Guida al Laser

LASER è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ovvero amplificazione della luce attraverso l’emissione stimolata di radiazione.

Il termine si riferisce sia al principio fisico che al dispositivo tecnologico che, sfruttando questo fenomeno, può essere applicato in diversi ambiti industriali.

Cos’è il LASER

Il principio fisico su cui si basa il funzionamento del laser è quello della generazione di un fascio luminoso con caratteristiche molto particolari. Un fascio di luce laser possiede infatti le seguenti caratteristiche:

• Monocromatico: costituito da una sola frequenza e quindi colore;
• Coerente: tutti i fotoni nell'emissione hanno la stessa fase;
• Unidirezionale: a differenza delle diverse radiazioni elettromagnetiche tradizionali, l’emissione del raggio laser è orientata in un’unica direzione;
• Collimato: il fascio di luce laser è indirizzato in un punto specifico e ristretto;
• Radianza: la quantità di energia emessa è estremamente più elevata rispetto alle sorgenti tradizionali.

Queste caratteristiche gli consentono di diventare un elemento insostituibile nelle produzioni industriali, nella ricerca scientifica, nelle telecomunicazioni o in medicina.

Funzionamento del LASER

Una macchina laser è composta essenzialmente da 3 parti:

• Un mezzo attivo, ovvero un materiale che emette la luce e che può essere sia gassoso (anidride carbonica o una miscela di elio e neon), che liquido (metanolo, etanolo, ecc.) o solido (rubino, neodimio o semiconduttori);
• Un sistema di pompaggio, che trasmette energia al mezzo attivo. In questo caso si parla di pompaggio ottico, urti elettronici, effetto penning o trasferimento risonante di energie;
• Un risonatore ottico che intrappola la luce, grazie anche al posizionamento di due specchi, di cui uno semiriflettente.

Le radiazioni prodotte dal mezzo attivo sono indirizzate dal sistema di pompaggio verso una cavità ottica o risonatore e poi orientate verso la zona di uscita che emetterà il raggio laser con le caratteristiche definite appena sopra e che sono stabilite precedentemente da chi manipola la macchina.

Chi lo ha inventato

All’origine delle macchine laser c’è la teoria elaborata nel 1917 da Albert Einstein riguardo il fenomeno dell'emissione stimolata di radiazioni, che sta alla base del funzionamento di tutti i raggi laser.

Un apparecchio simile, conosciuto come MASER, fu costruito da Charles Hard Townes, J.P. Gordon, e H.J. Zeiger della Columbia University nel 1953.

I tre ricercatori passarono poi alla storia per aver ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1964 per il loro contributo nel campo dell'elettronica quantistica, ma il primo laser funzionante fu azionato dallo semi-sconosciuto ricercatore Theodore H. Maiman il 16 maggio 1960, presso gli Hughes Research Laboratories di Malibù, in California.

Nel 1963 Kumar Patel degli AT&T Bell Labs creò invece il primo laser a diossido di carbonio (CO2) e la migliore efficienza ed i costi contenuti di questa invenzione hanno reso il laser industriale CO2 il più diffuso ed utilizzato degli ultimi 50 anni.

Nel 1971 i Bell Laboratories hanno poi creato il primo laser a semiconduttori conosciuto anche come diodo laser, mentre al 1979 risale il brevetto del laser a pompaggio ottico.

L’innovazione più recente è quella delle sorgenti laser in fibra ottica, che sono oggi applicate con successo per la marcatura, taglio ed incisione di metalli e plastiche.

Quali materiali sono lavorati con i raggi LASER

Esistono infinite tipologie di laser. In base al mezzo attivo utilizzato si determina la lunghezza d’onda del raggio e conseguentemente l’interazione con i vari materiali.

Le diverse tipologie risultano essere la scelta ottimale per una determinata applicazione o per l’uso su uno specifico materiale.

Il raggio laser riscalda il materiale verso cui viene indirizzato per cui permette di inciderlo, marcarlo o tagliarlo, oltre ad effettuare saldatura, microperforazione e microlavorazione degli oggetti più svariati.

I materiali adatti alle lavorazioni laser sono sia quelli non metallici come ceramiche, plastiche/polimeri e compositi, che diversi metalli come alluminio, acciaio, ferro e titanio.

Grazie all’applicazione del laser la forma o l’aspetto di questi materiali può esser modificato con estrema facilità.

L’interazione con il materiale dipende sia dalla lunghezza d’onda e dalla potenza del laser, sia dalle caratteristiche del materiale a livello chimico e di capacità di assorbimento del raggio.

Il raggio provoca l’ablazione del materiale, ovvero l’asportazione di parti di questo, in forma solo superficiale e selettiva o completamente.

L'ablazione laser si utilizza dunque per il taglio, l'incisione e la perforatura di diversi oggetti e materiali.

Ambiti di applicazione

Le lavorazioni laser riguardano oggi moltissimi ambiti economici e riportiamo a continuazione solo alcuni esempi:

• Settore automotive, in cui i laser industriali possono essere utilizzati praticamente in ogni fase del processo di produzione di un’auto, ma soprattutto per marchiare i vari componenti e garantirne la tracciabilità;
• Elettronica, qui i sistemi laser vengono impiegati per effettuare l’incisione e marcatura dei pezzi come i semiconduttori e per la lavorazione dei circuiti stampati;
• Aeronautica, i lavori di finitura con tecnologia laser micromachining su componenti minuscole sono ampiamente utilizzati nel settore aerospaziale;
• Medicina, la tecnologia laser è applicata con grande successo in diversi ambiti medici, dall’oftalmologia e la chirurgia refrattiva, alla fisioterapia, all’utilizzo dell’ablazione per correggere lesioni cutanee e vascolari;
• Farmaceutica, il raggio laser è usato per la marcatura delle diverse tipologie di packaging dei farmaci;
• Gioielli e orologi, in questo caso l’estrema precisione della tecnologia laser permette di effettuare incisioni, tagli o saldature con grande facilità ottenendo così risultati di elevata qualità.

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