Abstract della lezione

"Principi fisici dei laser e sorgenti" , Prof. Riccardo Pratesi

Il termine laser è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Il suo funzionamento si basa sul processo dell’emissione stimolata di radiazione da parte di un atomo eccitato sottoposto ad un campo elettromagnetico (em) incidente.

Gli atomi e molecole possono occupare solo stati di energia discreti, stabiliti dalle leggi della fisica quantistica. Le transizioni tra uno stato energetico (livello energetico) ed un altro possono avvenire con assorbimento ed emissione di fotoni (ovvero i quanti del campo em, particelle di massa zero). Un insieme di atomi o molecole in condizioni di equilibrio termico ha una distribuzione di occupazione dei vari livelli che diminuisce al crescere dell’energia del livello. Pertanto, un fascio di fotoni di ugual frequenza che attraversa tale insieme viene attenuato a causa dei processi assorbimento. Per avere un’amplificazione del fascio è perciò necessario alterare l’equilibrio termico dell’insieme di atomi o molecole, con un opportuno processo di pompaggio (che trasferisce atomi dal livello di energia più basso ai livelli più eccitati), in modo da invertire la popolazione tra due livelli: in queste condizioni, dato che la probabilità che un fotone sia assorbito è perfettamente uguale alla probabilità che un atomo eccitato emetta un fotone sotto l’azione di un fotone incidente, il risultato netto sarà l’amplificazione del fascio. E’ poi possibile costruire un oscillatore laser inserendo il sistema di atomi o molecole in un’opportuna cavità ottica, dove i fotoni vanno avanti e indietro attraverso il sistema, riflessi da specchi, da uno dei quali possono in parte essere trasmessi all’esterno.

I fotoni laser sono distribuiti su una banda di frequenza estremamente piccola (alta monocromaticità) se confrontata con quella emessa dalle lampade (incoerenti) per emissione non stimolata, o spontanea, e in un angolo solido estremamente piccolo (alta direzionalità), mentre l’emissione spontanea avviene in tutte le direzioni.

I laser di maggior interesse medico-chirurgico sono: Laser ad anidride carbonica (CO₂) costituito da una miscela gassosa di anidride carbonica, azoto ed elio; la specie laser attiva è l'anidride carbonica. La lunghezza d'onda principale è 10.6 mm. Laser ad argon (Ar) costituito da argon a bassa pressione; la specie laser-attiva è l'atomo di argon ionizzato una volta. Le righe laser più intense sono la riga a 488 nm (blu) e la riga a 514 nm (verde). Laser a neodimio:YAG (Nd:YAG) costituito da un cristallo di granato di alluminio ed ittrio (YAG) drogato con neodimio (Nd), con specie laser-attiva lo ione Nd+3. L'emissione principale avviene a 1064 nm. Laser a colorante organico (Dye Laser) costituito da una soluzione liquida contenente un particolare pigmento (per es.: rodamina, cumarina, fluoresceina, ecc.). Ogni pigmento ha caratteristici spettri di assorbimento e di fluorescenza, e gli attuali coloranti laser consentono l'emissione dall'UV al NIR. L'emissione fluorescente su larga banda dei coloranti organici in soluzione permette di variare con continuità la lunghezza d'onda di emissione laser entro un ampio intervallo spettrale.  Laser a olmio:YAG (Ho:YAG) è un laser a stato solido, molto simile nella struttura a quello a Nd:YAG in cui la bacchetta di cristallo attivo è sostituita da una di Ho:YAG. La specie laser-attiva è lo ione Ho+3. L'emissione laser può avvenire su varie righe nel vicino IR. D'interesse medico è quella a 2.1 mm, in virtù della possibilità di convogliamento in fibra ottica. Laser a erbio:YAG (Er:YAG) simile a quello a Nd:YAG o Ho:YAG, con specie laser-attiva lo ione Er+3,con emissione in su varie righe nel vicino IR, di maggior interesse quella a 3 mm.