Pubblicato su Politica Domani Num 50/51 - Set/Ott 2005
I laser atomici
LASER è una sigla che deriva dall'inglese Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation: amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione.
A differenza della luce prodotta da una normale sorgente luminosa e caratterizzata dall'emissione disordinata di raggi di differente colore (la luce bianca è formata da uno spettro di sette colori), il fascio di luce laser è:
- monocromatica, formata cioè da radiazioni della stessa lunghezza d'onda e, quindi, colore;
- coerente, le radiazioni viaggiano in fase;
- collimata, le radiazioni hanno la stessa direzione.
Le caratteristiche del fascio laser sono tali da permetterne l'applicazione ogni volta che si rendono necessarie altissime energie coniugate ad un altissimo grado di precisione come, per esempio, per eseguire tagli di precisione di minerali preziosi, nei lettori di compact-disc, nei puntatori in genere, nei lettori di codici a barre, nelle telecomunicazioni digitali, per creare effetti speciali.
La precisione dei laser e la possibilità di calibrarne molto bene l'energia hanno dato luogo a numerosissime applicazioni in campo medico, terapeutico e chirurgico.
Il fenomeno fisico sul quale si base il suo funzionamento è quello dell'emissione stimolata, enunciato da Einstein nel 1917. Ogni volta che un fotone colpisce un elettrone questo acquista energia e risale di un orbitale. Dopo poco, però, decade. Ridiscende cioè sull'orbitale di partenza, perde energia ed emette un fotone esattamente uguale a quello che lo aveva colpito.
Le radiazioni emesse in modo naturale sono dirette in ogni direzione. Se il fotone colpisce un atomo che è già eccitato l'atomo emette due fotoni perfettamente identici che vanno nella stessa direzione. I fotoni emessi così si moltiplicano creando uno sciame di fotoni, tutti identici fra di loro. Con il laser è possibile costringere questi fotoni a muoversi in una sola direzione in modo da costituire un unico fascio di grande intensità luminosa e perfettamente rettilineo.
Il LASER è stato inventato, a livello teorico, nel 1958 da uno scienziato americano, Charles H. Townes e realizzato, per la prima volta da due americani, T. H. Maiman e A. Javan, e dai russi N.G. Basov e A.M. Prochorov, negli anni '60.
I primi LASER sperimentali, utilizzavano come materia prima un rubino, cioè una pietra preziosa di colore rosso intenso, posto fra due specchi paralleli e circondato da un tubo di vetro contenente gas che veniva sottoposto a impulsi luminosi.
Il rubino è costituito da sesquiossido di alluminio contenente atomi di cromo che gli conferiscono un colore rosso intenso. I lampi luminosi di luce policromatica e incoerente, prodotti dalla lampada flash che circonda il rubino, eccitano gli atomi di cromo. Si generano così sciami di fotoni, tutti uguali. Gli specchi costringono i fotoni all'interno degli specchi fra i quali viaggiano urtando gli atomi a generando altri fotoni. Questi fotoni, tutti insieme, avendo le stesse caratteristiche, verranno in breve a costituire un fascio luminoso intenso, coerente e rettilineo che percorre avanti e indietro la cavità dell'apparecchio da dove esce attraverso un foro luce monocromatica, coerente e collimata.
La luce del laser dipende dagli atomi di cui è fatto il materiale colpito dagli impulsi luminosi.
Esistono, quindi, molti tipi di laser che usano materiali diversi per produrre luce diversa. Questo, oltre l'impossibilità di catturare raggi ad alta frequenza come i raggi X, che sfuggono attraverso le pareti a specchio, è uno dei limiti maggiori.
Laser a elettroni liberi (FEL)
I Laser ad Elettroni Liberi (Free Electrons Laser, FEL) sono una sorgente di luce di sincrotrone per produrre radiazione coerente di corta lunghezza d'onda.
Nel Laser ad Elettroni Liberi non si usa un sistema di atomi o molecole come mezzo attivo, bensì un fascio di elettroni relativistici*. Questi vengono costretti su una traiettoria oscillante da un campo magnetico statico fatto di poli alternati e fra loro affacciati Nord-Sud-Nord-Sud- ecc... variabile nello spazio (ondulatore magnetico). Come tutte le cariche accelerate, perdono energia emettendo radiazione. In un FEL ha luogo l'interazione tra la radiazione di sincrotrone emessa dagli elettroni, il campo statico dell'ondulatore e gli elettroni del fascio. È possibile sottrarre energia agli elettroni del fascio per trasferirla al fascio laser ottenendo così una amplificazione della radiazione.
Contrariamente a quanto avviene nei laser convenzionali è tuttavia possibile anche il processo inverso. Un elettrone che si muove alla velocità della luce in un campo magnetico oscillante può essere pensato come investito a sua volta da onde elettromagnetiche (fotoni) che si muovono in direzione dell'elettrone. Questo implica un'accelerazione degli elettroni a spese del campo elettromagnetico.
In un lungo ondulatore viene iniettato un fascio di elettroni di alta qualità (cioè alta densità di carica, bassa divergenza e basso energy spread). L'interazione tra il fascio di elettroni e la radiazione spontanea emessa dal fascio stesso, produce una modulazione nella distribuzione spaziale degli elettroni sulla stessa scala della lunghezza d'onda emessa. Milioni di elettroni si auto-organizzano in modo tale da partecipare all'emissione di radiazione in fase tra loro, come in un laser atomico, ma senza la necessità di una cavità ottica. Tale effetto denominato Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE) permette la produzione di radiazione monocromatica coerente anche a corte lunghezze d'onda, senza l'impiego di specchi. Inoltre poiché la lunghezza d'onda emessa dipende dall'energia degli elettroni é possibile accordare il sistema cambiando l'energia del fascio iniettato nell'ondulatore.
La caratteristica che rende il Laser ad Elettroni Liberi interessante rispetto ai laser convenzionali è, quindi, il fatto che, in teoria, è possibile variare la lunghezza d'onda della luce emessa.
* Si chiamano elettroni relativistici particelle con carica negativa che viaggiano a velocità prossime a quella della luce.
