Cominciamo da una breve storia legata all’attualità. Negli anni delle missioni Apollo, le comunicazioni tra le navicelle spaziali e la terraferma avvenivano tramite una particolare banda radio compresa tra i 2 e i 4 GHz, ossia nella regione delle microonde (Banda S). I segnali venivano captati tramite antenne paraboliche, che provvedevano pure a inviare le risposte in direzione della capsula. Questo sistema ospitava più canali contemporaneamente: 1) la comunicazione a voce, come la famosa frase di Armstrong al momento di toccare il suolo lunare (gustatevi questo divertente video) e il famosissimo “Houston: abbiamo un problema” di Apollo 13, quella voce un po’ sacrificata in una stretta banda telefonica; 2) la telemetria, ossia lo scambio continuo di dati tecnici tra i dispositivi di bordo e il centro di controllo, e 3) anche un pochino di immagini televisive a una risoluzione che oggi sarebbe inaccettabile, ma intanto c’erano e resteranno nella storia.
Tutto il resto, ossia lo spettacolo delle immagini a colori che sono ancora disponibili negli archivi della Nasa, arrivava dopo il rientro a terra: si sviluppavano i rullini di comuni apparecchi fotografici, e si mandavano in giro i cliché per la stampa sui rotocalchi e nei libri. Questo avveniva a cavallo tra gli anni ’60 e ’70 del secolo scorso. E oggi?
Oggi, con la missione Artemis II, abbiamo potuto godere di immagini a colori ad alta risoluzione anche quando la capsula era alla massima distanza dalla Terra (oltre 400.000 chilometri), grazie a un sistema di comunicazione basato su fasci laser, ossia su una specie di fibra ottica ma senza la fibra. Per la cronaca, il sistema usato si chiama O2O (Orion Artemis II Optical Communications System) ed è in grado di trasmettere segnali digitali codificati alla velocità di 260 megabit al secondo. Perfettamente adatto per video in 4K e immagini ad altissima risoluzione, come quelle che in effetti abbiamo potuto vedere in diretta, oltre ovviamente a consentire collegamenti multicanale con l’equipaggio con qualità superiore alle nostre comuni videocall aziendali, più la telemetria e tutto il bagaglio di comunicazioni tecniche tra i dispositivi.
Ora, la domanda è questa: perché è stato necessario utilizzare fasci di luce – e non più onde radio – per ottenere questi risultati? Un’altra domanda: perché un fascio laser e non un comune raggio luminoso? Le risposte sono tutte nella magia della tecnologia laser, che è il vero argomento di questo articolo.
Ma prima rispondiamo alla prima domanda: perché usare fasci di luce e non onde radio. Il problema sta nella quantità di informazione che un’onda può portare: maggiore la frequenza, più larga sarà la banda che può ospitare. Le onde medie (1Mhz) del secolo scorso portano a malapena un segnale audio un po’ sacrificato; le bande FM (100MHz) ospitano un bel canale HiFi stereo con annessi dati; le microonde (1GHz) possono ospitare decine di canali TV. Dove finiscono le microonde comincia lo spettro infrarosso (da 1THz in su): una singola fibra ottica può ospitare centinaia di canali audio e video, e questo spiega il vantaggio dell’uso di raggi di luce per trasportare l’informazione. Ma torniamo al nostro laser.
Light Amplification by Stimulated Emission Radiation, il cui acronimo è appunto LASER, è in qualche modo un prodotto della tecnologia bellica della seconda Guerra Mondiale. Allora si imparò a utilizzare le microonde, onde radio di lunghezza inferiore ai 30cm, per realizzare il Radar, dispositivo in grado di rivelare oggetti lontani e misurarne la distanza. Padroneggiare le microonde portò nel 1953 alla realizzazione di dispositivi (i MASER) che utilizzano particolari molecole (es. ammoniaca) per generare fasci di onde coerenti. Ciò si ottiene con un meccanismo detto di emissione stimolata: le molecole di una cavità vengono portate a emettere una particolare radiazione tutte contemporaneamente. Si ottengono segnali a banda strettissima, oggi usati negli orologi atomici e in applicazioni astronomiche e industriali. Passando dalle molecole agli atomi si arriva al laser, che emette non microonde ma onde luminose. Stesso principio, cambia solo la lunghezza d’onda della radiazione emessa. Cioè cambia tutto.
In ottica “banda strettissima” significa luce monocromatica, ossia un solo colore purissimo. Prima ci si riusciva utilizzando lampade e filtri: col laser è la norma. Il colore della luce emessa dipende solo dalla sostanza (miscele di gas, cristalli o semiconduttori) usata per generare il fascio.
Il principio fisico si basa sulla fisica quantistica. Un atomo può venire “eccitato” se riceve un particolare impulso di energia, e poi in genere “decade” spontaneamente emettendo a sua volta energia sotto forma di luce. È il principio della fluorescenza e di altri fenomeni a cui si assiste quotidianamente. Esistono però dei livelli di eccitazione chiamati “metastabili” nei quali un atomo eccitato si può trattenere più del normale. Quando si trova in quella fase “di attesa” può essere stimolato a decadere se riceve un impulso di radiazione (fotone) uguale a quello che può emettere. In pratica risponde alla stimolazione emettendo un fotone esattamente identico a quello che l’ha provocata: stessa lunghezza d’onda, stessa polarizzazione, stessa identica fase, stessa direzione. Immaginiamo un tubo, “caricato” di atomi in quello stato di eccitazione metastabile, e stimoliamoli in qualche modo partendo da un’estremità: ogni fotone emesso che incontra un atomo lo fa decadere, generando un nuovo fotone che a sua volta può incontrare altri atomi e così moltiplicare “a valanga” l’effetto descritto. Si avrà in uscita dal tubo un fascio di luce coerente (tutti i fotoni hanno la stessa fase), monocromatica (tutti i fotoni hanno la stessa lunghezza d’onda), collimata (tutti i fotoni viaggiano nella stessa direzione). Un fascio che può attraversare la distanza terra-luna senza disperdersi.
(Chiediamo scusa ai fisici e ai tecnologi per questa spiegazione estremamente semplificata, ma ci interessava far capire il principio, non insegnare al lettore a progettarsi un suo laser).
Avrete tutti presenti i “puntatori laser” che si usano nelle conferenze per indicare i vari punti delle immagini proiettate, o anche quei puntini rossi che si vedono nei film per segnare i bersagli di fucili di precisione. Non si potrebbe mai utilizzare una comune lampadina per ottenere quell’effetto, dato che la luce emessa da qualunque sorgente tende a propagarsi in tutte le direzioni. Anche la luce del sole si propaga democraticamente in tutte le direzioni. Col laser, no. I fotoni emessi sono tutti disciplinati e copiano con precisione le caratteristiche del fotone che ha causato la prima emissione.
Dall’invenzione del laser nel 1960 a oggi lo sviluppo della tecnologia è stato tremendo. Già nel 1969 era possibile – per ritornare un istante sulla luna – mandare un impulso laser di grande potenza verso il nostro satellite, raccogliere l’eco fornita da appositi specchi lasciati lì dall’equipaggio dell’Apollo 11, e misurare la distanza terra-luna con precisione centimetrica, e la velocità di spostamento della luna con simile accuratezza. Quell’applicazione si chiama radar ottico e viene tristemente sperimentata dagli automobilisti soggetti ai controlli dell'”autovelox”.
Ma il bello è che si è imparato a costruire laser con qualunque cosa e su qualunque lunghezza d’onda, e a ottenere fasci dal continuo all’impulso strettissimo: fasci continui estremamente energetici per usi industriali, tagli di precisione e simili; fasci impulsati fino al picosecondo per delicatissime operazioni chirurgiche agli occhi; fasci focalizzati su superfici microscopiche per realizzare le memorie ottiche, che sono la base dei compact disk e di tutta la famiglia a seguire; fasci modulati con segnali digitali da inviare nelle fibre ottiche che collegano tra loro tutti i computer del mondo; fasci laser rasterizzati per realizzare le scansioni di oggetti e persone; fasci utilizzati per realizzare gli ologrammi, quelle foto tridimensionali che adesso si trovano anche su carte di credito e banconote; fasci colorati usati per divertimento nelle feste di paese, nei concerti e nelle discoteche; laser da taglio si trovano a prezzi economici e si possono utilizzare in casa per fustelle e incisioni; fasci laser che depilano, che cancellano i tatuaggi, che spingono le sonde spaziali (la cosiddetta propulsione fotonica che un tempo era solo fantascienza). E poi tanta strumentazione professionale: geodimetri laser, livelle da cantiere, misuratori di distanze e di volumi, sensori per il parcheggio automatico delle vetture e per la guida senza conducente, e così via per un elenco sterminato delle applicazioni del Magico Laser.
E… qualcuno potrebbe chiedere, nessun raggio della morte? Nei film di James Bond degli anni ’60 alcuni grossi laser servivano anche a quello: a distruggere oggetti e veicoli a distanza e ad affettare corpi umani come burro, come mostra il fotogramma sotto il titolo, tratto da Goldfinger. Tutto plausibile, ma di difficile applicazione, tant’è vero che ancora oggi non si sente parlare di guerre condotte con fucili laser o con le bellissime spade di Guerre Stellari. Tuttavia il laser è un’arma e può creare danni notevoli a chi lo utilizza senza le dovute precauzioni o a chi si trova nel raggio d’azione di un laser di potenza. Il fascio di luce emesso da un comune laser tascabile per puntamento è già in grado di causare cecità temporanea, e stiamo parlando di potenze minime. Anche i piccolissimi laser contenuti nei lettori di dvd possono causare danni all’occhio di un operatore incauto che tentasse di capirci qualcosa guardando dentro. Terribili ustioni possono essere causate dai laser di potenza e così via. Meglio stare alla larga.
Per inciso, vale la pena accennare a una tecnologia che è arrivata subito dopo il laser, ma che oggi è diventata pervasiva: quella dei diodi emettitori di luce (LED). Il funzionamento è simile a quello del laser a semiconduttore, ma l’emissione è spontanea, quindi la luce emessa, pur essendo monocromatica, non ha le caratteristiche dei fasci laser. Usati come lucette spia per oltre trent’anni, i LED si trovavano in commercio in vari colori: rosso, giallo, verde, ma non blu. Vi ricorderete anche i display rossi delle calcolatrici tascabili, realizzati con diodi led.
La ricerca del led blu impegnerà laboratori di tutto il mondo per alcuni decenni, e nel frattempo si imparò a realizzare dispositivi sempre più efficienti anche negli altri colori. Quando arrivò anche un blu intenso e commerciabile – invenzione da premio Nobel – fu finalmente possibile realizzare i sistemi RGB (rosso-giallo-blu) che sono alla base degli schermi dei televisori, dei computer e degli smartphone, e – cosa non da poco – rivoluzionare tutti i sistemi di illuminazione mandando in pensione la vecchia lampadina a incandescenza. Ma di questo parleremo diffusamente un’altra volta.
Zer037, aprile 2026