Laser e Ottica Quantistica

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28/10/2014 19:33 - 10/02/2017 12:06 #151 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Laser e Ottica Quantistica
Laser e Ottica Quantistica
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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Il laser fa ormai anche spettacolo, eppure pochi sanno cosa è veramente, come funziona e perché è entrato prepotentemente nel mondo della Tecnologia e della Scienza, oltre che nella nostra vita corrente e nella cura della nostra salute.
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Fig. 1a. La copertina dell’album The dark side of the Moon
dei Pink Floyd (1973) - Immagine Wikipedia
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Fig. 1b. Un momento del Pink Floyd LaserSpectacular (2013)
Immagine Reporter-Herald

L’espressione “il laser fa ormai anche spettacolo” non va assolutamente presa come retorica senza contenuto. Sono moltissimi gli artisti che utilizzano queste sorgenti luminose per le loro opere, installazioni o spettacolo: da Jennifer Lopez alle Spice Girls , così come Justin Timberlake .

Tra i primi ad averne il merito sono sicuramente i Pink Floyd . La figura 1a mostra la famosa copertina dell’album The dark side of the Moon (Il lato oscuro della Luna) dei Pink Floyd (1973), in cui è esplicito il legame tra musica e luce a cui si ispirano. La figura1b mostra un momento del Pink Floyd LaserSpectacular (2013). Potete anche vedere dei video in rete.

Il gruppo dei Pink Floyd (fondato a Londra nel 1965) iniziò subito a sperimentare il profondo legame tra luci e suono. In uno dei loro primi concerti, tenutosi a Londra il 14 Ottobre 1966, il London Free School’s Sound/Light Workshop corredò il palco di potenti sistemi ottici, che proiettavano immagini di grande formato sull’allora ancora poco noto gruppo. Nel giro di pochi anni l’adozione di galvanometri ottici e il controllo elettronico dei sistemi laser permisero di controllarne colore e spostamento, aprendo la strada al loro utilizzo nei concerti con proiezioni programmate e sincronizzate alla musica. I Pink Floyd si affidarono ai laser già nel 1967, e da allora e fino ai nostri giorni sono universalmente riconosciuti per aver adottato soluzioni e tecnologie all’avanguardia nei loro spettacoli di luci laser, unici nel panorama mondiale.

Dopo questa premessa, iniziamo con una sintetica definizione della “Ottica Quantistica”. Dopo aver chiarito il processo fisico elementare sul quale è basato il laser (la “emissione stimolata”), illustriamo com’è costituito e come funziona il “dispositivo” nel suo complesso. Vediamo così come sorgono le speciali proprietà che ne motivano le tante applicazioni. La conclusione è un “elogio del laser”, che ne delinea anche il vastissimo campo di applicazione e la sua apertura verso il futuro.


Ottica quantistica

Gli specchi ustori di Archimede e il cannocchiale sono figli della cosiddetta “ Ottica Geometrica ”, valida nell’approssimazione in cui si può ragionare in termini di “raggi di luce”. Nell’Ottocento, la scoperta della natura ondulatoria della luce ha portato alla “ Ottica Diffrattiva ”. Nel Novecento è scoperto che la luce ha anche un comportamento corpuscolare. I “quanti” di luce e la struttura quantistica dell’atomo hanno fatto nascere la “ Ottica Quantistica ”. Il laser ne è figlio insigne e famoso. Gli strumenti concettuali per comprenderne funzionamento e proprietà sono forniti in Da linee di Fraunhofer ad atomo quantistico , di lettura propedeutica a questa.


Il laser in 60 secondi

La denominazione “laser” proviene da un acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificazione di Luce per Emissione Stimolata di Radiazione), alla base del suo funzionamento essendovi il processo elementare detto “ emissione stimolata ” di luce (“ fotoni ” in termini di particelle) predetto da Einstein . In tale processo, un fotone induce un atomo con un elettrone in un livello energetico eccitato a scaricare l’energia immagazzinata duplicandolo con un suo “clone”. Con la terminologia dei supermercati potremmo chiamare “pago 1 e prendo 2”.

Nel laser si creano condizioni tali che l’emissione stimolata si moltiplica a valanga. Gli alpinisti sanno che basta un nonnulla per scaricare in una valanga tutta l’energia (potenziale) immagazzinata nel manto nevoso in un pendio. Nel laser, il nonnulla è un fotone, che fa scaricare in una valanga di suoi cloni l’energia immagazzinata ad arte in livelli energetici eccitati degli elettroni atomici. Si creano così le condizioni di base per generare un intensissimo fascio di luce.
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Fig. 2. Emissione spontanea e stimolata
Immagine Fisica onde musica - C.A. Rozzi
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Fig. 3. Volo coerente di uno stormo di Ibis
Immagine Markus Unshold – The Why? files

Emissione spontanea e stimolata

Gli atomi con un elettrone in uno stato eccitato emettono energia sotto forma di un “ fotone ” (la “particella di luce”) in modo spontaneo e in un momento casuale, quando l’elettrone decide di tornare a dimora nello stato quantico a energia più bassa che lo aspetta. Questa è la cosiddetta “emissione spontanea” di un fotone, mostrata in figura 2 in alto rappresentando schematicamente il fotone emesso come un’onda.

Il fotone emesso possiede un’energia E eguale al salto ΔE tra il livello energetico superiore a quello inferiore. In una rappresentazione ondulatoria, all’energia del fotone corrisponde una frequenza ν data dalla relazione E = h ν ove h è la costante di Planck. Rinviamo a Onde e particelle per pedoni molto curiosi e Da linee di Fraunhofer ad atomo quantistico per eventuali chiarimenti concettuali.

Nel 1917, Albert Einstein predisse teoricamente che questo processo può anche essere “stimolato”, cioè fatto avvenire al momento voluto tramite un “comando” dato da un fotone con energia E esattamente eguale al salto tra il livello energetico superiore a quello inferiore. Questa è la cosiddetta “emissione stimolata” di un fotone (figura 2 in basso). Si ha antitutto un effetto moltiplicativo: entra un fotone, ne escono 2 con la stessa energia e in perfetta coincidenza temporale. Di più, il fotone emesso clona esattamente il fotone che ha dato il comando: in termini di onde, i due fotoni sono identici non solo in frequenza (e quindi lunghezza d’onda) ma anche in fase. Nel linguaggio della fisica, si dice sinteticamente che le onde (elettromagnetiche) corrispondenti ai fotoni sono “coerenti”.


Valanga stimolata

Il processo di emissione segnalato da Einstein è interessante, ma di per se stesso inutile al fine pratico di generare un intenso fascio di luce costituito di fotoni coerenti.

Per prima cosa, il fattore di moltiplicazione vale solamente 2. Inoltre, anche se le probabilità intrinseche per l’emissione spontanea e stimolata sono eguali, l’emissione stimolata è penalizzata dal fatto che la popolazione di elettroni al livello superiore è più bassa. Infatti, la tendenza degli elettroni – come di qualsiasi corpo - a cadere verso stati a energia potenziale inferiore, è compensata solo in parte da effetti di agitazione termica che tendono a riportarli al livello energetico superiore.

Come rovesciare le sorti? Occorre sovrappopolare il livello superiore "pompandovi" elettroni. L’emissione stimolata viene moltiplicata facendola avvenire come effetto collettivo su un insieme di elettroni, in modo che una grande valanga di fotoni clonati sia emessa al segnale di via dato da un singolo, "piccolo" fotone.

Di più, trovando una densa popolazione di elettroni pompata al livello superiore E2 [/size], ne stimola il loro decadimento al livello inferiore E1 [/size], con emissione di una valanga di fotoni “monocromatici” e “coerenti”. Monocromatici perché l’energia E = h ν è per tutti identicamente eguale al salto energetico E2 [/size] - E1 [/size] tra i due livelli. Coerenti perché essi partono tutti con la stessa "fase", in termini di onda.

Si può anche razionalmente intuire che alla base dell’emissione stimolata vi è una questione caratteriale. Leggete Lo spin: bosone o fermione? : i fotoni sono “bosoni” e detestano star soli. Un fotone va e gli altri si precipitano a fargli compagnia, muovendosi assieme.

Fissiamo il fenomeno nella nostra mente collegandolo a una bella immagine di grandi uccelli migratori, come gli ibis in figura 3. Uno si alza, gli altri "bosonicamente" lo seguono e migrando in formazione a V battono le ali all’unisono, coerenti in frequenza e fase. Se ne è anche capito il meccanismo , decritto con precisione in un articolo su Nature .
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Fig. 4. Il pompaggio al livello 2 in un laser a tre livelli
Immagine Wikipedia
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Fig. 5. La Grande Cascata nella Reggia di Caserta con il gruppo marmoreo
di Diana e Atteone (1778-fine secolo) - Immagine in Campania

Pompaggio

La tecnica per sovrappopolare il livello superiore è detta “pompaggio” ed è schematizzata in figura 4. Immettendo energia, si provoca una transizione di elettroni a uno o più livelli E3 [/size] ancora più alti del livello superiore E2 [/size]. Dai livelli alti E3 [/size], gli elettroni possono scendere spontaneamente (a cascata) al livello E2 [/size], sovrappopolandolo.

La tecnica del pompaggio si presta alla bella analogia idrica mostrata in figura 5. Essa mostra le cascatelle che dall’alto immettono acqua al livello superiore (E2 [/size]) della “ Grande Cascata ” nel parco della Reggia di Caserta (1752-fine secolo). Il pompaggio dell’acqua al livello superiore della cascata è economicamente realizzato a energia solare, sfruttando l’evaporazione dell’acqua a bassa quota, la pioggia in montagna (E3 [/size]), l' Acquedotto Carolino (appositamente costruito per fare scendere l’acqua alla Reggia) e infine le cascatelle visibili in figura.

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Fig. 6. Schema di un laser
Immagine Porta & Co SpA
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Fig. 7. Il primo laser del mondo (1960)
Immagine SPIE

Il dispositivo

La figura 6 illustra schematicamente gli elementi che compongono un laser, inteso quale "dispositivo" composto dal loro insieme.

Il cuore del dispositivo è il “mezzo attivo”, nel quale avvengono i processi sopra descritti. L’energia per il pompaggio è immessa dall’esterno mediante una sorgente di luce disposta attorno al mezzo attivo. Il dispositivo è completato da un “risuonatore” (a volte detto “cavità ottica”).

Il risuonatore è tipicamente costituito di due specchi – dei quali uno è semi-riflettente - tra i quali i fotoni viaggiano avanti e indietro. Il segnale è amplificato a ogni passaggio attraverso il mezzo attivo. Il fascio esce attraverso lo specchio semi-riflettente. Sono amplificati solo i fotoni focalizzati dagli specchi del risonatore in modo tale da passare ripetutamente attraverso il mezzo attivo fino a uscire dal dispositivo. Questa funzionalità del risuonatore si traduce in fasci di luce estremamente stretti e intensi (sinteticamente di alta "brillanza", come definita in seguito) e con divergenza angolare incredibilmente piccola (altamente “collimati”).


Innesco

Ogni emissione stimolata restituisce un atomo dallo stato eccitato allo stato fondamentale, riducendo l’amplificazione. Se il guadagno nel mezzo attivo vince questa perdita e complessivamente quelle nel risonatore, l’intensità del fascio sale in modo esponenziale. Per innescare il regime laser (“laserare”, secondo un’orrida parola correntemente usata), la potenza immessa nel sistema di pompaggio deve essere maggiore di un certo valore di soglia.


Sviluppo del laser

Ci vollero 35 anni prima che si iniziasse a comprendere l’enorme portata pratica dell’idea di Einstein, realizzando un dispositivo basato su di essa. Il primo “maser” (con significato analogo a laser, con la “m” perché operante nel dominio delle microonde elettromagnetiche e non ancora della luce) fu costruito da Townes, Gordon, e Zeiger nel 1953. Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov lo resero capace di operare in modo continuo. Il Premio Nobel 1964 fu attribuito a Charles Townes, Nikolaj Basov e Alexandr Prokhorov

for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle

(per un lavoro fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio maser-laser).

Il primo “laser” (con la “l” come light, luce) fu fatto funzionare nel 1960 da Theodore Maiman. Era un laser a stato solido, che sfruttava un cristallo di rubino per produrre un raggio laser nel dominio della luce rossa. La figura 7 mostra il “giocattolino” scientifico che tanto ha cambiato la nostra vita.

Abbiamo così dato una visione schematica del dispositivo e mostrato il primo laser, in modo da comprenderne il funzionamento pratico oltre che i principi fisici sui quali esso è basato. Lo sviluppo della tecnologia del laser è stato enorme, aprendo la strada ad applicazioni che vanno oltre il precedentemente immaginabile.


Proprietà

Il laser è in grado di emettere un fascio di luce monocromatica, coerente, di alta brillanza e estremamente collimata, come precedentemente detto e schematicamente mostrato un figura 8. Vediamo il significato di queste proprietà in relazione ad alcuni dei più correnti campi di applicazione che esse aprono.
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Fig. 8. Luce collimata, monocromatica e coerente
emessa da un laser - Immagine Ologrammi
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Si dice “coerente” un insieme di onde che mantengono la stessa fase l’una rispetto all’altra e “monocromatico” se hanno tutte la stessa lunghezza d’onda. Esse agiscono quindi all’unisono come un’unica grande onda, moltiplicando gli effetti.

Sono queste le condizioni ottimali per osservare e utilizzare ai nostri scopi i fenomeni di interferenza , caratteristici della natura ondulatoria. Da qui nasce ad esempio la “interferometria laser” usata per la ricerca di onde gravitazionali (leggete Onde gravitazionali dall’oceano cosmico e Laser e onde gravitazionali).

Un’affilatissima lama concentra la forza in una superficie lineare piccolissima, determinando una pressione talmente elevata da rompere i legami interni dei corpi solidi: così taglia un coltello. L’alta “brillanza” dei laser indica un proprietà analoga: la capacità di concentrare energia in una piccolissima area. Questo implica effetti analoghi a quelli che permettono ai coltelli di tagliare, tuttavia per effetto termico. Il laser può infatti essere usato come “coltello termico” per tagliare lamiere e in chirurgia come finissimo “bisturi termico”. Notate bene quanto detto, per tagliare quello che conta è la concentrazione di energia più che l'energia totale.

L’estrema “collimazione” dei fasci laser è dovuta alla loro minima dispersione angolare e permette di mantenere la brillanza su lunghissime distanze.

Queste proprietà e la loro combinazione aprono la porta a speciali applicazioni. Ne sono esempi la suddetta interferometria laser per onde gravitazionali, la trasmissione di informazioni nello spazio libero in telecomunicazioni anche su lunghissime distanze e quella spettacolare illustrata del seguito.

Alcune altre applicazioni sono trattate in articoli dedicati inseriti tra i Saggi tematici . Avrete ancora amplissimo spazio per indagare voi stessi, e immaginare.
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Fig. 9. Parte del retroriflettore piazzato sulla Luna
dalla missione Apollo 15 nel 1971 - Immagine NASA
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Fig. 10. Il fascio laser inviato su LRO per determinarne
la posizione nello spazio - Immagine NASA

Lunametria

La parola “Geometria” evoca teoremi e quindi il suo carattere di Scienza, con tutto il potere di astrazione proprio anche della Matematica. Il loro metodo consiste nel rappresentare il particolare ascendendolo al generale, elaborare i dati con efficacissimi formalismi sviluppati al livello dell’astrazione e quindi calare il risultato bello e pronto nel particolare. Come gli aerei percorrono lunghe distanze con minimo sforzo elevandosi al di sopra degli strati più densi dell’atmosfera e scendono solo in prossimità destinazione.

Sappiamo il contributo dato dalla logica dell’antica Grecia allo sviluppo della Geometria come Scienza, ma l’etimologia del nome stesso ne tradisce la lontana origine contadina: misurazione di terreni. Da tempi remoti l’esigenza pratica di mappare terreni e proprietà ha stimolato lo sviluppo di metodi e di strumenti di misura, questi ultimi ora correntemente basati sull’uso del laser.

Il laser è inserito in un “ teodolita ”, cioè in uno strumento per la misura la direzione angolare. In più, con il laser la rivelazione dell’eco retroriflesso permette di misurare anche la distanza. E’ una tecnica simile a quella impiegata dal radar utilizzando microonde elettromagnetiche. La distanza è misurata in base al tempo necessario richiesto per la ricezione in ritorno del segnale di eco.

Nel 1969 la missione Apollo 11 portò l’uomo a sbarcare sulla Luna. Presto si pose un’esigenza simile a quella primitiva e nacque quella che possiamo chiamare “Lunametria”. Essa fa parte delle missioni del Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), il satellite lunare messo in orbita nel 2009 dalla NASA per osservarla e studiarla. LRO ospita anche la Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC), un sistema di tre visori dotato di strumentazione per costruire immagini tridimensionali della superficie lunare ad altissima definizione. Il sito Web di LROC offre anche una “webcamera” in continua esplorazione nel suo viaggiare attorno alla Luna.

La metodologia è simile a quella della misurazione di terreni e territori.

Prima di tutto, la Luna è stata “picchettata” con precisissimi punti di riferimento. Ciascuno di essi è basato sull’uso di un retroriflettore laser, detto “ Lunar Ranging RetroReflector ” (LRRR). Quello mostrato in figura 9 fu piazzato nel 1971 con la missione Apollo 15 . La loro posizione è misurata con una precisione migliore di un centimetro, eccezionale data la distanza.

L’operatore sul campo (il “lunametra”) è LROC, la cui posizione è seguita da terra mediante un fascio laser (figura 10). Sempre utilizzando una tecnica laser, LROC costruisce una mappa tridimensionale della superficie lunare osservata e la raccorda ai punti di riferimento.

Elogio del laser

A partire da quello del 1964 , cinque Premi Nobel sono stati assegnati per il laser e sue applicazioni. Sul sito Web Nobel leggiamo il seguente conciso ma illuminante elogio del laser, con il quale concludiamo.

The physicist Albert Einstein had described the theory of stimulated emission as early as 1917, but it would still take 30 years before engineers began to utilize this principle for practical purposes. Scientists were amazed by this technical breakthrough but laser technology itself had no real purpose. This is not exceptional, discoveries may need time before being put to use. Today laser is used in communication, industry, medicine, and environmental care and research. Laser has become one of the most powerful tools for scientists in physics, chemistry, biology and medicine throughout the world. One area that is considered to be very interesting is in the different methods to cool and capture atoms by using laser. We don't know yet what this knowledge and technology will be used for in the future, but we do know that future applications will be based on today's research”.

Il fisico Albert Einstein aveva descritto la teoria di emissione stimolata già nel 1917, ma ci vollero ben 30 anni prima che gli ingegneri iniziassero a utilizzare questo principio per scopi pratici. Gli scienziati furono sorpresi da questa novità, ma di per se stessa la tecnologia laser non mostrava uno scopo concreto. Questa non è cosa nuova, le scoperte possono richiedere tempo prima di essere messe in uso. Oggi il laser viene utilizzato nelle comunicazioni, nell'industria, nella medicina, nella cura dell'ambiente e nella ricerca. Il laser è diventato uno degli strumenti più potenti per gli scienziati nel campo della fisica, della chimica, della biologia e della medicina, e questo in tutto il mondo. Un settore considerato molto interessante sta nei diversi metodi per raffreddare e catturare gli atomi utilizzando il laser. Non sappiamo ancora quali saranno le utilizzazioni future di queste conoscenze e di questa tecnologia, ma sappiamo che le future applicazioni saranno basate su ricerche di oggi.
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Antigone Marino e Paolo Strolin ...
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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 10/02/2017 12:06 da Paolo.

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