Sbobina Fisica dei Laser di Giorgia Gallo, Università

Fisica dei L.A.S.E.R.

Materia:Fisica dei L.A.S.E.R.
Lezione numero:1/1
Data:05/04/2024
Professore: Francesco Mugnaini
Argomenti trattati: Fisica dei Laser
FISICA DEI L.A.S.E.R.
(Light Amplification by Simulated Emission of Radiation,
amplificazione di luce attraverso l'emissione stimolata di radiazione)

Nel nostro bagaglio la fisica dei laser ha un'importanza fondamentale, perché usiamo sempre
più frequentemente nei nostri studi, laser che vengono utilizzati per un gran numero di terapie
e applicazioni in medicina estetica, dal fotoringiovanimento al trattamento dell'acne ad
esempio. Insomma, abbiamo tantissimi campi di applicazione con questi strumenti.

Conoscere la Fisica dei laser è fondamentale in quanto ci consente di sapere che tipo di
laser usare e dove usarlo, inoltre conoscere la fisica del laser ci permette di gestire con
maggiore consapevolezza l'acquisto di un laser utile nella nostra pratica quotidiana, non solo
nell'ambito della medicina estetica, ma anche in quello di altre specialistiche.

Ad esempio, per chi fa la ginecologia sicuramente un laser a CO2 è importante perché può
essere usato sia per la chirurgia sia per i trattamenti estetici.

La stessa cosa vale per l'odontoiatra che fa la chirurgia, che può utilizzare sia un laser Diodo,
sia un laser CO2.

Quindi la scelta di un laser può essere interessante e sapere come scegliere un laser è
sicuramente fondamentale per la propria professione e per razionalizzare l'acquisto di un
Medical device nel proprio studio.

Ma la cosa più importante è sapere che cosa ci dobbiamo fare con questo laser.
Molte volte arrivano nei nostri studi rappresentanti che promuovono laser e ci promettono
cose quasi impossibili, come se con quello specifico laser si potesse fare tutto. Non è così.
Vedremo infatti che un solo tipo di laser, come anche un solo tipo di luce pulsata, non può
fare tutto, perché nella maggior parte dei casi ogni laser è specifico per determinati utilizzi.

Principi di Fisica

Luce ordinaria e luce laser

Qual è la differenza tra luce ordinaria e luce laser?
La luce ordinaria è una combinazione di onde luminose visibili dello spettro magnetico.
In un fascio di luce normale i fotoni si muovono in modo asincrono, hanno diverse lunghezze
d'onda e si spostano in direzioni diverse. Se non ci sono ostacoli, la luce normale si diffonde
nello spazio circostante in ogni direzione.

Viceversa, la luce laser non si presenta in natura e ha delle caratteristiche particolari: in un
fascio di luce laser i fotoni sono emessi nello stesso istante (luce coerente) e sono sincroni,
viaggiano in maniera ordinata, hanno la stessa lunghezza d'onda (luce monocromatica),
inoltre, i fotoni della luce laser seguono tutti la stessa direzione (luce unidirezionale).

Quindi non è come la luce di una lampadina che si accende e i raggi luminosi vanno in tutte
le direzioni.La luce laser è concentrata in un punto preciso e non si disperde nello spazio circostante. Il
fascio della luce laser è facilmente direzionabile. Per questa ragione vediamo nell'oscurità la
lucetta dei dispositivi di puntamento laser. La zona intorno al punto resta buia perché non è
colpita dai fotoni. Essendo più concentrata, la luce laser è più intensa di fotoni e trasmette
una maggiore quantità di energia.

La luce laser non è presente in natura e infatti viene creata in speciali risonatori.

Confronto luce ordinaria e laser

Luce ordinaria ....
Una combinazione di diverse
onde luminose visibili dello
spettro elettromagnetico.
Vs
Luce laser non presente in natura
Monocromatica
Coerente
Unidirezionale

Il raggio laser è una particolare radiazione luminosa
caratterizzata da 3 parametri:

• MONOCROMATICITÀ : particelle luminose oscillanti
  con la stessa lunghezza d'onda ( A )
• COERENZA : propagazione delle particelle luminose
  in modo sincrono
• UNIDIREZIONALITÀ : propagazione della radiazione
  in un'unica direzione

Lunghezza d'onda e coerenza della luce laser

Perché i fotoni della luce laser hanno la stessa lunghezza d'onda?
L'emissione stimolata dei fotoni ha origine dallo stesso livello energetico in tutti gli atomi,
perché l'energia fornita è esattamente pari a quella che permette un salto quantico.
Pertanto, quando tornano allo stato fondamentale gli elettroni emettono dei fotoni con la
stessa energia.

Perché la luce laser è coerente?
I fotoni sono emessi tutti nello stesso momento. Gli elettroni assorbono l'energia e la
rilasciano emettendo un fotone nel medesimo istante temporale.
I fotoni emessi dagli elettroni possono essere assorbiti da altri atomi e generare
indirettamente (effetto a valanga) altri fotoni stimolati. Tuttavia, anche questi fenomeni si
svolgono quasi contemporaneamente ai precedenti.

In conclusione, il fascio di luce laser è composto da fotoni con la stessa lunghezza d'onda
(stessaquantità di energia) e in concordanza di fase (stesso istante temporale).
Da https://www.andreaminini.org/fisica/luce/laser

La tecnologia laser possiamo dire che inizia con Albert Einstein nel 1917, quando lo
scienziato annuncia il fenomeno dell'emissione stimolata di radiazione elettromagnetica
che è fondamentale per il funzionamento di tutti i laser.E quindi che cosa succede normalmente a livello fisico?

Fisica del laser

Principi di fisica

Gli ELETTRONI degli orbitali più esterni di un atomo, stimolati da una sorgente
di energia esterna

• In condizioni di "EQUILIBRIO TERMICO" il numero di atomi che si trovano
  allo stato fondamentale è maggiore di quelli che si trovano allo stato
  eccitato

sono in grado di accumulare l'energia e saltare su un orbitale più esterno
"ECCITAZIONE" forma instabile,
A SEGUITO DELLA STIMOLAZIONE il numero di atomi eccitati è superiore
al numero di atomi che si trovano allo stato fondamentale si realizza il
fenomeno dell' "INVERSIONE DELLA POPOLAZIONE".

dopodichè e dismettere l'energia acquisita ritornando all'orbitale di partenza
sotto forma di FOTONI
‹
Scorri rapidamente verso l'alto pere
Da https://www.andreaminini.org/fisica/atomo/assorbimento-ed-emissione-di-fotoni-in-un-
atomo

Elettroni e livelli energetici

Prima di spiegarlo occorre ricordarsi che in un atomo quantistico gli elettroni sono
particelle di carica negativa che orbitano intorno all'atomo in un determinato livello
energetico, su un orbitale di una particolare forma e orientamento ( sottolivello ). I livelli
energetici più interni e vicini al nucleo richiedono minore energia rispetto a quelli più esterni
e lontani. Una volta capito questo si può capire anche il fenomeno dell'assorbimento e
dell'emissione dei fotoni da parte dell'atomo.

Quando l'atomo viene investito da un fascio di luce (radiazione elettromagnetica), i fotoni
della luce colpiscono gli elettroni degli atomi. La collisione tra fotoni ed elettroni fornisce
energia all'elettrone. In pratica, con l'impatto l'elettrone assorbe l'energia del fotone.
Avendo acquisito maggiore energia, l'elettrone eccitato si sposta su un livello energetico più
esterno dell'atomo (salto energetico verso l'esterno). Per passare allo stato eccitato
l'elettrone deve assorbire una quantità di energia pari o superiore al salto quantico fra i due
livelli energetici. Se l'energia assorbita dall'elettrone è superiore a quella del livello
energetico più esterno, l'elettrone si separa dall'atomo e diventa una particella indipendente.
L'atomo si trasforma in uno ione positivo. Nel corso del tempo l'elettrone eccitato perde
spontaneamente energia e, a causa della forza di attrazione del nucleo atomico, si sposta
nuovamente su un livello energetico più interno (salto energetico verso l'interno). Il livello
energetico più interno richiede una minore quantità di energia rispetto al precedente.
Pertanto, per stabilizzarsi sul nuovo orbitale l'elettrone deve rilasciare la quantità di energia
in eccesso sotto forma di fotone.
In questo modo, l'elettrone perde lo stato eccitato e torna allo stato fondamentale iniziale.
Il salto energetico sull'orbita più interna determina l'emissione del fotone da parte
dell'atomo.
In questo momento e solo in questo momento, si verifica un irraggiamento di energia verso
l'esterno dagli elettroni dell'atomo.

Gli elettroni che si trovano negli orbitali più esterni di un atomo, se stimolati da una sorgente
esterna di energia, si eccitano e vanno in un orbitale più esterno e con questo stato di
ECCITAZIONE INSTABILE e se noi andiamo ad eccitare ancora di più, in in questo stato
di eccitazione possono andarci più elettroni contemporaneamente, quindi circa due elettroni
per orbitale più esterno. E cosa succede quando gli elettroni tornano all'orbita le di partenza?
Viene emessa una grande forma di energia sotto forma di FOTONI e questa è l'energia
luminosa dell'energia laser.

Rappresentazione del principio di eccitazione

Possiamo vedere rappresentato questo principio nelle diapositive successive:
Vediamo che quando un'energia raggiunge un elettrone che si trova su un'orbita di un atomo,
lo eccita e l'elettrone passa nell'orbitale più esterno. Quando poi questo torna sull'orbitale più
interno emette quella stressa energia sotto forma di fotone leggero.

E
In un atomo
Elettrone
Orbita
Emissione di luce
2
Orbita
Orbita
Nucleo
Fotone leggero
Figura 35-2
Meccanismo di formazione del fotone di energia generato dopo l'eccitazione di un
atomo da parte di un'energia di pompaggio.

Due fotoni
+Mo
oww-
O
Fotone
W
1
Fonte di energia estema
Fonte di energia esterna
Stato
di riposo
Stato
eccitato
Emissione
stimolata
Stato
di riposo
Fig. 1.1 Rappresentazione dell'eccitazione di un atomo con emissione spontanea (A) e stimolata (B)

Emissione spontanea e stimolata

In questo caso l'emissione di energia sotto forma di fotone è definita EMISSIONE
SPONTANEA. Se però si continua a fornire energia all'atomo eccitato, si verifica il
passaggio di un secondo elettrone nell'orbitale più esterno e quindi si avrà successivamente
l'emissione di energia, EMISSIONE STIMOLATA, sottoforma di due fotoni che vengono
captati sull'orbitale più esterno ed emettono energia luminosa.
Questa emissione di energia luminosa è la formazione del raggio laser. Al termine
dell'emissione l'atomo torna nel suo stato di riposo iniziale.
Da https://www.andreaminini.org/fisica/luce/laser Ho riassunto una spiegazione più chiara
di quanto detto sopra.

Funzionamento del laser

Il laser è l'acronimo inglese di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Il significato letterale dell'acronimo è abbastanza chiaro, il laser è un fascio di luce
amplificato (Light Amplification) tramite l'emissione stimolata della radiazione (Stimulated
Emission of Radiation).

Il funzionamento del laser è spiegabile nella fisica quantistica con il fenomeno fisico
dell'assorbimento e dell'emissione dei fotoni.

In un dispositivo laser si fornisce artificialmente all'elettrone una quantità di energia pari
alla differenza energetica tra due livelli energetici quantici.
Quando l'elettrone assorbe l'energia si sposta in un'orbitale più esterno dell'atomo (salto
quantico al livello superiore). Successivamente, l'elettrone perde energia e torna allo stato
fondamentale nell'orbita più interna (salto quantico al livello inferiore) rilasciando l'energia
in eccesso sotto forma di emissione di un fotone. I fotoni rilasciati dall'atomo sono orientati
in un'unica direzione nello stesso istante, dando così origine alla luce laser.