Vi siete mai chiesti perché i laser sono così precisi e potenti? A differenza della luce normale, i laser hanno caratteristiche uniche come l'elevata direzionalità, la monocromaticità, la coerenza e l'intensità. Questo articolo esplora queste proprietà e le loro applicazioni, dagli strumenti medici al taglio industriale. Immergetevi per scoprire come funzionano questi affascinanti fasci e il loro impatto sulla tecnologia e sulla scienza.
Una tipica sorgente luminosa emette luce che irradia in tutte le direzioni e diminuisce con l'aumentare della distanza. Questa attenuazione è dovuta principalmente al fatto che la luce proveniente da tali sorgenti è il risultato di una moltitudine di molecole o atomi all'interno della sorgente che emettono fotoni in modo indipendente durante la radiazione spontanea. Al contrario, i laser amplificano i fotoni incidenti attraverso l'emissione stimolata.
A causa dei diversi meccanismi alla base della generazione laser rispetto alle normali sorgenti luminose, i laser presentano caratteristiche uniche non condivise con la luce convenzionale, che possono essere generalmente riassunte in quattro aspetti: direzionalità, monocromaticità, coerenza ed elevata intensità.
I laser emettono luce per radiazione stimolata; ogni fotone mantiene la stessa frequenza, fase e stato di polarizzazione della luce incidente, il tutto sotto il controllo di un risonatore ottico. Questo controllo permette al raggio laser di propagarsi rigorosamente lungo l'asse del risonatore con un angolo di divergenza molto piccolo, che si avvicina a quello della luce parallela.
L'elevata direzionalità dei laser è determinata dal meccanismo dell'emissione stimolata e dall'influenza restrittiva del risonatore ottico sulla direzione del fascio di luce oscillante. Dati precisi hanno dimostrato che un raggio laser emesso dalla Terra verso la Luna, a una distanza di circa 380.000 chilometri, produce un punto del raggio sulla Luna con un diametro inferiore a 1000 metri.
Questa eccellente direzionalità ha portato all'uso diffuso dei laser per la misurazione, la comunicazione e il posizionamento. L'elevata direzionalità dei laser consente una trasmissione efficace su lunghe distanze e la focalizzazione in densità di potenza molto elevate, entrambi elementi cruciali per lavorazione laser.
Il colore della luce è determinato dalla sua lunghezza d'onda. La larghezza tra le due lunghezze d'onda in cui l'intensità è la metà del massimo è tipicamente definita come larghezza della linea spettrale. Quanto più stretta è la larghezza della linea spettrale, tanto migliore è la monocromaticità della luce. La luce visibile è composta da sette colori, ciascuno con una larghezza della linea spettrale di 40-50 nanometri.
La monocromaticità dei laser supera di gran lunga quella delle normali sorgenti luminose. Ad esempio, l'ampiezza della linea spettrale della luce laser rossa emessa da un laser a elio-neon è solo del 10-8 nanometri, che è significativamente più monocromatico di una lampada al krypton. Alcuni laser speciali hanno una monocromaticità ancora maggiore.
L'elevatissima monocromaticità dei laser elimina virtualmente la dispersione cromatica (la variazione dell'indice di rifrazione con la lunghezza d'onda) delle lenti di focalizzazione, consentendo di focalizzare con precisione il fascio di luce sul punto focale, ottenendo un'elevata densità di potenza. L'eccellente monocromaticità dei laser rappresenta uno strumento vantaggioso per le misure di precisione degli strumenti e per la stimolazione di alcune reazioni chimiche negli esperimenti scientifici.
La coerenza descrive principalmente le relazioni di fase tra le diverse parti di un'onda luminosa, comprendendo due aspetti: la coerenza temporale e la coerenza spaziale. Per i laser, la distribuzione spaziale del campo luminoso è tipicamente scomposta in una distribuzione lungo la direzione di propagazione (asse della cavità) E(z) e una distribuzione sulla sezione trasversale perpendicolare alla direzione di propagazione E(x, y).
Pertanto, i modi della cavità laser possono essere suddivisi in modi longitudinali e trasversali, che rappresentano rispettivamente le distribuzioni longitudinali e trasversali del campo luminoso dei modi della cavità.
La coerenza temporale di un laser si riferisce alle relazioni di fase tra i punti lungo la direzione di propagazione del raggio. Nelle applicazioni pratiche, il tempo di coerenza viene spesso utilizzato per descrivere la coerenza temporale di un laser. Quanto più stretta è l'ampiezza della linea spettrale, cioè quanto maggiore è la monocromaticità, tanto più lungo è il tempo di coerenza.
I laser a gas a frequenza stabilizzata monomodali presentano la migliore monocromaticità, raggiungendo tipicamente il 106 a 1013 Hz; i laser a stato solido hanno una monocromaticità più scarsa, soprattutto perché la loro curva di guadagno è ampia, rendendo difficile il funzionamento a singolo modo longitudinale; i laser a semiconduttore hanno la peggiore monocromaticità.
Il funzionamento monomodale (tecnologia di selezione dei modi) e la stabilizzazione della frequenza sono fondamentali per migliorare la coerenza. Un laser monomodale trasversale stabilizzato in frequenza emette una luce che si avvicina a un'onda piana monocromatica ideale, cioè completamente coerente.
La coerenza spaziale di un laser è la relazione di fase tra punti su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione del fascio. Si riferisce alla scala su cui la luce emessa dal fascio può convergere in un punto dello spazio per formare modelli di interferenza e la coerenza spaziale è correlata alle dimensioni della sorgente luminosa.
Un'onda piana ideale è completamente coerente dal punto di vista spaziale e ha un angolo di divergenza pari a zero. Tuttavia, nella pratica, a causa degli effetti di diffrazione, il più piccolo angolo di emissione del fascio ottenibile da un laser non può essere inferiore all'angolo limite di diffrazione quando passa attraverso l'apertura di uscita.
Per migliorare la coerenza spaziale di un laser, è essenziale in primo luogo limitare il funzionamento del laser in un singolo modo trasversale; in secondo luogo, selezionare il tipo di cavità ottica in modo appropriato e aumentare la lunghezza della cavità per migliorare la direttività del fascio. Inoltre, le disomogeneità del mezzo attivo, gli errori di lavorazione e regolazione della cavità e altri fattori possono degradare la direttività del fascio.
Grazie all'eccellente direttività dei fasci laser, l'energia emessa è confinata entro un angolo solido molto stretto e l'energia è concentrata entro una stretta larghezza di linea spettrale. Ciò aumenta significativamente la luminosità spettrale dei laser rispetto alle sorgenti luminose convenzionali. Nei laser a impulsi, dove l'emissione di energia è ulteriormente compressa in un intervallo di tempo molto breve, la luminosità spettrale può essere ulteriormente aumentata.
Attualmente, l'aumento della potenza di uscita e dell'efficienza è una direzione importante nello sviluppo dei laser. I laser a gas, come quelli a CO2I laser a stato solido sono in grado di produrre la più alta potenza continua, mentre i laser a stato solido sono in grado di produrre la più alta potenza impulsiva.
Soprattutto con l'utilizzo di tecniche di modulazione a cavità ottica e di amplificatori laser, il tempo di oscillazione del laser può essere compresso a valori molto piccoli (dell'ordine del 10-9 secondi) e l'energia di uscita può essere amplificata, ottenendo una potenza d'impulso estremamente elevata. Con le tecniche di mode-locking e di compressione dell'ampiezza dell'impulso, l'ampiezza dell'impulso laser può essere ulteriormente compressa fino a 10-15 secondi.
Ma soprattutto, potenza del laser (energia) può essere concentrata in un singolo (o pochi) modi, ottenendo così un grado molto elevato di degenerazione dei fotoni. Quando un raggio laser viene focalizzato attraverso una lente, può generare temperature di diverse migliaia o addirittura decine di migliaia di gradi Celsius in prossimità del punto focale, consentendo la lavorazione di tutti i materiali.
Ad esempio, la CO2 taglio laser Le macchine comunemente utilizzate nell'industria adottano lunghezze focali comprese tra 127 e 190 mm, con diametri del punto focale che vanno da 0,1 a 0,4 mm, e la loro densità di energia può raggiungere i 10 W/cm.2.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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