LASER: come funziona ma soprattutto cos’è?

03 Maggio, 2020
tantissimi raggi laser

Foto di Klaus P. Rausch da Pixabay 

Vi presento Jane White

in questo articolo faremo la conoscenza di una figura molto intrigante, una donna, che ci farà scoprire uno dei fenomeni resi dal cinema famosissimi, soprattutto nella fantascienza: il LASER.

Perchè proprio lei? Perchè in materia è la più grande esperta che esista.

Eccola che arriva, a me non resta che augurarti buona lettura.

Il segreto di Jane

Ciao, sono Jane White ma tu puoi chiamarmi semplicemente Jane e lascia che ti ringrazi per essere qui ad imparare qualcosa di più sul LASER.

Sai, avevo preparato tutto un discorso sul LASER, ma ora sembra non avere più senso e riesco a pensare solo a ciò che non dovrei dirti. Promettimi però che manterrai il segreto con Davide, si era tanto raccomandato con me.

Io ti conosco già.

Perchè semplicemente conosco tutti ma non posso mai parlare con nessuno e quindi nessuno conosce me.

In realtà sono tutti consapevoli della mia esistenza, ma sono come il pendolare che prende la metro con te ogni mattina: sai che c’è ma non lo conosci affatto.

Così ho contattato Davide con l’intenzione di sfruttare il blog per farmi conoscere un po’ meglio dalle persone, ma sempre in sicurezza, senza svelare completamente la mia identità, ma non ce la faccio.

Io sono la LUCE.

Cos’è la luce?

Capisci? Io ho visto nascere te, Roma con il suo Impero, la Terra, il sistema solare, la via lattea e tutte le galassie e i mondi che esistono. Mi vedi nei lampioni in strada o nei fulmini, nel fuoco o lassù tra le stelle. Ci sono sempre stata.

Così importante e così sconosciuta allo stesso tempo, una gran solitudine in effetti. Per esempio, di cosa sono fatta io?

Come tu sei fatto di atomi io sono invece fatta di fotoni. Vedili come le più piccole parti in cui puoi suddividere la luce.

Sai che i miei fotoni possono interagire con la materia e quindi con gli atomi? Possono infatti stimolare gli elettroni ed energizzarli facendo loro fare cose incredibili come emettere luce loro stessi.

La fosforescenza

Pensa alle lancette fosforescenti del tuo orologio: al buio riescono ad emettere luce giusto?

Mumble

“Giusto, ma perchè la loro luminosità va diminuendo?”

Ottima domanda.

Gli oggetti fosforescenti riescono a brillare al buio perchè sono ricoperti da una sostanza i cui elettroni, quando colpiti dai fotoni, li assorbono e si energizzano così tanto da fare un salto e allontanarsi dal nucleo.

Gli elettroni però, finito l’effetto energizzante, torneranno al livello energetico più basso rilasciando il fotone che avevano assorbito. Questo fenomeno si chiama emissione spontanea.

La luce di un oggetto fosforescente viene dai fotoni rilasciati degli elettroni che ritornano al loro livello energetico normale. I fotoni accumulati verranno tutti rilasciati riducendo gradualmente la brillantezza dell’oggetto.

U

AHA!

  • Gli oggetti sono fosforescenti perchè ricoperti da sostanze i cui elettroni sono in grado di assorbire fotoni
  • Quando gli elettroni di queste sostanze assorbono fotoni si energizzano e fanno un salto allontanandosi dal nucleo
  • Tornando giù al loro livello energetico normale rilasciano il fotone assorbito (e quindi luce) in una direzione a caso
  • Questo fenomeno è chiamato EMISSIONE SPONTANEA
L'emissione spontanea è stato il primo passo per arrivare al laser

Emissione Stimolata: la base del laser

Finchè Alby non scoprì un altro mio segreto: l’emissione stimolata. Me lo ricordo benissimo, era il 1917. Come? Ah certo Albert Einstein.

Mumble

“Scusa Jane, ma abbiamo appena visto l’emissione spontanea e ora cosa sarebbe questa emissione stimolata? Qual è la differenza tra le due?”

Semplice, mentre con l’emissione spontanea i fotoni vengono rilasciati un po’ alla rinfusa, in ogni direzione, con l’emissione stimolata vengono rilasciati in maniera ordinata.

Einstein scoprì, infatti, che se un elettrone già energizzato viene colpito da un secondo fotone mentre sta tornando nel suo stato fondamentale, lo assorbe, lo “fotocopia” e ne emette contemporaneamente due identici nella stessa direzione. Come tutte le grandi scoperte, anche questa forse arrivò un po’ in anticipo sui tempi e gli scienziati non seppero esattamente cosa farci o come o in cosa applicarla. Non fino agli anni 50.

U

AHA!

  • Nell’EMISIONE STIMOLATA un elettrone già energizzato viene colpito da un nuovo fotone mentre sta discendendo verso il suo stato energetico normale
  • Il secondo fotone viene assorbito e “clonato
  • L’elettrone emette due fotoni identici e nella stessa direzione del secondo
L'emissione stimolata è il principio fondamentale di funzionamento del laser

Il laser e le caramelle

Fu solo nel decennio 1950-60 che il concetto di Einstein dell’emissione stimolata fu ripreso. Stava per nascere il LASER

Il primo a raschiare la superficie fu Townes che creò infatti il MASER che sta per Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Un marchingegno che tramite l’emissione stimolata produceva microonde: una radiazione elettromagnetica proprio come me, la LUCE, solo molto meno forte.

Perchè allora non creare un marchingegno più potente del MASER che produca non microonde ma luce visibile?

Mi ricordo benissimo di quando decise di farsi avanti Gordon. Come? Ah si scusami. Intendo Gordon Gould. Ragazzo brillante, laureato in fisica con master a Yale, ha persino lavorato al progetto Manhattan.

Aveva delle idee ottime e decise di andare a parlarne con Townes che gli consigliò di metterle nero su bianco e andare da un notaio per farle legittimare, come primo passo per arrivare al brevetto.

Il povero Gould, preso dall’ansia che qualcuno potesse batterlo sul tempo, scrisse tutte le sue idee su un blocco di appunti e il 13 Novembre 1957 fece irruzione in un negozio di caramelle il cui proprietario era anche un notaio. Gould coniò un nuovo, ma azzeccatissimo nome: LASER, che come immaginerai è un acronimo.

Appena un anno dopo presentò la richiesta di brevetto che gli fu purtroppo rigettata. Qualcuno aveva presentato una richiesta uguale prima di lui. Il suo incubo si era avverato, era stato battuto sul tempo. A batterlo fu proprio Townes sviluppando gli stessi concetti di cui avevano parlato insieme. La cosa scaturì in una battaglia legale che si concluse nel 1977 con la vittoria di Gould come primo “teorizzatore” del LASER.

Tra i 2 litiganti… arriva Maiman

Che anni che furono quelli: sia il dipartimento della difesa che industrie private, iniziarono a finanziare progetti per la creazione del primo prototipo di laser. In tutto questo marasma spuntò Teddy. Già scusami, Theodore Maiman.

Persona molto curiosa e con una grande attitudine verso l’ingegneria, la matematica e la fisica. La faccenda del laser lo intrigava e iniziò a lavorarci.

Beh, nonostante sia la difesa che il settore privato stessero investendo milioni di dollari sul laser, fu proprio Maiman, con un budget ridicolo e quasi da solo a creare il primo prototipo vincendo la corsa.

Ecco il prototipo di laser di Maiman: clicca qui

Sembra un giocattolo male assemblato, eppure funziona e nessuno prima di lui con molti più soldi riuscì a crearlo.

Laser è un azzeccatissimo acronimo che sta per: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Tradotto diventa: amplificazione della luce attraverso l’emissione stimolata di radiazione.

Dal nome capisci subito quali sono i fattori chiave per la produzione del laser: l’amplificazione della luce e l’emissione stimolata.

Come funziona il LASER?

Per l’emissione stimolata abbiamo innanzitutto bisogno di un materiale che assorba fotoni e Maiman utilizzò un cilindro di rubino artificiale.

Se servono fotoni serve allora una fonte luminosa quindi Maimann mise una lampada intorno al rubino che emettesse flash di luce bianca. Il flash emette fotoni che vengono assorbiti dagli elettroni del rubino che saltano al livello energetico più alto.

Quando il primo elettrone torna al suo livello normale rilascia il fotone che aveva assorbito. Se questo fotone colpisce un elettrone in fase di rientro, lo assorbe ed emette due fotoni “fotocopie” nella stessa direzione (emissione stimolata). Di questi due fotoni uno colpirà un altro elettrone in fase di discesa che ne emetterà altri 2 e così via in un effetto a valanga.

Con due specchi posti ai lati del cilindro di rubino (di cui uno 100% riflettente e l’altro parzialmente) i fotoni perfettamente perpendicolari rimbalzano avanti e indietro amplificandosi fino ad uscire in un unico fascio rettilineo dallo specchio parzialmente riflettente. Ecco il laser di Maiman: una lampada flash attorno ad un cilindro di rubino racchiuso da due specchi. Facile no?

Il video qui sotto ti illustra il funzionamento del laser che io ti ho spiegato a parole con delle ottime animazioni, dagli un’occhiata!

Ma le spade laser?

la mitica spada laser

Da lì in avanti il laser continuò ad essere sempre più approfondito e perfezionato fino al punto che divenne l’elemento cardine di tutto il movimento fantascientifico. Quando sono belle le spade laser di Guerre Stellari? Anche se devo dirti che una spada laser, per quanto bella, non può esistere.

Certo esistono laser molto potenti che riescono a tagliare o incidere i materiali più duri ma il fatto è che si tratta sempre di luce. Dunque non si può fermare un fascio di luce perchè formi una lama, questo andrà sempre avanti verso l’infinito.

Proprio per il fatto che non si ferma mai, una delle applicazioni del laser è proprio la misurazione di una distanza: piazzando uno specchio nel punto di cui vogliamo conoscere la distanza e puntando lì il laser, ci basta calcolare quanto tempo impiega il raggio a tornare da noi sapendo che viaggia alla mia velocità. Se in questo momento sparassi un raggio laser dalla Terra questo impiegherebbe poco più di 1 secondo per arrivare sulla Luna e lo stesso tempo per tornare sulla Terra per un totale di poco più di 2 secondi e mezzo tra andata e ritorno.

Non un addio

Finalmente qualcuno mi conosce e devo dire che la cosa di averlo fatto di nascosto da Davide aggiunge quel qualcosa di segreto che rende il tutto più esilarante.

Mi raccomando però, acqua in bocca con Davide sul nostro segreto.

Ora sai che ogni volta che uscirai la mattina e i raggi del sole ti illumineranno o accenderai la luce in casa o utilizzerai un puntatore laser per una presentazione, sarò lì con te e potrai finalmente salutarmi come una vecchia amica.

Che dici lo faccio? Mah si tanto ormai! Pensa che faccia farà Davide: gli rubo la chiusura.

Bene, dunque come dice sempre lui? Ah sì, certo…

Noi ci vediamo la prossima volta ma fino a quel momento… RESTA CUR… anzi no… CHE LUCE SIA tongue-out

Davide

BIBLIO

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