LASER: UN'IMPORTANTE APPLICAZIONE DELLA FISICA QUANTISTICA

Nel novembre del 1957 Gordon Gould, uno studente laureato della Columbia University, annotò su un taccuino alcune idee su come realizzare un laser, termine da lui stesso coniato.
I possibili utilizzi di tale strumento, aveva scritto, includevano:

- la spettrografia;
- l'interferometria;
- i radar;
- la fusione nucleare.

3 anni più tardi fu realizzato effettivamente il primo laser.
Il laser è forse la tecnologia che meglio rappresenta il XX secolo.
Infatti, ha portato alla realizzazione dei lettori CD, DVD, Blu-ray, degli scanner alle casse dei supermercati, delle fibre ottiche per le telecomunicazioni ad alta velocità e molto altro ancora.
Il termine "laser" è un acronimo inglese di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ("amplificazione di luce attraverso emissione stimolata di radiazione").
Leggendo l'acronimo, sorge dunque una domanda: cos'è l'emissione stimolata di radiazione?
La fisica quantistica ha illustrato il meccanismo secondo cui gli atomi emettono radiazione elettromagnetica.
Se un atomo è eccitato, ossia ha un elettrone a un livello E2 di energia più elevato del livello minimo possibile (chiamiamolo E1), esso si rilassa portando l'elettrone al livello energetico inferiore ed emettendo un fotone che sottrae l'eccesso di energia, in un processo denominato emissione spontanea.
L'emissione spontanea, in un insieme di atomi eccitati, avviene in modo disordinato, in quanto i fotoni emergono in tutte le direzioni e in istanti diversi.
Arrivando al nocciolo della domanda, la meccanica quantistica prevede tuttavia anche un ulteriore meccanismo di emissione: l'emissione stimolata (idea introdotta da Einstein nel 1917), appunto.
Se l'atomo eccitato viene colpito da un fotone della "giusta energia", cioè pari alla differenza tra i 2 livelli energetici (E2-E1), allora, nel rilassarsi, esso emette istantaneamente un altro fotone della stessa energia e nella stessa direzione del primo!
Questa è la base del funzionamento di un laser.
Già un solo atomo amplifica la radiazione: infatti, per un fotone che incide sull'atomo ne emergono 2 identici.
Dunque, basandosi su questo fenomeno, per realizzare un laser, è necessario preparare un gran numero di atomi di una certa sostanza, chiamata mezzo attivo, in maniera che ognuno abbia un elettrone a un livello alto di energia, e far scendere poi gli elettroni a un livello più basso per emissione stimolata.
Tra gli stati eccitati in cui può trovarsi un elettrone atomico sussistono alcuni, denominati metastabili, nei quali l'elettrone permane per un tempo relativamente lungo prima di compiere una transizione spontanea verso uno stato a energia inferiore.
Per la preparazione degli atomi del mezzo attivo occorre fare in modo che la maggior parte di essi abbia un determinato stato metastabile "popolato", a scapito dello stato fondamentale, rimasto privo di elettroni.
In gergo tecnico, questo meccanismo viene detto inversione di popolazione.
Essendo in uno stato metastabile, gli elettroni hanno il tempo di aspettare che pervengano i fotoni, i quali vanno ad indurre l'emissione stimolata di altri fotoni, in una reazione a catena.
Per ottenere l'inversione di popolazione bisogna sottoporre gli atomi a un irraggiamento elettromagnetico oppure a una scarica elettrica (in generale bisogna fornire dall'esterno un'energia molto intensa), mediante l'operazione chiamata pompaggio ottico.
Questo è il prezzo energetico da pagare se vogliamo ottenere la moltiplicazione dei fotoni, e pertanto, un raggio laser.
Ma quali sono le caratteristiche della luce che esce da un laser?
Il fascio luminoso risulta:

- collimato, cioè unidirezionale.
- estremamente monocromatico: ciò significa che possiede una precisa lunghezza d'onda: il laser seleziona e amplifica una sola componente dello spettro elettromagnetico, o per esser più precisi, un insieme continuo di componenti che appartengono a un intervallo veramente ristretto di lunghezze d'onda;
- estremamente coerente: in tutte le porzioni della sezione trasversale del fascio l'onda elettromagnetica è in fase: se il campo elettromagnetico è massimo in un punto della sezione, allora è massimo in tutti gli altri punti.

Per tali motivi, la luce laser è l'entità reale che più si avvicina al concetto ideale di onda elettromagnetica armonica: la sua lunghezza d'onda è pressocché unica, come unica è la sua direzione di propagazione e ben definiti risultano i fronti d'onda.
I laser possono essere suddivisi in queste categorie fondamentali:

• laser a gas: comprendono i comunissimi laser a elio-neon, che sviluppano la loro nota luce rossa. Sono alimentati con onde radio o per mezzo di energia elettrica. I laser a elio-neon risultano piuttosto deboli. Esistono anche quelli ad anidride carbonica che, invece, possono essere sfruttati nell'industria pesante per far esplodere, tagliare e saldare, e possono innescare fasci potentissimi e totalmente invisibili;
• laser chimici: vengono alimentati mediante una specifica reazione chimica, come, ad esempio, la combustione di un getto di etilene e trifluoruro di azoto (NF3). Risultano abbastanza potenti da poter essere usati a scopi militari. Infatti, le forze armate americane sono dotate di laser chimici, al suolo o aviotrasportati, capaci di generare potenze di milioni di watt e realizzati con il fine di abbattere in volo missili a corto raggio;
• laser a eccimeri (o a ecciplessi): anch'essi alimentati da reazioni chimiche che interessano generalmente un gas nobile (argo, krypton, xeno), del fluoro o del cloro. La loro emissione è nell'ultravioletto. Possono essere utilizzati nell'industria dei semiconduttori per incidere transistor sui chip oppure in campo medico per delicati interventi di chirurgia oftalmica;
• laser a stato solido: il primo di essi mai realizzato fu un laser a rubino, prodotto con un cristallo di rubino drogato con atomi di cromo. Sono numerosi i cristalli capaci di generare un fascio laser, a patto che vengano utilizzati insieme a sostanze chimiche come l'ittrio, l'olmio o il tulio. I laser a stato solido possono dar vita ad impulsi ultracorti ad alta energia;
• laser a semiconduttori: i diodi, componenti molto utilizzati nell'industria dei semiconduttori, possono generare fasci abbastanza intensi da essere usati per tagliare e saldare. Rappresentano proprio quei laser che vengono usati nei supermercati per leggere i codici a barre dei prodotti che acquistiamo;
• laser a coloranti (dye): sfruttano coloranti organici come mezzo di amplificazione. Sono ineguaglabili per quanto concerne il creare impulsi luminosi ultracorti, dell'ordine di una manciata di picosecondi!
  

Proprio il laser permette il funzionamento di un importante componente hardware dei moderni computer, ovvero il masterizzatore.
Esso ci permette, come ben noto, di archiviare un'enorme quantità di dati in forma binaria, indipendentemente dalla tipologia di dati, su un supporto ottico (i comuni CD o DVD) costituito da 4 strati:

1) primo strato: sulla superficie di esso si può collocare un'etichetta;
2) secondo strato: di materiale acrilico, il suo ruolo è solamente quello di fungere da elemento separatore;
3) terzo strato (Die): formato da una lamina di alluminio. Risulta "scrivibile" proprio mediante il laser che, emettendo a intervalli determinati luce molto intensa a temperature molto alte, arriva a bruciare letteralmente lo strato, incidendo in questo modo dei solchi microscopici chiamati Pit, le cui dimensioni vanno da 0,83 μm dei CD, fino a 0,4 μm dei DVD;
4) quarto strato: trasparente in policarbonato. Ha funzioni protettive.

L'informazione viene pertanto immagazzinata come una sequenza di zone bruciate o non bruciate.
La lettura delle informazioni avviene in questo modo: quando il laser incontra un Pit, la luce viene dispersa e codificata con il numero binario 0, mentre quando viene riflessa (cioè quando incontra le parti di alluminio non bruciate, dette Land) è codificata con 1.
L'informazione risulta perciò digitalizzata con una sequenza specifica di 0 e 1.
In conclusione, l'importanza del laser è sempre sotto i nostri occhi: molte delle importanti applicazioni di esso immaginate da Gordon Gould si sono avverate, eccetto la fusione nucleare.
Infatti, realizzare centrali basate sulle reazioni di fusione nucleare per produrre energia, rappresenta, molto probabilmente, il Santo Graal della produzione energetica (pulita)!