Foto di Klaus P. Rausch da Pixabay 

Ormai il laser è una tecnologia usatissima e che non fa più scalpore. Lettura e scrittura di CD o DVD, codici a barre, incisione, chirurgia, solo per nominare i primi ambiti che utilizzano il laser per i loro scopi.

Ma cos’è esattamente? Come funziona? Chi e perchè lo ha inventato?

Dietro il laser si cela una storia intrigante e te la sveliamo qui partendo innanzitutto dalle fondamenta.

Mi permetto di sottolineare l’ovvio che non è mai cosa banale.

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

Questi 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.

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

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 e il laser sfrutta una sua variazione.

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.

L’emissione spontanea, fosforescenza, se portata al livello successivo, si trasforma in Emissione Stimolata, che è alla base del funzionamento del laser. Nemmeno a dirlo, fu ovviamente lui a teorizzare l’emissione stimolata, 40 anni prima che il laser fosse realizzato: Albert Einstein

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 per favorire una sorta di effetto a valanga.

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, fattore chiave se vogliamo produrre un laser.

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. Una sorta di laser che anzichè luce faceva uscire microonde 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? Ecco che arriva Gordon Gould.

Ragazzo brillante, laureato in fisica con master a Yale, ha persino lavorato al progetto Manhattan.

Aveva delle idee ottime sul laser e decise di 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.

Dipartimento della difesa e industrie private iniziarono a finanziare progetti per la creazione del primo prototipo di laser. In tutto questo marasma spuntò 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.

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.

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!

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.

Davide