Happy birthday, big scary laser!

Un arma elegante, per tempi più civilizzati”. Moltissimi tra voi riconosceranno in questa citazione la descrizione che Obi-Wan Kenobi dà della spada laser, l’arma distintiva di ogni Jedi che si rispetti. Da sempre la fantascienza ha infatti nelle armi energetiche uno dei suoi maggiori cliché. Cannoni laser, blasters, disgregatori, hanno tutti in comune il fatto di espellere energia sotto forma di luce estremamente intensa, piuttosto che con un proiettile fisico. Oggi il laser (che ha appena compiuto 50 anni… Auguri!) trova innumerevoli applicazioni nei più svariati campi, in nessuno dei quali viene – per fortuna, aggiungo io – utilizzato come arma (anche se ci sono sperimentazioni in questa direzione da parte dei soliti americanoni) . Oggi voglio approfittare di questo compleanno per raccontarvi un po’ come funziona il dispositivo che ha permesso l’avvento di CD, DVD e Bluray vari, oltre a essere oramai uno degli strumenti fondamentali nella ricerca fisica, chimica e biologica.

ALTRO CHE PERDENTE

scarylaser

Laser è un acronimo che sta per Light Amplification by Stimulated Emission of Radiaton, ovvero “amplificazione della luce tramite emissione stimolata di radiazione”. In origine doveva chiamarsi Loser (perdente in inglese), con oscillation al posto di amplification, ma potete ben immaginare come un simile acronimo rischiasse di azzoppare in partenza l’apparecchio. Tecnicamente si tratta di una sorgente di onde elettromagnetiche coerenti altamente direzionali e monocromatiche. Il significato di questi termini sarà chiaro a breve, per adesso sappiate che tutto nasce da una teoria enunciata da Einstein (il caro vecchio Albert avrebbe dovuto prenderne 10 di premi Nobel, talmente tanti sono i suoi contributi alla fisica moderna) riguardo i fenomeni che regolano l’assorbimento e l’emissione dell’energia da parte degli atomi, e che pone la base riguardo la natura quantizzata dei livelli energetici. Senza scendere troppo nel tecnico, gli elettroni che ruotano attorno ai nuclei atomici lo possono fare solo seguendo traiettorie ben definite, tanto più ampie (e quindi lontane dal nucleo) quanto è maggiore l’energia dell’elettrone che la percorre. I livelli quantici sono separati tra loro da quantità ben precise di energia, uguali per ogni atomo dello stesso tipo che si trovi nelle medesime condizioni. Insomma se prendete, ad esempio, un atomo di idrogeno e volete che il suo unico elettrone faccia il salto quantico (quantum leap) al primo livello partendo dallo stato di ground (il livello di minima energia), dovrete sempre fornirgli lo stesso quantitativo di energia. Questo significa anche che ogni volta che l’elettrone decaderà allo stato di ground (cosa che farà spontaneamente dopo un tempo nell’ordine dei nanosecondi), riemetterà quella stessa energia sottoforma di un fotone di luce.

laser3Questo processo è chiamato emissione spontanea, e avviene con tempistiche del tutto casuali, così come del tutto casuale è la direzione in cui viene emesso il fotone. Esiste però anche il processo stimolato, che si ottiene facendo incidere sull’atomo eccitato un fotone la cui energia è uguale a quella di eccitazione. L’onda elettromagnetica risultante dall’emissione stimolata avrà la medesima fase (ovvero, alle creste e alle valli dell’onda stimolante corrispondono perfettamente creste e valli dell’onda stimolata) e direzione dell’elettrone incidente. Ora, immaginate di avere una certa quantità di materiale eccitato energeticamente  e di inviarvi contro un fotone alla giusta frequenza: quel che otterrete è un fascio di onde elettromagnetiche tutte in fase (coerenza spaziale e temporale), tutte della stessa frequenza (monocromaticità) e altamente focalizzate (alta direzionalità). Se poi ponete questo “materiale attivo” all’interno di quella che viene definita cavità di oscillazione o risonanza ottica (de facto, tra due specchi altamente riflettenti posti a una distanza opportuna da permettere l’instaurarsi di un regime di onda stazionaria, similmente a quanto accade a una corda fissa ai due capi che oscilla)  e continuate a “pompare energia” all’interno del vostro materiale attivo, otterrete che a ogni passaggio del fasci all’interno di esso la sua energia accrescerà (ed ecco l’amplificazione), fintantoché non deciderete di aprire la cavità lasciando uscire il vostro fascio laser.

IL RAGAZZO È BRAVO MA NON SI APPLICA… O SÌ ?

LaserCutterLa luce che emerge da un laser ha delle proprietà del tutto peculiari, che gli permettono un vasto range di applicazioni. Le caratteristiche di monocromaticità, coerenza e focalizzazione permettono di ottenere intensità luminose superiori a qualsiasi cosa esista sul globo terracqueo, superando alla grande anche la luce proveniente dallo stesso sole.  Vi basti pensare che bastano 10 mW di potenza per procurare temporaneo accecamento, e con 60 mW potete anche salutare la vostra retina. I laser in generale possono lavorare con un fascio continuo (in cui l’emissione della luce rimane più o meno costante durante il periodo di accensione del dispositivo) o impulsato (in cui l’energia emessa viene concentrata in brevissimi impulsi altamente energetici), e si possono raggiungere potenze davvero elevate. A titolo d’esempio, vi basti sapere che io stesso per la mia tesina triennale ho lavorato con un laser impulsato da 10 Terawatt (10^12 o mille miliardi di watt), che è più della potenza totale mondiale generata da centrali. Potenze nell’ordine dei 100 Petawatt (che è un unità di misura che non ha a che fare con l’aerofagia, ma equivale a 10^15 Watts) sono state raggiunte nei grandi centri per la ricerca riguardo la fusione nucleare a confinamento inerziale, sempre con laser a impulsi ultrabrevi (ricordo che la potenza è la quantità di energia emessa o assorbita diviso per il tempo impiegato… Per cui diminuendo il tempo di emissione la potenza aumenta enormemente, anche se in realtà si stanno emettendo pochi joule di energia).

Certamente la ricerca può fare grande uso delle caratteristiche di monocromaticità dei fasci laser (ad esempio per eccitare biomolecole fluorescenti), o dell’intensità e delle grandi potenze emesse (come nel caso delle già citate ricerche sulla fusione inerziale), ma anche l’utilizzo più o meno di tutti i giorni può beneficiare di questo strumento. Tralasciando CD, DVD e Bluray che tutti conosciamo bene, pensate anche soltanto alla precisione di taglio che un laser può garantire: nella chirurgia oramai sono cosa di tutti i giorni le operazioni a cornee, retine e via dicendo utilizzando laser, più sicuri e puliti di qualsiasi altra lama “fisica”. Nell’industria, tagliare lamiere, incidere circuiti stampati, semiconduttori e pannelli solari oramai è appannaggio dei laser, più precisi dei metodi tradizionali. Molti autovelox funzionano (purtroppo e per fortuna) tramite l’emissione di fasci laser, che in base al tempo di riflessione permettono di calcolare la velocità delle macchine che vi incappano. Di recente si è iniziato a utilizzare il LIDAR (un radar fatto con una testa laser in grado di effettuare scansioni spaziali) per la mappatura ad alta risoluzione dell’atmosfera, del terreno e perfino dei mari. Insomma, mai come oggi il “light side” ha avuto così tante buone motivazioni per essere scelto.

E allora: may the Force be with you!

Holorama – Ologrammi e Olografia

Intro

Di recente hanno fatto un sacco di scalpore le nuove tecnologie 3D cinematografiche, che ci permettono di gustare come mai prima d’ora film come Avatar. Quello che la maggior parte delle persone ignora è che in effetti si tratta di un 3D percepito, ma non effettivo. Le immagini rimangono bidimensionali, e l’effetto 3D è ottenuto tramite la sovrapposizione di due differenti set di fotogrammi “sfalsati” tra loro, che se visualizzati con gli opportuni occhialini, restituiscono la sensazione di profondità al nostro occhio. In pratica si gioca sulle capacità interpretative del nostro cervello in fatto di immagini, tant’è che alla fine della visione, e anche durante la stessa, le sensazioni che si provano possono anche provocare fastidio negli osservatori più sensibili. Tuttavia la teoria per creare delle immagini che siano effettivamente volumetriche e tridimensionali esiste… Benvenuti nel mondo della olografia

Onda Su Onda

Interferenza di due onde

Il termine olografia deriva dal greco hólos, “tutto”, e grafē, “disegnare”. Sin dal nome si intuisce che, differentemente da quanto accade nella fotografia, un ologramma è in grado di riprodurre un oggetto da tutti i possibili punti di vista. Premetto subito che siamo ben lontani dall’aver sviluppato un sistema di display volumetrici in grado di generare immagini olografiche arbitrarie, e per ora siamo vincolati a riprodurre esclusivamente immagini statiche registrate in precedenza. È anche vero che ora come ora l’interesse principale per l’olografia risiede nella capacità di queste tecniche di incrementare incredibilmente la capacità di immagazzinamento dei supporti di memorizzazione ottica: una memoria olografica potrebbe sfruttare letteralmente una dimensione spaziale in più per immagazzinare i dati, essendo in grado di utilizzare l’intero volume della cella di memoria anziché la sola superficie.
I principi che stanno dietro alle tecniche olografiche sono fondamentalmente due. Il primo, l’interferenza delle onde elettromagnetiche, stabilisce che la sovrapposizione di due o più onde elettromagnetiche dà origine ad una terza onda, somma delle prime due. Il secondo è la diffrazione, che stabilisce le regole secondo le quali la luce curva o meno incontrando ostacoli sul proprio cammino. Mentre in una fotografia si registra una mappa di intensità della luce (tot punti di tal colore e intensità) da un unico punto di vista (quello della macchina fotografica), l’ologramma registra quello che viene definito speckle pattern di interferenza. All’atto pratico, un fascio di luce coerente (ovvero in cui tutte le onde elettromagnetiche hanno all’incirca tutte la stessa frequenza e quindi differenza di fase costante, come in un laser) viene diviso in due parti separate. Una di queste (il fascio di illuminazione) incide sull’oggetto che si vorrà poi riprodurre, e rimbalzando da esso impressiona il mezzo di registrazione (che può essere anche una lastra fotografica).

Registrazione dell'immagine olografica (click per ingrandire)

Nello stesso momento, la lastra viene impressionata anche dal secondo fascio, detto “di riferimento”, cosicché in effetti a venir registrata è l’interferenza risultante dall’interazione dei due fasci. L’ologramma consiste nel pattern di interferenza apparentemente casuale che rimane impresso sulla lastra fotografica. Se l’ologramma viene a sua volta reilluminato con una sorgente di luce uguale a quella usata per registrarlo, un osservatore osserverà l’immagine dell’oggetto come se esso fosse effettivamente ancora presente, e il suo punto di vista varierà a seconda della posizione di osservazione. Quindi in un ologramma, piuttosto che registrare la luce che viene diffusa da un oggetto, si memorizzano le informazioni riguardo a come la luce viene diffusa dall’oggetto stesso, in modo tale da poter ricreare la luce come se venisse effettivamente diffusa dall’oggetto in questione. Sotto questo punto di vista l’olografia è effettivamente l’analogo ottico della registrazione dei suoni: le registrazioni acustiche (compresi i file digitali) non contengono altro che l’onda sonora derivante dall’interferenza delle varie onde che compongono il suono di una canzone, e che potete anche osservare tranquillamente tramite qualsiasi programma di riproduzione musicale, tipo WinAMP o iTunes.
Visto ad occhio nudo, un ologramma non è altro che un insieme di punti più chiari e punti più scuri, del tutto analogo ad esempio a quel che potete vedere quando illuminate una parete bianca con un laser: quel che si vede non è un illuminazione uniforme, bensì un pattern (lo speckle) analogo a quello che potete osservare in una delle immagini qua attorno. Una delle proprietà particolari dell’ologramma consiste fondamentalmente nel fatto che ogni punto dello stesso contiene le informazioni sulla luce proveniente dall’intero oggetto, per cui è in linea teorica possibile rompere l’ologramma ed osservare l’oggetto riprodotto interamente da ogni singolo pezzo, non importa quanto grande esso sia. Se immaginiamo che l’ologramma sia una finestra sull’oggetto, allora ogni singolo pezzo consiste in una parte della finestra, dalla quale è ancora possibile osservare tutto anche se il resto dell’apertura viene oscurato. Per contro, al diminuire delle dimensioni dell’ologramma si perde in risoluzione (la capacità di un sistema di distinguere due punti vicini tra loro) a causa della diffrazione, che provoca l’allargamento del fascio di luce ed è tanto più intensa quanto le dimensioni dell’ostacolo che la luce incontra approssimano la lunghezza d’onda della luce stessa. Immaginate di dover misurare una strada lunga 10 chilometri e una lunga 10 metri utilizzando come unità di misura il metro: nel primo caso avrete una precisione di una parte su diecimila, nel secondo di una parte su dieci, anche se la vostra unità di misura (che equivale alla luce che utilizzate nel riprodurre l’ologramma) non cambia.

Gli Utilizzi

Gli ologrammi hanno attualmente trovato una grande varietà di utilizzi, tutti molto meno fantascientifici (purtroppo) di quel che si può pensare. Le batterie dei cellulari e in generale gli oggetti che richiedono un bollino che ne certifichi l’originalità (compresa la cartamoneta) oramai impiegano tutti piccoli ologrammi, che rappresentano la parte più difficile da riprodurre da parte di un eventuale falsario, in quanto vengono replicati a partire da una matrice master che per la realizzazione richiede macchinari costosi, non in commercio e tecniche particolari.
L’uso che sicuramente sta assorbendo la maggior parte delle risorse in termini di ricerca è sicuramente l’olografia applicata ai dispositivi di memorizzazione di massa: il dispositivo di memorizzazione ottica finora più capiente, il blu-ray, ha raggiunto il massimo teorico dovuto alla diffrazione, per cui l’holographic data storage si candida per la prossima generazione di dischi ottici multimediali (commercializzato con il nome poco fantasioso di Holographic Versatile Disc). In pratica non si sarà più limitati all’utilizzo della sola superficie di un disco, ma dell’intero suo volume. Con le opportune ricerche nel campo dei materiali tipo fotocristalli e fotopolimeri, si pensa di raggiungere velocità di scrittura nell’ordine del gigabit al secondo, e di lettura attorno al terabit, con un disco delle dimensioni analoghe ad un CD/DVD/Blu-Ray dalla capacità di circa 4 Terabyte. In un mondo in cui si ragiona ancora in termini di gigabyte, un balzo di ben tre ordini di grandezza nelle capacità di lettura, scrittura e immagazzinamento è decisamente notevole, specie se si pensa che la tecnologia per realizzare tutto questo, sebbene acerba, è già presente nel mondo. Lo sviluppo dell’olografia dinamica, in cui le immagini non vengono registrate permanentemente ma possono essere sovrascritte, permette inoltre di trasferire alle memorie tipo ram e cache gli analoghi vantaggi in termini di velocità e capienza che l’olografia statica garantisce ai supporti ottici. Insomma, non siamo ancora ai livelli trekkiani, con gli holodecks in grado di riprodurre fedelmente qualsiasi paesaggio si desideri (anche se devo ancora capire come si possa camminare per chilometri e chilometri in una stanza grossa come una palestra… Alla faccia del jogging), ma non manca molto al momento in cui potremo andare a prendere l’HVD ad alta risoluzione dell’ultimo blockbuster di Cameron o di Scott e godercelo dal nostro display volumetrico spaparanzati in poltrona.

Alla prossima!

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