APPLICAZIONI DEL LASER
Le applicazioni dei laser possono essere di diverso tipo:
Industriali
Militari
Mediche
Elettroniche e nelle telecomunicazioni
Varie
APPLICAZIONI INDUSTRIALI
In campo industriale, i laser vengono utilizzati nei processi lavorativi di:
taglio
trapanatura
saldatura - brasatura
incisione
trattamenti termici superficiali
Una delle prime lavorazioni effettuate con laser (a rubino) fu nel 1962 la foratura di diamanti per
trafile. Oggi il laser viene usato in modo estremamente diffuso, sui più svariati materiali. Le
macchine impiegate sono spesso dei robot dotati di controllo numerico in grado di effettuare
lavorazioni secondo complessi percorsi spaziali.
Le potenze sono molto variabili e i laser più usati sono quelli al Neodimio ( = 1,06m), oppure
quelli a CO2 ( = 10,6m). Dalla lunghezza d'onda dipende l'assorbimento da parte del materiale;
ad esempio, nei metalli viene assorbita meglio la radiazione del laser al neodimio, mentre la
lunghezza d'onda di 10,6m della CO2 viene maggiormente riflessa.
È inoltre importante conoscere la conducibilità termica del materiale; infatti, se essa è elevata sono
necessarie maggiori potenze per raggiungere le temperature locali necessarie al trattamento.
Il raggio deve venire focalizzato per conseguire la densità di potenza necessaria e per ottenere
precisione nella lavorazione. Fanno eccezione i trattamenti termici superficiali (indurimento di
corone di ingranaggi, di assi, ricotture superficiali ecc.) in cui può essere necessario o utile lavorare
con raggio espanso. La dimensione della macchia focale è direttamente proporzionale alla
lunghezza d'onda, alla distanza focale e inversamente proporzionale al diametro D della pupilla
illuminata sulla lente di focalizzazione (fig1.15).
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Fig. 1.15. Focalizzazione di un raggio laser
d
f
D
Quando il raggio incide sul materiale vergine può in parte venire riflesso. Se la potenza è sufficiente
si forma progressivamente una cavità, che si comporta come un corpo nero ideale e assorbe tutta la
radiazione (fenomeno del Key-hole, fig. 1.16).
Fig. 1.16.Fenomeno del key-hole
Solitamente, il raggio laser è concentrico con un ugello, all'interno del quale viene pompato del gas
inerte (scudo di gas) che serve ad impedire che il materiale si ossidi o si bruci e che la lente venga
danneggiata dal materiale rimosso. Nelle lavorazioni di taglio, inoltre, si può utilizzare dell'ossigeno
che, a elevata temperatura, fa bruciare ad esempio il ferro, aumentando la velocità di taglio.
Le lavorazioni con laser possono essere estremamente precise, causano un danno minimo al
materiale circostante; inoltre il laser può venir utilizzato con notevole successo su materiali teneri
(esempio gomma), che verrebbero deformati dalla pressione di un normale utensile. In generale, un
sistema laser si giustifica, come costi, solo se il volume di produzione è molto elevato.
Per quanto riguarda la sicurezza, bisogna dire che le macchine laser industriali sono potenzialmente
pericolose anche per la possibile fuga di luce (generalmente infrarossa, non visibile e quindi più
subdola). Comunque esiste una rigorosa normativa di sicurezza cui tutti gli apparati laser devono
sottostare.
Alcune lavorazioni, ad esempio i trattamenti termici superficiali, trovano nel laser l'utensile ideale. I
laser a eccimeri, poi, sono indicati per lavorare materie plastiche, in quanto non agiscono
termicamente, bensì spezzano legami molecolari (fotoablazione).
Un altro impiego industriale importante è quello della fotochimica (lavorazione di plastiche,
arricchimento dell'uranio, separazione di isotopi radioattivi, estrazione di materiali utili da scorie
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radioattive). Dei quattro isotopi dell'uranio (233, 235, 238, 239); solo gli isotopi 235 e 233 sono
fissionabili. Essi sono rari e mescolati agli altri tipi. L'arricchimento dell'uranio consente di ottenere
una maggior concentrazione dell'isotopo 235. Una volta, per fare ciò, si centrifugava il materiale o
lo si faceva diffondere in fase gassosa, in modo da separare gli atomi in base al loro peso. Con il
laser si realizza invece la ionizzazione selettiva dell'isotopo cercato (i vari isotopi hanno bande di
assorbimento leggermente diverse e con laser si riesce a ionizzare solo quello 235) e poi, con un
campo elettrico opportuno, si realizza la separazione.
Nel caso in cui all'interno di scorie radioattive vi siano delle sostanze utili da estrarre, si usa un
processo analogo (non si possono utilizzare solventi, altrimenti questi verrebbero inquinati e quindi
aumenterebbe il materiale da smaltire).
I laser vengono inoltre utilizzati nelle costruzioni (strade, piazzali, scavi, gallerie, edifici, tubature,
ecc.) per creare luoghi geometrici di riferimento, in metrologia per creare riferimenti, per
controllare la posizione e la dimensione di pezzi, per misure di precisione di distanza e di velocità.
Per misure di velocità di un fluido in un condotto si insemina il fluido con particelle diffondenti e si
sfrutta l'effetto Doppler. Lo spostamento di frequenza tra raggio incidente e raggio riflesso è legato
alla velocità del fluido (velocimetria laser).
APPLICAZIONI MILITARI
In campo militare il laser viene utilizzato in telemetri, radar, designatori di bersaglio, nelle
comunicazioni subacquee, nello spionaggio mediante raggi sonda, per la trasmissione dati
all'interno di mezzi militari (le fibre ottiche, oltre a essere molto leggere, non risentono di campi
elettrici né magnetici). Come arma di per sé non è molto efficace, salvo per l'impiego come antisensore (compresi gli occhi dell'avversario): i proiettili tradizionali hanno elevata energia cinetica e
non è facile ottenere la stessa energia con impulsi laser; inoltre il raggio in aria ionizza le particelle
di gas sul suo percorso e ciò comporta un forte assorbimento del raggio stesso. Diverso è il discorso
in aria rarefatta o al di fuori dell'atmosfera, in quanto il raggio non ha inerzia, non risente delle
condizioni gravitazionali e quindi rende possibile il puntamento diretto.
APPLICAZIONI MEDICHE E BIOLOGICHE
Una delle prime applicazioni del laser in medicina è stata quella della fotocoagulazione della retina.
Veniva usato a questo scopo il laser a rubino, sostituito oggi da altri tipi più indicati (argo, coloranti,
ecc.). L'uso del laser in oculistica è oggi molto diffuso, sia nella già citata fotocoagulazione della
retina, che viene curata effettuando una specie di saldatura per punti intorno alle zone in cui la
retina tende a staccarsi, sia per la cura delle retinopatie mediante la coagulazione di vasi alterati e
zone con vascolarizzazione anomala, sia più in generale nella chirurgia dell'occhio. Da poco si sta
diffondendo la possibilità di curare miopia e astigmatismo modificando la curvatura della cornea
che viene "lavorata" con laser a eccimeri.
Il laser viene usato in chirurgia, sfruttando l'interazione luce-tessuti, diretta o mediata da coloranti
organici (terapia fotodinamica). Non è possibile in questa sede fornire una panoramica abbastanza
completa. Si riconoscono, come caratteristiche generali della chirurgia laser, una maggiore
precisione, dovuta spesso all'assenza di sangue e quindi a una migliore visione del campo
operatorio, dal momento che capillari e piccoli vasi vengono coagulati dalla radiazione, un minore
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danno ai tessuti circostanti, una minore sofferenza del paziente, un tempo di guarigione più breve.
Si aggiunga la possibilità di operare in endoscopia, portando la radiazione mediante fibre ottiche.
Vengono di volta in volta usati i laser più idonei a seconda del tessuto su cui operare e dell'effetto
da produrre. A titolo indicativo si ricorda che l'ultravioletto dei laser a eccimeri può avere un effetto
fotoablativo, la radiazione dell'argo viene assorbita dall'emoglobina e quindi coagula, la radiazione
infrarossa dell'anidride carbonica ha un effetto prevalentemente termico e provoca la
vaporizzazione dell'acqua. La temperatura elevata prodotta dal raggio può contribuire a uccidere
cellule tumorali, che sono più sensibili al calore di quelle sane. Citiamo a "campionamento" alcuni
esempi indicativi: chirurgia delle corde vocali, con mantenimento della loro funzionalità,
ricanalizzazione di arterie ostruite, coagulazione endoscopica di ulcere sanguinanti, frantumazione
di calcoli, ricanalizzazione con fibra ottica di condotti renali, eliminazione di vaste zone
iperpigmentate della pelle, in odontostomatologia il laser si rivela utile nella chirurgia della bocca,
in molti interventi sui tessuti dentali. Le potenze richieste dai laser chirurgici possono essere
definite medie. Nella terapia fotodinamica si usano invece basse potenze. Questa metodica
consiste nel far assorbire selettivamente a cellule tumorali un colorante organico: cioè il colorante
iniettato al paziente tende a fissarsi nelle zone malate; dopo un certo tempo, generalmente diverse
ore, si illumina la parte malata con luce laser che altera il colorante provocando la liberazione di
ossigeno nascente e quindi la distruzione delle cellule ospiti. I coloranti usati sono del tipo
dell'ematoporfirina, il laser può essere anche quello a He-Ne o altro operante intorno a 630 nm.
Il laser può venire usato anche nella diagnosi di tumori. Si incomincia a parlare dell'analisi dello
spettro di fluorescenza di cellule. Uno metodo già consolidato è quello di far assorbire alle cellule
malate un colorante e successivamente di eccitarne la fluorescenza con laser opportuni. Questa
tecnica appare promettente ad esempio nella rivelazione precoce di tumori di bronchi e polmoni.
Il laser viene ampiamente usato anche in biologia. Citiamo ad esempio la possibilità di chirurgia
cellulare, la micromanipolazione di parti di cellule, sfruttando come pinza la pressione di radiazione
di raggi laser contrapposti, la misura della velocità di fluidi (es. sangue), in base allo spostamento
dello spettro di una radiazione laser retro diffusa
Esiste tutta una serie di applicazioni soggette talvolta a critiche, anche violente. Il senso di queste
critiche non è quello di negare l'efficacia del laser, ma di negare che il risultato sia specifico del
laser, in altre parole anche una radiazione all'incirca dello stesso colore, eventualmente emessa da
una scatola camuffata da laser potrebbe avere gli stessi benefici, in quanto questi potrebbero essere
propri della luce impiegata o potrebbero essere il risultato di un effetto placebo. Non si può in
questo campo fare una classificazione troppo netta; né abbiamo la competenza per farlo. Si va da
applicazioni in cui l'effetto è ben documentato e probabilmente specifico, come l'impiego del laser a
CO2 per la cura di reumatismi, artrosi ecc. ad altre meno specifiche o addirittura meno serie.
APPLICAZIONI ELETTRONICHE
In elettronica, il primo impiego del laser è stato quello del taglio dei circuiti a film spesso e sottile,
della taratura dei circuiti a film spesso, dei circuiti integrati (chip).
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Fig. 1.16. Taratura laser di un resistore a strato.
Descriviamo brevemente la taratura di circuiti integrati a film spesso: se realizziamo un resistore a
film spesso con il normale processo serigrafico, il valore ottenuto non sarà il valore nominale, a
causa della scarsa precisione ottenibile, e quindi andrà tarato (fig. 1.16).
Ci si avvicina al valore nominale con un taglio in direzione x e poi, una volta vicini al valore
desiderato Rn, si avanza più gradualmente in direzione y, fino a quando la misura della resistenza,
inserita in un ponte di misura, fornisce il valore richiesto. È anche possibile far funzionare il circuito
e fermare il processo quando la risposta è quella desiderata (taratura funzionale). In precedenza il
processo di taratura veniva effettuato con getti di materiale abrasivo da microugelli ed era più lento
e meno pulito.
Oggi è possibile progettare un circuito integrato monolitico in modo da consentire alcune possibilità
di riparazione o modifica in caso di malfunzionamento, mediante il taglio laser di collegamenti con
parti ridondanti predisposte in riserva, la ricristallizzazione o diffusione localizzate in certe zone È
anche possibile depositare del silicio amorfo su un substrato e ricristallizzarlo.
L'impiego del laser, associato alle fibre ottiche, ha rivoluzionato completamente il mondo delle
telecomunicazioni.
Citiamo poi gruppi di applicazioni, alcuni dei quali, estremamente diffusi, potrebbero essere quasi
un simbolo dell'ingresso della tecnologia spinta nella vita comune: lettori laser per codici a barre,
dischi ottici, per calcolatori, ma anche per la cosiddetta elettronica dei consumi, stampanti laser.
Citiamo ancora il giroscopio a laser, che sta sostituendo tutte le girobussole, basato sullo
slittamento in frequenza in un campo non inerziale di due raggi laser che si propagano in direzioni
contrapposte. Il LIDAR, una specie di radar a laser, consente, mediante l'analisi dello spettro
retrodiffuso da zone di atmosfera illuminate da un laser, di effettuare misure sulla composizione
dell'atmosfera stessa, di fumi, misure di inquinamento, analisi sul buco nell'ozono. Sono stati fatti
degli studi sulla possibilità di disattivare con raggi laser i gas cloro-fluoro-carburi, che hanno parte
rilevante nella distruzione dell'ozono.
Sempre in elettronica possono essere fatte rientrare l'elaborazione ottica delle immagini e
l'olografia, delle quali ci occuperemo ampiamente in seguito.
Fra le varie merita una citazione il campo dello spettacolo (discoteche, effetti speciali ecc.)
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IL GIROSCOPIO A LASER
Il giroscopio a laser è sostanzialmente un interferometro di altissima precisione per la misura dello
sfasamento, dovuto all’effetto Sagnac, tra due onde che si propagano in sensi opposti in un percorso
ottico chiuso.
Si considerino due onde di stessa pulsazione e stessa ampiezza, che si propagano in versi opposti,
ma con la stessa direzione x.
Gli spostamenti corrispondenti alle due onde sono rispettivamente
2 x
2 x
s = a cos t e s2 = a cos t +
1
La risultante della loro sovrapposizione è un'onda stazionaria, che, trasformando in prodotto la
somma dei coseni, può essere così espressa:
2 x
cos t
s = 2a cos
(1)
La (1) è data dal prodotto di un termine che varia sinusoidalmente nello spazio, è stazionario, per un
termine che varia sinusoidalmente nel tempo. Nel caso in cui le due onde non abbiano la stessa
pulsazione, ma ad esempio sia
2 x
s2 = a cos + t +
allora il segnale può essere espresso come:
2x t
2 +
s' = 2a cos
t
cos
2
2
(2)
Si vede che il primo termine, che nella (1) era stazionario, varia nel tempo, cioè l’onda stazionaria
slitta nel tempo.
La velocità di slittamento dell’onda si può ottenere nel seguente modo. Consideriamo un punto
dell’onda, identificato da un certo valore della fase, per esempio il punto a fase zero. Il valore di x
corrispondente si ricava dalle
2 x t
=0
2
(3)
x=
t
4
Derivando la (3) rispetto al tempo, si ottiene la velocità di spostamento del punto identificato dal
valore scelto per la fase, nel caso in questione quello a fase zero e quindi la velocità di slittamento
dell'onda:
28
dx
dt
4
(4)
Consideriamo ora una cavità di raggio R, due onde con uguale che si propagano in essa ed un
osservatore; il reticolo di interferenza delle due onde è fisso nello spazio, costituisce cioè‚ un
riferimento assoluto.
Se la cavità viene messa in rotazione con velocità angolare , l'osservatore, che si suppone sia
solidale con essa, vede il reticolo di interferenza delle due onde, che resta comunque fisso, ruotare
alla velocità R. Tale è dunque la velocità relativa tra l'osservatore e l'onda stazionaria nella cavità.
Per comodità, si può studiare la situazione pensando che l'osservatore sia fermo e si muova invece il
reticolo: è come se tra le due onde si venisse a creare una ; un punto generico si muove allora
come descritto in (4). Uguagliando questa velocità a R, si può ricavare:
=
4 R
=
4 R 2 R = 8 A
2 R
(5)
p
con:
A = sezione della cavità
p = perimetro della cavità.
A questa variazione corrisponde uno sfasamento fra le due onde, nel percorso di lunghezza p
della cavità, così calcolabile:
=
p 8 A
=
c
c
(6)
CW
CCW
S
D
R
Fig. 1.17. Schema di principio del FOG. S - sorgente; D - divisore di raggio; R - rivelatore; CW onda
continua; CCW - onda continua contropropagante.
Ci sono due tipi fondamentali di giroscopi ottici: quello passivo a fibre ottiche o FOG (Fiber Optic
Gyro) e quello attivo ad anello laser RLG (Ring laser Gyro). La cavità attorno alla quale viaggiano i
due raggi di luce è costituita da una fibra ottica nel FOG e da un laser a gas e specchi nel caso del
RLG. Sebbene nella loro parte ottica il FOG e il RLG siano entrambi interferometri ad anello, si
distinguono nel modo di funzionamento. Il Fog (fig 1.17) è di tipo passivo, nel senso che la
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sorgente (S) è esterna e indipendente dall’interferometro. È usata soltanto per lanciare due onde nei
sensi opposti attraverso un divisore di raggio al 50% di trasmissione. Tale divisore viene anche
utilizzato al momento della ricombinazione sul fotodiodo R, che legge lo sfasamento ottico di
Sagnac . Il segnale fotorivelato è del tipo
I Io 1 cos
Il FOG utilizza una fibra monomodale lunga 100-300 m avvolta in una bobina del diametro di 5-8
cm. La sensibilità, il cui valore tipico è = 0,1 - 1 °/h, viene limitata dalla non reciprocità della
fibra e dei componenti ottici. Le dimensioni minime non scendono sotto i 20 - 30 mm di diametro,
cosa che permette applicazioni di bioingegneria e automazione, mentre possono essere eccessive
per applicazioni ad esempio spaziali.
Il RLG è un interferometro a tre specchi di tipo attivo: le due onde sono generate dal mezzo attivo
(laser a He-Ne) presente nel cammino di propagazione. Si tratta di un sensore altamente affidabile e
consolidato, ma difficile da ridurre in dimensioni, usato ormai da una decina di anni a bordo di ogni
grosso aereo passeggeri.
VITA MEDIA E PROBABILITÀ DI TRANSIZIONE
Dimostriamo che la vita media di uno stato è l'inverso della probabilità di transizione da quello
stato. Sia p la probabilità che un atomo, che in un certo istante si trova in determinato stato s, lo
lasci entro l'unità di tempo. Se N è il numero iniziale di atomi nello stato s, nella prima unità di
tempo decadono Np atomi, mentre N(1 - p) rimangono nello stato s. Dopo t unità di tempo,
rimarranno nello stato N(1 - p)t atomi. Poiché si suppone t piccolo, si può approssimare
N(t) = Ne-pt
Il numero di atomi che abbandonano lo stato s nell'intervallo di tempo compreso tra t e t + dt è
pNe -pt dt
e quindi la vita media dell'atomo in un certo stato s è
1
T
N
tpNe pt dt p
1
0
Con riferimento al coefficiente di probabilità A di emissione spontanea, dalla meccanica quantistica
si ricava:
A
1
sp
o3
2
3 0 c0
3
dove sp è il tempo di vita legato all’emissione spontanea,
la pulsazione della transizione,
0
l’indice di rifrazione del materiale che costituisce il sistema atomico, c 0 la velocità della luce nel
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vuoto e "l’elemento di matrice del momento di dipolo elettrico”, una grandezza quantistica che
deriva dall’ipotesi di un certo tipo di interazione tra campo elettrico e sistema materiale.
SPAZIATURA IN FREQUENZA TRA MODI LONGITUDINALI
Detta L la lunghezza di una cavità risonante, e 1 le lunghezze d'onda di due modi longitudinali
consecutivi, si ha:
2L
2L
; 1
n
n 1
dove n è un numero intero. Indicando con e 1 le frequenze corrispondenti, dalle relazioni
= c, 11 = c
si ottiene:
cn
c( n 1)
; 1
2L
2L
e quindi:
1
c
2L
La relazione permette quindi, data la lunghezza della cavità risonante di un laser e nota la curva di
amplificazione del materiale attivo, di determinare se il laser in questione può funzionare su un solo
modo longitudinale. Se la spaziatura fra i modi longitudinali è maggiore della semi-ampiezza della
curva di amplificazione, il laser è unimodale. La relazione viene impiegata anche per calcolare la
massima lunghezza che può avere un laser unimodale.
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