Alla base della fisica del laser ci sono gli importanti studi fatti da Max Planck, Niels Bohr e Albert Einstein all'inizio del secolo scorso.Max Planck (1900) fu il primo a teorizzare, in antitesi con la teoria elettromagnetica classica, che gli scambi di energia nei fenomeni di assorbimento ed emissione avvenissero in forma discontinua. A lui si deve l'equazione che mette in relazione l'energia alla frequenza di oscillazione (e quindi indirettamente alla lunghezza d'onda) secondo una costante universale: E= hν dove E è l'energia, h la costante di Planck, pari a 6,626·10 -34 J·s, e ν è la frequenza.Sua è anche la teoria dei quanti secondo la quale l'energia raggiante può esistere soltanto sotto forma di pacchetti discreti, finiti, indivisibili definiti appunto quanti di luce.A Niels Bohr (1913) dobbiamo invece la definizione di un modello atomico coerente con la teoria quantistica: egli infatti estese la teoria di Planck alla descrizione dell'energia meccanica degli elettroni all'interno di un atomo, riuscendo a calcolare le energie di vari stati quantici discreti (cioè livelli energetici) di elettroni atomici (40) .Come già detto in precedenza, Albert Einstein intuì il fenomeno dell'emissione stimolata. Secondo tale teoria, una radiazione, oltre ad essere assorbita da una molecola diseccitata, può stimolare una molecola già eccitata a diseccitarsi, restituendo l'energia al campo elettromagnetico tramite nuova radiazione.Secondo il ragionamento di Einstein, la probabilità di emissione stimolata cresce con il numero di molecole eccitate mentre quella di assorbimento è proporzionale al numero di molecole nello stato fondamentale; quindi l'assorbimento è di gran lunga più probabile dell'emissione stimolata, che di fatto non è macroscopicamente apprezzabile.Einstein utilizzò il termine "quanti di luce" per identificare i pacchetti di energia connessi alla luce e più tardi definiti come fotoni.Analizzando questi fondamentali concetti, possiamo affermare quanto segue.tutta la materia è costituita da atomi: ciascun atomo contiene nel proprio nucleo protoni carichi positivamente e neutroni con carica neutra, mentre elettroni carichi negativamente circolano attorno al nucleo descrivendo delle orbite. Gli elettroni possono occupare solo stati con valori discreti di energia, detti livelli energetici, identificati con n o numero quantico principale. Procedendo dal nucleo verso l'esterno ci sono raggi orbitali via via maggiori, ma energie di legame minori; normalmente gli elettroni si trovano nello stato fondamentale, cioè nel livello energetico più basso di un atomo e quindi nella situazione di maggior stabilità. Quando viene fornito loro un surplus di energia, gli elettroni raggiungono uno stato eccitato, quindi un livello energetico superiore, passando in orbite più esterne ed instabili. Proprio l'instabilità degli elettroni fa si che presto essi ritornino alla loro posizione originaria nello stato fondamentale, con l'emissione spontanea di un fotone di frequenza data dalla legge di Planck. Gli atomi agiscono indipendentemente tra loro emettendo fotoni sfasati in direzioni casuali, quindi non coerenti. Le transizioni del livello fondamentale n1 costituiscono la cosiddetta "serie di Lyman" caratterizzata da righe nella zona dell'ultravioletto, quelle di n2 la "serie di Balmer" con righe nella zona del visibile, quelle di n3 la "serie di Paschen" con righe nella zona dell'infrarosso e quelle di n4 e n5 rispettivamente la "serie di Brackett" e la "serie di Pfund" con righe nella zona del lontano infrarosso. Il rientro di un elettrone al suo stato fondamentale può avvenire in un unico salto o in più salti energetici che corrispondono alle righe dello spettro di emissione; nell'emissione stimolata un primo fotone incidente della lunghezza d'onda voluta (pari al salto di livello che si vuole far effettuare all'elettrone) è in grado di forzare un elettrone eccitato a ritornare al suo livello fondamentale, portando all'emissione di un secondo fotone con la stessa energia del primo e coerente con esso, cioè con stessa fase, direzione e verso. Le due onde sono poi in grado di proseguire e, se incontrano altri atomi allo stato eccitato, causare altre diseccitazioni che si propagano con un meccanismo a catena quasi simultaneo, creando un unico fascio di fotoni coerenti (41) . Proprio da questo meccanismo a cascata è nato l'acronimo LASER, cioè amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione; Figura 5.2. L'emissione stimolata. I fotoni in uscita sono tutti in fase tra loro e hanno la stessa direzione dei fotoni che hanno provocato il diseccitamento.per ottenere un'emissione stimolata è necessario effettuare il "pompaggio", ovvero portare gli atomi dallo stato normale ad uno metastabile, ottenendo la cosiddetta inversione di popolazione. Lo stato metastabile della popolazione di elettroni permette di intervenire bombardando con fotoni tali da innescare le diseccitazioni e quindi il fascio coerente. Più che utilizzare singoli livelli energetici si tende ad utilizzare bande eccitate, perché è più semplice in questo modo ottenere un preciso bombardamento e una facile inversione di popolazione. L'emissione laser è luce, quindi una radiazione elettromagnetica, caratterizzata da lunghezza d'onda, misurata in nanometri, e frequenza di oscillazione al secondo, quantificata in Hertz. Essa è rappresentata con il grafico della sinusoide. L'emissione determinata da un apparecchio laser ha però delle peculiarità:monocromaticità, cioè un solo colore, determinato da una ben precisa frequenza e lunghezza d'onda;coerenza spaziale e temporale, determinata dal fatto che tutte lo onde sono in fase: tutti i fotoni nella stessa onda, in qualsiasi istante, vengono prodotti e si propagano in perfetta sincronia tra loro; -direzionalità o collimazione del fascio, cioè il raggio ha una divergenza minima, rimanendo pressoché parallelo per grandi distanze; -brillanza, cioè si ha una elevata densità di energia se la radiazione elettromagnetica si propaga in uno spazio piccolissimo, in virtù della coerenza e della collimazione (41) .Per ottenere una radiazione con queste caratteristiche sono necessari alcuni elementi fondamentali (Figura 5.4) (42) . Il mezzo attivo, solido, liquido o gassoso, è il materiale che fornisce gli atomi da eccitare e che subiscono l'inversione di popolazione; esso determina la lunghezza d'onda specifica della luce a cui emette il laser e quindi le sue caratteristiche di interazione con i tessuti. Il sistema di pompaggio è la modalità con cui viene eccitato il materiale attivo, ossia la fonte energetica esterna che incidendo sull'elemento attivo stimola gli atomi ad emettere fotoni; l'unità di pompaggio è posta all'interno della cavità o risonatore ottico, costituita da due specchi piani e paralleli tra loro (di cui uno completamente riflettente e l'altro solo semiriflettente), tra i quali è posto il mezzo attivo. I fotoni vengono riflessi da uno specchio all'altro sino a quando il raggio risultante raggiunge un stabilità energetica tale da riuscire ad attraversare quello, dei due specchi, che risulta essere semipermeabile ai fotoni. La cavità ottica seleziona una ben precisa direzione e permette ai fotoni di stimolare più volte il mezzo attivo, amplificando il processo. I fotoni che infine vengono emessi saranno convogliati al bersaglio attraverso vari sistemi di distribuzione: lenti fisse e specchi, braccio articolato, guida d'onda cava, manipoli oppure fibra ottica. Quest'ultima è il sistema di conduzione in assoluto più flessibile e di facile uso ed è formato da due componenti peculiari: un nucleo (o core) interno, dove si propaga la radiazione luminosa, e un mantello, costituito da un materiale refrattario con un indice di rifrazione molto minore e pertanto in grado di ridurre al minimo qualsiasi tipo di dispersione di energia. Più esternamente si trova di solito anche un rivestimento protettivo in PVC. 