Laser

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Questa sigla indica un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente e monocromatica, e (con alcune eccezioni) concentrata in un raggio rettilineo estremamente collimato. Inoltre la luminosità (brillanza) delle sorgenti laser è elevatissima a paragone di quella delle sorgenti luminose tradizionali. Queste tre proprietà (coerenza, monocromaticità e alta brillanza) sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continuano ad avere nei campi più disparati: l'elevatissima brillanza, data dal concentrare una grande potenza in un'area molto piccola, permette ai laser il taglio, l'incisione e la saldatura di metalli; la monocromaticità e coerenza li rende ottimi strumenti di misura di distanze, spostamenti e velocità anche piccolissimi, dell'ordine del millesimo di millimetro; sempre la monocromaticità li rende adatti a trasportare informazioni nelle fibre ottiche e per distanze lunghissime.

Come dice la stessa sigla, la radiazione laser proviene dal processo di emissione stimolata:

Normalmente la luce che attraversa un materiale viene assorbita dal materiale stesso man mano che avanza, cioè cede potenza 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 l'analisi di Einstein le probabilità che avvengano l'emissione stimolata e l'assorbimento sono date dalla percentuale di atomi eccitati a fronte di quella di atomi nello stato energetico base:

P_es = BN₂ρ(ν₁₂)

P_ass = BN₁ρ(ν₁₂)

dove B è il coefficiente di Einstein, N₁ è la popolazione dello stato a energia E₁ e 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; 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 dall'emissione stimolata degli atomi.

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.

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