Laser

Laser è l'acronimo inglese di Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di Luce tramite Emissione Stimolata di Radiazioni.

Questa sigla indica un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente e monocromatica, e (con alcune eccezioni) concentrata in un raggio rettilineo estremamente collimato. Inoltre la luminosità (brillanza) delle sorgenti laser è elevatissima a paragone di quella delle sorgenti luminose tradizionali. Queste tre proprietà (coerenza, monocromaticità e alta brillanza) sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continuano ad avere nei campi più disparati: l'elevatissima brillanza, data dal concentrare una grande potenza in un'area molto piccola, permette ai laser il taglio, l'incisione e la saldatura di metalli; la monocromaticità e coerenza li rende ottimi strumenti di misura di distanze, spostamenti e velocità anche piccolissimi, dell'ordine del millesimo di millimetro; sempre la monocromaticità li rende adatti a trasportare informazioni nelle fibre ottiche e per distanze lunghissime.

Come dice la stessa sigla, la radiazione laser proviene dal processo di emissione stimolata:

M^* + hν → M + 2hν

Normalmente la luce che attraversa un materiale viene assorbita dal materiale stesso man mano che avanza, cioè cede potenza agli atomi che incontra, eccitandoli, perché li trova in uno stato energetico "basso". Se però interveniamo eccitando gli atomi del materiale con una fonte di energia esterna, allora secondo l'analisi di Einstein le probabilità che avvengano l'emissione stimolata e l'assorbimento sono date dalla percentuale di atomi eccitati a fronte di quella di atomi nello stato energetico base:

P_es = BN₂ρ(ν₁₂)

P_ass = BN₁ρ(ν₁₂)

dove B è il coefficiente di Einstein, N₁ è la popolazione dello stato a energia E₁ e N₂ è la popolazione dello stato a energia E₂; (E₂ > E₁);
ρ(ν₁₂) è la densità del campo di radiazione alla frequenza ν₁₂ = (E₂ - E₁)/h; Da questo si vede che se riusciamo a ottenere una inversione di popolazione, cioè se ci sono più atomi eccitati che atomi normali, la luce che attraversa il materiale guadagnerà potenza invece di perderla: cioè verrà amplificata dall'emissione stimolata degli atomi.

In condizioni di equilibrio N₁ è sempre maggiore di N₂ (perché le popolazioni dei due livelli sono descritte dalla distribuzione di Boltzmann $N_{2}=N_{1}e^{-(E_{2}-E{1})/kT}$ , da notare l'esponente negativo) e quindi per ottenere prevalenza dell'emissione stimolata è necessario mantenere il sistema lontano dall'equilibrio, attuando l'inversione di popolazione.

Caratteristiche della radiazione laser

Direzionalità: Al contrario delle sorgenti tradizionali il laser permette di emettere la radiazione in un'unica direzione. Più precisamente l'angolo solido sotteso da un fascio laser è estremamente piccolo; una buona descrizione della propagazione e collimazione di una fascio laser è data dall'ottica dei fasci gaussiani. Questa caratteristica viene sfruttata in diversi ambiti, per esempio permette di trattare le superfici in maniera estremamente accurata (litografia, CD, etc.). In spettroscopia si ha la possibilità di aumentare notevolemente il cammino ottico e quindi la sensibilità usando una sorgente laser che attraversa il campione con una traiettoria a zig-zag grazie a un sistema di specchi.

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. Gli spettri Raman non potrebbero essere ottenuti senza questa caratteristica dei laser.

Brillanza: 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: Mentre nell'emissione spontanea ogni fotone viene emesso in maniera casuale rispetto agli altri, nell'emissione stimolata ogni fotone ha la stessa fase del fotone che ha indotto l'emissione. La fase viene mantenuta nel tempo e nello spazio. Questa caratteristica ha permesso lo sviluppo della tecnica CARS.

Impulsi ultra-brevi: Con diverse tecniche è possibile costruire laser che emettano pacchetti d'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.

Il laser in medicina

Successivamente alla sua invenzione nel 1960, il laser è stato usato diffusamente per scopi medici. La risposta terapeutica dipende in maniera complessa dalla scelta della lunghezza d'onda, dalla durata di irradiazione e dalla potenza del laser. Combinazioni diverse di questi parametri sono impiegate per trasformare l'energia luminosa in energia meccanica, termica o chimica. Generalmente, gli effetti meccanici sono prodotti dall'applicazione di brevi impulsi (dell'ordine dei nanosecondi) e alte energie.

In questo modo onde di stress meccanico possono essere prodotte con sufficiente forza per disintegrare calcoli urinari. Gli effetti termici si ottengono abbassando la potenza del laser. Brevi impulsi laser vengono usati per ablare sottili strati di tessuto in chirurgia rifrattiva, utilizzando luce laser che penetra solo alcuni micrometri nel tessuto. La lunghezza d'onda della luce laser può essere scelta in modo tale che la luce sia assorbita selettivamente dal bersaglio. La coagulazione selettiva delle vene varicose in chirurgia estetica può essere compiuta usando luce laser assorbita selettivamente dall'emoglobina. L'impulso è scelto allora sufficientemente breve così da non arrecare danno al tessuto normale circostante, ma anche lungo a sufficienza da permettere la coagulazione sull'intero diametro del vaso.

Oftalmologia

Un altro importante uso medico del laser è la cura di difetti alla visione, in particolare la correzione della miopia, ottenuta modificando con varie tecniche (PRK, LASIK) il profilo della cornea. L'asportazione di un nanometro di superficie cornea corregge un difetto di movimento del muscolo oculare con l'introduzione di un difetto organico nell'occhio.

Dal 2005 è utilizzato anche per la correzione di un difetto visivo più raro, l'astigmatismo.

Sostanzialmente, l'errore non è nell'occhio, ma nel modo in cui viene mosso. Poiché è difficile correggere il movimento e rieducare la muscolatura, si deforma lievemente (ma in modo permanente) la cornea per riequilibrare il difetto e acquisire una visione perfetta (10/10). Il macchinario è derivato da quelli utilizzati nell'industria per l'asportazione di truciolo (invece del truciolo si asporta una parte di cornea), con la precisione che caratterizza una macchina a controllo numerico.

L'intervento non è così banale, poiché il macchinario non opera sulla superficie corneale dell'occhio che è necessario sollevare e richiudere dopo avere operato su uno strato di cornea sottostante. Tali macchine elaborano delle curve statistiche per sezionare correttamente una superficie sottile.

L'interpolazione è buona di solito ed ha successo (un buon taglio) anche nel singolo caso.

Le statistiche però non dicono nulla sul singolo caso, e non si può assicurare un 100% dei successi. L'insuccesso in genere non dipende da un'imprecisione del macchinario, quanto dal fatto che la cornea del paziente ha una forma particolare (un difetto organico) sulla quale macchinari di quel produttore o concorrenti hanno operato in pochi casi e il macchinario non è in grado di correggere. L'esperienza accumulata e le curve interpolate sono inserite di serie su tutti i macchinari anche nuovi. Non sempre i produttori condividono l'apprendimento delle macchine di produzione. Ciò rallenta l' estendibilità del laser a tutti i tipi di cornee. L'intelligenza del macchinario dipende totalmente dall'esperienza acquisita in interventi precedenti; la sua precisione è nell'applicare nella cornea esattamente le misure di taglio calcolate, che però non sempre sono adatte con precisione alla cornea operata. Tuttavia, prima dell'intervento si può capire se la cornea è operabile col macchinario in dotazione. Accade che la macchina è tarata per ampiezze della pupilla (che sono dell'ordine del micron) leggermente inferiori alla massima estensione da misurare che è quella raggiunta dalla pupilla di notte.

Alla "pupilla grossa" è attribuito talvolta un errore di decentramento della macchina durante l'operazione.

Non è idonea per un intervento del genere una cornea "pulsante", in altre parole predisposta di suo a degli "spostamenti" che si sarebbero tradotti in continue fluttuazioni e cambiamenti di gradazione.

L'intervento ha successo in un buon 90% dei casi; rarissimi i casi di cecità; diversamente, si mantiene un livello di vista simile a quello precedente l'intervento con l'onere di portare tutta la vita occhiali o lenti a contatto.

Il macchinario consente il day hospital e richiede (per l'elevato costo da ammortizzare) interventi con una certa frequenza (da tre a trenta minuti per intervento). Non c'è un macchinario così flessibile da poter operare tutti i tipi di cornee, ma una varietà di macchinari in commercio per ogni tipo di cornea. Spesso però il macchinario ultramoderno in dotazione è uno solo.

Arrivati alla quarta generazione di macchinari attuale, gli "effetti collaterali", assenti o non troppo evidenziati nel "consenso informato", che lamenta un non trascurabile 7% degli operati, sono: secchezza degli occhi (assenza di lacrime), abbassamento della visione notturna, fotofobia, astigmatismo irregolare che fa esplodere le luci in tante macchie indefinite, sdoppiamento delle immagini, aloni, forte bruciore nei locali chiusi, gli occhi perennemente arrossati. Le complicanze possono essere gravi, impedire la guida notturna (insufficienza e fastidio dell'illuminazione stradale), il lavoro in ambienti a forte luminosità (ogni luce diviene un'esplosione di luci). Le complicazioni tendono a manifestarsi fin dai primi giorni dopo l'intervento e ad aggravarsi con gli anni.

Se l'occhio è molto scavato e il lembo da rimuovere per l'incisione laser è cicatrizzato definitivamente, oppure se il laser ha commesso errori nel sollevare e riporre la superficie corneale per asportare micron dello strato sottostante, l'occhio non è rioperabile e il danno è permanente.

Talora si ricorre al trapianto di cornea, dall'esito incerto e meno promettente rispetto alle attese per un intervento al laser. Nel caso poi di errori del laser restano pieghe sulla cornea che diviene di forma irregolare per cui non esistono occhiali e lenti a contatto in commercio in grado di correggerlo.

Forti dolori post-operatori sono dovuti talvolta ad allergia al cortisone contenuto nei colliri.

Nel caso in cui venga firmata una liberatoria prima dell'intervento, non vi sono responsabilità né estremi di reato. Il "consenso informato" in vari casi viene firmato pochi minuti prima dell'intervento, sotto anestesia locale degli occhi. Non è viceversa semplice trovare uno specialista che certifichi con la firma su una cartella clinica il danno eventualmente subito da un collega, che sarebbe equivalente ad una denuncia penale. Per ottenere un risarcimento in tribunale e una radiazione dall'albo è appunto necessaria una perizia tecnica.

Terapia fotodinamica contro alcuni tumori

Il laser viene utilizzato come tecnica non invasiva per la completa rimozione di tumori allo stadio iniziale.

Nelle cellule viene iniettato un farmaco innocuo che riconosce e si "incolla" alle sole cellule malate, sensibile alla luce. Al passaggio del laser, 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 minimamente intaccate, come purtroppo avviene durante un'asportazione chirurgica.

Per tumori più estesi, serve a circoscrivere la metastasi, ma non guarisce la malattia.

Altri utilizzi

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 fibre ottiche. Viene utilizzato come elemento di lettura nei player di CD e DVD e per la scrittura nei masterizzatori. In ambito industriale il laser viene utilizzato per tagliare o saldare lamiere in metallo anche di elevati spessori. In metrologia grazie ai laser si possono effettuare delle misure di estrema precisione nel campo che va dai micron alle decine di metri. In campo edile vengono utilizzate sempre più spesso livelle laser. Si realizzano puntatori per armi, o più pacificamente, per conferenze. Enormi laser permetteranno forse in un prossimo futuro di ottenere reattori nucleari a fusione efficienti.

Nel settore militare i laser vengono utilizzati come componente dei sistemi di puntamento ma il loro uso come arma offensiva o difensiva non è diffuso. I laser hanno ricevuto spesso ingenti fondi ma ottenendo risultati piuttosto modesti. I comandi militari hanno richiesto sistemi laser di elevata potenze (100 KiloWatt almeno) e maneggevoli, cioè apparecchiature trasportabili su mezzi cingolati o su gomma. I ricercatori sono stati in grado di realizzare laser di notevole potenza (anche diversi MegaWatt) e laser portatili ma non sono stati in grado di realizzare sistemi che riunissero entrambi le caratteristiche. Nel febbraio 2007 utilizzando un laser SSHCL (Solid State Heat Capacity Laser) ricercatori statunitensi hanno dichiarato di aver raggiungo potenze di 67 KiloWatt con un dispositivo trasportabile. I ricercatori ritengono di poter raggiungere potenze di 100 KiloWatt entro il 2008.^[1]

Il Laser viene utilizzato anche per manipolare la materia a livello atomico. Il laser può essere utilizzato per saldare, dividere o forare elementi a livelli atomici, inoltre viene spesso utilizzato per raffreddare i composti a temperature prossime allo zero assoluto (qualche milionesimo di kelvin sopra lo zero assoluto). Il raffreddamento si ottiene illuminando la materia con i fotoni, sotto opportune condizioni gli atomi assorbono il fotone e ne emettono uno a energia superiore perdendo di conseguenza energia. Si sta studiando la possibilità di utilizzare queste tecniche per raffreddare i semiconduttori.^[2]

Il laser può essere infine utilizzato nel mondo dello spettacolo per realizzare show, far comparire scritte o figure, animazioni. Un'utilizzo che si presta a utilizzi in spazi interni, ma soprattutto esterni. Basti pensare che il più importante show italiano si è svolto nello stadio Olimpico in occasione della Cerimonia di apertura dei IX Giochi Paralimpici invernali di Torino 2006.

Note

^ Un laser da guerre spaziali contro missili e carri armati
^ Semiconduttori raffreddati con la luce, su lescienze.espresso.repubblica.it, Le Scienze. URL consultato il 09-05-2007.

Bibliografia

Orazio Svelto. Principi dei laser (Tamburini, 1970).
(EN) Anthony E. Siegman. Lasers (University Science Books, 1986).
Mario Bertolotti. Storia del laser (Bollati Boringhieri, 1999). ISBN 8833911985