Laser

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Componenti di un Laser:
1) Componente attivo
2) Energia fornita al fascio
3) Specchio
4) Specchio semiriflettente
5) Fascio Laser

Laser è l'acronimo inglese di Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di Luce tramite Emissione Stimolata di Radiazioni.
La radiazione laser proviene dunque interamente dal processo di emissione stimolata:

M^* + hν → M + 2hν

In condizioni di equilibrio del sistema questo è un processo sfavorito rispetto all'assorbimento. Infatti se ci rifacciamo all'analisi di Einstein, le probabilità che avvengano l'emissione stimolata e l'assorbimento sono date da:

P_es = BN₂ρ(ν₁₂)

P_ass = BN₁ρ(ν₁₂)

dove B è il coefficiente di Einstein;
N₁ è la popolazione dello stato a energia E₁;
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;

Dal confronto tra P_es e P_ass risulta evidente che è la popolazione dei livelli a determinare il processo dominante. In condizioni di equilibrio N₁ è sempre maggiore di N₂ (perché le popolazioni dei due livelli sono descritte dalla distribuzione di Boltzmann , 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.

[modifica] 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. 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.

[modifica] 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, della durata di irradiazione e della 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.

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 microon 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 nè 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 ricarcimento in tribunale e una radiazione dall'albo è appunto necessaria una perizia tecnica.

[modifica] 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.

[modifica] 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.

[modifica] Tipi di laser

- A rubino - A gas - A giunzione - A coloranti organici

[modifica] Voci correlate

• Maser
• Laser a eccimeri
• Laser atomico

[modifica] Collegamenti esterni

• (EN) Simulatore interattivo per il laser al rubino
• (EN) Simulatore interattivo per il laser all'elio neon
• (EN) Simulatore interattivo per il diodo laser
• Per una fantasiosa storia del laser