50 anni di laser

Quest’anno si celebra il cinquantesimo anniversario dalla costruzione del primo prototipo di uno degli strumenti che più hanno rivoluzionato la nostra vita quotidiana, il laser. Quanto sappiamo, però, di questa misteriosa, benché onnipresente, meraviglia tecnologica? Il mio sospetto è: pochino.

Innanzitutto il nome: immagino che pochi sappiano perché il laser si chiami così. In realtà non è un nome vero e proprio, ma un acronimo che sta per “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, ovvero “Amplificazione della luce attraverso l’emissione stimolata di radiazione”. Il nostro eroe è stato, quindi, battezzato utilizzando il suo meccanismo di funzionamento.

Non entrerò, qui, in dettaglio sul funzionamento del laser (ma se ci sarà sufficiente richiesta, potrebbe scapparci un articolo dedicato, in futuro), ma vorrei invece parlare un po’ delle sue caratteristiche, di alcune delle centinaia (migliaia?) di applicazioni e della controversia sul suo inventore.

Chi inventò il laser?

Cominciamo dall’ultimo punto: la paternità del laser. Come è prevedibile, in questi casi, non esiste una sola persona che abbia inventato il laser, ma la sua nascita è stato il frutto di anni di ricerca da parte di scienziati, tra cui Einstein, che teorizzò l’emissione stimolata di radiazione elettromagnetica nei materiali, e di piccoli e grandi passi in avanti di scienza e tecnologia. La controversia nasce alla fine degli anni ’50, poco tempo prima che Theodore Maiman realizzasse il primo laser funzionante e ruota attorno, ovviamente, al brevetto sul laser. I due contendenti sono i Bell Labs  e Gordon Gould, all’epoca studente di dottorato alla Columbia University e coniatore del termine LASER. Nonostante Gould avesse fatto richiesta di brevetto per il laser, l’ufficio americano dei brevetti, lo assegnò ai Bell Labs (e al professor Townes) e qui cominciarono le dispute legali che solo molti anni dopo, nel 1987, Gould si vide riconosciuta la paternità del laser e l’assegnazione di un certo numero di brevetti sull’invenzione che coprivano la maggior parte dei laser in uso ai tempi e ottenne diversi milioni di dollari in royalty.

Caratteristiche dei laser

La luce prodotta da un laser solitamente ha tre caratteristiche principali:

• E’ coerente, ovvero formata da onde elettromagnetiche che rimangono simili tra loro:

Esempio di onda con coerenza infinita - 1. Immagine proprieta' di J S Lundeen

Altro esempio di onda con coerenza infinita - Proprietà dell'immagine: J S Lundeen

• Ha bassa divergenza, ovvero la luce emessa forma un fascio, o raggio. Questa è una delle proprietà più evidenti dei laser; chiunque abbia mai avuto tra le mani un puntatore laser rosso o abbia visto un laser in azione, magari alla televisione, avrà visto che la differenza più evidente tra la luce di una lampadina e un raggio laser è proprio il fatto che quest’ultimo è… un raggio!
• E’ monocromatico, ovvero il rosso di un raggio laser è davvero rosso e non una combinazione di rosso con altri colori dello spettro cromatico, così per il verde, il blu e tutti gli altri colori, compresi quelli che i nostri occhi non vedono, fino al lontano infrarosso da un lato e ai raggi x dall’altro. La purezza cromatica di un laser è tra le massime raggiungibili e questa un’altra caratteristica piuttosto evidente quando si guarda un raggio laser. Nemmeno un LED, che ha una notevole purezza cromatica, può raggiungere i livelli dei laser.

Oltre a queste caratteristiche, ogni tipo di laser ha le sue, che lo rendono particolarmente adatto a determinate applicazioni. Vi sono, ad esempio, laser che emettono grandissime potenze, laser particolarmente efficienti che richiedono poca potenza per funzionare, laser che creano impulsi di luce brevissimi (pochi femtosecondi, o milionesimi di miliardesimo di secondo, ovvero 0 seguito da 15 zeri!), laser molto piccoli e laser molto grandi.

Tipi di laser

Un altro fatto che pochi conoscono è che vi sono diversi tipi di laser. Non sto parlando di diversi colori della luce prodotta, ma proprio di tipi diversi di generazione di questa luce:

• Laser a gas: come dice il nome stesso, sono laser in cui la luce viene generata da una sostanza allo stato gassoso. Alcuni sono molto comuni e relativamente economici, come quelli all’elio-neon, altri, come quelli ad anidride carbonica, sono in grado di emettere grandissime potenze e quindi vengono usati dall’industria ad esempio per il taglio di metalli o la loro saldatura, altri ancora hanno purezze spettrali (ovvero purezza di colore) molto elevate. Il primo laser a convertire direttamente elettricità in luce fu un laser a gas.
• Laser allo stato solido: sono laser il cui “materiale attivo” (quello che genera la luce) si trova sotto forma di solido. Si tratta molto spesso di cristalli (vi sono anche laser a fibra ottica) “drogati” con determinati elementi (neodimio, erbio e altri) che conferiscono loro le caratteristiche desiderate. Sono spesso utilizzati per le loro alte potenze, normalmente nell’infrarosso. Il primo laser funzionante (“alimentato” con un’altra luce) era un laser allo stato solido ed in particolare un laser a rubino. Molti dei primi laser nei film hollywoodiani erano una rappresentazione abbastanza fantasiosa di laser allo stato solido.
• Laser a semiconduttore: sono laser in cui la luce viene prodotta da semiconduttori (materiali simili a quelli di cui sono composti i chip presenti nei vostri computer o nei vostri cellulari e spesso identici a quelli con cui sono fatti i LED). Nonostante i semiconduttori siano materiali allo stato solido, questi laser hanno una categoria tutta loro. Tutti i puntatori laser rossi da pochi euro, i laser presenti dentro ai lettori CD e DVD, quelli nelle stampanti laser e molti altri sono laser a semiconduttore. Sono estremamente comuni grazie alla loro caratteristiche di economicità e compattezza. Tradizionalmente hanno potenze inferiori rispetto ad altri tipi di laser, ma combinandone insieme un gran numero, cosa resa possibile dalle loro ridotte dimensioni, si possono ottenere potenze di diversi kW (un kW è la potenza generata da 10 lampadine da 100 W, ma in questo caso concentrata in un punto di diametro spesso inferiore al millimetro!). Alcuni tipi di laser a semiconduttore hanno efficienze molto alte, ovvero capacità di trasformare corrente elettrica in luce. Dato che questo è uno dei miei campi di esperienza professionale potrei andare avanti a scrivere per decine di pagine (e in passato l’ho fatto!), ma vedrò di limitarmi a quanto scritto fin’ora.
• Laser a elettroni liberi o FEL (free electron laser). È un tipo abbastanza recente (1976) di laser e si discosta un po’ dagli altri tipi. Il suo materiale attivo non è né un gas né un solido, ma elettroni liberi, cioè non legati ad un atomo. La caratteristica principale di questo tipo di laser è la sua alta potenza, e il fatto di essere ampiamente “accordabili”, ovvero si può cambiare la lunghezza d’onda (il “colore”) della luce che emettono, dalle microonde ai raggi x passando da infrarosso, visibile e ultravioletto. Nonostante anche altri tipi di laser possano variare la lunghezza d’onda della luce prodotta, nessuno copre una gamma così vasta.
• Altri tipi di laser meno comuni: in questa categoria vi sono moltissimi tipi di laser, sia esistenti che ipotizzati, che non ricadono in nessuna delle categorie precedenti e che sono oggetto di ricerca attiva.

Applicazioni

Questo argomento è il più semplice e contemporaneamente il più complesso: ormai il laser è talmente presente nella vita quotidiana che trovare degli esempi, anche eclatanti, delle sue applicazioni è semplice, mentre risulta praticamente impossibile elencarle tutte. Cercherò di ottenere una via di mezzo!

• Laser per applicazioni mediche: ad esempio il laser per le operazioni di correzione della vista, o i bisturi laser, o, ancora, i laser per la rimozione dei peli superflui.
• Laser per telecomunicazioni: per ora questi non hanno ancora fatto un ingresso massiccio nelle case, ma sono utilizzati per le comunicazioni in fibra ottica su lunghe distanze (ad esempio attraverso l’oceano atlantico, sul fondo del quale sono stati depositati diversi fasci di fibre ottiche).
• Laser per il settore “entertainment”: pensate ad esempio ai laser usati nei concerti, nelle discoteche o nei parchi divertimento. Spesso sono verdi o di colori vicini al verde perché il nostro occhio è più sensibile a questo colore e lo vede meglio (eccetto i casi di daltonismo, ovviamente). Altre applicazioni, ovvie, nel settore dell’intrattenimento sono i laser presenti in lettori e masterizzatori di CD e DVD egli emergenti pico-proiettori da collegare a portatili e telefonini (che prevedo inizieranno a sfondare tra un paio di anni al massimo).
• Puntatori laser: probabilmente quando si pensa ai laser la prima cosa che viene in mente a molti sono quei piccoli ed economici puntatori laser rossi, ormai di dominio dell’industria cinese, spesso abusati per infastidire il prossimo o per far giocare i gatti. In questa categoria ci sono però anche apparecchi seri utilizzati ad esempio durante presentazioni scientifiche o commerciali per indicare qualcosa su lucidi proiettati, oppure durante eventi di divulgazione astronomica per indicare porzioni di cielo o singole stelle (in questo caso vengono utilizzati laser verdi di potenza relativamente elevata).
• Laser industriali: sono laser ad alta potenza, spesso a gas, usati ad esempio per il taglio e la saldatura di metalli, per la marcatura ecc. Sono particolarmente utili quando si vuole portare a temperature molto alte un determinato punto di una superficie, senza che il resto si scaldi eccessivamente. Ovviamente devono essere utilizzati da personale qualificato e con stringenti misure di sicurezza.
• Sistemi di guida: in questa categoria non voglio includere i sistemi di guida per missili o simili (coperta in un punto successivo), ma sistemi come quelli che aiutano i coltivatori di riso a dissodare il terreno mantenendolo ad una determinata altezza, le livelle laser che adesso chiunque può acquistare per poter appendere i quadri in casa tutti alla stessa altezza o il sistema laser che ha permesso alle due squadre, inglese e francese, di scavare i tunnel sotto la Manica contemporaneamente dai due lati e di incontrarsi circa a metà strada con un disallineamento dei due tunnel di poche decine di centimetri.
• Laser per ricerca: moltissimi laboratori scientifici contengono uno o più laser, per spettroscopie, per misurazioni, utilizzati come “pinzette” in biologia, o come “frigoriferi” nella ricerca sui condensati di Bose-Einstein (uno stato della materia con caratteristiche molto particolari) e per molte altre applicazioni.
• Laser per applicazioni energetiche: alla National Ignition Facility americana stanno studiando un sistema che potrebbe permettere la generazione di energia elettrica attraverso la fusione nucleare operata mediante una batteria di laser estremamente potenti, la cui luce viene concentrata in un volume minuscolo.
• Laser per applicazioni militari: ovviamente l’esercito non poteva non vedere le potenzialità di questo strumento. Tra le tante applicazioni vi sono sistemi di guida di missili: un soldato sul campo “spara” un fascio laser invisibile all’occhio umano ma visibile ad un sensore sul missile che, quindi, cercherà di seguirlo.
• Laser per ologrammi: gli ologrammi sono diventati anch’essi parte dell’esperienza quotidiana nella nostra società tecnologica. Pensiamo agli ologrammi anticontraffazione presenti sulle eurobanconote o sulle carte di credito. La creazione delle immagini per gli ologrammi avviene attraverso l’uso di laser.
• Sistemi di misura, come ad esempio i misuratori di distanza portatili o i cosiddetti telelaser, così poco amati dagli automobilisti.
• Laser per la meteorologia: i laser nella meteorologia sono utilizzati principalmente come LIDAR, ovvero una specie di radar, ma usando la luce di un laser. Recenti ricerche prevedono la possibilità di utilizzare laser molto potenti per ionizzare l’aria, cioè renderla elettricamente carica e conduttiva, tra un conduttore elettrico e una nuvola temporalesca per”scaricarla” e impedire che si creino le condizioni per i fulmini.

Miti sui laser

L’onnipresenza dei laser, la poca conoscenza che se ne ha e il fascino esotico di questi strumenti ha dato vita, con una bella mano dall’industria cinematografica, Hollywood in primis, a svariati miti sui laser e le loro caratteristiche. Pur rimanendo un grande fan di film di fantascienza e alta tecnologia ritengo utile andare ad analizzare alcuni di questi miti:

• Laser come sistemi di allarme. Quante volte nei film si vedono oggetti di valore o luoghi strategici protetti da un intreccio di fasci laser, magari invisibili ma evidenziabili spruzzando una qualche sostanza? Non è quest’ultima caratteristica a renderli implausibili, anzi quella è forse l’unica parte realistica; quello che lascia perplessi (e non bisogna certo essere degli esperti sui laser per capirlo) è il motivo per cui qualcuno dovrebbe creare un intreccio complicato – ma non insuperabile grazie alle doti circensi dell’eroe di turno – di raggi laser quando potrebbe tranquillamente installare un “muro” luminoso senza buchi e che sia davvero impenetrabile, oppure una serie di fasci laser paralleli e a distanza di pochi millimetri l’uno dall’altro… immagino che in questi casi il nostro eroe dovrebbe davvero spremersi le meningi per superare l’ostacolo e non basterebbe una sana dose di abilita’ contorsionistiche.
• Fasci laser visibili in aria. Un altro mito molto diffuso è che i raggi laser siano tranquillamente visibili in aria (parlo, ovviamente, di laser che emettono luce visibile). L’aria è un mezzo trasparente alla luce visibile, altrimenti non saremmo in grado di vedere nulla, poiché la luce sarebbe diffusa dall’atmosfera come se fossimo costantemente circondati dalla nebbia. Per questo motivo anche i raggi laser non possono essere visti in aria, a meno di non immettere qualche elemento di disturbo come fumo o nebbia artificiale (cosa che viene fatta, ad esempio, nei parchi divertimento quando vogliono rendere i raggi visibili). In caso contrario tutto quello che possiamo vedere è il punto luminoso sulla superficie dell’oggetto colpito. Qualche volta, con laser sufficientemente intensi, si possono vedere dei “lampi” sul percorso del laser, provocati dal passaggio di qualche particella di polvere improvvisamente illuminata, ma anche in questo caso il laser non illumina l’aria.
• “Proiettili” laser: Star Trek, Guerre stellari e un numero pressoché infinito di altri film e telefilm di fantascienza ci insegnano che i laser possono essere usati come armi che sparano raggi, più o meno lunghi, solitamente rosso intenso e che funzionano come normali proiettili, anche se, di solito si muovono più lentamente. Ovviamente la luce emessa da un laser si muoverà alla velocità… della luce, ovvero la massima velocità raggiungibile in questo (e, presumibilmente, in ogni altro possibile) universo. Siccome i nostri occhi vedono ad una velocita’ molto inferiore, non appena un laser cominciasse a “sparare” noi vedremmo il suo raggio “materializzarsi” all’improvviso, e non appena smettesse il raggio sparirebbe nel nulla istantaneamente. Un’ipotetica pistola laser, quindi, provocherebbe i suoi danni in modo meno appariscente rispetto ad una pistola normale. La considerazione precedente sulla visibilità dei raggi in aria rimane valida anche in questo caso.
• Spade laser: OK, in questo caso parte della colpa è dei traduttori italiani, infatti nella versione originale inglese della trilogia di Guerre Stellari, George Lucas faceva usare ai suoi personaggi delle più generiche “lightsaber” (spade di luce): non molto più plausibili, ma più misteriose ed esotiche. Lucas ha già molto di cui deve rispondere ai fan (Jar Jar Binx, i midichlorian, ecc.), non voglio infierire ;-) In ogni caso, non si può creare un laser che emetta luce solo per una certa lunghezza e, soprattutto, che crei luce solida… una “spada di luce” magari lascia la porta aperta a qualche altra interpretazione. Forse?
• Un puntatore laser è in grado di accecare istantaneamente. Questo mito nasce, probabilmente, dal fatto che ognuno di questi piccoli dispositivi ha un’etichetta che ne riporta la pericolosità. Non voglio certo minimizzare i potenziali rischi, nè, tantomeno, affermare che qualunque laser sia sicuro, ma in questo caso il pericolo percepito dal pubblico è maggiore di quanto sia in realtà. Esiste una classificazione dei laser in base alla loro pericolosità che prevede 5 livelli. I puntatori laser più diffusi sono di classe II, ovvero sicuri in quasi tutti i casi normali. Quando il raggio di un laser di classe 2 viene puntato negli occhi, la sua luce risulta talmente fastidiosa da stimolare la chiusura istintiva della palpebra prima che qualunque tipo di danno possa sopraggiungere. Ovviamente se si dovesse forzare la palpebra a rimanere aperta, dopo un tempo relativamente breve (dell’ordine dei secondi) potrebbero sopraggiungere dei danni alla retina. Dalla classe IIIa in su i laser cominciano ad essere pericolosi per gli occhi perché il riflesso automatico non è sufficientemente veloce, e quelli di classe IIIb e IV sono in grado di provocare anche bruciature (per esperienza diretta: il raggio di un laser di classe IV anche piuttosto allargato è in grado di scaldare la pelle oltre la soglia di comfort ;-)).

Con questo concludo questa velocissima (lo so, dalla lunghezza dell’articolo non sembra, ma sarei potuto andare avanti per molto altro tempo!) panoramica sul mondo dei laser! Guardatevi attorno, sono ovunque!