Laser
Laser è un acronimo che sta per Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.
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:
Pes = BN2ρ(ν12)
Pass = 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 Pes e Pass risulta evidente che è la popolazione dei livelli a determinare il processo dominante. In condizioni di equilibrio N1 è sempre maggiore di N2 e quindi per ottenere prevalenza dell'emissione stimolata è necessario mantenere il sistema lontano dall'equilibrio, attuando l'inversione di popolazione.
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 estremanete 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.Caratteristiche della radiazione laser
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