Come si forma un laser

L'emergere dei laser ha segnato la prima volta in cui l'umanità ha raggiunto il controllo dei fotoni. I laser sono fonti luminose speciali che amplificano la luce attraverso la radiazione stimolata, e il loro processo di formazione coinvolge numerosi meccanismi fisici come la meccanica quantistica, la risonanza ottica ed l'eccitazione energetica. Di seguito sono riportati i principali fattori che contribuiscono alla formazione dei laser:
I. Emessione stimolata e inversione del numero di particelle
La generazione dei laser è iniziata con transizioni quantistiche tra i livelli di energia atomici. Quando un elettrone assorbe energia e transita verso uno stato di energia più alto, il sistema si trova in uno stato instabile. In questo momento, l'elettrone rilascia energia in due modi:
Emissione spontanea: Gli elettroni ritornano casualmente a uno stato di energia inferiore ed emettono fotoni con direzioni e fasi diverse.
Emissione stimolata: Quando l'energia di un fotone esterno corrisponde alla differenza di livello energetico, essa indurrà elettroni in uno stato eccitato a rilasciare simultaneamente fotoni esattamente identici, costituendo la base dell'amplificazione ottica.
Amplificazione ottica: Particelle a livelli di alta energia subiscono emissione stimolata attivata da fotoni incidenti, generando fotoni della stessa fase e frequenza. Questi fotoni oscillano ripetutamente nella cavità risonante, innescando una reazione a catena e formando luce coerente ad alta intensità.
Inversione del numero di particelle: Il sistema di pompage rompe lo stato di equilibrio termico, consentendo al materiale operativo di formare livelli energetici metastabili.
Ii. Cavità Risonante Ottica
Retroazione della cavità risonante: Una cavità risonante ottica composta da due specchi consente ai fotoni in una direzione specifica di viaggiare avanti e indietro molte volte. Quando il guadagno supera la perdita, si formerà un ciclo di retroazione positiva, e alla fine verrà emesso un fascio coerente.
Selezione della modalità: Attraverso un progetto di cavità corta o un feedback a grating, viene controllata la distribuzione delle mode longitudinali e trasversali per ottenere un output a singola frequenza e singola modalità.
Concentrazione di energia: Ridurre la lunghezza effettiva della sostanza operativa e migliorare l'efficienza di output del laser.
Iii. Statistica di Bose
Fotoni identici: i fotoni prodotti dalla radiazione stimolata hanno esattamente la stessa frequenza, fase e stato di polarizzazione.
Sovrapposizione della funzione d'onda: un gran numero di fotoni identici formano stati quantistici macroscopici, conferendo alla luce una coerenza perfetta.
Caratteristiche del laser:
Direzionalità: L'angolo di divergenza di una sorgente luminosa comune è relativamente grande, mentre quello di una sorgente luminosa laser è relativamente piccolo e la sua direzione è fissa.
Monocromaticità: La larghezza della linea spettrale di un laser è più stretta di quella di una sorgente luminosa comune, quindi ha una migliore monocromaticità.
Alta luminosità: Il laser emette fasci altamente paralleli e può essere emesso con una maggiore concentrazione
La formazione dei laser è una combinazione perfetta tra meccanica quantistica e ingegneria ottica. Al suo nocciolo, si basa sull'ottenimento di un amplificamento controllabile della luce attraverso l'inversione del numero di particelle e la radiazione stimolata. Lo sviluppo dei laser sta promuovendo innovazioni in settori come la manifattura, la sanità e la tecnologia dell'informazione.