Fantastica luce con un futuro

SOLO dieci anni fa, nel 1960, fu prodotta per la prima volta una radicale nuova specie di luce. Non si era mai saputo prima che esistesse sulla terra. È la più pura, la più penetrante, la più intensa luce che l’uomo conosca, e ha un’intensità di miliardi di volte superiore alla luce sulla superficie del sole. Essa taglia facilmente il diamante, la più dura sostanza che si conosca, e può far evaporare qualsiasi sostanza sulla terra.

L’idea di produrre questa fantastica luce fu proposta per la prima volta in un documento pubblicato nel 1958 da due scienziati, Arthur L. Schawlow e Charles H. Townes. Due anni dopo Theodore H. Maiman costruì il primo dispositivo con il quale si riuscirono a produrre corti fasci della luce desiderata. Il dispositivo è detto laser, parola che significa light amplification by stimulated emission of radiation (luce amplificata stimolando l’emissione di radiazione). Il laser non fa altro che amplificare o rafforzare la luce.

Quando si seppe che si poteva costruire un simile dispositivo per l’amplificazione della luce, il laser ricevette una pubblicità senza precedenti. Le sue possibilità accesero l’immaginazione degli uomini. I militari, per esempio, videro in esso una superarma, il raggio della morte. D’altra parte, si previdero grandi applicazioni del laser nella medicina e nell’industria.

Messa a punto e vendita

In principio, comunque, ci furono delle delusioni mentre si facevano sforzi per trasformare il laser da una curiosità di laboratorio in uno strumento utile e di valore pratico. Ma recentemente il laser ha cominciato ad essere all’altezza delle sue prime lodi, mentre sono stati messi a punto laser più potenti e efficienti ed è stato trovato per essi un crescente numero di applicazioni. Il successo del laser si vede nella vendita di migliaia d’essi ogni anno.

Nel 1965 si calcola che si spendessero 60 miliardi di lire nei laser. Quasi il 60 per cento di questa somma fu speso in ricerche, ma il resto era frutto della vendita di laser e prodotti di laser. Ora l’impresa generale collegata ai laser si calcola sia di 186 miliardi di lire all’anno. Ma il mercato cresce con tale rapidità che alcuni esperti predicono che i laser diverranno, probabilmente al principio degli anni settanta, la prossima “industria da un miliardo di dollari all’anno”. I laser sono ora venduti per un minimo di 124.000 lire, ma altri costano centinaia di migliaia di lire ciascuno.

È vero che sono ancora ai primi stadi di sviluppo. Come notò il dott. Shawlow: “I laser sono ancora dispositivi molto primitivi. Sono ancora pressappoco allo stadio delle radio a galena, o degli aerei verso il 1910”. Ma quando si considera ciò che si può fare con essi, è comprensibile perché le industrie dedichino tanto tempo e tanto denaro per la loro messa a punto.

Fantastica potenza

La potenza della luce, accresciuta d’intensità dal laser, è veramente fantastica. Descrivendo una dimostrazione di questa potenza, un osservatore scrisse: “Il tecnico punta [il laser] contro un pezzo d’acciaio spesso ventitré centimetri, usando una lente per concentrare il raggio su un piccolo punto. . . . si ode un gemito e una netta detonazione. Questa volta una pioggia di scintille incandescenti vola via dal pezzo d’acciaio. È stato perforato da una parte all’altra da quel terribile getto di luce”.

Mentre vengono fabbricati laser più potenti e più efficienti, la prospettiva che siano prodotti effettivi “raggi della morte” come armi si avvicina maggiormente alla realtà. Infatti, gli scienziati parlano seriamente della possibilità che nel futuro i laser vengano impiegati contro missili ostili.

Ma anche se alcuni laser si possono puntare in modo da provvedere luce abbastanza potente da uccidere, altri sono assai moderati, abbastanza deboli da poter mettere la mano di fronte al loro raggio senza danno. Tuttavia, anche l’intensità di un raggio molto debole è fantastica. Questo fu dimostrato molto tempo fa con un veicolo spaziale Surveyor che atterrò sulla luna.

Il veicolo spaziale aveva a bordo una telecamera che venne rivolta verso la parte della terra che si trovava nelle tenebre. Dalla terra parecchi raggi di laser furono puntati verso la nave spaziale sulla luna a circa 386.000 chilometri di distanza. Erano raggi di uno o due watt soltanto, quindi molto più deboli di una comune lampadina da 60 watt. Ciò nondimeno, la telecamera sulla luna captò con molta facilità i raggi del laser e ritrasmise per radio un’immagine di questi punti luminosi sulla terra. In modo sorprendente, il raggio del laser di due watt si rivelò più luminoso sulla luna di tutte le centinaia di milioni di watt delle luci elettriche in centri popolosi come New York e Los Angeles!

Qual è il segreto per produrre una luce così intensa? Che cos’è il laser? Come funziona?

Luce incoerente e luce coerente

La caratteristica della comune luce visibile è che essa è incoerente, cioè le sue onde sono alla rinfusa. Sono di varia grandezza e frequenza, e viaggiano in direzioni divergenti. Con l’impiego di riflettori, la luce comune si può far andare in una sola direzione. Comunque, entro il raggio di luce c’è ancora un generale disordine, e infine esso si apre a ventaglio e si disperde.

Il laser, d’altra parte, è un dispositivo che produce luce coerente, luce cioè che è tutta della stessa lunghezza d’onda, e queste onde luminose sono tutte in fase di concordanza. Si potrebbe paragonare a una colonna di soldati che marciano tutti al passo lungo una strada. Si unisce ad essi un’altra colonna, e anch’essa va al passo con la prima colonna. Mentre questo gruppo continua, gli si unisce un’altra colonna, che va sempre al passo, finché la colonna originale è accresciuta o amplificata parecchie volte. Il laser è un dispositivo che raccoglie in modo così ordinato le onde luminose e le emette in fase nella stessa precisa direzione e nello stesso tempo. Pertanto, la luce aumenta d’intensità o luminosità in misura fantastica.

Il primo raggio di laser, prodotto nel 1960, si ottenne col rubino sintetico. Comunque, il laser al rubino è solo una delle molte specie di laser. Esso è un esempio di laser allo stato solido, cioè il materiale del laser è solido. Sono stati anche prodotti vari laser a gas, come i tipi a elio-neon, argo ionizzato e anidride carbonica. Il raggio del laser a gas è in genere più coerente del raggio di laser allo stato solido, ed è anche alquanto più facile farlo funzionare ininterrottamente.

Le radiazioni emesse dai laser, nella maggioranza dei casi, sono visibili all’occhio umano, poiché hanno una lunghezza d’onda a cui l’occhio umano è sensibile. Comunque, ci sono altre radiazioni elettromagnetiche che non sono visibili all’occhio umano, come le onde radio, le onde dei raggi infrarossi o di calore, le microonde, i raggi X e i raggi cosmici. Al principio degli anni cinquanta il dott. Townes inventò un dispositivo che produceva microonde tutte in concordanza di fase e amplificate molte volte. Questo dispositivo è detto maser, sigla delle parole inglesi microwave amplification by stimulated emission of radiation (microonde amplificate stimolando l’emissione di radiazioni). Dietro la proposta che il maser potesse applicarsi alla visibile radiazione elettromagnetica, fu inventato il laser. Il laser è pertanto chiamato a volte maser ottico.

Impieghi del maser

I debolissimi segnali di microonde che la terra riceve dai cieli si devono amplificare per studiarne debitamente la fonte. In questo caso il maser è lo strumento ideale. Il maser amplifica questi deboli segnali e non introduce nessun “rumore” o altre radiazioni estranee come avviene in altri tipi di dispositivi per l’amplificazione delle microonde. Il maser fu usato, ad esempio, per misurare le onde elettromagnetiche di 31,8 millimetri di lunghezza d’onda provenienti da Giove. Questa informazione permise agli astronomi di stabilire che la temperatura di Giove è di circa 96 °C. sotto zero.

Il maser è pure utilizzabile come orologio. Un comune orologio segna il tempo con un movimento periodico, ciò che si ottiene mediante il pendolo o il bilanciere. Le oscillazioni delle onde elettromagnetiche nel maser sono molto costanti e periodiche, non variando con la temperatura o la posizione sulla superficie della terra. Queste intrinseche oscillazioni del maser sono così accurate che un orologio a maser non andrebbe avanti né rimarrebbe indietro più di tre o quattro secondi in mille anni.

Applicazioni del laser

Comunque, è il laser, o maser ottico, che trova la stragrande maggioranza di impieghi. Esso ha trovato centinaia d’ingegnose applicazioni nell’industria, nella medicina, nella tecnologia militare e nell’esplorazione dello spazio.

Alcune applicazioni del laser si valgono del fatto che la sua luce si può concentrare su un punto estremamente piccolo. Come si può impiegare uno “specchio ustorio” per concentrare i raggi del sole su una piccola area e causare il fuoco, così il laser si può concentrare su un’area estremamente piccola.

A causa della sua intensità, si possono produrre minuscoli fori in sostanze molto dure. La Western Electric Company ha impiegato con successo un sistema di laser al rubino per perforare e ridare una dimensione alle filiere di diamante che impiega per produrre cavi di rame sottilissimi. L’operazione di perforazione che un tempo richiedeva lunghe ore o perfino giorni coi metodi convenzionali è ora eseguita dal laser in circa due minuti.

Il laser è impiegato anche per far evaporare piccole quantità di materiale da delicatissimi strumenti, come il bilanciere di un orologio. Se lo si desidera, il materiale fatto evaporare può essere analizzato da uno spettrografo per identificarne gli elementi chimici. La Jarrell-Ash Company di Waltham, nel Massachusetts, ha venduto decine di laser a 9.300.000 lire ciascuno, progettati per fare analisi spettrografiche di oggetti.

In un caso, un quadro che si supponeva fosse stato fatto da un pittore del sedicesimo secolo si rivelò un falso grazie a questo dispositivo del laser, chiamato microsonda. Il dipinto fu messo sotto la microsonda, e un fascio di luce attentamente calcolato del laser fece evaporare un’infinitesima quantità di colore, lasciando nel dipinto una minuscola, impercettibile cavità. Il pennacchio di vapore, analizzato allo spettrografo, rivelò una traccia di zinco, un colore a base di zinco non usato fino al 1820!

Il laser trova pure ampia applicazione come dispositivo di misurazione. La Boeing e altre grandi società aerospaziali hanno impiegato le tecniche del laser per svariate misurazioni e calibrazioni. Le piccole saldature a punti dei metalli si fanno pure impiegando il raggio del laser.

Il laser, inoltre, trova anche applicazione nella medicina. Esso è stato particolarmente utile nel saldare una retina staccata al suo posto dietro il bulbo oculare. La luce passa attraverso la cornea trasparente e altre parti dell’occhio raggiungendo la retina, dove la luce è assorbita e fonde la retina col tessuto sottostante. I melanoma, tipi di cancro contenenti pigmenti neri che assorbono i raggi del laser, sono stati pure trattati con successo.

Il suo futuro

Comunque, le più spettacolari applicazioni del laser sono ancora indubbiamente da realizzare. Il dott. Schawlow predice che fra vent’anni sarà uno strumento comune “nell’ufficio, nella fabbrica, e nella casa, dove si potrà usare per sbucciare le patate”. Presto dovrà essere messo sul mercato un laser che sarà usato per cancellare gli errori di dattilografia.

I dentisti pure prevedono l’impiego del laser per eliminare le carie. Giacché la parte cariata del dente è di colore più scuro, la luce sarà assorbita in quella parte facendo evaporare la carie e lasciando intatta la parte bianca del dente.

L’impiego del laser nel campo delle comunicazioni è particolarmente eccitante. Dal punto di vista teorico, un raggio di laser potrebbe trasmettere in una frazione di secondo l’intero testo dell’Encyclopædia Britannica, o potrebbe trasmettere simultaneamente tutti i messaggi radiofonici, televisivi e telefonici del mondo.

D’altra parte, gli ingegneri dell’Istituto di Tecnologia del Massachusetts fanno esperimenti con un laser per polverizzare la roccia da impiegare nella costruzione di gallerie sotterranee per autostrade e ferrovie. E, in maniera sorprendente, i laser rendono pratica l’idea della fotografia in tre dimensioni, nonché di enormi schermi televisivi grandi quanto la parete. Il dott. Townes spiegò in un’intervista:

“Qualche giorno dovremo avere schermi televisivi grandi quanto lo schermo cinematografico. . . . Oggi, se proiettaste un’immagine di un cinescopio televisivo su uno schermo molto grande, sarebbe troppo scura. Il raggio del laser, comunque, può estendersi su tutto lo schermo e potete ottenere un’ottima immagine con sufficiente luce, e a colori, perché si possono avere raggi di laser di vari colori. . . . Penso che questo sarà abbastanza semplice e pratico. È dunque molto probabile che l’avremo prima della TV in tre dimensioni”.

Nei soli nove brevi anni trascorsi dalla sua nascita, questa fantastica nuova specie di luce trova sorprendenti applicazioni. Ma è evidente che questo è solo il principio. In realtà, è una luce con un futuro!