LASER

 

Nome: Laser Flame (Frascati Laser for Acceleration and Multidisciplinary Experiments) e Sparc (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente)

Che cos'è: potenti sorgenti di radiazione elettromagnetica

Dove: SPARC_LAB presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Quando: In funzione dal 2009    

  INFOGRAFICA

 

  IMMAGINI

  

 

 

 

Che cosa è un laser

A differenza delle altre sorgenti di luce tradizionali, quali le normali lampade ad incandescenza, il laser è un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente (proprietà di un’onda elettromagnetica di mantenere una certa relazione di fase con se stessa durante la sua propagazione), monocromatica (proprietà di emissione di un unico “colore”), concentrata in un raggio rettilineo estremamente preciso e di breve durata temporale (decine di femtosecondi). L’intesità luminosa, o luminosità, delle sorgenti laser (ovvero la possibilità di concentrare una grande potenza in un'area molto piccola) è inoltre molto maggiore di quella delle sorgenti tradizionali. All’INFN sono in funzione,b presso il laboratorio SPARC_LAB dei Laboratori Nazionali di Frascati, due laser di ultima generazione: Flame (Frascati Laser for Acceleration and Multidisciplinary Experiments) e Sparc (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente). Questi due laser sono usati per ricerche di punta nel campo delle nuove tecniche di accelerazione di particelle e per la produzione di radiazione di lunghezza d’onda corta.

 

Come sono fatti

La tecnologia laser si è molto evolutadall’entrata in funzione del primo laser nel 1954. Presso l’INFN sono in funzione laser di due tipi: laser atomici e laser ad elettroni liberi.

Laser atomici: l’intensità della luce viene amplificata durante il ripetuto passaggio in un opportuno cristallo (mezzo attivo) da cui l’origine dell’acronimo laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Il “colore” della luce emessa in questo tipo di laser è legato alle caratteristiche fisiche del cristallo e non può essere modificato senza cambiare cristallo. Il laser Flame appartiene a questa categoria.

Laser ad Elettroni Liberi o Fel (Free Electron Laser): sono i più recenti e sono costituiti da un lungo magnete denominato “ondulatore” in cui viene iniettato un fascio di elettroni prodotto da un acceleratore di particelle. L’ondulatore è caratterizzato da un campo magnetico sinusoidale  prodotto da una serie di piccoli magneti con polarità alternata. I Fel raggiungono lunghezze d’onda impossibili con altri tipi di laser. Il laser Sparc appartiene a questa categoria. 

 

Obiettivi scientifici

Le proprietà di coerenza, monocromaticità, luminosità ed impulsi corti sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto. L'elevatissima luminosità permette ai laser di accelerare particelle elementari (elettroni, protoni o ioni) attraverso l’eccitazione di enormi campi acceleranti in gas ionizzati (esperimenti attualmente condotti con il laser Flame). la monocromaticità e la coerenza li rende ottimi strumenti per l’analisi delle caratteristiche strutturali di nuovi materiali (nanotecnologie) o di indagine biomedica, con risoluzione crescente al diminuire della lunghezza d’onda della radiazione laser (esperimenti possibili con il laser Sparc). Ma anche lo sviluppo di nuove configurazioni di Fel, ad esempio più compatti o con ondulatori di nuova concezione, è un obiettivo scientifico di rilevanza internazionale. Inoltre la possibilità di far collidere i fasci di elettroni di Sparc con i fasci di radiazione di Flame offre la possibilità di produrre raggi X mediante il meccanismo della diffusione all’indietro della radiazione da parte del fascio di elettroni. Tale meccanismo denominato “Thomson back scattering” produce radiazione di lunghezza d’onda molto più corta di quella incidente pur perdendo alcune delle caratteristiche del fascio laser, quali la coerenza. Anche questo tipo di sorgente di radiazione ha importanti applicazioni in particolare nella diagnostica medica (mammografia).

 

Partecipanti/ collaborazione

Il successo delle attività in corso presso il laboratorio SPARC_LAB è il frutto di una fertile collaborazione tra il CNR, l’ENEA e le Università di Roma. L’esperienza maturata negli anni dall’INFN nella progettazione e realizzazione di acceleratori di particelle è alla base del funzionamento del laser Sparc che, come detto in precedenza, richiede l’iniezione di un fascio di elettroni accelerati. Il contributo dell’ENEA (Frascati) è focalizzato sulle attività connesse con la progettazione, realizzazione ed operazione della linea di luce Fel, mentre il gruppo del CNR ha gestito la realizzazione del laser di potenza Flame.