Principi di funzionamento

Strutturalmente le parti essenziali di un laser sono tre Strutturalmente le parti essenziali di un laser sono tre:
La cavità risonante, il mezzo attivo, il sistema di pompaggio.
Mediante il sistema di pompaggio viene fornita energia al mezzo attivo; l'energia fornita, in mezzi particolari e con modalità specifiche, porta un gran numero di particelle (atomi, molecole, ioni) del mezzo attivo ad uno o più stati eccitati.

Dallo stato eccitato la singola particella, per i principi generali della fisica, tende a ritornare nello stato non eccitato emettendo un quanto di energia, cioè un fotone. Se un fotone interagisce, ovvero viene assorbito da un'altra particella uguale eccitata, quest'ultima emette un fotone in sincronismo, ovvero in fase, (con coerenza) con quello assorbito e ad esso identico come energia, ovvero lunghezza d'onda e direzione di propagazione. In condizioni opportune si può ottenere un fenomeno di emissione a catena, cioè un'amplificazione dell'onda originaria, ovvero dei fotoni generati dal decadimento delle particelle eccitate che si diseccitano spontaneamente.
Nel materiale attivo l'emissione stimolata può avvenire solo alla lunghezza o alle lunghezze d'onda caratteristiche dell'assorbimento della diseccitazione degli atomi o molecole o ioni che lo costituiscono.

La cavità risonante, nella quale è posto il mezzo attivo, è costituita da due specchi rigorosamente paralleli dei quali uno totalmente e l'altro parzialmente riflettente; solo la luce che si propaga in direzione ortogonale o molto prossima all'ortogonalità agli specchi, può subire amplificazione. Pertanto, l'onda elettromagnetica che si insatura all'interno della cavità e quella che fuoriesce attraverso lo specchio parzialmente riflettente, possiedono un'elevata direzionalità.
La direzionalità di un fascio laser, quantificata mediante l'angolo caratteristico della divergenza, è elevata ed è limitata dal fenomeno della diffrazione, che accompagna tutti i fenomeni di propagazione delle onde.

Per esempio un fascio verde di un laser ad argo con sezione di un centimetro di diametro, si allarga fino ad una sezione di tre centimetri di diametro dopo un percorso di 500 metri. L'elevata direzionalità del fascio laser ha permesso di inviare una radiazione laser sulla luna e di ricevere la porzione riflessa sulla terra.

Inoltre la cavità risonante, in quanto tale, impone all'oscillazione elettromagnetica di avvenire solo alle frequenze di risonanza legate alla distanza fisica degli specchi.

La selettività della cavità risonante associata al fatto sopraccitato che l'emissione stimolata avviene alle lunghezze d'onda del materiale attivo, stabiliscono la proprietà di monocromaticità della radiazione laser.

Per una sorgente luminosa si definisce la brillanza come la potenza emessa per unità di superficie (densità di potenza) e per unità di angolo solido. L'elevatissima brillanza di una radiazione laser è dovuta al piccolo valore della divergenza del fascio; osservando la luce di una sorgente luminosa convenzionale anche quasi monocromatica (lampada spettrale) di 50 Watt di potenza a 100 metri di distanza, misureremmo su di un sensore una intensità luminosa molto più bassa di quella che provenisse da una sorgente laser, ancora di 50 Watt di potenza, rilevata lungo l'asse del fascio. 

Nel primo caso la luce si distribuisce su una superficie che aumenta grandemente con la distanza, mentre per la sorgente laser la luce si distribuisce su di una superficie che aumenta quasi insensibilmente con la distanza.

Nel pompaggio del mezzo attivo, ovvero nella somministrazione di energia da parte di un alimentatore delle particelle che devono essere portate allo stato eccitato e nel guadagno in cavità che se superiore ad un valore di soglia consentirà l'emissione laser, il trasferimento di energia non è completo per cui si ha un rendimento del sistema laser che può misurarsi, a seconda del tipo di laser, in valori che spaziano tra una frazione di un percento al 15-20 per cento.
Questo elemento negativo, in quanto porta a notevoli perdite di energia, è accettabile in tutte le sue applicazioni, nelle quali le caratteristiche della luce laser portino a risultati altrimenti irraggiungibili.

Tipi di Laser:

Passiamo in rapida rassegna i vari tipi di laser che sono stati sviluppati sotto lo stimolo di due esigenze:
La ricerca di nuove lunghezze d'onda congiuntamente alla gestione dell'emissione nel tempo; Il miglioramento del rendimento congiuntamente al costo di produzione.
Possiamo distinguere i vari tipi di laser a seconda del mezzo attivo impiegato.

Sono stati sviluppati laser allo stato solido (rubino, neodimio, olmio, erbio, vetro o YAG), a gas (He-Ne, CO₂, Kripto), a stato liquido, a semiconduttori, chimici. Essi differiscono per la lunghezza d'onda, la potenza del fascio emesso, hanno tutti in comune la tipiche proprietà descritte precedentemente e distintive rispetto alla luce non laser; i fotoni emessi dai vari laser, vengono assorbiti, dalle sostanze che colpiscono, più o meno a seconda della lunghezza d'onda ad essi associata e in dipendenza dalle proprietà delle molecole e degli atomi costituenti le sostanze stesse.

Attraverso la costruzione di una serie di apparecchiature, le cui caratteristiche tecniche sono in continua evoluzione, si dispone dei raggi laser con potenze di uscita che variano da pochi milliwatt dell'He-Ne ai 60 kilowatt del laser Gas-Dinamico al CO₂, e con rendimenti energetici che, come detto in precedenza, variano fra valori inferiori all'1% a valori dell'ordine del 20% per il laser molecolare al CO₂.

Tratto da: Alcune riflessioni sul laser e i suoi impieghi