Principi di funzionamento del LASER

Questo articolo è la versione riveduta di un testo redatto nel 2007 dallo scrivente per il proprio sito "Astrolab" ¹, testo nel 2011 segnalato nell’articolo "Stimolati e coerenti" ² sul n. 12 di "Asimmetrie", la rivista dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INAF.)

Introduzione

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L’articolo intende essere una introduzione semplificata ai principi fisici che permettono il funzionamento del LASER, un dispositivo optoelettronico capace di emettere un fascio di luce coerente e oggi comunemente utilizzato in ambito privato per svariati scopi. Per esempio in ambito astronomico si utilizzano laser a luce rossa per la collimazione delle ottiche e a luce verde per il puntamento di soggetti astronomici.

La parola LASER è un acronimo che significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, che tradotto in italiano significa amplificazione luminosa provocata dall'emissione stimolata di radiazioni elettromagnetiche.

Principi di funzionamento

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Emissione stimolata e spontanea

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Tramite un fonte di energia è possibile portare gli atomi di un sistema in uno stato eccitato quindi a un livello energetico superiore rispetto al livello fondamentale. Questo processo prende il nome di assorbimento e il tempo di permanenza nello stato eccitato è legato alla differenza (∆) di energia in gioco.

Gli atomi eccitati possono tornare al livello energetico originario attraverso due modi chiamati emissione spontanea ed emissione stimolata:

• Nel caso di EMISSIONE SPONTANEA gli atomi si diseccitano spontaneamente, molto rapidamente, rilasciando energia sotto forma di radiazione elettromagnetica (fotoni). Tale radiazione viene emessa in tutte le direzioni.

• Nel caso di EMISSIONE STIMOLATA invece il ritorno degli atomi allo stato energetico fondamentale viene stimolato da un fotone incidente. In questo caso i fotoni prodotti presentano la medesima energia e direzione del fotone primario, o fotone incidente.

Affinchè possa verificarsi l’emissione stimolata è però necessario che:

• Vi sia una inversione di popolazione. ³
• Gli atomi eccitati presentino un elevato tempo di permanenza nel livello energetico superiore (definito livello "metastabile".)

Meccanismo di emissione stimolata

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Prendendo così in esame i costituenti di un materiale adatto, all’equilibrio termico la maggior parte degli atomi si troverà nello stato fondamentale mentre pochi saranno quelli nello stato eccitato.

Tramite una fonte energetica esterna al sistema gli atomi vengono "pompati" nello stato eccitato generando una inversione di popolazione, che si ricorda essere condizione necessaria per avere una considerevole emissione stimolata.
In seguito un fotone incidente, emesso anche spontaneamente nel sistema, stimola il diseccitamento a catena degli atomi eccitati con conseguente emissione di fotoni che presentano tre importanti caratteristiche:

• Sono in fase con il fotone incidente.
• Hanno la stessa lunghezza d’onda (λ) del fotone incidente.
• Viaggiano nella stessa direzione del fotone incidente.

Il fascio luminoso emesso godrà delle caratteristiche di:

• Coerenza. L’onda elettromagnetica mantiene una determinata relazione di fase con sé stessa; ciò significa, semplificando, che le onde del fascio laser oscillano con i loro picchi e avvallamenti in perfetta sincronizzazione.
• Monocromaticità. La luce del laser ha un preciso colore (una specifica lunghezza d’onda.)
• Direzionalità. Il fascio laser mantiene grande precisione nella direzione e bassa espansione nel suo propagarsi.
• Brillanza. Semplificando, il fascio laser presenta una elevatissima intensità luminosa nella direzione di propagazione.

Invece dal punto di vista costruttivo un laser è costituito da un mezzo attivo e da una cavità.

Mezzo attivo e cavità

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• Il mezzo attivo è il materiale che emette i fotoni in fase.
• La cavità è lo spazio che confina il mezzo attivo. Nella sua forma più semplice la cavità è costituita da due specchi, uno dei quali semiriflettente per consentire la fuoriuscita del raggio luminoso.

La funzione della cavità è quella di incrementare notevolmente il numero di passaggi dei fotoni emessi attraverso il mezzo attivo al fine di amplificare l’intensità del fascio luminoso prodotto. Inoltre attraverso il dimensionamento della cavità è possibile selezionare la lunghezza d’onda dei fotoni emessi.

Il caso di una cavità a due specchi permette di comprendere come solo i fotoni che si muovono ortogonalmente agli specchi possano subire multiple riflessioni e quindi amplificazione. I fotoni invece che si muovono in altre direzioni non vengono amplificati. Questi fenomeni portano così all’ottenimento di un raggio altamente focalizzato.

Il primo laser

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Il primo laser funzionante fu quello a rubino, un minerale costituito da un reticolo di ossido di alluminio che imprigiona piccole quantità di cromo trivalente, creato da T.H. Maiman e acceso nel 1960.

In questo tipo di laser il pompaggio avviene eccitando gli atomi di cromo mediante un potente flash luminoso. Un primo diseccitamento avviene in modo non radiativo (senza emissione di luce) seguito poi dall’emissione stimolata di fotoni.
È un laser che emette nel rosso, precisamente alla lunghezza d’onda di 694,3 nm.

Le immagini sottostanti ritraggono il primo esemplare di laser a rubino e il relativo schema costruttivo.

Varietà di laser

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I laser sono suddivisibili in cinque principali categorie:

• A stato solido.
• A gas.
• Chimici.
• A coloranti.
• A diodo.

Laser a diodo

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Alla categoria dei laser a diodo appartengono quelli comunemente utilizzati in ambito privato o civile. Una giunzione a diodo è l’interfaccia tra due tipi di semiconduttori, uno di tipo n e l’altro di tipo p ⁴.

Come funziona un laser a diodo? In termini estremamente semplificati è possibile dire che fornendo elettroni alla regione n del diodo gli elettroni nella banda di conduzione del semiconduttore di tipo n "cadono" nelle lacune della banda di valenza del semiconduttore di tipo p. Questo meccanismo libera energia.

Nei comuni semiconduttori al silicio tale energia viene liberata quasi esclusivamente sotto forma di energia termica. Diversamente utilizzando nel diodo altri materiali, come il fosfuro di indio, l’energia viene emessa sotto forma di radiazione elettromagnetica, per esempio come luce visibile nel campo del rosso.

Un diodo che semplicemente emette luce non è ancora però definibile come un laser in quanto, sebbene l’emissione di luce venga sfruttata come base dell’azione laser, manca della cavità di risonanza e dell’emissione stimolata.

Dunque in un diodo laser:

• La cavità di risonanza viene realizzata sfruttando l’alto indice di rifrazione dei materiali utilizzati. La luce così rimane intrappolata a causa della notevole differenza di indice di rifrazione che si determina presso l’interfaccia semiconduttore-aria. In talune varianti del laser a diodo vengono introdotti degli specchi dielettrici, chiamati anche "specchi di Bragg". ⁵)
• L’inversione di popolazione si ottiene sottraendo gli elettroni che "cadono" nelle lacune del semiconduttore di tipo p.

Avvertenze sulla sicurezza

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Maggiori informazioni riguardo le questioni di sicurezza e legalità nell’uso dei laser sono disponibili alla pagina: https://poliziamoderna.poliziadistato.it/articolo/5728a414bc353700992734

Ultimo aggiornamento: 6 gennaio 2026