Laser come sorgenti di radiazione elettromagnetica

Laser – divisione a seconda del mezzo attivo utilizzato

Laser è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . Funzionano amplificando la luce emessa forzando l’emissione. Emettono radiazioni elettromagnetiche nella gamma della luce visibile, ultravioletta o infrarossa. Il funzionamento dei laser si basa sull’emissione stimolata, che consiste nell’illuminare atomi eccitati con radiazioni di energia definita. La divisione più generale dei laser si basa sulla loro classificazione in base al mezzo attivo o alla lunghezza d’onda della radiazione emessa. Tenendo conto del mezzo attivo presente nel laser, possiamo distinguere laser a gas, liquido e a stato solido. Molecole, atomi o ioni che fanno parte di un tale mezzo differiscono nella loro struttura energetica. Determina i parametri più importanti del laser. Di seguito sono riportati gli esempi più importanti di laser, a seconda del mezzo attivo utilizzato. Tra parentesi sono gli intervalli di lunghezza d’onda dell’onda emessa:

Laser a gas

• Elio-neon (543 nm o 633 nm)
• Argan (458 nm, 488 nm o 514,5 nm)
• Nitrico (337,1 nm)
• Cripton (647,1 nm, 676,4 nm)
• Anidride carbonica (10,6 micron)

Laser liquidi

• Laser a colorante (400 nm – 700 nm)

Laser a stato solido

• Laser a rubino (694,3 nm)
• Laser al neodimio YAG
• Laser al neodimio in vetro
• Laser ad erbio YAG (1645 nm)
• Laser al tulio YAG (2015 nm)

Caratteristiche dei laser selezionati

• Laser ad argon

Il laser ad argon appartiene al gruppo dei laser a ioni di gas. Il mezzo attivo in questo caso è formato da ioni argon. Questo laser può emettere più di 30 linee che vanno dall’ultravioletto alla luce rossa. Gli atomi di argon sono tenuti nel tubo di scarico ad una pressione di circa 0,1 Torr. Gli elettroni creati durante la scarica entrano in collisione con gli atomi di argon. Possono ionizzarli ed eccitarli direttamente, spostando gli atomi dallo stato fondamentale allo stato ionico eccitato. Un altro processo più efficace è la ionizzazione a due stadi dell’argon. Lo ione così formato viene quindi trasferito a uno stato di eccitazione ancora più elevato, chiamato stato laser superiore. Ciò consente di generare più righe spettrali con frequenze diverse.

• Laser elio-neon

Il laser elio-neon è un esempio di laser a gas, costruito nel 1959. La luce viene emessa come risultato della cosiddetta inversione di popolazione. Elio e neon sono posti in un rapporto 10:1 (la pressione totale è vicina a 1,3 hPa) in un tubo di vetro al quarzo. Alle sue estremità viene applicata tensione, che provoca scariche nel gas. Di conseguenza, all’interno del tubo si crea un campo elettrostatico. Accelera elettroni e ioni a velocità elevate. Poiché ci sono più atomi di elio all’interno di un tale laser, gli elettroni accelerati li colpiscono molto più spesso e causano la loro eccitazione a stati energetici più elevati, che sono relativamente stabili per un tempo relativamente lungo. Gli atomi di elio eccitati a loro volta entrano in collisione con gli atomi di neon e trasferiscono loro l’energia di eccitazione. Per questo gas i tempi di eccitazione a livello più alto sono maggiori che a livello più basso, quindi, dopo qualche tempo, si verifica la cosiddetta inversione di popolazione.

• Laser ad anidride carbonica (molecolare)

Tali laser possono funzionare sia in modalità continua che a impulsi. Il mezzo attivo in questo caso è una miscela di anidride carbonica (CO ₂ ), azoto (N ₂ ) ed elio (He) in un rapporto di volume di 1: 1,3 : 1,7. Ciascuno di essi svolge funzioni specifiche. L’anidride carbonica è il gas attivo, le scariche elettriche, che forniscono l’energia di eccitazione, avvengono nell’azoto, mentre l’elio ha lo scopo di stabilizzare il plasma di CO ₂ e dissipare il calore che ne deriva. Le scariche elettriche che avvengono in una miscela di anidride carbonica e azoto provocano un’eccitazione molto efficace delle molecole di N ₂ . Poiché una tale molecola ha nuclei identici, una transizione dipolo è vietata. L’energia viene persa solo a causa di collisioni. Se nel tubo laser molecolare sono presenti molecole di anidride carbonica, come conseguenza della buona coincidenza dei livelli eccitati di N ₂ e CO ₂ , collisioni del secondo tipo provocano l’eccitazione delle molecole di CO ₂ e il ritorno allo stato fondamentale di N ₂ molecole. In questo caso l’inversione nella miscela si ottiene molto più facilmente che nella CO ₂ pura.

• Laser a rubino

Fu costruito nel 1960 da Theodore Maiman. Il principio attivo responsabile delle proprietà del laser a rubino è il rubino (triossido di alluminio, Al ₂ O ₃ , in cui alcuni degli atomi di alluminio sono sostituiti da atomi di cromo Cr ³⁺ ). I laser a rubino funzionano a impulsi, emettendo radiazioni nella gamma della luce rossa visibile. La parte centrale del laser è un’asta di rubino con sopra una lampada flash. L’intenso lampo di luce proveniente da esso eccita alcuni atomi di rubino a uno stato energetico superiore. A loro volta, gli atomi di rubino eccitano altri atomi in questo modo inviando fotoni. Su entrambi i lati dell’asta di rubino sono presenti degli specchi che esaltano questo effetto. Uno di questi è semipermeabile e i fotoni che sfuggono attraverso di esso sono il raggio laser risultante. I laser a rubino sono ora principalmente di interesse storico. Il loro uso è limitato all’olografia o alla rimozione del tatuaggio.