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Titolo: Colimazine laser

Sto cercando di capirci qualcosa da autodidatta. Per farla breve, un 
fascio laser si sviluppa, per esempio, per l'emissione di fotoni degli 
atomi di un cristallo che ï¿œ stato precedentemente eccitato. Il fascio di 
luce risultante ha la proprietï¿œ di essere fortemente collimato, cioï¿œ 
direzionale. E questo non lo capisco proprio. Un atomo me lo immagino 
come una sorgente puntiforme, che quindi emette sfericamente, non solo 
lungo una direzione. A meno che non sia la cavitï¿œ risonante che, con il 
suo specchio semiriflettente, lascia uscire solo i raggi paralleli al 
suo asse ottico.
Chi mi illumina? Possibilmente non con un laser :-)

 Sto cercando di capirci qualcosa da autodidatta. Per farla breve, un
 
Ho corretto il subject e trovato (forse) la risposta. Solo una parte 
della radiazione emessa dagli atomi resta nella cavità risonante, e si 
riflette avanti e indietro, provocando un auto-rafforzamento 
dell'emissione per via dell'eccitazione via via crescente a cui sono 
soggetti gli atomi.

 soggetti gli atomi.
 
Penso che tu abbia trovato la risposta esatta: l'emissione laser e' 
distribuita spazialmente secondo il profilo dei cosiddetti "modi" della 
cavita' risonante (quali modi esattamente vengano eccitati e' una 
questione piu' complicata).

 questione piu' complicata).
 
Grazie per la risposta. Per quanto riguarda i modi, per ora mi pare di 
aver capito che il modo fondamentale ï¿œ quello gaussiano, detto anche 
TEM00, caratterizzato da una distribuzione intensitï¿œ su un piano 
perdendicolare alla direzione di propagazione, appunto gaussiano. Potrei 
dire che, intuitivamente, il fatto che il fascio sia piï¿œ intenso in asse 
che ai bordi mi torna abbastanza, ma immagino che quando c'ï¿œ la fisica 
quantistica di mezzo, l'intuito ï¿œ meglio lasciarlo perdere.
Bye.

 Bye.
 
 
Ciao, per quanto riguarda i modi, si ottengono con la fisica classica - 
la fisica quantistica poi quantizza i modi calcolati attraverso le 
equazioni di Maxwell.
Il fatto che sia piu' intenso in asse che ai bordi ... anche io lo vedo 
come fatto intuitivo :-)
In realta' esistono anche modi con un buco al centro (prova a cercare i 
modi di Laguerre-Gauss).

 soggetti gli atomi.
Sï¿œ, gli specchi hanno un ruolo essenziale, come avete giï¿œ discusso.
Provo a ridirlo a modo mio, mettendo in evidenza un aspetto che mi
pare avete trascurato.
 
Gli specchi formano un cavitï¿œ, come hai detto, in cui possono essere
presenti onde e.m. solo in certi "modi"; in particolare solo per certe
frequenze discrete.
Che uno degli specchi abbia una trasmissione non nulla (non
/semi/trasparente...) ï¿œ necessario per estrarre la radiazione, ma il
laser funzionerebbe meglio se fossero veri specchi. Solo che nn
vedremmo niente...
La parziale trasmissione abbassa il Q della cavitï¿œ, ma questo ora ï¿œ un
dettaglio :)
 
Questi modi sono i soli possibili stati dei fotoni.
E ora il punto importante.
Gli atomi vengono eccitati in qualche modo.
Lo si puï¿œ fare in diversi modi, per es. nel laser "a tre livelli" ci
sono appunto tre livelli che entrano in gioco.
Il livello 1, che chiamerï¿œ "fondamentale", ï¿œ quello di energia piï¿œ
bassa.
Il livello 2 ï¿œ quello da cui verranno emessi i fotoni che interessano,
nella transizione 2-->1.
Il livello 3 ï¿œ piï¿œ alto del 2.
 
Gli atomi starebbero, se indisturbati, nel livello 1.
Con radiazione di frequenza opportuna vengono eccitati ("pompati") al
livello 3, che ï¿œ stato scelto in modo che la transizione 3-->1 sia
meno frequente di quella 3-->2.
Pertanto gli atomi in 3 passano preferenzialemnte in 2, eventualmente
emettendo fotoni (inutili).
 
In questo modo si crea una popolazione di atomi nel livello 2.
Dal livello 2 gli atomi tornano a 1, emettendo i fotoni voluti, ma
questo non sarebbe niente se non intervenisse il fenomeno essenziale:
l'emissione *stimolata*.
(Dopo tutto che cosa significa LASER? Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation.
Va anche ricordato che i laser sono nati dopo i "maser": Microwave
ecc.)
Nota storica: l'emissione stimolata (detta anche "indotta") fu
prevista da Einstein nel 1917, prima della mecc. quantistica e quindi
anche dell'elettrodin. quantistica.
 
In termini moderni, consiste in questo.
Se abbiamo un atomo nello stato 2, in presenza di n fotoni della
giusta energia per la transizine 2-->1, la prob. della transizione
2-->1 ï¿œ proporzionale a n+1.
Da qui si vede che l'emissione di un fotone avviene anche se n=0:
questa ï¿œ la "emissione spontanea".
Ma la prob. viene fortemente esaltata se ci sono giï¿œ altri fotoni, e
meglio se sono molti.
C'ï¿œ un problema: che i fotoni presenti provocano anche la transizione
inversa 1-->2 (assorbimento) che ï¿œ dannosa. Questa ha probab. prop. a
n, e quindi il solo modo per contenere il danno ï¿œ che ci siano piï¿œ
atomi nello stato 2 che nello stato 1: la cosiddetta "inversione di
popolazione".
Il che accade se il pompaggio ï¿œ suff. intenso.
 
Va anche notato che il fotone viene emesso nello stesso stato (modo)
degli altri n presenti.
La cavitï¿œ seleziona appunto i modi (discreti) possibili, che tra
l'altro corrispondono a una propagazione direzionale lungo l'asse
della cavitï¿œ: ecco perchï¿œ il fascio ï¿œ collimato.
Inoltre l'energia dei fotoni emessi ï¿œ molto ben definita, assai meglio
di quella che avrebbe un fotone emesso nella stessa transizione 2-->1
da uno stesso atomo isolato nel vuoto.
Questo perchï¿œ i modi della cavitï¿œ hanno frequenze assai ben definite,
per ragioni puramente geometriche: semplificando, le lungh. d'onda
possibili sono 2kL, con L distanza tra gli specchi e k intero.
 
Ma c'ï¿œ di piï¿œ: i molti fotoni che si trovano tutti nello stesso stato
formano un insieme *coerente*.
Questa ï¿œ una proprietï¿œ caratteristica dei fotoni in quanto /particelle
quantistiche/ e /bosoni/ (una spiegazione breve ed elementare non ï¿œ
possibile).
Risultato: la luce emessa risulta:
- di energia assai ben definita
- molto ben collimata
- coerente.
 
 
-- 
Elio Fabri