Figura 1 – Charles Townes e James Gordon con il loro secondo dispositivo maser del 1955. Da aip.org.
Se Se Gordon Gould avesse seguito il suggerimento linguistico di Arthur Schawlow, avremmo appena celebrato il cinquantennale del loser. Ma il laser è tutt’altro che un perdente: nato come soluzione in cerca di un problema, il laser rappresenta ormai una delle applicazioni tecnologiche più diffuse e di successo della teoria quantistica di luce e materia.
Loser?
Nel 1951 Arthur Schawlow, un valente fisico statunitense di origini lettoni-canadesi, lasciò i laboratori Bell per iniziare a lavorare all’Università di Stanford. Charles Townes, amico e cognato di Schawlow, racconta di come quest’ultimo, nel nuovo contesto accademico, si rivelò un insegnante brillante e un arguto umorista. Tra i molti aneddoti raccontati su Schawlow, uno riguarda una conferenza tenutasi nel 1955. Schawlow presiedeva una sessione durante la quale Gordon Gould presentava un lavoro dal titolo “The L.A.S.E.R., Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”1, quello con il quale fu introdotto, a opera dello stesso Gould, l’acronimo che avrebbe presto universalmente sostituito ciò che fino a quel momento era noto come maser ottico. Il laser, Schawlow obiettò, è più un oscillatore che un amplificatore: l’amplificazione avviene infatti facendo letteralmente rimbalzare avanti e indietro le particelle di luce, i fotoni, all’interno di una cosiddetta cavità risonante. Il nuovo dispositivo proposto da Gould, suggerì Schawlow, avrebbe dovuto quindi più appropriatamente essere chiamato L.O.S.E.R. (che in inglese, incidentalmente, vuol dire perdente), da Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation. Ma il laser, nei decenni successivi alla sua ideazione e alla realizzazione del primo prototipo funzionante, si è dimostrato tutt’altro che un perdente: ha rivoluzionato la fisica moderna, molte tecniche di indagine scientifica e, attraverso innumerevoli applicazioni tecnologiche, la nostra vita quotidiana.
Dal maser al laser
Fu Albert Einstein nel 1917 a introdurre l’idea secondo la quale è possibile stimolare sistemi di atomi o molecole eccitati attraverso un’opportuna interazione con la radiazione elettromagnetica, in modo tale che questi producano altra radiazione, amplificando in tal modo quella originariamente inviata al sistema. Il concetto di emissione stimolata rimase di interesse prevalentemente teorico fino all’inizio degli anni Cinquanta, quando furono ideati e realizzati i primi maser. Il maser è un dispositivo che amplifica attraverso emissione stimolata le vibrazioni di un sistema di molecole per rilasciare energia in forma di luce e calore. In generale un atomo che si trova in uno stato eccitato e che interagisce con un’onda elettromagnetica a una certa frequenza può, con una probabilità ben determinata, decadere a un livello energetico inferiore, trasferendo l’energia così rilasciata al campo elettromagnetico circostante. Si produce così radiazione con la stessa frequenza e direzione di quella originariamente incidente. I primi maser, descritti e sviluppati tra il 1952 e il 1960, erano in grado di emettere radiazione in forma di microonde, da cui le due prime lettere dell’acronimo (Microwave Amplifier). Nikolaj Basov e Aleksandr Prokhorov, che nel 1964 vinsero insieme a Townes il premio Nobel per la fisica, svilupparono nel 1955 un maser capace di produrre radiazione continua, utilizzando la transizione delle molecole tra due diversi livelli energetici superiori a quello fondamentale, di riposo, del sistema2.
Figura 2 – La pagina di quaderno in cui Gordon Gould coniò il termine laser nel 1957. Da Wikipedia.
Proprio in quegli anni, nel 1957 ai laboratori Bell, Charles Townes e Leonard Schawlow tentarono di estendere i principi di funzionamento del maser dalle microonde alla radiazione infrarossa. I progetti per lo studio di un maser infrarosso furono però presto abbandonati in favore di un amplificatore di luce visibile, o maser ottico. I risultati teorici di Townes e Schawlow furono pubblicati nel 1958, nello stesso anno in cui i Bell Labs inoltravano la richiesta di brevetto per la proposta del maser ottico.
Evoluzioni parallele e convergenze tecnologiche
In realtà già negli anni Trenta le tecniche e le conoscenze teoriche necessarie a realizzare un laser erano disponibili: solo un quarto di secolo più tardi, però, gli eventi avrebbero fatto sì che tecniche precedentemente disconnesse convergessero in un’unica direzione di ricerca. La nascita del laser costituisce un ottimo esempio di evoluzione parallela di un’idea scientifica e degli attriti che possono nascere quando una tale idea è tanto figlia dei tempi quanto di un affollato pantheon di menti brillanti. Contemporaneamente a Townes e Schawlow e dopo una conversazione con il primo, infatti, Gordon Gould, all’epoca studente di dottorato alla Columbia University, annotò durante il lavoro per la propria tesi l’idea di usare un risonatore, cioè uno spazio cavo all’interno del quale il campo elettromagnetico oscilla naturalmente a ben precise frequenze, per realizzare un laser. Fu però Prokhorov, sempre nel 1958, a pubblicare per la prima volta nell’Unione Sovietica una proposta sperimentale basata su un risonatore ottico. Tale proposta fu formulata poco prima che Schawlow e Townes, apparentemente all’oscuro della pubblicazione di Prokhorov e del lavoro inedito di Gould, iniziassero a lavorare a uno schema sperimentale basato proprio sul tipo di risonatore ideato da Gould e Prokhorov.
Gould inviò all’inizio del 1959 una propria richiesta di brevetto per la sua idea di maser per luce visibile basato su un risonatore. Il rifiuto della richiesta di Gould da parte dell’ufficio brevetti statunitense, che assegnò infine l’anno successivo l’ambito brevetto ai Bell Labs, dove lavoravano Schawlow e Townes, fu l’inizio di una battaglia legale che si sarebbe protratta per ventotto anni. Fu infatti solo nel 1987 che un Gould quasi settantenne si vide riconosciuta dall’ufficio brevetti la paternità intellettuale dei principi del moderno laser.
Sorprendentemente, però, la corsa al laser tra la fine degli anni Cinquanta e l’inizio dei Sessanta tra Columbia University, Gould e la TRG Corporation, i Westinghouse Research Laboratories, l’IBM e i Bell Labs non fu vinta da nessuno dei maggiori contendenti. Messo ormai da parte il termine maser ottico, o maser a luce visibile, quello che a pieno diritto può essere considerato il primo laser funzionante fu infatti realizzato nel 1960 da Theodore H. Maiman agli Hughes Research Laboratories in California. Usando un rubino sintetico stimolato da brevi ma intensi impulsi luminosi e racchiuso tra due specchi paralleli, Maiman fu in grado di produrre un fascio di luce laser con una lunghezza d’onda di 694 nm, tale cioè da apparire rosso all’occhio umano.
Figura 3 – Theodore Maiman, accanto a una lampada e un cilindro di rubino simili a quelli usati nel primo laser (1960): i giornalisti intervenuti alla conferenza stampa degli Hughes Laboratories insistettero perché Maiman posasse con dei componenti fittizi molto più grandi degli originali, viste le piccole dimensioni (e le evidentemente non apprezzate compattezza ed eleganza) del primo laser. Da aip.org.
Il laser di Maiman era basato sull’eccitazione e diseccitazione degli atomi del mezzo attivo, in questo caso il rubino, tra tre diversi livelli energetici. Tale principio di funzionamento consentiva al primo laser di produrre solo brevissimi impulsi luminosi, piuttosto che un fascio continuo. Ma fu solo poco tempo dopo, nello stesso anno, che Ali Javan, William R. Bennett e Donald Herriot costruirono il primo laser a gas, basato su una miscela di elio e neon, capace di operare in regime continuo.
La fisica del laser
Nel laser di Maiman un cilindro di rubino, costituito da una struttura cristallina di ossido di alluminio (Al2O3) con inclusioni di cromo, è posto in una cavità risonante costituita da due specchi paralleli, di cui uno parzialmente riflettente, in modo da permettere alla radiazione laser prodotta di uscire dalla cavità. Una lampada a spirale in grado di inviare impulsi luminosi ad alta intensità, scovata da Maiman nei cataloghi dei produttori, è ciò che gli permise di battere Schawlow e i suoi collaboratori ai laboratori Bell, che tentavano invece di ottenere la produzione di luce laser stimolando il mezzo attivo con luce continua.
In questa configurazione gli impulsi luminosi eccitano gli elettroni degli atomi di cromo, portandoli in quello che viene denominato un livello energetico superiore, o eccitato. L’energia così assorbita viene poi spontaneamente rilasciata dagli elettroni, in forma di luce dal caratteristico colore rosso rubino, quando questi tornano al loro livello energetico di partenza. Parte della luce così prodotta viene riflessa avanti e indietro tra i due specchi, stimolando così altre transizioni alla stessa energia, fino a produrre un fascio luminoso intenso, altamente direzionale e quasi perfettamente monocromatico.
Tutta la luce prodotta da un laser è infatti generata alla stessa frequenza, legata al mezzo attivo utilizzato e alle caratteristiche del dispositivo: tale frequenza è pura come quella del suono prodotto da un diapason. La luce laser si propaga prevalentemente in una direzione ben definita con una divergenza estremamente ridotta, tanto che è possibile osservare chiaramente, inviando dalla Terra un segnale laser agli specchi posti sulla Luna dall’Apollo 11, quanto rimane del riflesso proveniente dal nostro satellite. Il campo elettromagnetico associato alla luce prodotta da un laser, inoltre, oscilla in posizioni spaziali diverse con precise relazioni di fase, contrariamente alla luce ordinaria o alla radiazione prodotta da una sorgente termica come una lampadina. È proprio per questa ragione che un fascio laser è in grado di propagarsi senza allargarsi e, al tempo stesso, può essere focalizzato in punti molto piccoli.
Figura 4 – Schema di un laser a rubino. Da Wikipedia.
Oltre al laser a rubino e a quelli a gas già citati, che sfruttano l’eccitazione e la diseccitazione rispettivamente di atomi di cristalli e di miscele di gas, negli anni sono stati introdotti anche i diodi laser, basati sull’eccitazione elettrica di diodi a semiconduttore, dispositivi elettronici che conducono la corrente in una sola direzione. Proposto da Basov e Javan, realizzato per la prima volta da Robert N. Hall nel 1962 in regimi impulsati a quasi -200°C, e finalmente reso funzionante a temperature ordinarie e con emissione continua nel 1970 da Zhores Alferov nell’Unione Sovietica e Izuo Hayashi e Morton Panish ai Bell Labs, il diodo laser e le sue evoluzioni hanno avuto un grande successo tecnologico, rendendo possibile la larghissima diffusione commerciale dei laser: dai lettori CD e DVD fino alle prospettive di interfacce tra i circuiti integrati tradizionali e quelli fotonici, elemento centrale del futuro campo della computazione ottica.
Una soluzione in cerca di un problema
Theodore Maiman e Irnee D’Haenens, uno degli assistenti di Maiman, definirono il laser “una soluzione in cerca di un problema”. Ma se le innumerevoli applicazioni del laser erano in principio ignorate o poco apprezzate, in seguito al successo di Maiman divennero presto evidenti. I laser possono produrre in maniera continua radiazione a una singola frequenza con grandissima precisione. La luce laser costituisce quindi, per esempio, un ottimo standard di riferimento per lunghezze e misure temporali. È infatti così pura da poter essere calibrata perfettamente sulla base delle frequenze di risonanza di atomi e molecole, permettendo la manipolazione delle loro proprietà energetiche fino al punto da fermarne il moto termico a temperature di poco superiori allo zero assoluto. Il perfetto controllo delle caratteristiche della luce laser si estende anche alla sua durata temporale: brevissimi impulsi laser consentono per esempio di analizzare reazioni chimiche e altri processi estremamente rapidi mentre questi avvengono.
Cinquanta anni e più di laser
Maiman caratterizzò ironicamente la potenza del primo laser trovandola dell’ordine di un gillette, unità di misura di sua invenzione, dato che il fascio di luce si rivelò in grado di forare e attraversare una lama da rasoio Gillette. Anche per questa ragione, immediatamente dopo la sua invenzione, il laser entrò attraverso la fantascienza a far parte della cultura popolare. Perfetta incarnazione delle armi a raggi dei racconti pulp e del raggio della morte favoleggiato sin dagli anni Venti, ingenue armi laser comparvero nella serie televisiva Lost in Space(1965-1968) e nel primo episodio di Star Trek (1964). Le armi laser furono però presto abbandonate da quest’ultima in favore della ben più vaga e futuristica tecnologia dei phaser. Gli autori del telefilm previdero, e la storia diede loro ragione, che l’uso dei laser nella serie avrebbe causato problemi in futuro, quando fossero stati più chiari i limiti della recente invenzione. Limiti quasi comicamente ignorati, invece, in Guerre stellari (ma con risultati di grande effetto). Pur se fisicamente e tecnicamente poco plausibile, però, quella che nella versione italiana è universalmente nota come spada laser resta una delle armi più memorabili della storia del cinema o, per citare Obi-Wan Kenobi, “un’arma elegante, per tempi più civilizzati”.
I laser del mondo reale possono essere abbastanza potenti da indurre la fusione nucleare, tanto precisi da sostituire i bisturi nella chirurgia o perfino manipolare oggetti estremamente piccoli come batteri e molecole; così versatili e flessibili da trovare applicazioni nelle tecnologie delle comunicazioni, nella diagnostica per immagini, nel controllo delle reazioni chimiche, nell’industria e, capillarmente, in innumerevoli dispositivi di uso quotidiano. Ma l’ambito in cui il laser ha forse dato e continuerà nel lungo termine a fornire i suoi frutti più importanti è quello della stessa fisica e delle scienze naturali in generale. Il laser, come elemento di base di nuove applicazioni e strumento per ulteriori scoperte scientifiche, ha infatti interessato ogni settore della fisica degli ultimi decenni e rappresenterà certamente la chiave di volta di futuri, interessantissimi sviluppi.
Nel corso dei decenni successivi all’evoluzione da maser a laser, quello che avrebbe potuto essere un perdente – almeno all’anagrafe – si è rivelato, non del tutto inaspettatamente, uno degli sviluppi scientifici e tecnologici dotati delle più ricche e varie applicazioni e ramificazioni in ogni ambito scientifico e non. Quando nel 2005 Gordon Gould morì, con quattro brevetti statunitensi all’attivo, ottantacinquenne e milionario, il termine laser da lui coniato nei suoi taccuini era divenuto ormai da decenni di uso comune. Il L.A.S.E.R., da acronimo modellato su quello dell’ormai assai meno noto maser, nei cinquanta anni successivi alla realizzazione del primo laser a rubino ad opera di Theodore Maiman si è trasformato in una parola di uso comune, segno evidente del vastissimo impatto che ha avuto la sua invenzione nella nostra società.
