Fisica: Laser | Encyclopedia.com (2023)

introduzione

Laser è un acronimo che sta per amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni. I laser operano nelle regioni dell'infrarosso, del visibile o dell'ultravioletto dello spettro elettromagnetico. A chi va il merito dell'invenzione del laser? La risposta non è semplice. Il sito Web dei Bell Laboratories afferma categoricamente che è stato inventato lì. Altri lo contestano.

Il primo laser funzionante vide la luce il 7 luglio 1960. All'inizio l'invenzione sembrava essere una soluzione in cerca di applicazioni. In effetti, per i primi due anni i laser sembravano in grado di fare poco più che bucare le lamette da barba per gli spot televisivi. Poi, man mano che i vantaggi della strana nuova luce prodotta dai laser diventavano più chiari, i dispositivi sembravano trovare applicazione ovunque.

Oggi il numero e la varietà dei laser è sorprendente e vengono utilizzati in campi così vari come la medicina, la scienza, la produzione industriale, la casa, l'ufficio, le comunicazioni e l'esercito.

La ragione principale di questo ampio utilizzo è che la luce laser ha qualità molto speciali: è di colore molto puro, può essere molto intenso e può essere diretta con grande precisione. Cosa rende possibile tutto questo? A causa del modo in cui viene prodotto, ha una qualità chiamata coerenza, il che significa che le sue onde rimangono in fase (al passo) mentre vengono prodotte.

Cenni storici e fondamenti scientifici

Emissione stimolata

Il laser e il suo genitore, il maser (amplificazione a microonde mediante emissione stimolata di radiazioni), possono essere fatti risalire a 90 anni fa ai loro inizi teorici.

Il fisico americano di origine tedescaAlberto Einstein(1879-1955), anche se meglio conosciuto per il suo lavoro sulla teoria della relatività, ha anche svolto un lavoro importante su quell'altro importante capolavoro scientifico del ventesimo secolo,teoria dei quanti. In un articolo, pubblicato nel 1916, dimostrò che in determinate condizioni si poteva ottenere un'emissione controllata di energia luminosa da un atomo.

Quando un atomo o una molecola ha in qualche modo avuto il suo livello di energia aumentato dall'input di energia, può rilasciare questa energia immagazzinata in uno dei due modi. Potrebbe essere rilasciato sotto forma di un fotone di energia luminosa in un dato momento e in una direzione che non può essere conosciuta in anticipo. Questa è un'emissione spontanea. Può anche essere stimolato sottoponendo la particella a un piccolo “shot” diradiazioni elettromagnetichedella giusta frequenza. Questa è l'emissione stimolata.

Einstein scrisse che quando un colpo di energia in arrivo faceva cadere un elettrone da un'orbita più alta a una più bassa, l'elettrone emetteva un altro fotone. In altre parole, l'energia del fotone emesso si sommerebbe a quella del fotone che per primo ha stimolato l'azione. Qui, potenzialmente, c'era l'amplificazione della luce. Ma la particolarità del principio del laser è che il fotone emesso sarebbe della stessa frequenza, nella stessa direzione e al passo (con la stessa fase) di quello che lo ha colpito.

Circa due decenni dopo, dal 1939 al 1940, il fisico russo Valentin A. Fabrikant (1907-1991) iniziò a pensare a quali condizioni sarebbero state necessarie per produrre l'amplificazione della luce in questo modo. Più o meno nello stesso periodo, il fisico americano Charles H. Townes (1915–), che aveva conseguito un dottorato in fisica pressoIstituto di tecnologia della California, è entrata a far parte dei Bell Laboratories. Sebbene Townes avesse lavorato in diversi campi teorici,seconda guerra mondialesi stava avvicinando e fu assegnato a lavorare su un sistema di bombardamento radar. Il sistema utilizzava frequenze a microonde con una lunghezza d'onda di diversi centimetri.

Dopo la guerra, il suo lavoro con le microonde si integrò perfettamente con un crescente interesse per la spettroscopia molecolare (microonde), e nel 1948 si trasferì aUniversità della Columbia. Townes si interessò alla spettroscopia a microonde con lui e nel 1949 iniziò a lavorare con il fisico americano Arthur Schawlow (1921-1999), un dottorato di ricerca in fisica appena coniato presso l'Università di Toronto che si era unitoUniversità della Columbiasu una borsa di studio.

Townes e Schawlow hanno studiato l'idea che man mano che la lunghezza d'onda delle microonde utilizzate nella spettroscopia si accorciava, l'interazione della radiazione con le molecole diventava più forte, portando a un dispositivo spettroscopico più sensibile. Ma generare le lunghezze d'onda più piccole era un problema. Townes ebbe l'idea che le frequenze desiderate potessero essere generate in qualche modo mediante l'uso di molecole gassose.

L'interesse di Townes per le onde millimetriche - il prossimo grande passo indietro nella lunghezza d'onda rispetto alle microonde - era per spettroscopi più potenti. I militari, tuttavia, finanziavano parte della ricerca del laboratorio e avevano altri interessi. Le microonde, utilizzate nei radar, ad esempio, trovano ampia applicazione nelle comunicazioni, e questo spiegava l'interesse dei militari: maggiore è la frequenza delleradiazioni elettromagnetiche, maggiore è la sua capacità di trasportare informazioni. I sistemi che utilizzano onde millimetriche - un passo di frequenza più corto delle microonde - sarebbero un enorme progresso, ma i ricercatori sono stati ostacolati dall'idea di costruire la cavità risonante richiesta in proporzioni millimetriche. Per ovviare a questo, Townes, insieme a un paio dei suoi studenti più avanzati, iniziò a lavorare su un'unità per microonde che aveva una cavità risonante dell'ordine di pochi centimetri.

Il 26 aprile 1951, dopo molte riflessioni, capì come farlo. Normalmente, più molecole in qualsiasi sostanza si trovano in stati di bassa energia che in stati di alta. Townes voleva cambiare l'equilibrio naturale e creare una situazione con un numero anormalmente elevato di molecole ad alta energia, quindi stimolarle a emettere la loro energia spingendole con le microonde. Ecco l'amplificazione.

Poteva persino prendere parte della radiazione emessa e reintrodurla nel dispositivo per stimolare ulteriori molecole, creando così un oscillatore. Questa disposizione di feedback, lo sapeva, poteva essere eseguita in una cavità, che risuonava (proprio come una canna d'organo e le onde acustiche) alla frequenza appropriata. Il risonatore sarebbe una scatola le cui dimensioni fossero paragonabili alla lunghezza d'onda della radiazione, cioè pochi centimetri di lato.

Sul retro di una busta ha capito alcuni dei requisiti di base. Tre anni e molti esperimenti dopo, il maser era una realtà. Il maser originale era una piccola scatola di metallo in cui venivano aggiunte molecole di ammoniaca eccitate. Townes in seguito scrisse: “L'idea che ho aggiunto... era quella di utilizzare una cavità risonante in modo che il segnale passasse ripetutamente attraverso il gas, rimbalzando avanti e indietro, raccogliendo energia ogni volta. Il processo fornirebbe effettivamente un'amplificazione infinita.

Quando le microonde venivano irradiate nell'ammoniaca eccitata, la scatola emetteva un raggio puro e forte di microonde ad alta frequenza, molto più coerente in frequenza (al passo) di qualsiasi altro mai ottenuto prima. L'output di un maser di ammoniaca è stabile a una parte su 100 miliardi, il che lo rende estremamente accuratoorologio atomico; Le proprietà di amplificazione dei maser si sono rivelate molto utili anche per amplificare deboli segnali radio dallo spazio e per le comunicazioni satellitari.

Townes scelse di lavorare con il gas di ammoniaca perché sapeva che era possibile separare le molecole a bassa energia da quelle ad alta e far entrare le molecole eccitate nella cavità senza troppi problemi. Questa procedura per portare la maggior parte degli atomi o delle molecole in un contenitore in uno stato energetico più elevato è chiamata inversione di popolazione ed è fondamentale per il funzionamento sia dei maser che dei laser.

Vale la pena notare che due russi, Nikolay G. Basov (1922-2001) e A.M. Prokhorov (1916-2002), stavano lavorando su linee simili indipendentemente da Townes. Nel 1952 hanno presentato un documento a una conferenza di tutta l'Unione (URSS), in cui hanno discusso la possibilità di costruire un generatore molecolare, cioè un maser. Le loro ulteriori pubblicazioni, nel 1954 e nel 1955, furono per molti aspetti simili a quelle di Townes, e mostrarono persino un nuovo modo per ottenere i sistemi atomici attivi per un maser.

Così il 29 ottobre 1964, quando ilpremio Nobelin Fisica è stato assegnato per il lavoro fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio "aser", è stato assegnato non solo a Townes, ma anche a Basov e Prokhorov.

È nato un laser

Dopo lo sviluppo del maser, ci sono state molte speculazioni sulla possibilità di estendere il principio alla regione ottica. La difficoltà, ovviamente, era che le lunghezze d'onda ottiche sono così piccole, circa un decimillesimo di quelle delle microonde. Il maser dipendeva da un risonatore fisico lungo pochi centimetri o addirittura millimetri. Ma a lunghezze d'onda millimetriche, tali risonatori sono già così piccoli che è difficile realizzarli con precisione. Fare una scatola un decimillesimo di quelle dimensioni era fuori questione. Era necessario un altro approccio.

Nel 1958 Townes e Schawlow (che allora lavorava pressoLaboratori telefonici Belled era diventato suo cognato) ne delineò la teoria e propose una struttura per un maser ottico. Hanno suggerito che la risonanza potrebbe essere ottenuta facendo viaggiare le onde avanti e indietro lungo una colonna relativamente lunga e sottile di sostanza amplificante che aveva riflettori paralleli, cioè specchi rivolti verso l'interno, a ciascuna estremità. Uno degli specchi sarebbe solo parzialmente riflettente, per consentire al raggio di emergere quando raggiunge una certa intensità. Hanno soprannominato questo dispositivo, che avrebbe un mezzo di lavoro di vapore di potassio, un maser ottico e hanno pubblicato la loro teoria sulla rispettata rivistaRevisione fisicail 15 dicembre 1958.

Ma secondo un altro ricercatore, la storia ha sbagliato tutto. Secondo Gordon Gould (1920-2005), uno studente laureato alla Columbia che all'epoca lavorava nel corridoio del professor Townes, le intuizioni di base che hanno reso possibile tutto ciò avrebbero dovuto essere attribuite a lui.

Il primo laser funzionante

Dopo che la teoria del maser ottico di Townes e Schawlow fu pubblicata il 15 dicembre 1958, la corsa per costruire il primo vero dispositivo iniziò sul serio. Il chiaro vincitore, nel 1960, fu il fisico americano Dr. Theodore H. Maiman (1907-2007), allora alla Hughes Aircraft Company. Curiosamente, la sostanza attiva che ha usato non era né il design del vapore di potassio suggerito da Townes e Schawlow né il laser a gas suggerito da Gould. Piuttosto era un unico cristallo di rubino, con le estremità molate piatte e argentate.

Il rubino è un ossido di alluminio in cui una piccola frazione degli atomi di alluminio nella struttura molecolare, o reticolo, è stata sostituita con atomi di cromo. Questi atomi assorbono la luce verde e blu, conferendo un colore rosso. Gli atomi di cromo possono essere spinti dal loro stato fondamentale a stati eccitati quando assorbono luce verde o blu. Questo processo, mediante il quale si ottiene l'inversione della popolazione, è chiamato pompaggio.

Il pompaggio in un laser a cristallo si ottiene generalmente posizionando l'asta di rubino all'interno di una lampada flash a spirale. Quando la lampada lampeggia, un raggio luminoso di luce rossa emerge da un'estremità del rubino, che è stato solo parzialmente argentato. La durata di questo lampo di luce rossa è piuttosto breve, dura solo circa 300 milionesimi di secondo, ma è molto intensa. Nei primi laser, un tale lampo raggiungeva una potenza di picco di 10.000 watt.

Il mondo esterno sembrava avere poca comprensione del significato della realizzazione di Maiman. Maiman ha dettagliato il suo lavoro per una rapida pubblicazione inLettere di revisione fisica,ma l'ha passato prima all'ufficio brevetti Hughes. L'ufficio brevetti ha autorizzato il documento, ma non ha ritenuto che il resoconto del suo lavoro fosse abbastanza importante da giustificare la richiesta di protezione del brevetto. Così Hughes ha perso ogni pretesa sui diritti di brevetto stranieri. In secondo luogo, l'editore diLettere di revisione fisicainviò a Maiman una brusca lettera di rifiuto. L'articolo di Maiman è stato successivamente pubblicato sulla rivista scientifica britannicaNaturail 6 agosto 1960.

Una moltitudine di laser

Sebbene i ricercatori dei Bell Laboratories fossero delusi dal fatto che Maiman avesse raggiunto l'obiettivo di costruire prima il maser ottico, sottolinearono, felicemente, che il laser di Maiman era "solo" un laser pulsato. In altre parole, l'energia della luce è stata pompata dentro e da essa è esplosa una pallottola di energia. Quindi l'intero processo doveva essere ripetuto. Il funzionamento a impulsi va bene per la saldatura a punti e per operazioni come il rilevamento della distanza di tipo radar, dove vengono comunque utilizzati impulsi di energia. Ma anche se i laser consentono l'uso di lunghezze d'onda ottiche con la loro capacità di carico molto maggiore, i sistemi pulsati non sarebbero utili per le comunicazioni (o per altre applicazioni che verranno discusse in seguito). Il funzionamento a onda continua (CW) è rimasto un obiettivo importante.

Inoltre, i cristalli solidi sono difficili da fabbricare. Quindi, era naturale per i pionieri del laser guardare con speranza ai laser a gas, che teoricamente sarebbero stati più facili da realizzare, una volta soddisfatte le condizioni adeguate. Basta riempire un tubo di vetro con il gas appropriato e sigillarlo. Ma ne deriverebbero altri vantaggi. Per prima cosa la popolazione relativamente scarsa di atomi emittenti in un gas fornisce un mezzo quasi idealmente omogeneo. Cioè gli atomi emittenti (corrispondenti al cromo nel cristallo di rubino) non sono “contaminati” da

GORDON GOULD (1920-2005)

Gordon Gould (1920-2005) è nato aNew YorkCittà. Anche da bambino, i suoi eroi erano degli inventoriAlexander Graham Bell(1847-1942), Thomas Edison (1847-1941) eGuglielmo Marconi(1874-1937). Sapendo che per inventare qualcosa di utile avrebbe dovuto capirne la fisica, si concentrò su questo argomento durante i suoi anni scolastici. Nel 1957 stava lavorando per un dottorato di ricerca alla Columbia University, un importante centro di fisica. Charles Townes (1915–), inventore del maser, insegnava lì e ogni tanto discutevano del loro lavoro. Gould stava facendo ricerche sulla spettroscopia ottica e a microonde, ma stava cominciando a pensare ai laser. C'è un notevole disaccordo tra i due uomini su quanto ciascuno abbia detto all'altro delle sue idee sul laser.

La notte del 9 novembre 1957, all'età di 37 anni, Gould si avvicinò con il suo concetto per il laser. Il maser, l'invenzione di Townes, amplificava le microonde. Un laser sarebbe molto più potente, poiché un fotone di luce per sua stessa natura ha centomila volte più energia di una singola unità di energia a microonde. Gould, almeno secondo lui, aveva escogitato una delle invenzioni più importanti del ventesimo secolo. Eppure doveva imbarcarsi in una commedia degli equivoci che gli avrebbe impedito di trarre profitto da quell'invenzione per quasi 30 anni.

Sapendo di avere qualcosa di importante in mano, si è allontanato dal suo dottorato quasi vinto. Ha consultato un avvocato specializzato in brevetti ma, fraintendendo il consiglio dell'avvocato, ha pensato di dover costruire un prototipo prima di poter depositare un brevetto. Pertanto trascorse la maggior parte del 1958 cercando di perfezionare e migliorare il suo dispositivo e non presentò istanza fino al 1959. Nel frattempo, altri ricercatori di laser, tra cui Townes e Schawlow, avevano già presentato istanza per dispositivi uguali o simili. Ciò che Gould ha fatto, fortunatamente per lui, è stato scrivere e tracciare un'attenta descrizione delle sue idee in un quaderno di scuola, che ha poi portato in un negozio di caramelle all'angolo, dove ha fatto autenticare le pagine. La data era il 13 novembre 1957. Gould fu il primo a usare il termine laser.

Nel 1958 Gould si unì a una neonataNew Yorksocietà chiamata TRG, dove sentiva che c'erano maggiori possibilità di poter sviluppare il suo laser. La società ha richiesto e vinto un contratto dall'ARPA, l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata del Dipartimento della Difesa, per sostenere questo lavoro, ma non è riuscita a sviluppare un laser funzionante. Successivamente Gould divenne professore al Polytechnic Institute di Brooklyn e nel 1973 contribuì a fondare l'azienda industriale Optelicom, Inc.

Nel corso degli anni, però, è entrato anche in una lunga e costosissima guerra sui brevetti. Lungo la strada ha arruolato l'aiuto di una serie di partner che lo hanno aiutato nelle sue battaglie. È stata una guerra combattuta in molte aule di tribunale: contro scienziati concorrenti, contro aziende che secondo lui stavano usando illegalmente i "suoi" progetti senza pagare le tasse di licenza e contro lo stesso Ufficio Brevetti. Ha insistito sul fatto che Townes avesse usato le sue idee, mentre Townes ha insistito sul fatto che ogni volta che parlavano prima di quella data di novembre, Gould tornava di corsa nel suo ufficio e scriveva ciò di cui avevano discusso. Gould dice che le loro discussioni lo hanno semplicemente avvertito del fatto che Townes stava pensando in modo simile al suo.

All'inizio le cose sembravano cupe per Gould. Nel marzo 1964, ad esempio, l'Ufficio brevetti si pronunciò contro di lui e in favore dei Bell Laboratories, confermando il brevetto di maser ottico concesso a Schawlow e Townes il 22 marzo 1960. Gould e i suoi soci si rivolsero ai tribunali, citando in giudizio l'Ufficio brevetti in corte federale quando i suoi stessi brevetti furono respinti. Dopo una grande quantità di costosi contenziosi e ulteriori battaglie con l'Ufficio brevetti, le cose iniziarono a girare nella sua direzione. Nel maggio 1977 fu accolta la domanda di Gould per un amplificatore con pompaggio ottico. Dopo alcuni altri successi, ottenne i brevetti per un amplificatore a scarica di gas che, con l'amplificatore a pompaggio ottico, copriva l'80% dei laser realizzati nelstati Uniti. Gli furono concessi anche altri brevetti.

Il ritardo, curiosamente, aveva reso i brevetti molto più redditizi di quanto sarebbero stati se fossero stati rilasciati immediatamente. In altre parole, se fossero stati rilasciati al momento della richiesta nel 1959, avrebbero seguito il loro corso di 17 anni prima che le applicazioni laser esplodessero nell'enorme industria che divennero negli anni successivi.

il reticolo o gli atomi ospiti. Poiché devono essere utilizzati solo atomi attivi, la coerenza di frequenza di un laser a gas sarebbe probabilmente persino migliore di quella del laser a cristallo, hanno ragionato.

Meno di un anno dopo lo sviluppo del laser a rubino di Maiman, il fisico iraniano Ali Javan (1926–) dei Bell Laboratories propose un laser a gas che utilizzava una miscela di elio e neon. Questa era una partnership ingegnosamente inventata in cui un gas faceva l'energizzante e l'altro l'amplificava. Il laser di Javan ha fornito la prima uscita continua, generalmente indicata come operazione CW, o onda continua.

I laser a gas ora utilizzano molti gas diversi per lunghezze d'onda e potenze diverse e forniscono la luce "più pura" di tutte. Un ulteriore vantaggio è che si può fare a meno della luce di pompaggio ottica; un segnale di ingresso di onde radio della frequenza corretta può fare il lavoro.

Potenza ed efficienza

Le due unità generalmente utilizzate per specificare la potenza di uscita di un laser sono watt e joule. Il watt, la velocità con cui viene svolto il lavoro (elettrico), è l'unità più familiare: basta pensare a una lampadina da 15 o 150 watt per avere un'idea della sua grandezza. Il joule è un'unità di energia e può essere pensato come la capacità totale di compiere lavoro. Un joule equivale a 1 watt-secondo o 1 watt applicato per 1 secondo. Ma può anche significare un'esplosione di luce laser da 10 watt della durata di 0,1 secondi o un miliardo di watt della durata di un miliardesimo di secondo.

Nei primi anni, i laser di cristallo erano i più potenti, ma ora sono stati realizzati altri materiali, come liquidi e vetro appositamente preparato, che forniscono una solida concorrenza. Nel 2003 il National Ignition Facility Project degli Stati Uniti ha prodotto 10,4 kilojoule di luce ultravioletta in un raggio laser a base di vetro al neodimio, stabilendo un record mondiale per le prestazioni del laser.

Uno degli aspetti meno soddisfacenti del laser è stata la sua notoriamente bassa efficienza. Per un certo periodo il massimo che si poteva ottenere era di circa l'1%, cioè bisognava inserire 100 watt di luce per ottenere un watt di luce coerente. Nei laser a gas l'efficienza era ancora inferiore, variando dallo 0,01 allo 0,1%.

Nei laser a gas questo non rappresentava un grosso problema, poiché l'elevata potenza non era l'obiettivo. Ma con i laser solidi ad alta potenza, la potenza di pompaggio potrebbe essere un'impresa importante. Una pompa laser ad alta potenza costruita dai Westinghouse Research Laboratories potrebbe gestire 70.000 joule. In termini più familiari, il picco di potenza assorbita mentre la pompa è accesa è di circa 100.000.000 di watt. Per un breve istante questo è all'incirca uguale al fabbisogno di energia elettrica di una città di 100.000 abitanti.

Due sviluppi hanno cambiato i livelli di efficienza. Prima ildiossido di carbonio(co₂) il laser a gas è abbastanza efficiente, con la cifra che ha superato il 15%. CO₂i laser, che producono impulsi o onde continue, possono emettere potenti raggi e hanno trovato ampio impiego in molte applicazioni. Sono stati costruiti dispositivi speciali che producono 20 megawatt CW.

Il secondo è il laser ad iniezione o semiconduttore, in cui sono state raggiunte efficienze superiori al 40%. In un programma in corso sostenuto dagli Stati UnitiAgenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa, Alfalight, un produttore di laser a semiconduttore, ha dimostrato un'efficienza del 65%; il programma sta girando per l'80% in tre anni. A meno che non si verifichino difficoltà impreviste, questa cifra dovrebbe continuare a salire fino a un massimo teorico del 100%.

Nel laser a semiconduttore tutte le funzioni del laser sono state racchiuse in un minuscolo cristallo semiconduttore. In questo caso, elettroni e "buchi" (vacanze nella struttura cristallina che agiscono come cariche positive) svolgono il lavoro svolto dagli atomi eccitati negli altri tipi di laser. Sebbene il dispositivo stesso abbia all'incirca le dimensioni di questa lettera "o", è autonomo e può essere convertitocorrente elettricadirettamente alla luce laser. Ciò ha reso possibile un vasto campo di sperimentazione e perfezionamento nel mondo dei laser.

Connessioni culturali moderne

Oggi i laser sono in azione praticamente ovunque ci giriamo. In casa, ad esempio, abbiamo CD basati su laser

NEL CONTESTO:LASING-UNA PAROLA NUOVA

L'importantissima asta nel laser a rubino è formata come un unico grande cristallo. Poiché deve essere privo di materiale estraneo, viene coltivato artificialmente. Cioè, il cristallo si forma mentre viene tirato lentamente da una "fusione", dopodiché viene macinato a misura e lucidato.

Durante il funzionamento, la bacchetta di cristallo contiene molti atomi nello stato fondamentale e pochi in uno stato eccitato. Quando la lampada di pompaggio lampeggia, porta la maggior parte degli atomi allo stato eccitato, creando l'inversione di popolazione richiesta. Il laser inizia quando un atomo eccitato emette spontaneamente un fotone parallelo all'asse del cristallo. I fotoni emessi in altre direzioni passano semplicemente attraverso i lati trasparenti del cristallo. Il fotone emesso stimola un altro atomo nel suo percorso a contribuire con un secondo fotone, di pari passo e nella stessa direzione.

Questo processo continua mentre i fotoni vengono riflessi avanti e indietro tra le estremità del cristallo. (Potremmo pensare a soldati solitari che si mettono al passo con una colonna di uomini in marcia.) La trave continua a crescere; quando l'amplificazione è sufficientemente grande, il raggio esce attraverso il lato parzialmente argentato dell'asta: un raggio di luce stretto, parallelo, concentrato e coerente.

e lettori DVD, unità CD-ROM, puntatori, termometri laser per cucinare, livelli e misure "a nastro" per l'artigiano e persino una guida laser che aiuta a guidare un conducente nel parcheggio corretto in un garage.

Le applicazioni laser possono, infatti, essere suddivise in due grandi categorie: (1) usi commerciali, industriali, militari, domestici e medici; e (2) ricerca scientifica. Nel primo gruppo, i laser sono usati per fare qualcosa che è stato fatto in un altro modo (ma forse non altrettanto bene). Ad esempio, una delle prime applicazioni mediche è stata nella chirurgia oculare, per "saldare" al suo posto una retina distaccata. Il laser è particolarmente utile in questo caso perché la luce laser può penetrare oggetti trasparenti come il cristallino dell'occhio senza danneggiarlo e può eseguire l'intervento chirurgico necessario ("cucitura") sulla retina.

Il dispositivo utilizzato sull'occhio può avere una potenza di soli 5 watt, che è inferiore a una tipica luce notturna. Ma la concentrazione del raggio è tale da poter essere focalizzata fino alle dimensioni di una singola cella. I laser hanno sostituito la lama del chirurgo oculista nel trattamento dell'ipermetropia e dell'astigmatismo rimodellando la cornea per alterare il modo in cui l'occhio rifrange la luce.

In un'altra applicazione medica che mette in pratica le qualità uniche del laser, gli urologi usano il suo potere concentrato per far esplodere i calcoli renali mentre osservano il processo attraverso lo stesso cavo in fibra ottica che trasporta i colpi laser.

Le caratteristiche insolite del laser hanno anche portato al suo ampio utilizzo inchirurgia plasticaper trattare tutto, dalle palpebre cadenti alle vene varicose e per tutti i tipi di ringiovanimento della pelle, compresi i trattamenti per le rughe e i problemi di acne, struttura della pelle e scolorimento. Se utilizzati in chirurgia generale, i laser possono eseguire un taglio quasi senza sangue cauterizzando (sigillando i vasi sanguigni) mentre tagliano. Vengono utilizzati per alleviare il dolore, al posto della radioterapia per il trattamento del cancro.

Per la produzione di precisione sono stati sviluppati sistemi di tracciamento e misurazione laser altamente accurati. L'elevata intensità della luce laser può tagliare o penetrare quasi tutto, incluso il materiale più duro conosciuto, il diamante. Un ulteriore vantaggio è che i trapani laser non diventano noiosi con l'uso.

Ricerca scientifica

Nella seconda categoria, la ricerca scientifica, la ristrettezza del raggio laser lo ha reso ideale per applicazioni che richiedono un allineamento accurato. Forse l'ultima applicazione di questo tipo è l'acceleratore lineare lungo 2 miglia (3,2 km) costruito nel 1966 daUniversità di Stanfordper quello che all'epoca era ilstati Uniti Energia atomicaCommissione.

Solo un raggio laser potrebbe svolgere l'incredibile compito di mantenere l'alesaggio di 7/8 pollici (2,2 cm) dell'acceleratore dritto per tutta la sua lunghezza di 2 miglia (3,2 km). Uno schema di monitoraggio remoto, basato sullo stesso raggio laser, informava gli operatori quando una sezione si spostava fuori linea (a causa, ad esempio, di piccoli movimenti del terreno) di più di circa 1/32 di pollice (0,79 cm) e identificava la sezione.

L'acceleratore è ospitato presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in California. Fondato nel 1962, rimane uno dei laboratori di ricerca leader a livello mondiale e sta attualmente costruendo quello che sarà il primo laser a raggi X al mondo. Questo sistema utilizzerà gli ultimi 0,6 miglia (1 km) dell'acceleratore SLAC da 2 miglia (3,2 km) per generare l'energia in ingresso necessaria. Il dispositivo aprirà un mondo di nuove applicazioni.

Nella ricerca scientifica il laser ha dimostrato il suo valore più e più volte. Gli impulsi di luce laser possono essere potenti, ma anche brevi. Negli anni '80 sono stati prodotti impulsi laser della durata di pochi fem-tosecondi (un quadrilionesimo [10 -15] di secondo). Lavoro attuale presso l'Università di Monaco e ilMax PlankL'Istituto di ottica quantistica di Garching, in Germania, ha ridotto questo valore ad attosecondi (un quintilionesimo [10 -18] di secondo). Ciò rende possibile sondare i processi di elettroni atomici e subatomici. Per la prima volta i ricercatori possono "congelare" il moto degli elettroni nella lunghezza e nella scala temporale degli atomi.

Sia nella ricerca scientifica che in quella medica, il laser è spesso combinato con alcuni tipi di apparecchiature esistenti, dove le sue caratteristiche speciali offrono un vantaggio. Ad esempio, i ricercatori diUniversità di Stanfordsperano di curare il cancro creando messaggeri di nanotubi di carbonio che, combinati con altre sostanze, si attaccheranno alle cellule tumorali. L'obiettivo è trasformare un laser nel vicino infrarosso in un'arma contro il cancro; la sua luce passerebbe attraverso il normale tessuto umano senza danneggiarlo, ma i nanotubi lunghi 150 nanometri assorbirebbero fortemente la radiazione e la trasformerebbero in calore che, si spera, distruggerà la cellula tumorale.

La probabilità più eccitante di tutte, tuttavia, è che i laser cambieranno senza dubbio la tua vita in modi che non possiamo nemmeno concepire in questo momento.

Connessione sorgente primaria

Uno dei molti modi in cui i laser vengono ora utilizzati è dalle forze armate statunitensi. Sebbene alcuni critici sostengano che possono verificarsi danni permanenti agli occhi, come riporta Will Knight nelNuovo scienziato,il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti vorrebbe iniziare a usarli in Iraq.

I MILITARI AMERICANI IMPOSTANO I PHASR LASER PER STORDIRE

Il governo degli Stati Uniti ha svelato un fucile laser "non letale" progettato per abbagliare il personale nemico senza causare danni permanenti. Ma il dispositivo richiederà un attento esame per garantire la conformità con aNazioni UniteProtocollo sulle armi laser accecanti.

Il fucile Personnel Halting and Stimulation Response (PHASR) è stato sviluppato presso l'Air Force Research Laboratory diNuovo Messico, Stati Uniti, e due prototipi sono stati consegnati alle basi militari in Texas e Virginia per ulteriori test.

Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DoD) ritiene che l'arma potrebbe essere utilizzata, ad esempio, per accecare temporaneamente i sospetti che attraversano un posto di blocco. Tuttavia, il DoD deve ancora rivelare i dettagli su come funziona il laser e deve ancora rispondere alle richieste di New Scientist per ulteriori informazioni.

Armi laser in grado di accecare i nemici sono state sviluppate in passato, ma sono state bandite da una convenzione delle Nazioni Unite del 1995 chiamata Protocollo sulle armi laser accecanti. La formulazione di questo protocollo, tuttavia, non proibisce i laser che abbagliano temporaneamente un nemico.

Danno permanente

"In passato, il problema con i laser di questo tipo era che spesso accecavano in modo permanente i bersagli umani", afferma Tobias Feakin, esperto del progetto di ricerca sulle armi non letali della Bradford University nel Regno Unito.

Ma dice che i sistemi più recenti possono evitare questo problema utilizzando raggi laser meno potenti. "Questa nuova ondata di armi laser a bassa intensità non ha un effetto dannoso permanente, a quanto pare", ha detto a New Scientist.

Diversi laboratori in tutto il mondo stanno lavorando su tali armi. Ma anche i sistemi laser a bassa potenza possono causare danni agli occhi se utilizzati a distanza ravvicinata o per periodi prolungati.

Il PHASR può tentare di affrontare i problemi di sicurezza rilevando automaticamente la sua distanza da un bersaglio. Le informazioni limitate rilasciate dal DoD includono la menzione di un "telemetro sicuro per gli occhi", il che potrebbe significare che la potenza del laser viene regolata in base alla distanza dal bersaglio. Si dice anche che il sistema incorpori un "sistema laser a due lunghezze d'onda", che può essere progettato per contrastare gli occhiali che possono filtrare determinate lunghezze d'onda della luce laser.

Luce verde pulsante

Neil Davison, un altro esperto della Bradford University, afferma che la situazione in Iraq potrebbe incoraggiare gli Stati Uniti a spingere per lo sviluppo di armi laser tutt'altro che letali. "Utilizzano già luci bianche luminose ai posti di blocco dei veicoli in Iraq per abbagliare i conducenti che si stanno avvicinando troppo velocemente", dice.

LE Systems, con sede nel Connecticut, negli Stati Uniti, ad esempio, produce il Laser Dazzler, che assomiglia a una normale torcia ed emette una luce laser verde pulsante a bassa potenza. La società afferma che questo dispositivo è stato ampiamente testato e ha dimostrato di non causare danni permanenti agli occhi.

La possibilità di causare danni permanenti agli occhi può essere ridotta diffondendo il raggio laser o spostandolo rapidamente attraverso il bersaglio con una serie di specchi.

E lo stesso laboratorio di ricerca militare degli Stati Uniti ha sviluppato un'altra arma laser più di un decennio fa, chiamata Sabre 203. Questo dispositivo si attaccava sotto la canna di un normale fucile ed emetteva una luce laser a bassa potenza su un raggio di 300 metri. È stato utilizzato dalle forze statunitensi in Somalia nel 1995, ma successivamente accantonato a causa di preoccupazioni sulla sicurezza e l'efficacia.

Will Cavaliere

cavaliere, volontà. "noi militari impostano i laser phasr per stordire." new scientist.http://www.newscientist.com/article/dn8275.html (visitato il 14 novembre 2007).

Guarda anche Chimica: struttura molecolare e stereochimica;Chimica: Stati della materia: solidi, liquidi, gas e plasma;Fisica: forze fondamentali e sintesi della teoria;Fisica: Semiconduttori;Fisica: Spettroscopia;Fisica: il mondo interiore: la ricerca di particelle subatomiche;Fisica: il modello standard,Teoria delle stringhee modelli emergenti di fisica fondamentale;Fisica: dualità onda-particella.

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Hal Hellman