Come Costruire un Laser

In questo Articolo:Comprendere il Principio di Funzionamento di un LaserCostruire un Laser

La parola “laser” è in realtà l’acronimo di “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, ovvero “Amplificazione della luce per mezzo dell'emissione stimolata di radiazioni”. Il primo laser della storia fu sviluppato nel 1960 presso i laboratori Hughes in California, e utilizzava come risonatore un cilindro di rubino ricoperto d’argento.[1] Oggigiorno i laser vengono impiegati per svariate applicazioni, dalle misure alla lettura di dati codificati, e possono essere costruiti in diversi modi, a seconda del budget a disposizione e delle competenze tecniche.

Parte 1
Comprendere il Principio di Funzionamento di un Laser

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    Fornire la sorgente di energia. Il principio fisico su cui si basa il funzionamento di un laser è quello dell’emissione stimolata, che consiste nello stimolare gli elettroni a emettere luce a una particolare lunghezza d’onda (questo processo fu inizialmente proposto da Albert Einstein nel 1917).[2] Affinché possano emettere luce, gli elettroni devono assorbire un’energia tale da permettergli di saltare su un’orbita più lontana dal nucleo, per poi scaricare tale energia, sotto forma di luce, allorquando ritornano all’orbita originaria. Le sorgenti di energia sono denominate “pompe”.
    • I laser di piccole dimensioni, come quelli impiegati nei lettori CD/DVD e nei puntatori laser, usano come “pompa” la corrente elettrica fornita al diodo attraverso circuiti elettronici.
    • I laser ad anidride carbonica vengono “pompati” attraverso scariche elettriche che eccitano gli elettroni.
    • I laser a eccimeri ottengono l’energia da reazioni chimiche.[3]
    • I laser basati su cristalli o vetri impiegano potenti sorgenti di luce, come lampade ad archi o flash.[4]
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    Incanalare l’energia attraverso un mezzo attivo. Un mezzo attivo (detto “gain medium” o “active laser medium”) amplifica la potenza della luce emessa dagli elettroni stimolati.[5] A seconda del tipo di laser, il mezzo attivo può essere costituito da:
    • Materiali semiconduttori, quali arseniuro di gallio, arseniuro di gallio e alluminio, o arseniuro di gallio e indio.
    • Cristalli, come ad esempio il cilindro di rubino usato per la costruzione del primo laser nei laboratori Hughes. Sono stati utilizzati anche zaffiro e granato, così come le fibre ottiche. Questi vetri e cristalli vengono trattati con ioni di terre rare.
    • Ceramiche, anch’esse trattate con ioni di terre rare.
    • Liquidi, normalmente coloranti, sebbene un laser infrarosso sia stato realizzato usando gin e acqua tonica come mezzo attivo. Anche un dessert alla gelatina (il popolare “Jell-O” statunitense) è stato impiegato con successo come mezzo attivo.[6]
    • Gas, quali anidride carbonica, azoto, vapori di mercurio, o una miscela di elio e neon.[7]
    • Reazioni chimiche.
    • Fasci di elettroni.
    • Materiali radioattivi. Un laser a uranio è stato costruito per la prima volta nel novembre del 1960, appena sei mesi dopo il primo laser a rubino.[8]
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    Assemblare gli specchi per trattenere la luce. Questi specchi, detti risonatori, mantengono la luce all’interno della cavità laser, finché, una volta raggiunto il livello desiderato, l’energia non viene rilasciata attraverso una piccola apertura in uno degli specchi, o attraverso una lente.[9]
    • Lo schema più semplice di risonatore è il risonatore lineare, che impiega due specchi posti alle estremità della cavità laser. In questo modo si genera un singolo raggio in uscita.
    • Uno schema più complicato, detto risonatore ad anello, è basato sull’utilizzo di tre o più specchi. È possibile generare un raggio singolo, con l’ausilio di un isolatore ottico, oppure un raggio multiplo.
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    Usare una lente di focalizzazione per convogliare la luce attraverso il mezzo attivo. Insieme agli specchi, la lente aiuta a concentrare la luce e indirizzarla il più possibile verso il mezzo attivo.

Parte 2
Costruire un Laser

Metodo 1: Assemblare un Laser in Kit

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    Trova un rivenditore. Puoi recarti presso un negozio di elettronica o cercare in internet un “Laser in Kit” (Laser Kit), “Modulo Laser” (Laser Module), o un “Diodo Laser” (Laser Diode). Un laser in kit completo include:
    • Un circuito di pilotaggio (Driver Circuit). Cerca di procurarti un circuito di pilotaggio che ti permetta di regolare la corrente (il circuito di pilotaggio, talvolta, è venduto separatamente).
    • Un diodo laser.
    • Una lente di collimazione regolabile (Adjustable Lens) in vetro o plastica. Tipicamente il diodo e la lente sono già assemblati insieme in un piccolo tubo (talvolta questi componenti sono venduti separatamente dal circuito di pilotaggio).
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    Assembla il circuito di pilotaggio. Molti laser in kit richiedono l’assemblaggio del circuito di pilotaggio. Questi kit forniscono la scheda madre e le relative parti, che vanno saldate sulla scheda seguendo lo schema allegato. Altri kit possono invece includere il circuito di pilotaggio già assemblato.
    • Con un po’ di esperienza in elettronica, è anche possibile progettare il circuito di pilotaggio personalmente. Il circuito di pilotaggio LM317 rappresenta un ottimo schema di partenza per progettare il tuo circuito. In questo caso, assicurati di usare un circuito RC (resistenza-condensatore) in modo di proteggere la potenza d’uscita da picchi di tensione.[10]
    • Una volta assemblato il circuito di pilotaggio, puoi testarlo connettendovi un diodo LED. Se il LED non si illumina, prova a regolare il potenziometro. Se ancora il LED non si illumina, controlla il circuito e verifica che tutte le connessioni siano a posto.
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    Collega il circuito di pilotaggio al diodo. Se hai a disposizione un multimetro digitale, puoi collegarlo al circuito e monitorare la corrente ricevuta dal diodo. La maggior parte dei diodi funzionano tra 30 e 250 milliampere (mA), e producono un raggio sufficientemente potente tra 100mA e 150mA.
    • Sebbene una maggiore potenza di luce emessa dal diodo risulti in una maggiore potenza del raggio laser, l’incremento ulteriore di corrente necessaria a ottenere una tale potenza brucerebbe velocemente il diodo.
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    Connetti l’alimentazione (batteria) al circuito di pilotaggio. Il diodo a questo punto dovrebbe emettere una luce piuttosto brillante.
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    Regola la lente di collimazione per mettere a fuoco il raggio laser. Se miri a un muro, regola la lente fino a ottenere un punto ben definito e luminoso.
    • Una volta a fuoco, posiziona un fiammifero sulla traiettoria del raggio laser e regola ancora la lente finche la testa del fiammifero non inizia a prendere fuoco. Puoi anche provare a far scoppiare un pallone o a bruciare un foglio di carta.

Metodo 2: Costruire un Laser Recuperando il Diodo da un Masterizzatore

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    Procurati un vecchio masterizzatore DVD o Blu-Ray. Cerca un dispositivo con una velocità di scrittura di almeno 16x. Questi dispositivi impiegano diodi con almeno 150 milliWatt (mW) di potenza.
    • I masterizzatori DVD impiegano un diodo a luce rossa, con una lunghezza d’onda di 650 nenometri (nm).
    • I masterizzatori Blu-Ray impiegano un diodo a luce blu, con una lunghezza d’onda di 450 nm.
    • Anche se non è in grado di portare a termine una masterizzazione, è necessario che il masterizzatore sia funzionante (in altre parole è necessario che il diodo al suo interno funzioni).
    • Non usare, al posto di un masterizzatore DVD, un lettore DVD o un lettore/masterizzatore CD. Un lettore DVD contiene un diodo a luce rossa, ma con una potenza minore di quello di un masterizzatore DVD. Il diodo di un masterizzatore CD, invece, ha una potenza sufficiente, ma emette luce nel campo dell’infrarosso (non visibile all’occhio umano), e quindi ti sarebbe impossibile vedere il raggio.
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    Rimuovi il diodo dal masterizzatore. Per prima cosa devi capovolgere il lettore; a questo punto vedrai quattro o più viti che andranno svitate per poter accedere al diodo.
    • Una volta smontato il lettore, vedrai un paio di guide metalliche tenute da viti. Queste guide supportano la testina ottica. Una volta rimosse le guide, potrai rimuovere anche la testina.
    • Il diodo sarà più piccolo di una monetina. Ha tre piedini e potrebbe essere montato su un supporto metallico, con o senza una finestrella trasparente protettiva, oppure nudo.
    • A questo punto bisogna rimuovere il diodo dalla testina. Potrebbe essere più semplice rimuovere il dissipatore prima di estrarre il diodo. Se hai a disposizione un braccialetto antistatico, usalo mentre rimuovi il diodo.
    • Maneggia il diodo con cura, specialmente nel caso in cui sia sprovvisto di supporto metallico. In questo caso, potresti aver bisogno di un contenitore antistatico per preservare il diodo finché non sarà il momento di installarlo nel laser.
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    Procurati un lente convergente. Il raggio di luce del diodo dovrà passare attraverso la lente affinché possa fungere da laser. Puoi raggiungere questo obiettivo in due modi:
    • Usando una lente di ingrandimento per mettere a fuoco: per ottenere un raggio laser, dovrai regolare la posizione della lente fino a ottenere un punto, e dovrai ripetere questa operazione ogni volta che usi il laser.
    • Procurandoti direttamente un modulo laser dotato di collimatore: i moduli laser con diodi a bassa potenza (attorno ai 5 mW) sono abbastanza economici; puoi comprare uno di questi moduli laser, e sostituire il diodo al suo interno con quello estratto dal masterizzatore DVD.
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    Procurati oppure assembla il circuito di pilotaggio.
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    Collega il diodo al circuito di pilotaggio. Connetti il piedino positivo del diodo (anodo) al cavo positivo del circuito e il piedino negativo del diodo (catodo) al cavo negativo del circuito. La posizione dei piedini nel diodo è diversa a seconda che si tratti di un diodo a luce rossa di un masterizzatore DVD o di un diodo a luce blu di un masterizzatore Blu-Ray.
    • Tieni il diodo rivolgendo i piedini verso di te, e ruotalo in modo tale che le teste dei piedini formino un triangolo che punta a destra. In entrambi i casi il piedino in alto è l’anodo (positivo).
    • Nei diodi a luce rossa dei masterizzatori DVD, il piedino centrale, che rappresenta la punta del triangolo che punta a destra, è il catodo (negativo).
    • Nei diodi a luce blu dei masterizzatori Blu-Ray, il piedino in basso è il catodo (negativo).
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    Connetti il circuito di pilotaggio all’alimentazione (batteria).
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    Regola la lente di collimazione per mettere a fuoco il raggio laser.

Consigli

  • Più il raggio laser sarà concentrato, maggiore sarà la sua potenza. Il laser, però, sarà efficace soltanto alla distanza per cui è a fuoco: se metti a fuoco il raggio a una distanza di un metro, sarà efficace solo a un metro. Quando non usi il laser, metti fuori fuoco la lente finché non ottieni un raggio del diametro di una pallina da ping-pong.
  • Per proteggere il laser appena assemblato, puoi usare un box metallico come contenitore: ad esempio, l’involucro di una lampada a LED oppure di un caricabatterie, a seconda delle dimensioni del circuito di pilotaggio che hai usato.

Avvertenze

  • Indossa sempre occhiali protettivi tarati per la lunghezza d’onda del tuo laser (nello specifico la lunghezza d’onda del diodo laser). Il colore degli occhiali protettivi è complementare a quello del raggio laser: saranno verdi per un laser a luce rossa a 650 nm, e rosso-arancione per un laser a luce blu a 450 nm. Non usare mai, al posto degli occhiali protettivi, una maschera per saldatura, vetri oscuranti o occhiali da sole.
  • Non guardare direttamente il raggio laser, e non puntarlo su altre persone. Laser di classe IIIb, come quello descritto in questo articolo, possono danneggiare gli occhi anche se si indossano gli occhiali protettivi. Inoltre è illegale puntare indiscriminatamente un laser di questo tipo.
  • Non puntare il laser su superfici riflettenti. Un laser è un fascio di luce, e, come la luce, viene riflesso, anche se le conseguenze possono essere più serie.

Cose che ti Serviranno

  • Un laser completo in kit, oppure un modulo laser con collimatore e un circuito di pilotaggio separati
  • Il diodo di un masterizzatore DVD o Blu-Ray (opzionale)
  • Un saldatore (se assembli da solo il circuito di pilotaggio)
  • Dello stagno, o qualsiasi altra lega per saldature (se assembli da solo il circuito di pilotaggio)
  • Un cacciavite (se devi smontare il masterizzatore DVD)
  • Pinze o pinzette (se devi smontare il masterizzatore DVD)
  • Un interruttore (opzionale)
  • Un rotolo di cavo elettrico (per collegare il diodo al circuito di pilotaggio e il circuito di pilotaggio all’alimentazione)
  • Batterie (si raccomanda di usare batterie per un totale di almeno 6 volt)

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Categorie: Scienze

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