20.01.2003

IL LASER

Las1
Come e quando è nato.
Il sistema a biossido di carbonio CO2.
Impieghi ed utilizzi del laser sigillato in insegnistica e, più in generale, per il taglio di materiale in sagoma.

A cura di Nino Fichera
Con la collaborazione tecnica di Roger Zanella, Direttore Generale della Reklam di Annone Veneto e Reponsabile Divisione Macchine CNC della stessa azienda.

Cos'è una sorgente Laser. Come e quando è nata.
Il termine LASER è un acronimo derivato dalla definizione inglese di "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", ovvero amplificazione della luce ottenuta attraverso l'emissione stimolata di radiazione. Ciò significa che i laser sono dispositivi in grado di amplificare la luce in modo tale da produrre fasci luminosi con caratteristiche particolari, capaci di trasportare grandi quantità  di energia. Il principio di funzionamento del Laser è basato sull'attivazione di un processo chiamato Emissione Stimolata; tale processo fu descritto su basi teoriche da Albert Einstein nel 1917. La prima applicazione pratica dell'emissione stimolata porta la firma del fisico statunitense Charles Hard Townes che, nel 1950, iniziò la realizzazione di dispositivi amplificatori che operavano nel campo delle onde radio o delle microonde: tali strumenti, chiamati MASER (Microwave Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), rappresentano i precursori del laser. Nonostante la paternità  della scoperta sia stata reclamata dal fisico statunitense Gordon Gould, il primo dispositivo laser fu brevettato dai fisici, suoi connazionali, Arthur Schawlow e Charles Hard Townes nel 1958. Comunque, si dovettero attendere ancora due anni prima che fosse possibile "osservare" il primo raggio laser; ciò grazie al fisico tedesco Theodore Maiman che nel 1960 costruଠun apparecchio laser usando come materia attiva un cristallo di rubino sintetico. Tre anni più tardi, il fisico statunitense di origine iraniana AlଠJavan realizzò il primo dispositivo laser a gas usando una miscela di elio e neon. Negli anni successivi si impiegarono vari tipi di materie attive facenti parte dei diversi stati della materia, fino ad arrivare all'uso dei più recenti semiconduttori che hanno permesso la messa a punto di strumenti in grado di emettere radiazioni laser che operano nella banda dell'infrarosso con modalità  diverse dai laser a cavità  risonante. Al giorno d'oggi, in base alla materia attiva utilizzata, si distinguono laser a solido, a gas, laser chimici e laser a semiconduttori o diodi.

Quattro parole sul laser a biossido di carbonio (CO2).
L'emissione laser viene dunque ottenuta mediante l'attivazione di un processo definito emissione stimolata di radiazione da parte degli atomi di opportune sostanze chiamate materie attive (in questo caso CO2). Tale processo si realizza in due momenti. Nella prima fase, definita di "eccitazione degli atomi", gli elettroni degli atomi vengono pompati ad un livello energetico superiore; viene cioè fornita loro una certa quantità  di energia (di tipo diverso: elettrica, chimica, luminosa) in modo da eccitarli, da caricarli, da aumentare quindi il loro livello energetico. La seconda fase è chiamata "stimolazione" in questa fase gli stessi atomi vengono stimolati a rilasciare l'energia in precedenza immagazzinata. L'emissione laser si ottiene quando molti elettroni compiono contemporaneamente la stessa transizione energetica; questo succede quando molti atomi della stessa materia attiva vengono eccitati in un piccolo spazio. In tale situazione, il fotone emesso ha altissime probabilità  di entrare in collisione o di interagire con un altro atomo eccitato; queste collisioni ed interazioni producono altri fotoni che sono identici per frequenza, fase, energia e direzione. Nella figura sottostante è riportato l'inizio del processo di emissione stimolata: alcuni fotoni vengono prodotti per emissione spontanea e rimangono racchiusi nello spazio delimitato dagli specchi; gli stessi fotoni, colpendo altri atomi, innescano un meccanismo di emissione di nuovi fotoni (emissione stimolata).

Las2
Il principio costruttivo di una sorgente laser CO2.
Una sorgente laser CO2 è costruita da un tubo cilindrico, chiamato cavità  risonante, in cui viene racchiuso il gas; tale cavità  viene chiusa alle estremità  da due specchi che riflettono verso l'interno i fotoni risultanti dalle transizioni (figura sotto riportata). I fotoni, prodotti per emissione spontanea, iniziano un percorso di oscillazione continua (risonanza) tra gli specchi che li porta a collidere con nuovi atomi ed a liberare quindi nuovi fotoni (emissione stimolata). Il numero di collisioni aumenta fino a che, lungo l'asse del tubo, si viene a creare un flusso continuo di fotoni che producono un fascio molto intenso di luce coerente. La fuoriuscita del fascio luminoso dal tubo avviene in quanto uno dei due specchi è parzialmente riflettente; è in grado cioè di riflettere solo una parte dei fotoni che lo colpiscono e si lascia attraversare dagli altri che, uscendo formano il fascio laser.

Impieghi ed utilizzi del laser a biossido di carbonio (CO2) sigillato. Al giorno d'oggi possiamo certamente affermare che il laser viene utilizzato in diversi settori per svariati impieghi: dal taglio in sagoma di materiali ferrosi (settore industriale), alla marcatura e taglio di materiali plastici (settore dei trasformatori - industria delle materie plastiche). Uno dei punti di forza della tecnologia a Laser Sigillato (utilizzato per esempio dalla ML 1525 della Mà©canumà©ric presentata in Italia dalla Reklam) è, innanzitutto, il costo molto basso di produzione e la possibilità  di taglio di materiali in sagoma tipo: tastiere a membrana, cartoncini, pelli o tessuti. Altra applicazione possibile specifica per queste aziende è la creazione di fustelle grazie anche la possibilità  di regolare il diametro dello spot Laser (ovvero il diametro di fuoriuscita del fascio laser). Grazie a questa possibilità  si può ottenere, infatti, l'incisione parziale o il taglio passante di un basamento in legno (multistrato) - normalmente di spessore 2-3 cm - per l'inserimento di fasce sagomate in acciaio armonico. La regolazione del diametro dello spot laser consente di tagliare e poi inserire delle lamine di acciaio di diverso spessore. Utilizzi ulteriori, che, peraltro, le aziende del settore dell'insegnistica ben conoscono, sono il taglio in sagoma di materiali riflettenti e rifrangenti tipicamente utilizzati per la segnaletica stradale. Il taglio di questi materiali con una tavola Laser, a differenza dell'utilizzo di attrezzature con taglio meccanico, ha un vantaggio: il calore, ovviamente prodotto dal fascio laser durante la lavorazione e il taglio, permette la perfetta sigillatura del materiale tagliato, impedendo infiltrazioni d'acqua all'interno dello stesso. Va infine detto che dimensioni di un gruppo Laser sigillato sono pari ad 1/10 rispetto ai gruppi convenzionali e che è facile da integrare nella struttura della macchina ed è immune agli shock ed alle variazioni di temperature. E' installabile vicino al punto focale con ridottissime perdite di efficienza per la diminuzione degli specchi di rinvio.

Nino Fichera
effenino@tiscali.it

Per maggiori dettagli cliccare su info@reklam.ite formulare per scritto le domande sullo spazio che apparirà .

(questo lavoro potrà  essere consultato anche in futuro cliccando su "abbiamo parlato di" nello spazio di Nino Fichera)

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