Cos’è la luce?
La luce
visibile è un’onda elettromagnetica.
Un’onda
elettromagnetica si crea quando i campi elettrici e magnetici hanno una
variazione e questa si diffonde nello spazio proprio come un’onda nel mare. A
seconda dell’energia presente, si hanno lunghezze d’onda diverse (cioè diverse
distanze tra due creste di un’onda) e più l’energia è alta più la lunghezza
d’onda è breve, determinando diversi tipi di radiazioni elettromagnetiche: nell’ordine
(da quelle con più energia e minore lunghezza d’onda a quelle con meno energia
e maggiore lunghezza d’onda) abbiamo raggi gamma, raggi X, raggi ultravioletti,
luce visibile, raggi infrarossi, microonde e onde radio. Tutte queste radiazioni
compongono lo spettro elettromagnetico.
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| lo spettro elettromagnetico |
La luce
visibile è appunto un’onda elettromagnetica con una lunghezza d’onda che va
all’incirca dai 390 ai 700 nanometri, ovvero dal rosso al violetto, ma al tempo
stesso si comporta come se avesse una massa (ad esempio viene deviata dalla
gravità dei grandi corpi celesti) per questo motivo la luce può essere
descritta come un flusso di particelle indivisibili e prive di massa che si
chiamano fotoni. [Questa doppi natura della luce viene detta paradosso
quantistico. In questo momento non serve entrare nel dettaglio, ma chi fosse
interessato può leggere questo articolo sulla meccanica quantistica spiegata in parole semplici]
Se
prendiamo un fascio di luce e facciamo in modo che colpisca un prisma di vetro con
una certa angolazione, sulla tavola vedremo i vari colori che compongono la
luce. Il motivo è semplice: la luce viene deviata dal prisma e, al suo interno,
lo spettro dei colori rallenta in modo diverso a seconda della lunghezza
d’onda. Il violetto rallenta di più, mentre il rosso rallenta di meno. Di
conseguenza, arriveranno sul tavolo separati.
C’è luce e luce
La luce,
si sa, riscalda e illumina.
Senza i raggi del Sole non esisterebbe vita sulla
Terra, ma se questo è noto a tutti, meno noto è che la luce può anche
sostituire il bisturi di un chirurgo, trasportare informazioni a grande
distanza, forare e tagliare materiali durissimi come il diamante. È ciò che può
fare la luce prodotta dal laser, un dispositivo brevettato nel 1958 dai fisici
statunitensi Arthur Schawlow e Charles Hard Townes.
Tra la
luce del Sole, o quella di una comune lampadina, e la luce laser esiste
all’incirca la stessa differenza che c’è tra un rumore e un suono: il suono è
un fenomeno ordinato e coerente mentre un rumore è il suo contrario.
In un fascio
di luce normale i fotoni si muovono in modo disordinato: hanno diverse
lunghezze d'onda e si spostano in direzioni diverse, di conseguenza, se non ci
sono ostacoli la luce si diffonde nello spazio circostante in ogni direzione.
Viceversa, in un fascio di luce laser i fotoni sono emessi nello stesso istante
(luce coerente), si muovono in maniera sincronizzata tutti nella stessa
direzione e hanno la stessa lunghezza d'onda (di conseguenza la luce laser è monocromatica,
cioè, ha un solo colore). La luce laser, infine, non si diffonde nello spazio,
ma è concentrata in un punto preciso generando un fascio di luce, molto sottile
e intenso nonché facilmente direzionabile. Per questa ragione vediamo
nell'oscurità la lucetta dei dispositivi di puntamento laser: la zona intorno
al punto luminoso resta buia perché non è colpita dai fotoni.
Per
certi aspetti il laser somiglia un po’ a un corpo di ballo dove tutti i
danzatori (le particelle luminose) sono perfettamente sincronizzati ed eseguono
contemporaneamente gli stessi movimenti.
Come funziona un laser
La
parola laser è l’acronimo dell’espressione inglese Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation cioè amplificazione della luce per mezzo dell’emissione
stimolata di radiazioni.
Come
suggerisce il nome, il laser funziona proprio grazie all’emissione stimolata,
un fenomeno già previsto da Einstein nel 1917, ma che solo nel 1958 ebbe la sua
prima realizzazione pratica. Secondo la teoria di Einstein gli elettroni che
orbitano introno al nucleo di un atomo non hanno tutti la stessa energia, e
possono assorbire energia dal l’esterno. Dopo un certo tempo però essi
rilasciano l’energia prima assorbita emettendo un fotone (una particella
luminosa). In un laser gli elettroni, sollecitati da una fonte di energia
esterna, rilasciano l’energia assorbita tutti contemporaneamente come dei
nuotatori che si tuffano in acqua quando sentono il fischio d’inizio della gara.
Il risultato è una luce coerente e monocromatica.
Tutti i
laser sono costituiti da tre componenti:
Una
sorgente esterna detta pompa (1);
Il mezzo
laser attivo (che può essere costituito da una miscela di gas, da un corpo di o
da fibre di vetro);
Il
risonatore (6 e 7).
La
sorgente (1) pompa stimola (2) il mezzo laser (in rosso nell'immagine) fornendo energia, dopo un certo tempo il mezzo laser rilascia spontaneamente l’energia assorbita (3) sotto forma di luce (radiazione
luminosa) che viene amplificata dal risonatore. Quest’ultimo è formato da una
coppia di specchi (6 e 7) posti l’uno di fronte all’altro: i fotoni generati dalla
stimolazione, muovendosi da uno specchio all’altro (4), colpiscono nuovamente il
mezzo laser che emette nuovi fotoni (5) con la stessa frequenza dei fotoni già
presenti e il processo si ripete. Parte della radiazione luminosa così ottenuta
filtra all’esterno (8) e forma il fascio laser.
Una luce tuttofare
Per
molti anni dopo essere stato inventato, il laser veniva visto come una scoperta
degna della fantascienza, ma poco adatta agli usi pratici, tanto che qualcuno
la definì una soluzione in cerca di un problema. Oggi invece la situazione si
è completamente ribaltata e in molti campi il laser ha soppiantato le vecchie
tecnologie perché costa di meno e dà garanzia di risultati migliori.
Come
abbiamo visto la radiazione laser ha due proprietà fondamentali: la Monocromaticità
(una sola lunghezza d'onda e quindi da un solo colore) e la Coerenza elevata che
rende le onde del laser approssimativamente parallele. In virtù
di queste proprietà la luce del laser mantiene la propria intensità per lungo tempo e, grazie alla coerenza, può essere direzionata con precisione anche con l’aiuto di lenti.
Intensi
fasci laser sono usati nell’industria per tagliare e saldare i materiali grazie
alle alte temperature raggiunte, ma il laser agisce anche come un bisturi per
operare nelle zone più difficili da raggiungere, per cicatrizzare rapidamente
tessuti che si sono lacerati, per correggere la curvatura della cornea negli
interventi di riduzione della miopia o per rimuovere le cellule malate nella
cura dei tumori.
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| schema di un intervento di correzione della miopia con tecnologia laser |
Un raggio
laser riflesso da uno specchio permette di misurare con grande precisione le
distanze se si cronometra il tempo che impiega il raggio laser nel tragitto di
andata e ritorno verso uno specchio. La distanza Terra-Luna è stata misurata
con la precisione di 15 cm grazie a un fascio laser e a uno specchio collocato
sul nostro satellite dagli astronauti della missione Apollo 11.
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| lo specchio catarifrangente posto dagli astronauti della missione Apollo 11 sulla superficie della Luna |
Con un principio
simile funzionano i laser dei lettori di compact disc, DVD e codici a barre.
La
superficie riflettente di un CD/DVD presenta dei rilievi e dei tratti piatti.
Quando
il laser colpisce il bordo di un rilievo viene riflesso all’indietro e letto dal sensore ottico che le si
associa un segnale 1. Quando il laser colpisce una zona piatta la luce viene
diffusa e le si associa un segnale 0. L’informazione contenuta in un CD/DVD `e
quindi letta come una sequenza di 0 e 1 che sono poi tradotti prima in segnali
elettrici e poi in suoni e immagini.
