Oltre il tag laser, puoi trovare laser in oggetti di uso quotidiano come lettori CD o persino trapani dentali. RichLegg/Getty Images "Guerre stellari, " "Star Trek, " "Battlestar Galactica":la tecnologia laser gioca un ruolo fondamentale nei film e nei libri di fantascienza. È senza dubbio grazie a questo tipo di storie che ora associamo i laser a guerre futuristiche e astronavi eleganti.
Ma i laser svolgono un ruolo fondamentale nella nostra vita quotidiana, pure. Il fatto è, si presentano in una straordinaria gamma di prodotti e tecnologie. Li troverai in tutto, dai lettori CD ai trapani dentali, alle macchine per il taglio dei metalli ad alta velocità ai sistemi di misurazione. Rimozione del tatuaggio, sostituzione dei capelli, chirurgia oculare:usano tutti i laser. Ma cos'è un laser? Cosa rende un raggio laser diverso dal raggio di una torcia? Nello specifico, cosa rende una luce laser diversa da altri tipi di luce? Come vengono classificati i laser?
In questo articolo, imparerai tutto sui diversi tipi di laser, le loro diverse lunghezze d'onda e gli usi che ne facciamo. Ma prima, partiamo dai fondamenti della tecnologia laser:vai alla pagina successiva per scoprire le basi di un atomo.
Contenuti
un atomo, nel modello più semplice, è costituito da un nucleo e da elettroni orbitanti. HSW Ci sono solo circa 100 diversi tipi di atomi nell'intero universo. Tutto ciò che vediamo è composto da questi 100 atomi in un numero illimitato di combinazioni. Il modo in cui questi atomi sono disposti e legati insieme determina se gli atomi costituiscono una tazza d'acqua, un pezzo di metallo, o l'effervescenza che esce dalla tua lattina!
Gli atomi sono costantemente in movimento. Vibrano continuamente, spostare e ruotare. Anche gli atomi che compongono le sedie su cui ci sediamo si muovono. I solidi sono effettivamente in movimento! Gli atomi possono essere diversi stati di eccitazione . In altre parole, possono avere energie diverse. Se applichiamo molta energia a un atomo, può lasciare quello che viene chiamato il livello di energia dello stato fondamentale e vai su an livello eccitato. Il livello di eccitazione dipende dalla quantità di energia che viene applicata all'atomo tramite il calore, leggero, o elettricità.
Sopra c'è un'interpretazione classica di come appare l'atomo.
Questo semplice atomo è costituito da a nucleo (contenente i protoni e i neutroni) e an nuvola di elettroni. È utile pensare agli elettroni in questa nuvola che circondano il nucleo in molte orbite diverse.
Assorbimento di energia:un atomo assorbe energia sotto forma di calore, leggero, o elettricità. Gli elettroni possono spostarsi da un'orbita a energia inferiore a un'orbita a energia superiore. Considera l'illustrazione della pagina precedente. Sebbene le viste più moderne dell'atomo non rappresentino orbite discrete per gli elettroni, può essere utile pensare a queste orbite come ai diversi livelli energetici dell'atomo. In altre parole, se applichiamo un po' di calore a un atomo, potremmo aspettarci che alcuni degli elettroni negli orbitali a energia inferiore si trasformino in orbitali a energia superiore più lontani dal nucleo.
Questa è una visione molto semplificata delle cose, ma in realtà riflette l'idea centrale di come funzionano gli atomi in termini di laser.
Una volta che un elettrone si sposta su un'orbita a energia più alta, alla fine vuole tornare allo stato fondamentale. Quando lo fa, rilascia la sua energia come a fotone -- una particella di luce. Vedi atomi che rilasciano energia sotto forma di fotoni tutto il tempo. Per esempio, quando l'elemento riscaldante in un tostapane diventa rosso vivo, il colore rosso è causato dagli atomi, eccitato dal caldo, rilasciando fotoni rossi. Quando vedi un'immagine sullo schermo di una TV, quello che vedi sono atomi di fosforo, eccitato da elettroni ad alta velocità, emettendo diversi colori di luce. Tutto ciò che produce luce - luci fluorescenti, lanterne a gas, lampadine a incandescenza:lo fa attraverso l'azione degli elettroni che cambiano le orbite e rilasciano fotoni.
UN laser è un dispositivo che controlla il modo in cui gli atomi energizzati rilasciano fotoni. "Laser" è l'acronimo di Amplificazione di luce mediante emissione stimolata di radiazione , che descrive molto succintamente come funziona un laser.
Sebbene ci siano molti tipi di laser, tutti hanno alcune caratteristiche essenziali. In un laser, il mezzo laser viene "pompato" per portare gli atomi in uno stato eccitato. Tipicamente, lampi di luce molto intensi o scariche elettriche pompano il mezzo laser e creano una vasta collezione di atomi allo stato eccitato (atomi con elettroni di energia più elevata). È necessario disporre di un'ampia raccolta di atomi nello stato eccitato affinché il laser funzioni in modo efficiente. Generalmente, gli atomi sono eccitati ad un livello che è due o tre livelli sopra lo stato fondamentale. Questo aumenta il grado di inversione di popolazione . L'inversione di popolazione è il numero di atomi nello stato eccitato rispetto al numero nello stato fondamentale.
Una volta pompato il mezzo laser, contiene un insieme di atomi con alcuni elettroni che si trovano a livelli eccitati. Gli elettroni eccitati hanno energie maggiori degli elettroni più rilassati. Proprio come l'elettrone ha assorbito una certa quantità di energia per raggiungere questo livello eccitato, può anche rilasciare questa energia. Come illustra la figura sottostante, l'elettrone può semplicemente rilassarsi, e a sua volta si libera di un po' di energia. Questo energia emessa si presenta sotto forma di fotoni (energia luminosa). Il fotone emesso ha una lunghezza d'onda (colore) molto specifica che dipende dallo stato di energia dell'elettrone quando il fotone viene rilasciato. Due atomi identici con elettroni in stati identici rilasceranno fotoni con lunghezze d'onda identiche.
La luce laser è molto diversa dal normale e ha le seguenti proprietà:
Per far accadere queste tre proprietà ci vuole qualcosa chiamato emissione stimolata . Questo non si verifica nella tua normale torcia elettrica - in una torcia, tutti gli atomi rilasciano i loro fotoni in modo casuale. In emissione stimolata, l'emissione di fotoni è organizzata.
Il fotone che qualsiasi atomo rilascia ha una certa lunghezza d'onda che dipende dalla differenza di energia tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale. Se questo fotone (che possiede una certa energia e fase) incontra un altro atomo che ha un elettrone nello stesso stato eccitato, può verificarsi un'emissione stimolata. Il primo fotone può stimolare o indurre l'emissione atomica in modo tale che il successivo fotone emesso (dal secondo atomo) vibri con la stessa frequenza e direzione del fotone in arrivo.
L'altra chiave per un laser è un paio di specchi , uno a ciascuna estremità del mezzo laser. fotoni, con una lunghezza d'onda e una fase molto specifiche, riflettono gli specchi per viaggiare avanti e indietro attraverso il mezzo laser. Nel processo, stimolano altri elettroni a compiere il salto di energia verso il basso e possono causare l'emissione di più fotoni della stessa lunghezza d'onda e fase. Si verifica un effetto a cascata, e presto ne abbiamo propagati molti, molti fotoni della stessa lunghezza d'onda e fase. Lo specchio a un'estremità del laser è "mezzo argentato, " significa che riflette un po' di luce e lascia passare un po' di luce. La luce che lo fa passare è la luce laser.
Potete vedere tutti questi componenti nelle figure della pagina seguente, che illustrano come un semplice laser a rubino lavori.
Un laser a rubino è costituito da un tubo flash (come si avrebbe su una macchina fotografica), un'asta di rubino e due specchi (uno semiargentato). L'asta di rubino è il mezzo laser e il tubo flash lo pompa.
2. Il tubo flash si accende e inietta luce nell'asta di rubino. La luce eccita gli atomi nel rubino. Come funzionano le cose 
3. Alcuni di questi atomi emettono fotoni. Come funzionano le cose 
4. Alcuni di questi fotoni corrono in direzione parallela all'asse del rubino, così rimbalzano avanti e indietro sugli specchi. Mentre passano attraverso il cristallo, stimolano l'emissione in altri atomi. Come funzionano le cose 
5. Monocromatico, monofase, la luce colonnata lascia il rubino attraverso lo specchio mezzo argentato -- luce laser! Come funzionano le cose
Ecco cosa succede nella vita reale, laser a tre livelli.
Come funzionano le cose Nella sezione successiva, imparerai a conoscere i diversi tipi di laser.
Esistono molti tipi diversi di laser. Il mezzo laser può essere un solido, gas, liquido o semiconduttore. I laser sono comunemente designati dal tipo di materiale laser impiegato:
UN laser a rubino (illustrato in precedenza) è un laser a stato solido ed emette a una lunghezza d'onda di 694 nm. Altri mezzi laser possono essere selezionati in base alla lunghezza d'onda di emissione desiderata (vedi tabella sotto), potenza necessaria, e durata dell'impulso. Alcuni laser sono molto potenti, come il laser CO2, che può tagliare l'acciaio. Il motivo per cui il laser CO2 è così pericoloso è perché emette luce laser nella regione dello spettro a infrarossi e microonde. La radiazione infrarossa è calore, e questo laser fondamentalmente si scioglie attraverso qualsiasi cosa su cui è focalizzato.
Altri laser, come laser a diodi, sono molto deboli e vengono utilizzati nei puntatori laser tascabili di oggi. Questi laser emettono tipicamente un raggio di luce rosso che ha una lunghezza d'onda compresa tra 630 nm e 680 nm. I laser sono utilizzati nell'industria e nella ricerca per fare molte cose, incluso l'uso di un'intensa luce laser per eccitare altre molecole per osservare cosa succede loro.
Ecco alcuni laser tipici e le loro lunghezze d'onda di emissione (in nanometri):
I laser sono classificati in quattro ampie aree a seconda del potenziale di causa danno biologico . Quando vedi un laser, dovrebbe essere etichettato con una di queste quattro designazioni di classe:
Per ulteriori informazioni sui laser e argomenti correlati, controlla i link che seguono.
Matthew Weschler ha conseguito una laurea in chimica organica fisica presso la Florida State University. Il suo argomento di tesi era la spettroscopia laser a picosecondi, e ha studiato come le molecole reagiscono picosecondi dopo essere state bombardate dalla luce laser.
