La parola LASER sta per Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni) e il primo laser in assoluto fu costruito nel 1960 da Theodore H. Maiman, un ingegnere e fisico americano che ricevette numerosi premi per la sua invenzione. Tuttavia, fu Elias Snitzer che, nel 1961, dimostrò il primo fibra ottica e fibra . Da allora, la tecnologia fibra si è evoluta fino a comprendere una varietà di usi in molti campi, tra cui l'industria, la medicina e le telecomunicazioni.
In primo luogo, i diodi laser alimentati da una fonte di energia trasformano l'elettricità in fotoni. Quindi, fondamentalmente creano luce che viene poi pompata in un cavo fibra.
Ma se non viene controllata da un meccanismo specifico, la luce si diffonde in tutte le direzioni, mentre abbiamo visto quanto sia stretto e focalizzato un raggio laser. Ci arriveremo, ma prima dobbiamo capire come la luce viaggia attraverso il cavo fibra .
Quando si pensa alla rifrazione, solitamente si immagina la luce che entra dall'aria nel vetro o nell'acqua e cambia il suo angolo. Ciò accade perché sia il vetro che l'acqua sono più densi dell'aria e hanno indici di rifrazione più elevati, quindi la luce viaggia più lentamente quando li attraversa. Questo cambiamento di velocità è ciò che causa il cambiamento di angolo. Quando la luce esce dal mezzo più denso e torna nell'aria, acquista velocità e l'angolo torna al suo grado originale, come si vede nell'immagine:
Ma cosa c'entra la rifrazione con il nostro cavo fibra ? Non vogliamo che la luce attraversi il rivestimento e fuoriesca con un angolo diverso. Vogliamo che rimanga all'interno del nucleo.
Qui entriamo un po' nel campo della fisica. Secondo la legge della rifrazione (legge di Snell), esiste un concetto chiamato "angolo critico". L'angolo critico è l'angolo di incidenza massimo per cui la rifrazione può ancora verificarsi in un determinato mezzo. Quindi, la luce si rifrangerà solo finché l'angolo di incidenza (l'angolo con cui la luce colpisce il rivestimento) sarà inferiore all'angolo critico.
Se l'angolo di incidenza supera l'angolo critico, il raggio luminoso si piegherà così tanto da provocare un fenomeno chiamato "riflessione interna totale". La riflessione interna totale significa che la luce rimbalza nel primo mezzo (il nucleo), che è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno. L'immagine 4 nel diagramma sottostante mostra la riflessione interna totale:
Senza il rivestimento, la luce si propagherebbe in tutte le direzioni e uscirebbe dal nucleo. Grazie al basso indice di rifrazione del rivestimento, all'alto indice di rifrazione del nucleo e alla larghezza ridotta del cavo, la luce colpisce il rivestimento con un angolo superiore all'angolo critico e rimbalza ripetutamente, propagandosi attraverso la fibra ottica.
Ricordate che LASER è l'acronimo di "Light Amplification" (amplificazione della luce), ottenuta tramite "Stimulated Emission" (emissione stimolata)? Approfondiamo il modo in cui si ottiene l'amplificazione.
Come abbiamo detto prima, il nucleo fibraè rivestito con l'elemento raro itterbio. In fisica, questa fibra è chiamata "drogata". Quando le particelle di questa fibra drogata fibra con la luce (fotoni), i loro elettroni vengono eccitati, il che significa che salgono a un livello energetico più alto. Alla fine, gli elettroni ritornano al loro livello originale, ma poiché l'energia non viene mai persa, quando scendono rilasciano energia sotto forma di fotoni, producendo così più luce (o amplificandola).
Ma l'amplificazione della luce non si ferma qui. Il fibra è dotato anche di "fibra Gratings" (FBG), che, in termini semplici, sono una serie di specchi disposti a intervalli regolari che riflettono i fotoni avanti e indietro.
La maggior parte delle lunghezze d'onda della luce viene lasciata passare attraverso i reticoli, ma una specifica lunghezza d'onda viene riflessa. Quindi, ora abbiamo questi fotoni riflessi che si uniscono al flusso costante di fotoni pompati dai diodi nella sorgente. Il numero maggiore di fotoni colpisce tutte le particelle eccitate creando ancora PIÙ fotoni per un'amplificazione esponenziale della luce. Come risultato di questa emissione stimolata, viene creato il raggio laser.
Per generare questo fascio ultra-focalizzato per cui i laser sono famosi, è necessaria una lente collimatrice. La collimazione è il processo di allineamento della luce in modo che i suoi raggi siano paralleli e abbiano una diffusione minima. A seconda della lente, il fascio collimato può essere calibrato su un diametro specifico e focalizzato su un punto specifico. Questo fascio super focalizzato esce quindi dalla fibra aperta ed entra in contatto con la lamiera, tagliandola con eccezionale precisione.
Ogni tipo di fibra genera un raggio di una sola lunghezza d'onda specifica, a seconda dell'elemento che determina le proprietà del nucleo. Per questo motivo, la luce laser visibile è monocromatica e può essere blu, verde o rossa. Tuttavia, fibra drogati con itterbio, come quelli utilizzati per il taglio dei metalli, generano una lunghezza d'onda compresa tra 1000 e 1100 nanometri, rendendoli quasi infrarossi e, quindi, invisibili all'occhio umano. Quindi, quando si taglia il metallo con un fibra , l'unica luce che l'occhio può vedere è quella delle scintille create dal laser quando entra in contatto con il metallo.
