
Il laser (acronimo dell'inglese «light amplification by stimulated emission of radiation», in italiano "amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione") è un dispositivo optoelettronico in grado di emettere un fascio di luce coerente. Il termine si riferisce oltre che al dispositivo anche al fenomeno fisico dell'amplificazione per emissione stimolata di un'onda elettromagnetica. 
Nel 1917 Albert Einstein formulò le basi teoriche del laser e del maser nell'articolo "Zur Quantentheorie der Strahlung" (sulla teoria quantistica delle radiazioni) attraverso una riderivazione delle leggi sulla radiazione di Max Planck. Nel 1928 Rudolf W. Ladenburg dimostrò l'esistenza dell'emissione stimolata e dell'assorbimento negativo. Nel 1939, Valentin A. Fabrikant predisse l'uso dell'emissione stimolata per amplificare onde corte. Nel 1947, Willis E. Lamb and R. C. Retherford effettuarono la prima dimostrazione dell'emissione stimolata. Nel 1950 Alfred Kastler (vincitore del Nobel per la fisica nel 1966) propose il metodo per il pompaggio ottico confermato sperimentalmente due anni dopo da Brossel, Kastler e Winter.
Il primo maser venne costruito da Charles Hard Townes, J. P. Gordon, e H. J. Zeiger alla Columbia University nel 1953. L'apparecchio era simile ad un laser, ma concentrava energia elettromagnetica in un campo di frequenza notevolmente inferiore: utilizzava infatti l'emissione stimolata per produrre l'amplificazione delle microonde invece che di onde infrarosse o visibili. Il maser di Townes poteva erogare solo una minima potenza, circa 10 nW, ma Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov risolsero il problema teorizzando e sviluppando un "metodo di pompaggio" con più di due livelli di energia. Charles H. Townes, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov ricevettero il nobel per la fisica nel 1964, ""per il lavoro fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio maser-laser.""
La paternità dell'invenzione del laser non è stata attribuita con certezza ed il laser è stato oggetto di un trentennale contenzioso brevettuale.
Il 16 maggio 1960, Theodore H. Maiman azionò il primo laser funzionante a Malibù in California presso i laboratori della Hughes Research. Era un laser a stato solido che sfruttava il cristallo di rubino in grado di produrre un raggio laser rosso con una lunghezza d'onda di 694 nm. Sempre nel 1960 Ali Javan, William R. Bennett e Donald Herriott costruirono il primo laser utilizzando l'elio ed il neon, definito maser ottico a gas, in grado di produrre un raggio infrarosso. Nel 1963 K. Patel dei Bell Laboratories mette a punto il laser ad anidride carbonica. Tre anni prima Gordon Gould, che aveva incontrato e discusso con Townes, si era annotato vari appunti sull'utilizzo ottico dei maser e sull'utilizzo di un risonatore aperto, dettaglio poi successivamente comune in molti laser. Ritenendosi inventore del laser, Gordon Gould aveva depositato presso un notaio i suoi appunti, ma nel contenzioso legale che ne nacque, non gli venne riconosciuta dall'ufficio brevetti la paternità dall'invenzione. Nel 1971 Izuo Hayashi e Morton B. Panish dei Bell Laboratories disegnano il primo laser a semiconduttori (diodo laser) in grado di operare in continua a temperatura ambiente. Nel 1977 viene attribuito un brevetto per il "pompaggio ottico" a Gordon Gould e nel 1979 un brevetto descrive una grande varietà di applicazioni del laser, incluso riscaldamento e vaporizzazione dei materiali, saldatura, foratura, taglio, misurazione delle distanze, sistemi di comunicazione, sistemi di fotocopiatura oltre a varie applicazioni fotochimiche. Anche se non è mai stata attribuita a Gordon Gould l'invenzione del laser, per i suoi brevetti successivi, ha incassato, da chi ha sviluppato sistemi laser per applicazioni o con soluzioni da lui inventate, royalties milionarie.
La coerenza spaziale e temporale del raggio laser è correlata alle sue principali proprietà: 
L'emissione unidirezionale e coerente comporta la possibilità di raggiungere una irradianza o densità di potenza elevatissima a paragone di quella delle sorgenti luminose tradizionali.
Queste proprietà sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continuano ad avere nei campi più disparati:
Il laser è essenzialmente composto da 3 parti:
Nel laser si sfrutta il mezzo attivo, il quale possiede la capacità di emettere radiazioni elettromagnetiche (fotoni) quando attivato. Dal mezzo attivo dipende la lunghezza d'onda dell'emissione. Il mezzo attivo può essere gassoso (ad esempio anidride carbonica, miscela di elio e neon, ecc..), liquido (solventi, come metanolo, etanolo o glicole etilenico, a cui sono aggiunti coloranti chimici come cumarina, rodamina e fluoresceina) o solido (rubino, neodimio, semiconduttori ecc...). Il sistema di pompaggio fornisce energia al mezzo attivo portandolo all'eccitazione con emissione di fotoni. L'eccitazione può avvenire tramite:
Le radiazioni emesse vengono normalmente concentrate attraverso una cavità ottica con pareti interne riflettenti, ed una zona di uscita semiriflettente. Questa ultima superficie è l'unica che permette la fuoriuscita del raggio, il quale viene successivamente lavorato e riposizionato attraverso una serie di lenti e specchi per far sì che il raggio risultante abbia la posizione, concentrazione nonché ampiezza desiderate.
Come dice la stessa sigla (LASER → Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), la radiazione laser proviene dal processo di emissione stimolata:
Normalmente la luce che attraversa un materiale viene assorbita dal materiale stesso man mano che avanza, cioè cede energia agli atomi che incontra, eccitandoli, perché li trova in uno stato energetico "basso". Se però interveniamo eccitando gli atomi del materiale con una fonte di energia esterna, allora secondo l'analisi di Einstein le probabilità che avvengano l'emissione stimolata e l'assorbimento sono date dalla percentuale di atomi eccitati a fronte di quella di atomi nello stato energetico base:
dove B è il coefficiente di Einstein, N è la popolazione dello stato a energia E e N è la popolazione dello stato a energia E; (E > E); ρ(ν) è la densità del campo di radiazione alla frequenza ν = (E - E)/h; Da questo si vede che se riusciamo a ottenere una inversione di popolazione, cioè se ci sono più atomi eccitati che atomi normali, la luce che attraversa il materiale "guadagnerà potenza" invece di perderla: cioè verrà amplificata dall'emissione stimolata degli atomi.
In condizioni di equilibrio N è sempre maggiore di N (perché le popolazioni dei due livelli sono descritte dalla distribuzione di Boltzmann formula_1, da notare l'esponente negativo) e quindi per ottenere prevalenza dell'emissione stimolata è necessario mantenere il sistema lontano dall'equilibrio, attuando l'inversione di popolazione.
La stimolazione o pompaggio di un laser può avvenire otticamente o elettricamente. La stimolazione ottica può essere effettuata da una lampada che avvolge il materiale attivo il tutto all'interno di uno specchio. In alternativa si può utilizzare una lampada lineare, ma il materiale attivo e la lampada devono essere posti nei fuochi di uno specchio ellittico in modo da far convergere tutti i raggi luminosi sul materiale attivo. La stimolazione elettrica invece avviene mediante l'applicazione di una differenza di potenziale ed è applicabile solo a materiali conduttori come, ad esempio, vapori di metalli.
I laser sono classificati in funzione del pericolo per la salute umana. La classificazione viene effettuata dal produttore secondo le norme IEC 60825 armonizzate nell'unione europea con le norme Cenelec EN 60825-1. Prima del 2007 i laser erano classificati in 5 classi (1,2,3a,3b,4) dipendenti dalla potenza e dalla lunghezza d'onda, considerando che le emissioni nella banda del visibile erano considerate meno pericolose grazie al riflesso palpebrale. Le norme attualmente in vigore dividono i laser in 7 classi, introducendo i parametri di:
La attuale classificazione introduce 2 classi M (M per magnificazione) a significare che il rischio è diverso se si utilizzano lenti, binocoli o strumenti ottici in grado di focalizzare sulla cornea il fascio laser. La classificazione attuale considera inoltre il limite massimo di emissione accessibile in funzione della durata della esposizione considerando il rischio connesso alla esposizione a impulsi o treni di impulsi ad alta potenza ma di durata molto breve.
Alcune ricerche hanno rilevato come l'esistenza del riflesso palpebrale per proteggere gli occhi non può essere assunto come regola.
L'ordinanza 16 luglio 1998 pubblicata nella Gazzetta Ufficiale n. 167 del 20 luglio 1998 vieta, su tutto il territorio nazionale, la commercializzazione di puntatori laser o di oggetti con funzione di puntatori laser di classe pari o superiore a 3 (>1 mW), secondo la norma CEI EN 60825. L'ordinanza redatta quando erano in vigore le vecchie norme tecniche e classificazioni dei dispositivi laser, viene applicata vista l'analogia nella classificazione di rischio tra la vecchia e nuova normativa tecnica.
In relazione all'uso a cui è destinato, spesso è necessario poter disporre di un laser che, piuttosto che produrre una emissione continua di radiazione di una data lunghezza d'onda, produca invece brevi impulsi di intensità elevata. Per ottenere tale genere di laser si ricorre al Q-switching e al Mode-locking.
Il Q-switching è una tecnica che prende nome dal fattore Q, un parametro che esprime la qualità delle cavità risonanti, e permette di ottenere laser con impulsi dell'ordine dei nanosecondi (10 s). Il principio sfruttato, in pratica, consiste nell'inficiare momentaneamente l'effetto delle cavità con il risultato di ottenere una concentrazione di energia in un ristretto intervallo di tempo.
Il mode-locking è una tecnica grazie alla quale, modulando opportunamente le onde che pervengono nelle cavità risonanti, è possibile ottenere una intensa interferenza costruttiva con produzione di un raggio laser molto intenso a impulsi dell'ordine del picosecondo (10 s) e del femtosecondo (10 s).
Successivamente alla sua invenzione nel 1960, il laser è stato usato diffusamente per scopi medici. La funzione e risposta terapeutica dipendono in maniera complessa dalla scelta della lunghezza d'onda, dalla durata di irradiazione e dalla potenza del laser. Combinazioni diverse di questi parametri sono impiegate per trasformare l'energia luminosa in energia meccanica, termica o chimica. Generalmente gli effetti meccanici sono prodotti dall'applicazione di brevi impulsi (dell'ordine dei nanosecondi) ed alte energie.
In questo modo onde di stress meccanico possono essere prodotte con sufficiente forza per disintegrare calcoli urinari. Gli effetti termici si ottengono in funzione della energia assorbita dai diversi tessuti. Brevi impulsi laser vengono usati per ablare sottili strati di tessuto in chirurgia rifrattiva, utilizzando luce laser che penetra solo alcuni micrometri nel tessuto. La lunghezza d'onda della luce laser può essere scelta in modo tale che la luce sia assorbita selettivamente dal bersaglio. La coagulazione selettiva delle vene varicose in chirurgia estetica può essere compiuta usando una lunghezza d'onda assorbita selettivamente dall'emoglobina. L'impulso è scelto allora sufficientemente breve così da non arrecare danno al tessuto normale circostante, ma anche lungo a sufficienza da permettere la coagulazione sull'intero diametro del vaso. Con la criolaserforesi si sfrutta la permeazione della barriera cutanea per favorire la l'immissione di principi attivi per via cutanea.
Un altro importante uso medico del laser consiste nella correzione dei difetti refrattivi: miopia, astigmatismo e ipermetropia. In tutti questi casi il profilo della cornea - la superficie oculare trasparente - viene 'modellato' con varie tecniche (PRK e LASIK). Infatti, la cornea funziona come una lente naturale: modificandone la curvatura si varia il fuoco (il punto in cui i raggi luminosi convergono) e si può fare in modo che le immagini arrivino nitide sulla retina.
È importante sottolineare tuttavia che, quando ci si opera con il laser, il difetto visivo si corregge ma non si elimina: a livello organico un occhio miope, in quanto più lungo del normale in senso antero-posteriore, rimane della medesima lunghezza, ma questo difetto viene compensato da una correzione artificiale (è un po' come se si portassero delle lenti a contatto naturali permanenti). Anche se l'intervento generalmente ha buon esito, come tutti gli interventi chirurgici non può raggiungere il 100% dei successi. Ciò significa che talvolta può essere necessario portare ancora occhiali o lenti a contatto, sebbene di gradazione inferiore. L'eventuale insuccesso in genere non dipende tanto da un'imprecisione del macchinario, quanto piuttosto dal fatto che la cornea del paziente ha una cicatrizzazione anomala. 
L'intervento ha successo in più del 90% dei casi; non può provocare cecità incurabile; spesso si può rinunciare agli occhiali o alle lenti a contatto. In alcuni casi è necessario un secondo intervento. Arrivati alla quarta generazione di macchinari attuale, gli "effetti collaterali" sono: sensazione di corpo estraneo (da secchezza degli occhi), fastidi alla visione notturna, fotofobia, sdoppiamento delle immagini da astigmatismo, aloni, bruciore nei locali chiusi, occhi frequentemente arrossati. Le complicanze possono essere gravi in rari casi, tanto da impedire la guida notturna o il lavoro in ambienti a forte luminosità. Le complicazioni possono manifestarsi fin dai primi giorni dopo l'intervento e possono aggravarsi con gli anni. Se il trattamento è stato intenso per correggere forti difetti di vista e il lembo da rimuovere per l'incisione laser è cicatrizzato definitivamente, oppure se l'operatore del laser ha commesso errori nel sollevare e riporre il lembo superficiale della cornea, il danno è permanente. Talora, per rimediare a un intervento laser errato, è necessario ricorrere al trapianto di cornea.
Il laser retinico viene usato generalmente per cicatrizzare zone di retina malata, al fine di eliminarle o di fissare meglio la retina sana intorno a zone patologiche. L'obiettivo è quello di ottenere delle cicatrici che rinforzino l'adesione della retina agli strati sottostanti (la retina è simile alla pellicola di una macchina fotografica tradizionale su cui si imprimono le immagini). Per l'operazione si può impiegare un tipo particolare di strumento, l'"argon laser", il cui fascio luminoso con lunghezza d'onda dell'ordine dei 488 nm e 514 nm comporta un maggiore riscaldando superficiale dei tessuti ricchi di cromofori. Il forte riscaldamento provoca un'infiammazione a cui segue una risposta cicatriziale.
L'utilizzo del laser sulla superficie cutanea può avere finalità dermatologiche o estetiche.
Le lesioni vascolari superficiali (spider venosi, teleangectasie, emangiomi ecc. ) possono essere trattate con sorgenti laser che emettono a lunghezze d'onda che possono essere assorbite selettivamente dall'emoglobina e ossiemoglobina più che dai tessuti circostanti. Sono utilizzati laser KTP o "potassium titanyl phosphate " (532 nm), PDL o "pulsed dye"(585–595 nm), alessandrite (755 nm), diodici (800–810, 940 nm), Nd-YAG (1060 nm) a seconda della lesione vascolare da trattare. I primi 2 modelli sono preferiti nel trattamento di vasi di diametro inferiore al millimetro mentre gli ultimi tre modelli possono essere preferiti per lesioni di dimensioni superiori.
Il laser può essere utilizzato con funzione ablativa, quasi o non ablativa sulle lesioni cutanee che comportano una produzione irregolare di collagene.
I più comuni ablativi sono il laser CO (10600 nm) ed il laser erbio o Er-YAG (2640 nm). In origine è stato utilizzato anche il laser PDL (585 nm). Non ablativi o quasi ablativi invece le tecnologie a impulsi del laser Nd-YAG (1060 nm) e diodico (1450 nm). Recentemente è stata introdotta anche la tecnologia del laser frazionale (FRAXEL) .
Approccio analogo è stato sperimentato anche su cicatrici atrofiche da acne e strie distense.
Melasma, discromie cutanee, macchie iperpigmentate ma anche rimozione tatuaggi sono l'obiettivo di vari trattamenti con laser.
Si tende ad utilizzare laser ad impulso molto breve, normalmente con tecnologia Q-switching. Impulsi brevi o molto brevi comportano una pari efficacia ma un rischio minore di cicatrici e iperpigmentazioni rispetto a fluenze continue.
Sono privilegiati laser con impulsi da 10 a 300 ms che emettono nella lunghezze d'onda dove maggiore è la differenza relativa di assorbimento della luce della melanina del pelo rispetto all'emoglobina (circa da 650 a 1050 nm) e melanina della pelle. I più diffusi sono laser diodici (808 nm) in grado di erogare da 10 a 60 J/cm.
La tecnica corrente, chiamata dall'inglese "resurfacing", prevede un insulto termico prodotto dal laser che comporta la rimozione degli strati più superficiali che vengono sostituiti nel giro di poche settimane da strati completamente nuovi, dove normalmente sono meno evidenti i segni dell'invecchiamento. Il trattamento introdotto attorno al 1995 con laser CO ablativi ha visto l'utilizzo anche di laser Er-YAG, Nd-YAG e più recentemente di laser FRAXEL e laser non ablativi per ridurre il rischio cicatrici e discromie.
Il trattamento laser delle emorroidi con tecnica HeLP ("Hemorrhoidal Laser Procedure") è un intervento mininvasivo, eseguito senza alcun tipo di anestesia con un decorso post-operatorio rapido e indolore. Consiste nella chiusura, con un laser a diodi da 980 nm di lunghezza d'onda ed attraverso il canale dell'anoscopio, delle 12 arteriole che irrorano direttamente il plesso venoso emorroidario che va quindi incontro gradualmente ad ostruzione. Le arterie da chiudere vengono individuate in fase intraoperatoria con una sonda Doppler, specifica per questo tipo di tecnica.
Il laser viene utilizzato come tecnica non invasiva per la completa rimozione di tumori allo stadio iniziale. Nei tessuti viene iniettato una sostanza fotosensibile con un assorbimento selettivo nei tessuti malati. Al passaggio di un fascio di luce ad una determinata lunghezza d'onda, il farmaco attiva una reazione che ha per protagonista l'ossigeno, ossida e distrugge le sole cellule malate. Il fatto eccezionale è che il farmaco agisce selettivamente e le cellule sane non vengono intaccate, come purtroppo avviene durante un'asportazione chirurgica. Per tumori più estesi, serve a circoscrivere la metastasi, ma non guarisce la malattia.
Particolari laser argon cloruro eccimeri emettono nella banda dei 308 nm considerata ottimale per la fototerapia della psoriasi.
Analogo trattamento è considerato efficace per la vitiligine.
In fisioterapia sono diffusi laser con una irradianza tale da sviluppare un limitato calore sulla superficie corporea. Si tratta in genere di laser con emissione nell'infrarosso.
Il è un laser a stato solido che sfrutta un cristallo di ittrio e alluminio (YAG) drogato al neodimio (Nd:YAlO) emette normalmente a 1060 nm o 940 nm. Può essere utilizzato anche il laser a CO, che emette normalmente a 10600 nm. In fisioterapia sono possibili anche trattamenti laser a bassa potenza, cioè che non sviluppano alcun effetto termico sensibile, di cosiddetta: biostimolazione.
L'utilizzo militare delle tecnologie laser ha avuto immediata applicazione in sistemi di puntamento, telemetria ed accecamento. Nel 1980, il IV Protocollo della Convenzione delle Nazioni Unite su certe armi convenzionali, proibisce espressamente armi laser destinate all'accecamento dell'uomo. Nonostante sia entrato in forza il 30 luglio 1998, non ne vengono specificate le sanzioni per la sua violazione, e a marzo 2016 vi hanno aderito 106 nazioni. Il IV Protocollo non contempla il rischio di accecamento di umani che utilizzano strumenti di visione e l'accecamento di sistemi di visione elettronica.
Le ricerche sulla possibilità di danneggiare con un raggio laser proiettili, missili o aerei hanno ricevuto ingenti fondi, ma i risultati ottenuti hanno mostrato specifiche limitazioni della tecnologia. Nebbia, nuvole o tempeste di sabbia normalmente assorbono gran parte della potenza del raggio laser, inoltre dimensioni e peso del sistema d'arma per ottenere irradianze adeguate lo rendono poco maneggevole ed anche difficilmente trasportabile. La potenza necessaria ad alimentare un sistema d'arma da 100 KW va oltre i 400 KW con conseguenti problematiche di raffreddamento. Un altro limite intrinseco delle armi laser di alta potenza consiste nella defocalizzazione indotta dal calore dell'aria attraversata; fenomeno chiamato ""thermal blooming"".
Dagli anni 2000, le tecnologie laser hanno ricevuto spesso ingenti fondi, ma i risultati ottenuti sono sempre stati, almeno inizialmente, piuttosto modesti. I comandi militari hanno richiesto sistemi laser di elevata potenza (100 kW almeno) e maneggevoli, cioè apparecchiature trasportabili su mezzi cingolati o su gomma. I ricercatori sono stati in grado di realizzare laser di notevole potenza (anche diversi megawatt) e laser portatili, ma non sono stati in grado di realizzare sistemi che riunissero entrambe le caratteristiche. Già nel 2005, Il Pentagono aveva annunciato il progetto HELLADS ("High Energy Liquid Laser Area Defense System"): si trattava di un congegno in grado di combinare laser a stato solido e liquido, riducendo enormemente dimensioni e peso, così da permetterne il montaggio sugli aerei da caccia. L'arma era in grado di sprigionare una potenza di circa 1 kW, anche se per la fine dell'anno il DARPA aveva previsto di aumentare la potenza a più di 15 kW. Nel giro di 2 anni al massimo quindi, l'USAF avrebbe dovuto avere a disposizione un'arma laser per aerei da poco più di 1600 libbre (circa 750 kg).
Nel febbraio 2007 utilizzando un laser SSHCL ("Solid State Heat Capacity Laser") ricercatori statunitensi hanno dichiarato di aver raggiunto potenze di 67 kW con un dispositivo trasportabile. L'arma era in grado di sparare 200 volte al secondo un raggio di luce la cui lunghezza d'onda sarebbe stata di un micron, anche se si stava studiando la possibilità di sparare raggi con continuità verso un obiettivo da distruggere. I ricercatori sostennero inoltre che, dai 6 agli 8 mesi a quella parte, avrebbero potuto produrre un congegno in grado di sprigionare i tanto richiesti 100 kW. Sistemi come questi, sprigionano una grande potenza che può essere erogata continuamente per 2 minuti, al massimo, e richiedono 20 minuti per ricaricarsi.
Il 18 marzo del 2009 la Northrop Grumman Corporation affermò che i suoi ingegneri avevano costruito e testato con successo a Redondo Beach un laser trasportabile capace di raggiungere potenze sopra i 105 kW.
Tuttavia armi laser in grado di distruggere o danneggiare un obiettivo in combattimento, di cui si è molto discusso negli anni 2000, nell'ambito della strategia del surclassamento tecnologico, sono stati abbandonati; anche il sistema Tactical High Energy Laser sviluppato congiuntamente da Stati Uniti d'America ed Israele per intercettare proiettili di artiglieria o razzi è stato abbandonato nel 2006, nonostante la relativa efficacia contro razzi Katyusha o Qassam.
Nel novembre 2014, la United States Navy effettuò il primo montaggio e sperimentazione di un suo cannone laser. L'arma, denominata "LaWS", con la potenza di 30 kW, è in grado di danneggiare elicotteri, droni e piccole imbarcazioni, ma anche di far detonare materiale esplosivo e accecare i sistemi di puntamento dei bombardieri e delle navi nemiche. Il suo costo unitario era di circa 28 milioni di dollari ma il costo del singolo colpo laser è molto inferiore a quello di altri sistemi di intercettazione. Integrandole con altri sistemi d'arma, che non hanno le stesse limitazioni meteorologiche, si pensa che le armi laser di alta potenza avranno nei prossimi anni un importante sviluppo e non solo negli Stati Uniti d'America.
Contemporaneamente alla United States Navy, varie industrie come la Northrop, Raytheon Company e la Lockheed Martin hanno iniziato nei primi mesi del 2014 a produrre cannoni laser, con potenze e prestazioni sempre superiori. Nel giro di un anno, nel marzo 2015 la Lockheed affermò che "Athena", nome dell'arma, era in grado, pur con poco più di 30 kW di potenza, di perforare e sciogliere come burro la lastra del cofano di un pick-up da quasi un miglio di distanza, ovvero circa 1,6 km.
Il laser viene utilizzato nella tecnica in una gran varietà di apparecchiature: nelle telecomunicazioni e nelle reti di computer viene utilizzato per trasferire enormi quantità di dati attraverso le fibre ottiche nelle rispettive comunicazioni ottiche. Viene utilizzato come elemento di lettura nei player di CD e DVD e per la scrittura nei masterizzatori. È inoltre alla base di visioni di ologrammi nell'ambito della tecnica di foto 3D detta olografia.
In ambito industriale il laser viene utilizzato per tagliare o saldare lamiere in metallo anche di elevati spessori. Nel settore del packaging è utilizzato (generalmente in abbinamento ad una testa galvanometrica) per marcare date di scadenza, codici a barre e altre informazioni o per realizzare tagli ed incisioni. In metrologia grazie ai laser si possono effettuare delle misure di estrema precisione nel campo che va dai micron alle decine di metri. In campo edile vengono utilizzate sempre più spesso livelle laser. Si realizzano puntatori per sistemi d'arma, o più pacificamente, come indicatori per conferenzieri. Enormi laser permetteranno forse in un prossimo futuro di ottenere reattori nucleari a fusione efficienti. Lo SLAC-National Accelerator Laboratory presso l'Università di Stanford ha realizzato il più potente laser a raggi X al mondo, e i risultati sono stati pubblicati sulla rivista "Nature" a gennaio 2012.
Il Laser viene utilizzato anche per manipolare la materia a livello atomico. Il laser può essere utilizzato per saldare, dividere o forare elementi a livelli atomici, inoltre viene spesso utilizzato per raffreddare i composti a temperature prossime allo zero assoluto (qualche milionesimo di kelvin). Il raffreddamento si ottiene illuminando la materia con i fotoni, sotto opportune condizioni gli atomi assorbono il fotone e ne emettono uno a energia superiore perdendo di conseguenza energia. Si sta studiando la possibilità di utilizzare queste tecniche per raffreddare i semiconduttori.
Il laser può essere infine utilizzato nel mondo dello spettacolo per realizzare show, far comparire scritte o figure, animazioni. Un utilizzo che si presta a utilizzi in spazi interni, e soprattutto esterni (come nello spettacolo serale di fronte all'area tematica della valle dei re a Gardaland). Basti pensare che il più importante show italiano si è svolto il 10 marzo 2006 nello stadio Olimpico di Torino in occasione della Cerimonia di apertura dei IX Giochi Paralimpici invernali.
Il laser può tagliare i materiali in base a tre principi diversi: per vaporizzazione, per fusione o per combustione. In tutti e tre i casi, il processo di taglio si innesca e si mantiene grazie all'energia che il raggio laser può concentrare in un punto molto piccolo. A seconda del tipo di laser, del tipo di materiale e delle potenze in gioco può prevalere l'uno o l'altro meccanismo.
, laser ad argon, laser Q-switch e in generale tutti i laser che funzionano ad impulsi: taglio di metalli di piccolo spessore, taglio di plastica e materiali non ferrosi, marcatura, incisione, laser medicali. Ogni impulso scalda istantaneamente il materiale oltre il punto di vaporizzazione, asportandone un piccolo strato (si hanno centinaia o migliaia di impulsi al secondo). Il materiale intorno alla zona di taglio viene riscaldato molto poco. Un discorso a parte vale per i trapani laser per dentisti: questi usano una lunghezza d'onda che viene facilmente assorbita dalle molecole d'acqua. L'acqua presente nei tessuti o sulla superficie del dente assorbe l'energia dell'impulso laser e vaporizza istantaneamente, provocando una serie di microesplosioni che erodono smalto e dentina in modo più sicuro, più preciso, meno traumatico e doloroso di un trapano meccanico.
Laser CO2 ad onda continua di grande potenza, taglio di metalli di grande spessore. Il laser viene usato per portare a fusione un piccolo punto del metallo; il metallo fuso viene soffiato.
Laser CO2 a bassa potenza, bisturi laser. I laser a infrarossi a onda continua in uso in medicina tagliano per combustione: il raggio scalda il tessuto fino a far evaporare l'acqua contenuta in esso, e poi provoca la combustione del tessuto secco, che viene distrutto. La combustione del materiale asportato è spesso presente anche nei processi di taglio per fusione, dove può fornire un notevole contributo energetico. Questo tipo di taglio viene usato per fermare forti emorragie, poiché il laser a infrarossi causa la cauterizzazione della ferita.
I laser possono essere usati per la segnalazione di una emergenza, puntando il puntatore in cielo e usando un fascio a intermittenza.
Nel 2014 il laser entra a far parte dei vari sistemi di illuminazione utilizzati sulle automobili (alogeno, xeno, led). Le prime case automobilistiche ad usare questo sistema sono l'Audi, montandolo prima sulla vettura da competizione Audi R18 e-tron Quattro Laserlight ovvero l'auto utilizzata dal team Audi nel campionato Endurance e poi successivamente sulla Audi R8 che è stata anche la prima vettura di serie, e dalla BMW, che monta le luci al laser sulla BMW i8, autovettura ibrida della casa bavarese. Esse illuminano fino a 600 metri con un consumo di circa 10 Watt garantendo così una visibilità ottimale della strada fino a 250 km/h.


l fenomeno dell'interferenza è un fenomeno dovuto alla sovrapposizione, in un punto dello spazio, di due o più onde. Quello che si osserva è che l'intensità (o ampiezza) dell'onda risultante in quel punto può essere diversa rispetto alla somma delle intensità associate ad ogni singola onda di partenza; in particolare, essa può variare tra un minimo, in corrispondenza del quale non si osserva alcun fenomeno ondulatorio, ed un massimo che in generale non coincide con la somma delle intensità. In generale, si dice che l'interferenza è "costruttiva" quando l'intensità risultante è maggiore rispetto a quella di ogni singola intensità originaria, e "distruttiva" in caso contrario.
Il termine viene usualmente utilizzato per parlare di interferenza tra due onde coerenti, di norma provenienti dalla stessa sorgente. I fenomeni di interferenza che si osservano quotidianamente possono essere ad esempio quelli che riguardano le increspature che si formano su uno specchio d'acqua (si veda la figura a destra), oppure i battimenti tra onde sonore.
L'interferenza è un effetto che coinvolge esclusivamente fenomeni ondulatori: quelli riguardanti il trasporto di materia, come ad esempio la conduzione di un fluido all'interno di una tubatura, non risentono dell'interferenza. In tale contesto infatti l'intensità è definita dal flusso di materia attraverso una data superficie e, come noto, le quantità di materia trasportate da due correnti di particelle che si incontrano si sommano (ad esempio, la portata di un fiume è pari alla somma delle portate di tutti i suoi affluenti che si trovano a monte, più quella della sorgente).
Isaac Newton, dall'osservazione delle ombre create dagli oggetti investiti dalla luce, ipotizzò che essa fosse composta da corpuscoli che venivano bloccati dalla superficie illuminata di quei corpi. La congettura di Newton resistette per diverso tempo fino a quando Thomas Young dimostrò nel suo celebre esperimento del 1801, il primo in cui appunto veniva evidenziato il fenomeno dell'interferenza luminosa, la natura ondulatoria della luce, scardinando così la teoria corpuscolare che comunque, già all'epoca di Newton, iniziava ad essere falsificata (lo stesso fisico inglese non riuscì ad esempio a spiegare il fenomeno degli anelli di Newton, che può essere compreso solo ricorrendo a modelli ondulatori). La doppia natura di "onda" e "quanto", della luce, fu in seguito appurata mediante gli studi sul corpo nero, sull'effetto Compton, sull'effetto fotoelettrico e sull'assorbimento della radiazione da parte della materia.
L'esperimento di Young venne ripetuto nel 1961, utilizzando stavolta non radiazioni elettromagnetiche ma fasci di elettroni; anche in quel caso si osservò il fenomeno dell'interferenza, a conferma dell'ormai collaudato formalismo della meccanica quantistica e in particolar modo della cosiddetta ipotesi del dualismo onda-particella.
Due onde generate da sorgenti a frequenza differente non danno luogo ad interferenza, perché oscillazioni con periodo diverso sono disaccoppiate in potenza. Consideriamo allora il caso di due onde che si sovrappongono con la medesima lunghezza d'onda.
I casi estremi sono rappresentati in figura: nel primo, le onde sono in concordanza di fase, cioè si sovrappongono esattamente dando luogo ad un'onda di ampiezza pari alla somma delle singole ampiezze, mentre nel secondo sono in opposizione di fase e dunque si elidono esattamente. Si parla allora rispettivamente di interferenza totalmente costruttiva e di interferenza totalmente distruttiva, a seconda dello sfasamento (nullo nel primo, formula_1 nel secondo). In generale, si verifica facilmente che la sovrapposizione di due onde di ampiezza formula_2 e sfasate di formula_3 genera una nuova onda di ampiezza pari a
A seconda delle relazioni che intercorrono tra le onde che interferiscono, è comunque possibile che gli sfasamenti dipendano dalla coordinata spaziale. Dunque, si potranno osservare regioni in cui l'interferenza è totalmente costruttiva (dette "massimi di interferenza", corrispondenti a frange luminose chiare) alternate ad altre in cui invece l'interferenza è totalmente distruttiva (dette "minimi di interferenza", corrispondenti a frange non illuminate scure).
L'ampiezza di queste regioni è legata sia alla disposizione geometrica delle sorgenti, sia alla lunghezza d'onda; si capisce abbastanza facilmente che, tanto più piccola è la lunghezza d'onda, tanto più piccole e cadenzate saranno queste frange. Questo è uno dei motivi per il quale non si riescono ad osservare quotidianamente fenomeni di interferenza luminosa, ma non è il solo; l'altro è legato alla decoerenza delle sorgenti. Infatti, le più comuni fonti di luce (il sole, le lampadine ad incandescenza e così via) emettono svariati pacchetti di radiazioni che si sovrappongono in maniera completamente casuale, a seconda dell'istante al quale vengono generati: in una situazione del genere quindi, la distribuzione delle frange varierà così rapidamente da non poter essere seguita dall'occhio umano (a causa del fenomeno di persistenza delle immagini sulla retina), che quindi osserverà solo una distribuzione regolare di luminosità. L'unico modo per poter osservare questi fenomeni è disporre di due o più sorgenti coerenti, ad esempio sfruttando il fenomeno della diffrazione come fece Young nel suo esperimento della doppia fenditura.
Definita la differenza di fase formula_5, con formula_6 distanza tra le sorgenti e formula_7 lunghezza d'onda, l'interferenza è costruttiva se si verifica che formula_8, cioè formula_9 (un numero pari di volte mezza lunghezza d'onda), mentre è distruttiva se si verifica che formula_10, cioè formula_11 (un numero dispari di volte mezza lunghezza d'onda).
La figura mostra un metodo usato per produrre onde luminose che interferiscono tra loro. Si tratta di un piano su cui sono state praticate due fenditure: un'onda piana, incidendo sulla superficie, viene parzialmente schermata. Secondo il principio di Huygens le due fenditure, se di dimensioni sufficientemente, piccole rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione incidente, a grande distanza dallo schermo si comportano come sorgenti puntiformi di luce coerente ossia in fase tra di loro.
Le onde sferiche emesse dalle fenditure interferiranno: se mettiamo una lastra fotografica oltre lo schermo, osserveremo su di essa una serie alternata di bande illuminate e scure, dette "frange di interferenza", corrispondenti ai massimi e ai minimi di interferenza.
Il discorso può essere esteso al caso generale in cui sono presenti più aperture, ma prima discutiamo quello particolare.
In questa sezione si considera il caso di due fenditure; per semplicità, il problema verrà trattato limitatamente ad una sezione piana ortogonale allo schermo e passante per le due aperture (vedi figura alla fine del paragrafo).
Quello che interessa ai fini della trattazione è come si distribuisce l'intensità luminosa sulla lastra, e quindi capire come questa varia tra i massimi e i minimi. La condizione di campo lontano, necessaria per poter trattare le due fenditure come puntiformi, consente di affermare che i vettori formula_12 congiungenti le due aperture con il punto "P" della lastra in cui si intende valutare l'intensità possono essere considerati paralleli in prossimità delle fenditure. La differenza di cammino ottico, ossia la lunghezza in più che la prima onda percorre rispetto alla seconda prima di giungere in "P", può essere dunque approssimata nel seguente modo
dove α è l'angolo compreso tra i due vettori e la normale allo schermo e "d" la distanza tra le aperture. Prendendo ora in considerazione le leggi che descrivono l'andamento, ad esempio del campo elettrico, per le due onde che partono dalle fenditure si ha
essendo k il numero d'onda, ω la pulsazione e formula_15 l'ampiezza del campo che incide sullo schermo. L'interferenza delle due perturbazioni in "P", ad esempio in "t=0", si deduce subito dalle formule di prostaferesi
dato che si può certamente porre formula_17, si avrà in definitiva
la figura di interferenza è legata all'intensità del campo incidente la lastra, che è direttamente proporzionale al quadrato dell'ampiezza del campo elettrico. Quindi
è la relazione che esprime l'intensità in funzione dell'angolo (o se si preferisce, in funzione della differenza di cammino ottico) e dell'intensità dell'onda che incide sullo schermo. Evidentemente, quando la differenza di cammino ottico è pari ad un multiplo intero della lunghezza d'onda λ
i due campi interferiscono in fase, l'interferenza è costruttiva e si osserva un massimo nella figura di interferenza; viceversa, quando tale differenza coincide con un multiplo dispari di mezza lunghezza d'onda
le perturbazioni interferiscono in controfase, l'interferenza è distruttiva e si osserva un nullo di intensità. In termini della coordinata "x" sulla lastra, calcolata a partire dal centro, considerato che, almeno per piccoli angoli
dove "L" è la distanza tra lo schermo e la lastra, si può quindi affermare che la distanza tra due massimi (o minimi) consecutivi è data da
In conclusione, la distribuzione dell'intensità sullo schermo non è uniforme, ma si manifesta in fasce chiare e scure alternate. Questa ridistribuzione dell'intensità rispetta il principio di conservazione dell'energia, nel senso che la potenza incidente sulla lastra coincide esattamente con quella che transita attraverso le due fenditure. Lo spessore delle fasce, in questo caso uguale per tutte (sempre per piccoli angoli), sarà pari alla metà di "Δx"; ovviamente, si osserverà anche una certa sfumatura ai bordi delle medesime.
Si supponga ora di avere una griglia regolare costituita da un numero molto grande "N" di fenditure, distanziate l'una dall'altra sempre di "d". Il metodo che qui adotteremo è quello dei fasori, più comodo da usare quando si tratta di sommare i contributi di più di due sorgenti; in questo contesto, il fasore associato è un vettore di modulo pari a quello del campo elettrico e di fase pari alla componente spaziale "kr". La somma dei campi elettrici viene così rappresentata nel seguente modo
nell'ipotesi che la distanza "d" sia molto piccola rispetto alla lunghezza d'onda, tanto da poter considerare la differenza di cammino ottico dell"'n+1"-esimo fasore rispetto al primo, formula_26, come una variabile continua. Il risultato dell'integrazione è
usando la formula di Eulero si ottiene
e in definitiva, dato che l'intensità è semplicemente proporzionale al modulo quadro del fasore
il "pattern" di diffrazione coincide quindi con il quadrato di un seno cardinale in funzione della variabile formula_30.
I nulli di intensità corrispondono ai valori di formula_31 per i quali questa quantità è un intero "m" non nullo, cioè
mentre i massimi sono intercalati tra i vari minimi in una qualche maniera; il picco di intensità si trova ovviamente nel centro, cioè per α nullo.
L'estensione al caso tridimensionale è ovvia, richiede solo di osservare che la differenza di cammino ottico è data dalla proiezione del vettore x che congiunge la prima apertura con la seconda sul versore û che individua la posizione di "P"; dunque in generale
essendo "S" la superficie occupata dalla griglia e k il vettore "k"û. La presenza del reticolato dunque non fa altro che eseguire la trasformata di Fourier passa basso del disegno (in funzione di k), con “frequenza di taglio” dipendente dalla lunghezza d'onda.
Un'analisi più accurata, valida per un numero qualsiasi di fenditure e soprattutto per una generica lunghezza d'onda, prevede l'uso della serie geometrica per esprimere la [1]
attraverso questa relazione si ottiene una miglior stima per la figura di interferenza
che si riduce alla precedente per grandi lunghezze d'onda; piccole lunghezze d'onda hanno pertanto l'effetto di creare delle ondulazioni nell'inviluppo del "pattern", che non avrà più un andamento strettamente decrescente ma appunto decadrà oscillando.
La condizione per i massimi principali di intensità, che coincidono con i massimi locali dell'inviluppo, è quella per la quale entrambi i seni si annullano
(si noti che la condizione è indipendente dal numero di fenditure), mentre gli altri massimi, detti secondari, si ottengono in corrispondenza dei punti in cui il seno a frequenza multipla, al numeratore, è massimo in modulo e quello al denominatore è non nullo
Per i minimi si deve infine scegliere di annullare il numeratore escludendo, però, i punti corrispondenti alla condizione di massimo principale
l'estensione al caso multidimensionale è analoga a quella svolta sopra.
In base al principio di Huygens, anche la diffrazione può essere rimandata ad un problema di interferenza. Le approssimazioni fatte sopra trattano le fenditure come sorgenti puntiformi, ma in realtà la loro estensione influenza in qualche maniera il "pattern", soprattutto per piccole lunghezze d'onda; in sostanza, all'effetto interferenziale dovuto all'interazione reciproca tra una fenditura e le altre, è necessario aggiungere quello indotto da ciascuna singola fenditura.
La condizione di massimo di intensità per due fenditure adiacenti è
mentre la condizione di interferenza distruttiva per la singola fenditura è data da
dove "a" è la larghezza della fenditura (qui ci limitiamo per semplicità a trattare il caso monodimensionale): infatti, il minimo si ha se e solo se ad ogni punto della fenditura ne corrisponde un altro che produce un'onda in controfase con quella prodotta dal precedente (con una differenza di cammino ottico pari a mezza lunghezza d'onda, quindi), e ovviamente questo è possibile se e solo se la distanza tra quei due punti coincide con la metà della larghezza della fenditura. I massimi assenti, ad esempio, possono essere dedotti combinando le due formule:
per lunghezze d'onda molto grandi rispetto ad "a", il primo massimo assente si trova all'infinito, come ci si aspettava essendo trascurabili gli effetti di interferenza interni alle singole fenditure.
Il caso multidimensionale è più complesso da trattare; un esempio è quello del disco di Airy, che rappresenta la figura di diffrazione prodotta da un'apertura circolare investita da una radiazione con lunghezza d'onda confrontabile con il diametro della fessura o inferiore.
