs driven by laser beams used by the United States for aerial bombardment appeared for the first time. This technique has been gradually perfected; in particular bombs were built, the so-called "smart bombs", capable, through laser guidance, of self-pointing and following a target. In scientific instrumentation and basic research, the laser has given new impetus to interferometric techniques by extending the measurement ranges both for the highest intensity available and for the intrinsic temporal coherence. These properties and spatial coherence allow important applications, as well as in the field of holography, in the coherent filtering of images and optical memories. Other applications, of various kinds, concern intensity modulation telemetry, Doppler velocimeters, particle size for diffraction and use as an alignment tool. In scientific research the laser has not only been the subject of studies, but also an instrument which is sometimes indispensable for experimentation in various sectors of physics and chemistry. Among the most important strands under development are the fusion studies induced by a laser beam on a deuterium target, with a view to producing energy by controlled fusion, and selective photochemistry studies with implications for biological processes. In the telecommunications field, the development of semiconductor lasers, the possibility of modulating at very high frequency the laser light emitted by them and the development of very low attenuation optical fibers (a light signal can be transmitted for 100 km without the need to amplify it) have allowed to obtain such a competitive technology compared to traditional systems, that optical fibers and electro-optical switches are gradually replacing the traditional lines based on copper cables. The joint use of fiber optics and lasers is completely redesigning the use of computers in a network. A further application of laser technology is that which aims to replace electronic microprocessors (chips) with optical microprocessors, where electrical signals are replaced by optical ones generated by microscopic laser diodes. Another use of the laser is that concerning the holography, that is the virtual reconstruction of the three-dimensional image of a real object.

Technology: use of laser in medicine

In medicine, the ruby ​​laser, the dye laser, the argon laser with carbon dioxide, diodes, neodymium yag, alexandrite and erbium find numerous applications and are used for the treatment of various diseases. Laser radiation has different biological effects in relation to intensity: bundles with low power (medical laser) are used to obtain an analgesic and anti-inflammatory action in rheumatic diseases; it seems that the efficacy of the laser in this field is linked to its ability to cause a significant increase in the flow of blood in the treated district, with consequent production of heat, relaxation of the muscle bundles and removal of the substances involved in inflammatory processes. Alone or combined with shock waves or ultrasounds, laser radiation can also help resolve tendinitis, sports injuries, muscle injuries and painful after-effects of sprains. The medical laser is also able to stimulate tissue repair processes, through an increase in cell regeneration and this property is used to achieve faster healing in the event of serious wounds or ulcerative lesions of the skin lining. It can be useful in the corrective treatment of skin aging to resolve small wrinkles on the lips, "crow's feet", forehead wrinkles, as it can reshape the elastic fibers and collagen. A laser beam that is much more powerful is the surgical laser that is able to produce, almost instantly, in the tissue to which dehydration, death and rapid evaporation of the treated biological material has been applied. Due to the remarkable precision with which it affects the tissues, the surgical laser is used as a scalpel, with the advantage of promoting an immediate stop of bleeding in the engraved area, of guaranteeing absolute sterilization, of causing injuries that heal more quickly and they leave little visible scars. The surgical disciplines in which the laser is most widely exploited are ophthalmology (for operations such as cataract ablation, which thanks to the laser can now be performed on an outpatient basis; for the correction of refractive defects such as myopia, astigmatism and 'hypermetropia) and gynecology (for example, for excising vaginal warts; for treating cervical lesions caused by papilloma virus infection). In association with endoscopy, the laser allows surgical aggression of formations inside body cavities (uterus, bronchi, digestive tract, etc.) by accessing the area to be operated from the outside, along the thin and flexible tube of the endoscope, whose optical fibers allow the direct visualization of the structures that are crossed: this allows to remove internal pathological formations, without the need to create a surgical access, minimizing the clinical and economic implications of anesthesia, surgical wound, length of stay, etc. . It is part of clinical practice, and it is applied to patients with their informed consent the use of the laser for the unblocking of peripheral vessels and for the interruption of small abnormal intracardiac bundles, capable of creating real short circuits, responsible for serious disorders of heart rhythm. The use of the laser is not without risk and must be entrusted exclusively to highly specialized personnel, for the safety of both patients and operators.

Da: 
http://www.sapere.it/enciclopedia/làser.html