Laser: differenze tra le versioni
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{{nota disambigua}}
[[File:Lasers.JPG|thumb|Laser rosso (660 e 635 nm), verde (532 e 520 nm), e blu-violetto (445 e 405 nm)]]
Il '''laser''' ([[acronimo]] dell'[[Lingua inglese|inglese]]
== Storia ==
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=== Maser ===
{{
[[File:Charles Townes.jpg|
Il primo maser venne costruito da [[Charles Hard Townes]], J. P. Gordon, e H. J. Zeiger alla Columbia University nel 1953. L'apparecchio era simile a un laser, ma concentrava energia elettromagnetica in un campo di frequenza notevolmente inferiore: utilizzava infatti l'emissione stimolata per produrre l'amplificazione delle [[microonde]] invece che di onde [[infrarosso|infrarosse]] o [[luce visibile|visibili]]. Il maser di Townes poteva erogare solo una minima potenza, circa 10 nW, ma [[Nikolaj Gennadievič Basov|Nikolay Basov]] e [[Aleksandr Michajlovič Prochorov|Aleksandr Prokhorov]] risolsero il problema teorizzando e sviluppando un "metodo di pompaggio" con più di due livelli di energia.<ref>{{Cita web|url=https://www.photonics.com/LinearChart.aspx?ChartID=2|titolo=History of the Laser {{!}} Photonics.com|accesso=7 febbraio 2019}}</ref><ref>{{cita pubblicazione|url=https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/basov-lecture.pdf |autore=Nikolay Basov|titolo=Lettura per il premio Nobel di Nikolay Basov|anno=1964}}</ref> Charles H. Townes, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1964, "''per il lavoro fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio maser-laser.''"<ref>{{Cita web|url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1964/summary/|titolo=The Nobel Prize in Physics 1964|sito=NobelPrize.org|lingua=en|accesso=7 febbraio 2019}}</ref>
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== Descrizione ==
La coerenza spaziale e temporale del raggio laser è correlata alle sue principali proprietà:
* alla ''coerenza temporale'', cioè al fatto che le onde conservano la stessa fase nel tempo, è correlata la proprietà dei laser di emettere fasci di radiazione in un intervallo spettrale molto stretto. È considerata un'[[onda monocromatica]] anche se particolari dispositivi laser possono emettere contemporaneamente un numero discreto di fasci a diverse lunghezze d'onda;
* alla ''coerenza spaziale'', cioè al fatto che la differenza di fase è costante fra punti distinti in una sezione trasversa del fascio, è correlata la possibilità di avere fasci unidirezionali e [[luce collimata|collimati]], cioè paralleli anche su lunghi percorsi. I fasci laser sono focalizzabili su aree molto piccole, anche con dimensioni dell'ordine del micrometro (la dimensione dello spot focale dipende però sia dalla lunghezza d'onda che dall'angolo di focalizzazione), impossibili con radiazioni non coerenti.
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Queste proprietà sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continuano ad avere nei campi più disparati:
* l'elevatissima irradianza, data dal concentrare una grande potenza in un'area molto piccola, permette ai laser il [[Taglio a laser|taglio]], l'[[incisione]] e la [[saldatura]] di [[Metallo|metalli]], ed un possibile utilizzo anche come arma;
* la monocromaticità e coerenza li rende ottimi strumenti di misura di distanze, spostamenti e velocità anche piccolissimi, dell'ordine del micrometro (10<sup>−6</sup> m);
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=== Schema di funzionamento ===
[[File:Laser.svg|thumb|upright=1.4
<br/>1) Mezzo ottico attivo
<br/>2) Energia fornita al mezzo ottico
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<br/>4) Specchio semiriflettente
<br/>5) Fascio laser in uscita]]
Il laser è essenzialmente composto da 3 parti:▼
▲Il laser è essenzialmente composto da 3 parti:
# un mezzo attivo, cioè un materiale (gas, cristallo, liquido) che emette la luce;
#un sistema di pompaggio, che fornisce energia al mezzo attivo;
# una cavità ottica, o risonatore ottico, ossia una trappola per la luce.
Nel laser si sfrutta il mezzo attivo, il quale possiede la capacità di emettere radiazioni elettromagnetiche (fotoni) quando attivato. Dal mezzo attivo dipende la lunghezza d'onda dell'emissione. Il mezzo attivo può essere gassoso (ad esempio [[anidride carbonica]], miscela di elio e neon, ecc.), liquido ([[solventi]], come [[metanolo]], [[etanolo]] o [[glicole etilenico]], a cui sono aggiunti coloranti chimici come [[cumarina]], [[rodamina]] e [[fluoresceina]]) o solido (rubino, neodimio, semiconduttori, ecc.). Il sistema di pompaggio fornisce energia al mezzo attivo portandolo all'eccitazione con emissione di fotoni.
L'eccitazione può avvenire tramite:
* Pompaggio ottico (lampade stroboscopiche, diodi laser, ecc.);
* Urti elettronici (scarica elettrica in gas con sorgente di corrente continua, impulsata, di radio frequenza o una loro combinazione);
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=== Principio di funzionamento ===
[[File:Laser, quantum principle.ogv|thumb|upright=1.4|Animazione che mostra il principio di funzionamento del laser (in inglese)]]
Come dice la stessa sigla (LASER → Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), la [[radiazione]] laser proviene dal processo di [[emissione stimolata]]:
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* Monocromaticità: l'allargamento della banda di emissione è dato dalla larghezza naturale e dall'[[effetto Doppler]] (che può essere eliminato o comunque contenuto parecchio). In spettroscopia si sfrutta questa caratteristica per ottenere spettri ad alta [[Risoluzione angolare|risoluzione]]. Sarebbe molto difficoltoso ottenere gli spettri [[Spettroscopia Raman|Raman]] senza questa caratteristica dei laser.
* [[Radianza]]: nei laser la quantità di energia emessa per unità di angolo solido è incomparabilmente più elevata rispetto alle sorgenti tradizionali. In particolare è elevato il numero di [[fotoni]] per unità di [[frequenza]]. Questa caratteristica è diretta conseguenza delle due precedentemente citate. Grazie a questa caratteristica si ha la possibilità di osservare fenomeni particolari, come per esempio l'assorbimento a molti fotoni. L'elevata intensità ha trovato anche diverse applicazioni tecnologiche, per esempio nel taglio dei metalli.
* [[Coerenza (fisica)|Coerenza]]: mentre nell'emissione spontanea ogni fotone viene emesso in maniera casuale rispetto agli altri, nell'emissione stimolata ogni fotone ha la stessa [[Fase (segnali)|fase]] del fotone che ha indotto l'emissione. La fase viene quindi mantenuta nel tempo e nello spazio. Questa caratteristica ha permesso lo sviluppo della tecnica [[Spettroscopia Raman Coerente anti-Stokes|CARS]].
* Impulsi ultra-brevi: con diverse tecniche è possibile costruire laser che emettano pacchetti di onde estremamente stretti nel dominio del tempo, attualmente si è giunti allo sviluppo di impulsi dell'ordine del [[femtosecondo]]. Questi laser hanno trovato impieghi in diversi ambiti di ricerca, hanno per esempio permesso la nascita di una nuova disciplina, che è stata chiamata [[femtochimica]].
== Classificazione ==
I laser sono classificati in funzione del pericolo per la salute umana. La classificazione viene effettuata dal produttore secondo le norme IEC 60825 armonizzate nell'Unione europea con le norme Cenelec EN 60825-1.<ref name="en60825">{{cita testo|url=http://www.bristol.ac.uk/media-library/sites/nsqi-centre/documents/lasersafetybs.pdf|titolo=Norme EN 60825-1 Safety of laser products - Part 1: Equipment classification and requirements (IEC 60825-1:2007)|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20160309015951/http://www.bristol.ac.uk/media-library/sites/nsqi-centre/documents/lasersafetybs.pdf }}</ref> Prima del 2007 i laser erano classificati in 5 classi (1, 2, 3a, 3b, 4) dipendenti dalla potenza e dalla lunghezza d'onda, considerando che le emissioni nella banda del visibile erano considerate meno pericolose grazie al riflesso palpebrale.
Le norme attualmente in vigore dividono i laser in 7 classi, introducendo i parametri di:
* Limite emissione accessibile (LEA): livello massimo di emissione accessibile permesso in una particolare classe.
* Massima esposizione permessa (MEP): il livello della radiazione laser a cui, in condizioni ordinarie, possono essere esposte le persone senza subire effetti dannosi. I livelli MEP rappresentano il livello massimo al quale l'occhio o la pelle possono essere esposti senza subire un danno a breve o a lungo termine. Il MEP da cui normalmente si ricava il LEA delle diverse classi di laser è stato ricavato dalle “Linee guida sui limiti di esposizione alla radiazione laser di lunghezza d'onda compresa tra 180 nm e 1 mm.” redatte dalla Commissione Internazionale sulla Protezione dalle radiazioni non ionizzanti (ICNIRP).<ref>{{cita testo|url=http://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPLaser180gdl_2013.pdf|titolo=International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection - ICNIRP GUIDELINES ON LIMITS OF EXPOSURE TO LASER RADIATION OF WAVELENGTHS BETWEEN 180 nm AND 1,000 mm}}</ref>
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[[File:AEL laser class for long pulse or cw it.png|thumb|upright=1.4| Massima esposizione permessa delle classi 1, 2, 3R e 3B secondo EN60825-1. 2007
le potenze possono essere superiori nei laser chiusi (non accessibili) o non collimati]]
[[File:Meteo laser tag.jpg|thumb|upright=1.4| Etichettatura a norme EN 60825-1 di un laser classe 4 con emissione di due lunghezze d'onda: una visibile e una non visibile]]
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! Classe<ref name="en60825" /> || Descrizione e avvertenza || Lunghezza d'onda<ref name="en60825" />
|-
!
| La radiazione laser accessibile non è pericolosa. Laser con emissioni superiori alla MEP sono di classe 1 se chiusi in un alloggiamento non accessibile.
| Da 180 nm a 1 mm.
|-
!
| La radiazione laser accessibile è innocua nelle normali condizioni d'uso fino a quando non vi sono strumenti ottici come lenti di ingrandimento o binocoli che possono concentrare l'energia sulla cornea. '''Non guardare il fascio direttamente con strumenti ottici.'''
| Da 302,5 nm a 4 000 nm
|-
!
| La radiazione laser accessibile nello [[spettro elettromagnetico#Spettro ottico|spettro visibile]]. È innocua per l'occhio considerando anche che la protezione dell’occhio è normalmente assicurata dalle reazioni di difesa compreso il riflesso palpebrale (circa 0,25 s) anche se si utilizzano dispositivi ottici di osservazione. '''Non fissare il fascio.'''
| Da 400 nm a 700 nm
|-
!
| Come la classe 2, la visione del fascio può essere più pericolosa se l’operatore impiega ottiche di osservazione all’interno del fascio. '''Non fissare il fascio o guardarlo direttamente con strumenti ottici.'''
| Da 400 nm a 700 nm
|-
!
| La radiazione laser accessibile è potenzialmente pericolosa; il LEA è inferiore a cinque volte il LEA di Classe 2 nell’intervallo di lunghezze d’onda tra 400 e 700 nm, e inferiore a cinque volte il LEA di Classe 1 per le altre lunghezze d’onda. '''Evitare la diretta esposizione degli occhi.'''
| Da 180 nm a 1 mm
|-
!
| La radiazione laser accessibile è normalmente pericolosa per gli occhi se direttamente esposti a distanza inferiore alla DNRO e in casi particolari anche per la pelle. L'esposizione a luce diffusa o dispersa da riflessioni è di solito sicura. '''Evitare l'esposizione al fascio.'''
| Da 180 nm a 1 mm
|-
!
| La radiazione laser accessibile è molto pericolosa per gli occhi e pericolosa per la pelle, inclusa la radiazione diffusa. Quando si utilizza questo raggio laser si possono provocare [[incendi]] o [[esplosioni]]. '''Evitare di esporre occhi o pelle alla radiazione diretta o diffusa.'''
| Da 180 nm a 1 mm
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==== Mode-locking ====
{{vedi anche|
Il [[mode-locking]] è una tecnica grazie alla quale, modulando opportunamente le onde che pervengono nelle cavità risonanti, è possibile ottenere una intensa interferenza costruttiva con produzione di un raggio laser molto intenso a impulsi dell'ordine del [[picosecondo]] (10<sup>−12</sup> s) e del [[femtosecondo]] (10<sup>−15</sup> s).
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=== Oftalmologia ===
==== Chirurgia refrattiva laser ====
{{vedi anche|
Un altro importante uso medico del laser consiste nella correzione dei difetti refrattivi: [[miopia]], [[astigmatismo (occhio)|astigmatismo]] e [[ipermetropia]]. In tutti questi casi il profilo della [[cornea]] - la superficie oculare trasparente - viene 'modellato' con varie tecniche ([[Photorefractive keratectomy|PRK]] e [[LASIK]]). Infatti, la cornea funziona come una lente naturale: modificandone la curvatura si varia il fuoco (il punto in cui i raggi luminosi convergono) e si può fare in modo che le immagini arrivino nitide sulla [[retina]].
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Il laser può essere utilizzato con funzione ablativa, quasi o non ablativa sulle lesioni cutanee che comportano una produzione irregolare di collagene.
I più comuni ablativi sono il laser CO<sub>2</sub> (10600 nm) e il laser erbio o Er-YAG (2640 nm). In origine è stato utilizzato anche il laser PDL (585 nm).<ref>{{cita testo|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11149609|titolo=Laser treatment of hypertrophic scars, keloids, and striae.}}</ref><ref>{{cita testo|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22612738|titolo=Management of acne scarring, part I: a comparative review of laser surgical approaches.}}</ref> Non ablativi o quasi ablativi invece le tecnologie a impulsi del laser Nd-YAG (1060 nm) e diodico (1450 nm). Recentemente è stata introdotta anche la tecnologia del laser frazionale (FRAXEL)
Approccio analogo è stato sperimentato anche su cicatrici atrofiche da acne e strie distense.<ref>{{cita testo|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4673510/|titolo=A novel 1565 nm non-ablative fractional device for stretch marks: a preliminary report.}}</ref>
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==== Trattamento di fotoepilazione ====
{{
Sono privilegiati laser con impulsi da 10 a 300 ms che emettono nella lunghezze d'onda dove maggiore è la differenza relativa di assorbimento della luce della melanina del pelo rispetto all'emoglobina (circa da 650 a 1050 nm) e melanina della pelle. I più diffusi sono laser diodici (808 nm) in grado di erogare da 10 a 60 J/cm<sup>2</sup>.
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=== Terapia fotodinamica contro alcuni tumori ===
{{
Il laser viene utilizzato come tecnica non invasiva per la completa rimozione di [[tumore|tumori]] allo stadio iniziale. Nei tessuti viene iniettato una sostanza fotosensibile con un assorbimento selettivo nei tessuti malati. Al passaggio di un fascio di luce di una determinata lunghezza d'onda, il farmaco attiva una reazione che ha per protagonista l'[[ossigeno]], ossida e distrugge le sole cellule malate. Il fatto eccezionale è che il farmaco agisce selettivamente e le cellule sane non vengono intaccate, come purtroppo avviene durante un'asportazione chirurgica. Per tumori più estesi, serve a circoscrivere la [[metastasi]], ma non guarisce la malattia.<ref>{{cita testo|url=http://www.cancer.gov/about-cancer/treatment/types/surgery/photodynamic-fact-sheet|titolo=National Cancer Institute -Photodynamic Therapy for Cancer}}</ref>
=== Fototerapia ===
{{
Particolari laser argon cloruro eccimeri emettono nella banda dei 308 nm considerata ottimale per la [[fototerapia]] della [[psoriasi]].<ref>{{cita testo|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12063488/|titolo=Efficacy of the 308-nm excimer laser for treatment of psoriasis: results of a multicenter study.}}</ref>
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Il [[laser Nd:YAG]] è un [[laser a stato solido]] che sfrutta un [[cristallo]] di [[ittrio]] e [[alluminio]] ([[Granato di ittrio e alluminio|YAG]]) [[drogaggio|drogato]] al [[neodimio]] ([[Neodimio|Nd]]:[[Ittrio|Y<sub>3</sub>]][[Alluminio|Al<sub>5</sub>]][[Ossigeno|O<sub>12</sub>]]) ed emette normalmente a 1060 nm o 940 nm. Può essere utilizzato anche il laser a CO<sub>2</sub>, che emette normalmente a 10600 nm. In fisioterapia sono possibili anche trattamenti laser a bassa potenza, cioè che non sviluppano alcun effetto termico sensibile, di cosiddetta [[biostimolazione]].
=== Terapia laser ad alta intensità (HILT) ===
L'High Intensity Laser Therapy (HILT) trova impiego nella gestione del dolore e del disordine muscolo-scheletrico, in virtù anche di un effetto antinfiammatorio e antiedemico.<ref>{{Cita pubblicazione|titolo=The Beneficial Effects of High-Intensity Laser Therapy and Co-Interventions on Musculoskeletal Pain Management: A Systematic Review|doi=10.15171/jlms.2020.14|PMID=32099632}}</ref><ref>'High-Intensity Laser Therapy for Musculoskeletal Disorders: A Systematic Review and Meta-Analysis of Randomized Clinical Trials'', ''Journal of Clinical Medicine'' (febbraio 2023), 12(4).{{doi|10.3390/jcm12041479}}</ref> La HILT (o laser di classe IV<ref name="OCLC_10013374730" />) diminuisce la concentrazione dei mediatori pro-infiammatori e migliora la permeabilità capillare, con conseguente totale eradicazione dell’infiammazione.<ref>''TECAR Therapy Associated with High-Intensity Laser Therapy (Hilt) and Manual Therapy in the Treatment of Muscle Disorders: A Literature Review on the Theorised Effects Supporting Their Use'', in ''Journal of Clinical Medicine'', ottobre 2022, 11(20). {{doi|10.3390/jcm11206149}}</ref> È risultata efficace nel produrre sollievo dal dolore e nel migliorare la funzionalità nell'[[osteoartrite]] del ginocchio.<ref>''Is high intensity laser therapy more effective than other physical therapy modalities for treating knee osteoarthritis? A systematic review and network meta-analysis’', in ''Frontiers in Medicine'', settembre 2022, vol. 9. {{doi|10.3389/fmed.2022.956188}}</ref> L'HILT può essere molto utile per il trattamento di disturbi dolorosi legati al [[collo]], in quanto offre vari effetti tra cui [[biostimolazione]], [[rigenerazione cellulare|rigenerazione]], [[analgesia]], proprietà antinfiammatorie e proprietà antiedemigene.<ref name="OCLC_10013374730" /> Al 2023 ha ricevuto scarsa attenzione da parte della ricerca accademica.<ref name="OCLC_10013374730">{{cita pubblicazione|autore=Diggaj Shrestha, MD Ashraf Hussain, Nur Nahara Begum Barbhuiya, Yasmin Rahman, Manalisa Kalita, Sunita Sharma|url=https://www.jcdr.net//article_fulltext.asp?issn=0973-709x&year=2023&volume=17&issue=9&page=YE01&issn=0973-709x&id=18397|titolo=An Overview and Implication of High Intensity Laser Therapy in Neck Pain: A Narrative Review|data=1° settembre 2023|rivista=Journal of Clinical and Diagnostic Research|volume=17|numero=9|doi=10.7860/JCDR/2023/63445.18397|accesso=24 febbraio 2024|oclc=10013374730|lingua=en|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20240224203434/https://www.jcdr.net//article_fulltext.asp?issn=0973-709x&year=2023&volume=17&issue=9&page=YE01&issn=0973-709x&id=18397|urlmorto=no}}</ref>
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== Altri utilizzi ==
[[File:Classical spectacular laser effects.jpg|thumb|Dei laser vengono utilizzati per realizzare effetti speciali durante uno spettacolo]]
Il laser viene utilizzato nella tecnica in una gran varietà di apparecchiature: nelle [[telecomunicazioni]] e nelle reti di computer viene utilizzato per trasferire enormi quantità di dati attraverso le [[fibra ottica|fibre ottiche]] nelle rispettive [[comunicazioni ottiche]]. Viene utilizzato come elemento di lettura nei player di [[CD]] e [[DVD]] e per la scrittura nei [[masterizzatore|masterizzatori]]. È inoltre alla base di visioni di ologrammi nell'ambito della tecnica di foto 3D detta [[olografia]].
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=== Settore automobilistico ===
[[File:Audi R8 LMX - Mondial de l'Automobile de Paris 2014 - 003.jpg|
Nel 2014 il laser entra a far parte dei vari sistemi di illuminazione utilizzati sulle automobili (alogeno, xeno, LED). Questi fari possono illuminare fino a 600 metri di distanza con un consumo di soli circa 10 watt, garantendo una visibilità ottimale della strada fino a 250 km/h. L'Audi e la BMW sono le prime case automobilistiche ad usare questo sistema. Inizialmente montato sulla vettura da competizione [[Audi R8 e-tron Quattro Laserlight]] del team Audi nel campionato Endurance, venne successivamente utilizzato sulla prima vettura di serie [[Audi R8]] stradale. La BMW iniziò con i fari al laser sulla [[BMW i8]] stradale, autovettura ad alimentazione ibrida della casa bavarese.
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* [[Orazio Svelto]], ''Il fascino sottile del laser'', Roma, Di Renzo, 2007.
* Aldo Vasta, ''I laser terapeutici. Attualità in laserterapia ed elementi di laserchirurgia. Teoria e pratica delle applicazioni dei laser in medicina'', Roma, Marrapese, 1998.
* {{cita libro | autore = Dr. Rüdiger Paschotta | url = https://scholar.google.it/scholar?lookup=0&q=%22Encyclopedia+of+Laser+Physics+and+Technology%22&hl=it&as_sdt=0,5&as_vis=1 | titolo = Encyclopedia of Laser Physics and Technology | lingua = en | editore = Wiley-VCH | isbn = 978-3-527-40828-3 |oclc=62085733 | data = 14 ottobre 2005 | edizione = 1ª
== Voci correlate ==
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