LASER: vediamoci chiaro

I Laser sono sempre più sfruttati in campi come la medicina e l’industria grazie alla loro estrema efficienza e precisione d’azione. Su quali principi si basano? Quali potenzialità nascondono?

Light Amplification by Stimulated Emission Radiation. Bensì sia probabilmente entrata nell’immaginario collettivo come l’arma impugnata dai cavalieri Jedi in Guerre Stellari, l’acronimo di Laser si riferisce a una tecnologia estremamente versatile e ormai onnipresente nella vita di tutti i giorni.

La sua storia parte nel lontano 1917. In quell’anno Einstein gettò le basi teoriche per il funzionamento di un dispositivo in grado di emettere luce mediante il fenomeno fisico dell’amplificazione di un campo elettromagnetico.

Il primo prototipo, firmato Charles Hard Townes, risale al 1953. Si trattava precisamente di un Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission Radiation): un dispositivo basato sui medesimi principi di funzionamento del Laser ma che sfruttava microonde anziché onde infrarosse.

Sette anni dopo presso i laboratori della Hughes Research in California, venne azionato il primo Laser propriamente detto. Esso sfruttava un cristallo di rubino in grado di produrre un raggio rosso. Da quel momento lo sviluppo di nuove tecniche per ottenere Laser adatti a sempre più scopi ha continuato inarrestabile.

Come funziona

Esistono diversi tipi di Laser a seconda del materiale costituente e degli elementi che li compongono. Tuttavia è possibile ridurre ad un unico nocciolo teorico il funzionamento dei dispositivi appartenenti a questa grande famiglia.

Come dice la stessa sigla (amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione) la radiazione Laser è causata da un processo di emissione stimolata.

Normalmente un materiale assorbe la luce che l’attraversa e gli atomi acquisiscono l’energia che ne deriva (in gergo scientifico eccitandosi). Se poi la materia eccitata viene ulteriormente investita da un’altra radiazione energetica, gli atomi costituenti ritornano allo stato energetico di base emettendo delle radiazioni visibili all’occhio umano. Questo è il principio alla base dei Laser, nei quali si cerca di perpetuare un ciclo di eccitazione-emissione (detta stimolata poiché indotta) in modo tale da ottenere dei fasci di luce continui.

La stimolazione del materiale costituente di un laser (detto materiale attivo) può avvenire ad esempio otticamente, mediante una lampada che avvolge il materiale stesso. Elemento fondamentale per il corretto funzionamento è la presenza di uno specchio posto attorno al materiale attivo. Questo permette di amplificare ripetutamente la radiazione emessa fino a dar luogo al fascio di luce finale.

LASER: medicina…

La presenza dei Laser in campo medico diventa sempre più importante, trovando tra l’altro impiego in chirurgia e in trattamenti antitumorali, di lesioni vascolari superficiali, emorroidi, psoriasi e calcoli urinari.

• Fotoablazione – Sfruttando le alte temperature che si raggiungono in corrispondenza del punto d’incidenza di un fascio Laser è possibile asportare una piccolissima sezione della cornea andando a correggere difetti della vista come miopia e astigmatismo.

• Terapia fotodinamica (PDT) – La PDT è un processo a più fasi. In primo luogo il paziente assume una sostanza fotosensibile che si raccoglie soprattutto in corrispondenza del tessuto malato. Segue una fase di esposizione luminosa che vede l’impiego di fasci Laser compresi in un intervallo di radiazioni che vanno dall’infrarosso all’ultravioletto. Conseguentemente si ha l’attivazione della sostanza fotosensibile che reagendo con dell’ossigeno ucciderà le cellule malate. Questa tecnica viene attualmente impiegata nella cura di patologie come cancro, degenerazione maculare ed esofago di Barrett.

• Laser cutaneo – Altro impiego è quello per scopi dermatologici ed estetici. Sono possibili trattamenti contro discromie cutanee (ad esempio melasma), macchie iperpigmentate e cicatrici (come quelle lasciate dall’acne). Inoltre i Laser permettono anche la rimozione di tatuaggi, trattamenti contro l’invecchiamento cutaneo (rimuovendo gli strati cutanei più superficiali dove i segni dell’invecchiamento sono più evidenti) e la fotoepilazione.

…e molto altro

Dal canto suo anche il settore manifatturiero ha beneficiato ampiamente dell’introduzione dei Laser sul mercato. Alcuni degli impieghi sono:

• taglio e saldatura di lamiere (anche di spessori elevati);
• trasferimento di dati attraverso fibre ottiche;
• scrittura e lettura di CD e DVD – attraverso i pits (piccole “buche” scavate nel materiale dal laser) e i lands (corrispondenti agli spazi lasciati intatti), vengono registrati dati che una volta letti si traducono in audio e video. Durante la lettura il disco viene illuminato da un laser: i pits (interpretati come 0) non riflettono la luce mentre i lands (interpretati come 1) sì.

• lettori di codici a barre;
• misura di estrema precisione per dimensioni che partono dai micron e arrivano alle decine di metri (ad esempio attraverso livelle laser);

• puntatori per sistemi d’arma o come indicatori per conferenze;
• Stampanti 3D – esistono molte tecniche di stampa 3D tra cui la stereolitografia. Questa si basa sull’impiego di una speciale resina liquida (nella fig. b), la quale solidifica a seguito dell’esposizione alla luce prodotta da un laser (fotopolimerizzazione). Il fascio di luce (nella fig. a), indirizzato attraverso un sistema di specchi, incide sulla superficie del liquido (nella fig.c). Il raggio viene indirizzato in modo tale da solidificare quella che rappresenta l’immagine della prima sezione dell’oggetto da costruire. La resina è contenuta in una vasca in cui il fondo è costituito da una piastra che si abbassa leggermente a ogni successiva scansione laser (nella fig.e), generando così strato dopo strato, fino a completare l’oggetto (nella fig. d).

La lista delle applicazioni, così come dei campi di ricerca e sviluppo, potrebbe continuare ancora per molto. Non resta quindi che aspettare per vedere in quale altro frangente della quotidianità farà la sua comparsa questa nuova tecnologia: accontentiamoci per ora dei lettori di codici a barre e dei termoscanner.

Immagine di copertina: By Jan Pavelka on Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0