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Laser
                                     

ⓘ Laser

Il laser è un dispositivo optoelettronico in grado di emettere un fascio di luce coerente. Il termine si riferisce oltre che al dispositivo anche al fenomeno fisico dellamplificazione per emissione stimolata di unonda elettromagnetica.

                                     

1.1. Storia Le prime teorie

Nel 1917 Albert Einstein formulò le basi teoriche del laser e del maser nellarticolo Zur Quantentheorie der Strahlung sulla teoria quantistica delle radiazioni attraverso una riderivazione delle leggi sulla radiazione di Max Planck. Nel 1928 Rudolf W. Ladenburg dimostrò lesistenza dellemissione stimolata e dellassorbimento negativo. Nel 1939, Valentin A. Fabrikant predisse luso dellemissione stimolata per amplificare onde corte. Nel 1947, Willis E. Lamb and R. C. Retherford effettuarono la prima dimostrazione dellemissione stimolata. Nel 1950 Alfred Kastler vincitore del Nobel per la fisica nel 1966 propose il metodo per il pompaggio ottico confermato sperimentalmente due anni dopo da Brossel, Kastler e Winter.

                                     

1.2. Storia Il Maser

Il primo maser venne costruito da Charles Hard Townes, J. P. Gordon, e H. J. Zeiger alla Columbia University nel 1953. Lapparecchio era simile a un laser, ma concentrava energia elettromagnetica in un campo di frequenza notevolmente inferiore: utilizzava infatti lemissione stimolata per produrre lamplificazione delle microonde invece che di onde infrarosse o visibili. Il maser di Townes poteva erogare solo una minima potenza, circa 10 nW, ma Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov risolsero il problema teorizzando e sviluppando un "metodo di pompaggio" con più di due livelli di energia. Charles H. Townes, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1964, per il lavoro fondamentale nel campo dellelettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio maser-laser.

                                     

1.3. Storia Linvenzione e la brevettazione

La paternità dellinvenzione del laser non è stata attribuita con certezza e il laser è stato oggetto di un trentennale contenzioso brevettuale. Il 16 maggio 1960, Theodore H. Maiman azionò il primo laser funzionante a Malibù in California presso i laboratori della Hughes Research. Era un laser a stato solido che sfruttava il cristallo di rubino in grado di produrre un raggio laser rosso con una lunghezza donda di 694 nm. Sempre nel 1960 Ali Javan, William R. Bennett e Donald Herriott costruirono il primo laser utilizzando lelio e il neon, definito maser ottico a gas, in grado di produrre un raggio infrarosso. Nel 1963 K. Patel dei Bell Laboratories mette a punto il laser ad anidride carbonica. Tre anni prima Gordon Gould, che aveva incontrato e discusso con Townes, si era annotato vari appunti sullutilizzo ottico dei maser e sullutilizzo di un risonatore aperto, dettaglio poi successivamente comune in molti laser. Ritenendosi inventore del laser, Gordon Gould aveva depositato presso un notaio i suoi appunti, ma nel contenzioso legale che ne nacque, non gli venne riconosciuta dallufficio brevetti la paternità dallinvenzione. Nel 1971 Izuo Hayashi e Morton B. Panish dei Bell Laboratories disegnano il primo laser a semiconduttori diodo laser in grado di operare in continua a temperatura ambiente. Nel 1977 viene attribuito un brevetto per il "pompaggio ottico" a Gordon Gould e nel 1979 un brevetto descrive una grande varietà di applicazioni del laser, incluso riscaldamento e vaporizzazione dei materiali, saldatura, foratura, taglio, misurazione delle distanze, sistemi di comunicazione, sistemi di fotocopiatura oltre a varie applicazioni fotochimiche. Anche se non è mai stata attribuita a Gordon Gould linvenzione del laser, per i suoi brevetti successivi, ha incassato, da chi ha sviluppato sistemi laser per applicazioni o con soluzioni da lui inventate, royalties milionarie.



                                     

2. Descrizione

La coerenza spaziale e temporale del raggio laser è correlata alle sue principali proprietà:

  • alla coerenza temporale, cioè al fatto che le onde conservano la stessa fase nel tempo, è correlata la proprietà dei laser di emettere fasci di radiazione in un intervallo spettrale molto stretto. È considerata unonda monocromatica anche se particolari dispositivi laser possono emettere contemporaneamente un numero discreto di fasci a diverse lunghezze donda
  • alla coerenza spaziale, cioè al fatto che la differenza di fase è costante fra punti distinti in una sezione trasversa del fascio, è correlata la possibilità di avere fasci unidirezionali e collimati, cioè paralleli anche su lunghi percorsi. I fasci laser sono focalizzabili su aree molto piccole, anche con dimensioni dellordine del micrometro la dimensione dello spot focale dipende però sia dalla lunghezza donda che dallangolo di focalizzazione, impossibili con radiazioni non coerenti.

Lemissione unidirezionale e coerente comporta la possibilità di raggiungere una irradianza o densità di potenza elevatissima a paragone di quella delle sorgenti luminose tradizionali.

Queste proprietà sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continuano ad avere nei campi più disparati:

  • sempre la monocromaticità li rende adatti a trasportare informazioni nelle fibre ottiche o nello spazio libero anche per lunghe distanze come avviene nelle comunicazioni ottiche.
  • lelevatissima irradianza, data dal concentrare una grande potenza in unarea molto piccola, permette ai laser il taglio, lincisione e la saldatura di metalli, ed un possibile utilizzo anche come arma;
  • la monocromaticità e coerenza li rende ottimi strumenti di misura di distanze, spostamenti e velocità anche piccolissimi, dellordine del micrometro 10 −6 m;
  • Inoltre impulsi laser ultrabrevi, dellordine dei femtosecondi, o con intensità elevatissima, dellordine dei 10 18 W/cm 2 sono impiegati nelle più avanzate ricerche scientifiche.
                                     

2.1. Descrizione Schema di funzionamento

Il laser è essenzialmente composto da 3 parti:

  • un sistema di pompaggio, che fornisce energia al mezzo attivo;
  • un mezzo attivo, cioè un materiale che emette la luce;
  • una cavità ottica, o risonatore ottico, ossia una trappola per la luce.

Nel laser si sfrutta il mezzo attivo, il quale possiede la capacità di emettere radiazioni elettromagnetiche fotoni quando attivato. Dal mezzo attivo dipende la lunghezza donda dellemissione. Il mezzo attivo può essere gassoso, liquido o solido. Il sistema di pompaggio fornisce energia al mezzo attivo portandolo alleccitazione con emissione di fotoni. Leccitazione può avvenire tramite:

  • Effetto Penning;
  • Trasferimento risonante di energie.
  • Pompaggio ottico ;
  • Urti elettronici ;

Le radiazioni emesse vengono normalmente concentrate attraverso una cavità ottica con pareti interne riflettenti, e una zona di uscita semiriflettente. Questa ultima superficie è lunica che permette la fuoriuscita del raggio, il quale viene successivamente lavorato e riposizionato attraverso una serie di lenti e specchi per far sì che il raggio risultante abbia la posizione, concentrazione nonché ampiezza desiderate.

                                     

2.2. Descrizione Principio di funzionamento

Come dice la stessa sigla LASER → Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, la radiazione laser proviene dal processo di emissione stimolata:

M * + hν → M + 2hν

Normalmente la luce che attraversa un materiale viene assorbita dal materiale stesso man mano che avanza, cioè cede energia agli atomi che incontra, eccitandoli, perché li trova in uno stato energetico "basso". Se però interveniamo eccitando gli atomi del materiale con una fonte di energia esterna, allora secondo lanalisi di Einstein le probabilità che avvengano lemissione stimolata e lassorbimento sono date dalla percentuale di atomi eccitati a fronte di quella di atomi nello stato energetico base:

P esp = BN 2 ρν 12 P ass = BN 1 ρν 12

dove B è il coefficiente di Einstein, N 1 è la popolazione dello stato a energia E 1 e N 2 è la popolazione dello stato a energia E 2 ; E 2 > E 1; ρν 12 è la densità del campo di radiazione alla frequenza ν 12 = E 2 - E 1/h; Da questo si vede che se riusciamo a ottenere una inversione di popolazione, cioè se ci sono più atomi eccitati che atomi normali, la luce che attraversa il materiale guadagnerà potenza invece di perderla: cioè verrà amplificata dallemissione stimolata degli atomi.

In condizioni di equilibrio N 1 è sempre maggiore di N 2 perché le popolazioni dei due livelli sono descritte dalla distribuzione di Boltzmann N 2 = N 1 e − E 2 − E 1 / k T {\displaystyle N_{2}=N_{1}e^{-E_{2}-E_{1}/kT}}, da notare lesponente negativo) e quindi per ottenere prevalenza dellemissione stimolata è necessario mantenere il sistema lontano dallequilibrio, attuando l inversione di popolazione.

La stimolazione o pompaggio di un laser può avvenire otticamente o elettricamente. La stimolazione ottica può essere effettuata da una lampada che avvolge il materiale attivo il tutto allinterno di uno specchio. In alternativa si può utilizzare una lampada lineare, ma il materiale attivo e la lampada devono essere posti nei fuochi di uno specchio ellittico in modo da far convergere tutti i raggi luminosi sul materiale attivo. La stimolazione elettrica invece avviene mediante lapplicazione di una differenza di potenziale ed è applicabile solo a materiali conduttori come, ad esempio, vapori di metalli.



                                     

2.3. Descrizione Caratteristiche della radiazione laser

  • Coerenza: mentre nellemissione spontanea ogni fotone viene emesso in maniera casuale rispetto agli altri, nellemissione stimolata ogni fotone ha la stessa fase del fotone che ha indotto lemissione. La fase viene quindi mantenuta nel tempo e nello spazio. Questa caratteristica ha permesso lo sviluppo della tecnica CARS.
  • Monocromaticità: lallargamento della banda di emissione è dato dalla larghezza naturale e dalleffetto Doppler che può essere eliminato o comunque contenuto parecchio. In spettroscopia si sfrutta questa caratteristica per ottenere spettri ad alta risoluzione. Sarebbe molto difficoltoso ottenere gli spettri Raman senza questa caratteristica dei laser.
  • Radianza: 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 lassorbimento a molti fotoni. Lelevata intensità ha trovato anche diverse applicazioni tecnologiche, per esempio nel taglio dei metalli.
  • Direzionalità: al contrario delle sorgenti elettromagnetiche tradizionali, il laser emette la radiazione in ununica direzione. Più precisamente langolo solido sotteso da un fascio laser è estremamente piccolo; una buona descrizione della propagazione e collimazione di un fascio laser è data dallottica dei fasci gaussiani. Questa caratteristica viene sfruttata in diversi ambiti, per esempio permette di trattare le superfici in maniera estremamente accurata. In spettroscopia si ha la possibilità di aumentare notevolmente 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.
  • Impulsi ultra-brevi: con diverse tecniche è possibile costruire laser che emettano pacchetti di onde estremamente stretti nel dominio del tempo, attualmente si è giunti allo sviluppo di impulsi dellordine 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.
                                     

3. Classificazione

I laser sono classificati in funzione del pericolo per la salute umana. La classificazione viene effettuata dal produttore secondo le norme IEC 60825 armonizzate nellUnione europea con le norme Cenelec EN 60825-1. Prima del 2007 i laser erano classificati in 5 classi 1, 2, 3a, 3b, 4 dipendenti dalla potenza e dalla lunghezza donda, considerando che le emissioni nella banda del visibile erano considerate meno pericolose grazie al riflesso palpebrale. Le norme attualmente in vigore dividono i laser in 7 classi, introducendo i parametri di:

  • Massima esposizione permessa MEP: il livello della radiazione laser a cui, in condizioni ordinarie, possono essere esposte le persone senza subire effetti dannosi. I livelli MEP rappresentano il livello massimo al quale locchio o la pelle possono essere esposti senza subire un danno a breve o a lungo termine. Il MEP da cui normalmente si ricava il LEA delle diverse classi di laser è stato ricavato dalle" Linee guida sui limiti di esposizione alla radiazione laser di lunghezza donda compresa tra 180 nm e 1 mm.” redatte dalla Commissione Internazionale sulla Protezione dalle radiazioni non ionizzanti ICNIRP.
  • Distanza nominale di rischio ottico DNRO: distanza dalla apertura di uscita in cui lintensità o lenergia per unità di superficie grandezze relative alla irradianza o radianza è uguale alla massima esposizione permessa per evitare il danno corneale MEP.
  • Limite emissione accessibile LEA: livello massimo di emissione accessibile permesso in una particolare classe.

La attuale classificazione introduce 2 classi M per magnificazione a significare che il rischio è diverso se si utilizzano lenti, binocoli o strumenti ottici in grado di focalizzare sulla cornea il fascio laser. La classificazione attuale considera inoltre il limite massimo di emissione accessibile in funzione della durata della esposizione considerando il rischio connesso alla esposizione a impulsi o treni di impulsi ad alta potenza ma di durata molto breve.

Alcune ricerche hanno rilevato come lesistenza del riflesso palpebrale per proteggere gli occhi non può essere assunto come regola.

Lordinanza 16 luglio 1998 pubblicata nella Gazzetta Ufficiale n. 167 del 20 luglio 1998 vieta, su tutto il territorio nazionale, la commercializzazione di puntatori laser o di oggetti con funzione di puntatori laser di classe pari o superiore a 3 > 1 mW, secondo la norma CEI EN 60825. Lordinanza redatta quando erano in vigore le vecchie norme tecniche e classificazioni dei dispositivi laser, viene applicata vista lanalogia nella classificazione di rischio tra la vecchia e nuova normativa tecnica.

                                     

3.1. Classificazione Laser a impulsi

In relazione alluso a cui è destinato, spesso è necessario poter disporre di un laser che, piuttosto che produrre una emissione continua di radiazione di una data lunghezza donda, produca invece brevi impulsi di intensità elevata. Per ottenere tale genere di laser si ricorre al Q-switching e al Mode-locking.

                                     

3.2. Classificazione Q-switching

Il Q-switching è una tecnica che prende nome dal fattore Q, un parametro che esprime la qualità delle cavità risonanti, e permette di ottenere laser con impulsi dellordine dei nanosecondi 10 −9 s. Il principio sfruttato, in pratica, consiste nellinficiare momentaneamente leffetto delle cavità con il risultato di ottenere una concentrazione di energia in un ristretto intervallo di tempo.

                                     

3.3. Classificazione Mode-locking

Il mode-locking è una tecnica grazie alla quale, modulando opportunamente le onde che pervengono nelle cavità risonanti, è possibile ottenere una intensa interferenza costruttiva con produzione di un raggio laser molto intenso a impulsi dellordine del picosecondo 10 −12 s e del femtosecondo 10 −15 s.

                                     

4. Impiego in medicina

Successivamente alla sua invenzione nel 1960, il laser è stato usato diffusamente per scopi medici. La funzione e risposta terapeutica dipendono in maniera complessa dalla scelta della lunghezza donda, dalla durata di irradiazione e dalla potenza del laser. Combinazioni diverse di questi parametri sono impiegate per trasformare lenergia luminosa in energia meccanica, termica o chimica. Generalmente gli effetti meccanici sono prodotti dallapplicazione di brevi impulsi dellordine 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 in funzione della energia assorbita dai diversi tessuti. 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 donda 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 una lunghezza donda assorbita selettivamente dallemoglobina. Limpulso è scelto allora sufficientemente breve così da non arrecare danno al tessuto normale circostante, ma anche lungo a sufficienza da permettere la coagulazione sullintero diametro del vaso. Con la criolaserforesi si sfrutta la permeazione della barriera cutanea per favorire la limmissione di principi attivi per via cutanea.



                                     

4.1. Impiego in medicina Chirurgia refrattiva laser

Un altro importante uso medico del laser consiste nella correzione dei difetti refrattivi: miopia, astigmatismo e ipermetropia. In tutti questi casi il profilo della cornea - la superficie oculare trasparente - viene modellato con varie tecniche PRK e LASIK. Infatti, la cornea funziona come una lente naturale: modificandone la curvatura si varia il fuoco il punto in cui i raggi luminosi convergono e si può fare in modo che le immagini arrivino nitide sulla retina.

È importante sottolineare tuttavia che, quando ci si opera con il laser, il difetto visivo si corregge ma non si elimina: a livello organico un occhio miope, in quanto più lungo del normale in senso antero-posteriore, rimane della medesima lunghezza, ma questo difetto viene compensato da una correzione artificiale è un po come se si portassero delle lenti a contatto naturali permanenti. Anche se lintervento generalmente ha buon esito, come tutti gli interventi chirurgici non può raggiungere il 100% dei successi. Ciò significa che talvolta può essere necessario portare ancora occhiali o lenti a contatto, sebbene di gradazione inferiore. Leventuale insuccesso in genere non dipende tanto da unimprecisione del macchinario, quanto piuttosto dal fatto che la cornea del paziente ha una cicatrizzazione anomala. Lesperienza accumulata le curve interpolate sono inserite di serie su tutti i macchinari. Lintelligenza del macchinario dipende totalmente dallesperienza acquisita in interventi precedenti; la sua precisione sta nellapplicare sulla cornea esattamente le misure di taglio calcolate. Tuttavia, prima dellintervento si può capire se la cornea è operabile con il macchinario in dotazione.

Lintervento ha successo in più del 90% dei casi; non può provocare cecità incurabile; spesso si può rinunciare agli occhiali o alle lenti a contatto. In alcuni casi è necessario un secondo intervento. Arrivati allattuale quarta generazione di macchinari, gli "effetti collaterali" di cui si lamenta un 7% degli operati sono: sensazione di corpo estraneo da secchezza degli occhi, fastidi alla visione notturna, fotofobia, sdoppiamento delle immagini da astigmatismo, aloni, bruciore nei locali chiusi, occhi frequentemente arrossati. Le complicanze possono essere gravi in rari casi, tanto da impedire la guida notturna o il lavoro in ambienti a forte luminosità. Le complicazioni possono manifestarsi fin dai primi giorni dopo lintervento e possono aggravarsi con gli anni. Se il trattamento è stato intenso per correggere forti difetti di vista e il lembo da rimuovere per lincisione laser è cicatrizzato definitivamente, oppure se loperatore del laser ha commesso errori nel sollevare e riporre il lembo superficiale della cornea, il danno è permanente. Talora, per rimediare a un intervento laser errato, è necessario ricorrere al trapianto di cornea.

                                     

4.2. Impiego in medicina Laserterapia retinica

Il laser retinico viene usato generalmente per cicatrizzare zone di retina malata, al fine di eliminarle o di fissare meglio la retina sana intorno a zone patologiche. Lobiettivo è quello di ottenere delle cicatrici che rinforzino ladesione della retina agli strati sottostanti la retina è simile alla pellicola di una macchina fotografica tradizionale su cui si imprimono le immagini. Per loperazione si può impiegare un tipo particolare di strumento, l"argon laser", il cui fascio luminoso con lunghezza donda dellordine dei 488 nm e 514 nm comporta un maggiore riscaldando superficiale dei tessuti ricchi di cromofori. Il forte riscaldamento provoca uninfiammazione a cui segue una risposta cicatriziale.

                                     

4.3. Impiego in medicina Laser cutaneo

Lutilizzo del laser sulla superficie cutanea può avere finalità dermatologiche o estetiche.

                                     

4.4. Impiego in medicina Trattamento delle cicatrici atrofiche, ipertrofiche e cheloidi

Il laser può essere utilizzato con funzione ablativa, quasi o non ablativa sulle lesioni cutanee che comportano una produzione irregolare di collagene.

I più comuni ablativi sono il laser CO 2 10600 nm e il laser erbio o Er-YAG 2640 nm. In origine è stato utilizzato anche il laser PDL 585 nm. Non ablativi o quasi ablativi invece le tecnologie a impulsi del laser Nd-YAG 1060 nm e diodico 1450 nm. Recentemente è stata introdotta anche la tecnologia del laser frazionale FRAXEL.

Approccio analogo è stato sperimentato anche su cicatrici atrofiche da acne e strie distense.

                                     

4.5. Impiego in medicina Trattamento delle lesioni pigmentate

Melasma, discromie cutanee, macchie iperpigmentate ma anche rimozione tatuaggi sono lobiettivo di vari trattamenti con laser.

Si tende a utilizzare laser a impulso molto breve, normalmente con tecnologia Q-switching. Impulsi brevi o molto brevi comportano una pari efficacia ma un rischio minore di cicatrici e iperpigmentazioni rispetto a fluenze continue.

                                     

4.6. Impiego in medicina Trattamento di fotoepilazione

Sono privilegiati laser con impulsi da 10 a 300 ms che emettono nella lunghezze donda dove maggiore è la differenza relativa di assorbimento della luce della melanina del pelo rispetto allemoglobina circa da 650 a 1050 nm e melanina della pelle. I più diffusi sono laser diodici 808 nm in grado di erogare da 10 a 60 J/cm 2.

                                     

4.7. Impiego in medicina Trattamento contro linvecchiamento cutaneo

La tecnica corrente, chiamata dallinglese resurfacing, prevede un insulto termico prodotto dal laser che comporta la rimozione degli strati più superficiali che vengono sostituiti nel giro di poche settimane da strati completamente nuovi, dove normalmente sono meno evidenti i segni dellinvecchiamento. Il trattamento introdotto attorno al 1995 con laser CO 2 ablativi ha visto lutilizzo anche di laser Er-YAG, Nd-YAG e più recentemente di laser FRAXEL e laser non ablativi per ridurre il rischio cicatrici e discromie.

                                     

4.8. Impiego in medicina Trattamento laser delle emorroidi con tecnica HeLP

Il trattamento laser delle emorroidi con tecnica HeLP Hemorrhoidal Laser Procedure è un intervento mininvasivo, eseguito senza alcun tipo di anestesia con un decorso post-operatorio rapido e indolore. Consiste nella chiusura, con un laser a diodi da 980 nm di lunghezza donda e attraverso il canale dellanoscopio, delle 12 arteriole che irrorano direttamente il plesso venoso emorroidario che va quindi incontro gradualmente a ostruzione. Le arterie da chiudere vengono individuate in fase intraoperatoria con una sonda Doppler, specifica per questo tipo di tecnica.

                                     

4.9. Impiego in medicina Terapia fotodinamica contro alcuni tumori

Il laser viene utilizzato come tecnica non invasiva per la completa rimozione di tumori allo stadio iniziale. Nei tessuti viene iniettato una sostanza fotosensibile con un assorbimento selettivo nei tessuti malati. Al passaggio di un fascio di luce di una determinata lunghezza donda, il farmaco attiva una reazione che ha per protagonista lossigeno, ossida e distrugge le sole cellule malate. Il fatto eccezionale è che il farmaco agisce selettivamente le cellule sane non vengono intaccate, come purtroppo avviene durante unasportazione chirurgica. Per tumori più estesi, serve a circoscrivere la metastasi, ma non guarisce la malattia.

                                     

4.10. Impiego in medicina Fototerapia

Particolari laser argon cloruro eccimeri emettono nella banda dei 308 nm considerata ottimale per la fototerapia della psoriasi. Analogo trattamento è considerato efficace per la vitiligine.

                                     

4.11. Impiego in medicina Fisioterapia

In fisioterapia sono diffusi laser con una irradianza tale da sviluppare un limitato calore sulla superficie corporea. Si tratta in genere di laser con emissione nellinfrarosso. Il laser Nd:YAG è un laser a stato solido che sfrutta un cristallo di ittrio e alluminio YAG drogato al neodimio Nd:Y 3 Al 5 O 12 ed emette normalmente a 1060 nm o 940 nm. Può essere utilizzato anche il laser a CO 2, che emette normalmente a 10600 nm. In fisioterapia sono possibili anche trattamenti laser a bassa potenza, cioè che non sviluppano alcun effetto termico sensibile, di cosiddetta biostimolazione.

                                     

5.1. Impiego militare Premesse

Lutilizzo militare delle tecnologie laser ha avuto immediata applicazione in sistemi di puntamento, telemetria e accecamento. Nel 1980, il IV Protocollo della Convenzione delle Nazioni Unite su certe armi convenzionali, proibisce espressamente armi laser destinate allaccecamento delluomo. Nonostante sia entrato in forza il 30 luglio 1998, non ne vengono specificate le sanzioni per la sua violazione, e a marzo 2016 vi hanno aderito 106 nazioni. Il IV Protocollo non contempla il rischio di accecamento di umani che utilizzano strumenti di visione e laccecamento di sistemi di visione elettronica.

Le ricerche sulla possibilità di danneggiare con un raggio laser proiettili, missili o aerei hanno ricevuto ingenti fondi, ma i risultati ottenuti hanno mostrato specifiche limitazioni della tecnologia. Nebbia, nuvole o tempeste di sabbia normalmente assorbono gran parte della potenza del raggio laser, inoltre dimensioni e peso del sistema darma per ottenere irradianze adeguate lo rendono poco maneggevole e anche difficilmente trasportabile. La potenza necessaria ad alimentare un sistema darma da 100 kW va oltre i 400 kW con conseguenti problematiche di raffreddamento. Un altro limite intrinseco delle armi laser di alta potenza consiste nella defocalizzazione indotta dal calore dellaria attraversata; fenomeno chiamato thermal blooming ".

                                     

5.2. Impiego militare Anni 2000

Dagli anni 2000, le tecnologie laser hanno ricevuto spesso ingenti fondi, ma i risultati ottenuti sono sempre stati, almeno inizialmente, piuttosto modesti. I comandi militari hanno richiesto sistemi laser di elevata potenza 100 kW almeno e maneggevoli, cioè apparecchiature trasportabili su mezzi cingolati o su gomma. I ricercatori sono stati in grado di realizzare laser di notevole potenza anche diversi megawatt e laser portatili, ma non sono stati in grado di realizzare sistemi che riunissero entrambe le caratteristiche. Già nel 2005, Il Pentagono aveva annunciato il progetto HELLADS High Energy Liquid Laser Area Defense System: si trattava di un congegno in grado di combinare laser a stato solido e liquido, riducendo enormemente dimensioni e peso, così da permetterne il montaggio sugli aerei da caccia. Larma era in grado di sprigionare una potenza di circa 1 kW, anche se per la fine dellanno il DARPA aveva previsto di aumentare la potenza a più di 15 kW. Nel giro di 2 anni al massimo quindi, lUSAF avrebbe dovuto avere a disposizione unarma laser per aerei da poco più di 1600 libbre circa 750 kg.

Nel febbraio 2007 utilizzando un laser SSHCL Solid State Heat Capacity Laser ricercatori statunitensi hanno dichiarato di aver raggiunto potenze di 67 kW con un dispositivo trasportabile. Larma era in grado di sparare 200 volte al secondo un raggio di luce la cui lunghezza donda sarebbe stata di un micron, anche se si stava studiando la possibilità di sparare raggi con continuità verso un obiettivo da distruggere. I ricercatori sostennero inoltre che, dai 6 agli 8 mesi a quella parte, avrebbero potuto produrre un congegno in grado di sprigionare i tanto richiesti 100 kW. Sistemi come questi, sprigionano una grande potenza che può essere erogata continuamente per 2 minuti, al massimo, e richiedono 20 minuti per ricaricarsi.

Il 18 marzo del 2009 la Northrop Grumman Corporation affermò che i suoi ingegneri avevano costruito e testato con successo a Redondo Beach un laser trasportabile capace di raggiungere potenze sopra i 105 kW.

Tuttavia armi laser in grado di distruggere o danneggiare un obiettivo in combattimento, di cui si è molto discusso negli anni 2000, nellambito della strategia del surclassamento tecnologico, sono stati abbandonati; anche il sistema Tactical High Energy Laser sviluppato congiuntamente da Stati Uniti dAmerica e Israele per intercettare proiettili di artiglieria o razzi è stato abbandonato nel 2006, nonostante la relativa efficacia contro razzi Katyusha o Qassam.

                                     

5.3. Impiego militare Anni 2010

Nel novembre 2014, la United States Navy effettuò il primo montaggio e sperimentazione di un suo cannone laser. Larma, denominata LaWS, con la potenza di 30 kW, è in grado di danneggiare elicotteri, droni e piccole imbarcazioni, ma anche di far detonare materiale esplosivo e accecare i sistemi di puntamento dei bombardieri e delle navi nemiche. Il suo costo unitario era di circa 28 milioni di dollari ma il costo del singolo colpo laser è molto inferiore a quello di altri sistemi di intercettazione. Integrandole con altri sistemi darma, che non hanno le stesse limitazioni meteorologiche, si pensa che le armi laser di alta potenza avranno nei prossimi anni un importante sviluppo e non solo negli Stati Uniti dAmerica.

Contemporaneamente alla United States Navy, varie industrie come la Northrop, Raytheon Company e la Lockheed Martin hanno incominciato nei primi mesi del 2014 a produrre cannoni laser, con potenze e prestazioni sempre superiori. Nel giro di un anno, nel marzo 2015 la Lockheed affermò che Athena, nome dellarma, era in grado, pur con poco più di 30 kW di potenza, di perforare e sciogliere come burro la lastra del cofano di un pick-up da quasi un miglio di distanza, ovvero circa 1.6 km.

                                     

6. Altri utilizzi

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 nelle rispettive comunicazioni ottiche. Viene utilizzato come elemento di lettura nei player di CD e DVD e per la scrittura nei masterizzatori. È inoltre alla base di visioni di ologrammi nellambito della tecnica di foto 3D detta olografia.

In ambito industriale il laser viene utilizzato per tagliare o saldare lamiere in metallo anche di elevati spessori. Nel settore del packaging è utilizzato generalmente in abbinamento a una testa galvanometrica per marcare date di scadenza, codici a barre e altre informazioni o per realizzare tagli e incisioni. 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 sistemi darma, o più pacificamente, come indicatori per conferenzieri. Enormi laser permetteranno forse in un prossimo futuro di ottenere reattori nucleari a fusione efficienti. Lo SLAC-National Accelerator Laboratory presso lUniversità di Stanford ha realizzato il più potente laser a raggi X al mondo, e i risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature a gennaio 2012.

Il laser viene utilizzato anche per manipolare la materia a livello atomico. Il laser può essere utilizzato per saldare, dividere o forare elementi a livelli atomici, inoltre viene spesso utilizzato per raffreddare i composti a temperature prossime allo zero assoluto qualche milionesimo di kelvin. Il raffreddamento si ottiene illuminando la materia con i fotoni, sotto opportune condizioni gli atomi assorbono il fotone ne emettono uno a energia superiore perdendo di conseguenza energia. Si sta studiando la possibilità di utilizzare queste tecniche per raffreddare i semiconduttori.

Il laser può essere infine utilizzato nel mondo dello spettacolo per realizzare show, far comparire scritte o figure, animazioni. Un utilizzo che si presta a utilizzi in spazi interni, e soprattutto esterni come nello spettacolo serale di fronte allarea tematica della valle dei re a Gardaland. Basti pensare che il più importante show italiano si è svolto il 10 marzo 2006 nello stadio Olimpico di Torino in occasione della Cerimonia di apertura dei IX Giochi Paralimpici invernali.

                                     

6.1. Altri utilizzi Taglio laser

Il laser può tagliare i materiali in base a tre principi diversi: per vaporizzazione, per fusione o per combustione. In tutti e tre i casi, il processo di taglio si innesca e si mantiene grazie allenergia che il raggio laser può concentrare in un punto molto piccolo. A seconda del tipo di laser, del tipo di materiale e delle potenze in gioco può prevalere luno o laltro meccanismo.

                                     

6.2. Altri utilizzi Vaporizzazione e taglio laser

Laser Nd:YAG, laser ad argon, laser Q-switch e in generale tutti i laser che funzionano a impulsi: taglio di metalli di piccolo spessore, taglio di plastica e materiali non ferrosi, marcatura, incisione, laser medicali. Ogni impulso scalda istantaneamente il materiale oltre il punto di vaporizzazione, asportandone un piccolo strato si hanno centinaia o migliaia di impulsi al secondo. Il materiale intorno alla zona di taglio viene riscaldato molto poco. Un discorso a parte vale per i trapani laser per dentisti: questi usano una lunghezza donda che viene facilmente assorbita dalle molecole dacqua. Lacqua presente nei tessuti o sulla superficie del dente assorbe lenergia dellimpulso laser e vaporizza istantaneamente, provocando una serie di microesplosioni che erodono smalto e dentina in modo più sicuro, più preciso, meno traumatico e doloroso di un trapano meccanico.

                                     

6.3. Altri utilizzi Fusione

Laser CO 2 a onda continua di grande potenza, taglio di metalli di grande spessore. Il laser viene usato per portare a fusione un piccolo punto del metallo; il metallo fuso viene soffiato.

                                     

6.4. Altri utilizzi Combustione

Laser CO 2 a bassa potenza, bisturi laser. I laser a infrarossi a onda continua in uso in medicina tagliano per combustione: il raggio scalda il tessuto fino a far evaporare lacqua contenuta in esso, e poi provoca la combustione del tessuto secco, che viene distrutto. La combustione del materiale asportato è spesso presente anche nei processi di taglio per fusione, dove può fornire un notevole contributo energetico. Questo tipo di taglio viene usato per fermare forti emorragie, poiché il laser a infrarossi causa la cauterizzazione della ferita.

                                     

6.5. Altri utilizzi Segnali di S.O.S.

I laser possono essere usati per la segnalazione di una emergenza, puntando il puntatore in cielo e usando un fascio a intermittenza.

                                     
  • L ablazione laser o terapia termoablativa laser consiste nella distruzione di un tessuto, indotta da un aumento locale della temperatura mediante la trasmissione
  • Un laser a eccimeri o laser a ecciplessi è un dispositivo che produce luce laser nella regione dell ultravioletto, impiegato nella chirurgia refrattiva
  • Il laser a ioni di kripton è un laser a ioni il cui mezzo attivo è costituito da ioni di kripton. Le linee di emissione di un laser a ioni di kripton sono
  • Christine Laser nata Bodner Mattstedt, 19 marzo 1951 è un ex multiplista tedesca. È coniugata dal 1974 con Jürgen Laser ex ostacolista di livello
  • Un diodo laser o LD, da Laser Diode in inglese è un dispositivo optoelettronico in grado di emettere un fascio laser emesso dalla regione attiva del
  • sistema d arma noto come laser aviotrasportato in inglese Air Borne Laser o ABL è stato ipotizzato sin dall invenzione del laser principalmente come un
  • Laser Ghost è un videogioco arcade di genere sparatutto sviluppato nel 1989 da SEGA per Sega System 18. Del gioco è stata realizzata nel 1991 una conversione
  • Il laser allo zaffiro di titanio è un laser a stato solido in cui il mezzo attivo è costituito da un cristallo di zaffiro Al2O3 drogato con ioni di titanio
  • l emittente televisiva salernitana, vedi Telelaser rete televisiva La pistola laser è un misuratore di velocità utilizzato dalle forze dell ordine in alternativa
  • Il Laser Vago è un natante a vela, la cui classe è riconosciuta dalla International Sailing Federation Il Laser Vago è una deriva disegnata da Jo Richards
  • Il laser ad elettroni liberi, dall inglese Free Electron Laser FEL è un tipo di laser di quarta generazione. Il primo dispositivo di questo genere è
  • La LASER Airlines Línea Aérea de Servicio Ejecutivo Regional C.A. è una compagnia aerea venezuelana fondata nel 1993 con base a Caracas che opera su

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