Incisione laser - macchine incisione, pantografi cnc, macchine laser

Cerca
Vai ai contenuti

Menu principale:

Incisione laser

Utilità

Laser
Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Componenti di un Laser:
1) Mezzo ottico attivo
2) Energia fornita al mezzo ottico
3) Specchio
4) Specchio semiriflettente
5) Fascio laser in uscita
Esperimento con un laser

Laser è l'acronimo inglese di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di Luce tramite Emissione Stimolata di Radiazione.

Questa sigla indica un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente e monocromatica, e (con alcune eccezioni) concentrata in un raggio rettilineo estremamente collimato. Inoltre la luminosità (brillanza) delle sorgenti laser è elevatissima a paragone di quella delle sorgenti luminose tradizionali. Queste tre proprietà (coerenza, monocromaticità e alta brillanza) sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continuano ad avere nei campi più disparati: l'elevatissima brillanza, data dal concentrare una grande potenza in un'area molto piccola, permette ai laser il taglio, l'incisione e la saldatura di metalli; la monocromaticità e coerenza li rende ottimi strumenti di misura di distanze, spostamenti e velocità anche piccolissimi, dell'ordine del millesimo di millimetro; sempre la monocromaticità li rende adatti a trasportare informazioni nelle fibre ottiche e per distanze lunghissime.

Come dice la stessa sigla, la radiazione laser proviene dal processo di emissione stimolata:

   M* + h? ? M + 2h?

Normalmente la luce che attraversa un materiale viene assorbita dal materiale stesso man mano che avanza, cioè cede potenza 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:

Pes = BN2?(?12)
Pass = BN1?(?12)

dove B è il coefficiente di Einstein, N1 è la popolazione dello stato a energia E1 e N2 è la popolazione dello stato a energia E2; (E2 > E1);
?(?12) è la densità del campo di radiazione alla frequenza ?12 = (E2 - E1)/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 N1 è sempre maggiore di N2 (perché le popolazioni dei due livelli sono descritte dalla distribuzione di Boltzmann N_{2}=N_{1}e^{-(E_{2}-E{1})/kT} , 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.

   * 1 Caratteristiche della radiazione laser
   * 2 Classificazione dei laser
   * 3 Il laser in medicina
         o 3.1 Oftalmologia
         o 3.2 Terapia fotodinamica contro alcuni tumori
   * 4 Altri utilizzi
   * 5 Perché il laser taglia
         o 5.1 Vaporizzazione e taglio laser
         o 5.2 Fusione
         o 5.3 Combustione
   * 6 Note
   * 7 Bibliografia
   * 8 Voci correlate
   * 9 Altri progetti
   * 10 Collegamenti esterni

Caratteristiche della radiazione laser

Direzionalità
  Al contrario delle sorgenti tradizionali il laser permette di emettere la radiazione in un'unica direzione. Più precisamente l'angolo solido sotteso da un fascio laser è estremamente piccolo; una buona descrizione della propagazione e collimazione di un fascio laser è data dall'ottica dei fasci gaussiani. Questa caratteristica viene sfruttata in diversi ambiti, per esempio permette di trattare le superfici in maniera estremamente accurata (litografia, CD, etc.). In spettroscopia si ha la possibilità di aumentare notevolmente il cammino ottico e quindi la sensibilità usando una sorgente laser che attraversa il campione con una traiettoria a zig-zag grazie a un sistema di specchi.
Monocromaticità
  L'allargamento della banda di emissione è dato dalla larghezza naturale e dall'effetto Doppler (che può essere eliminato o comunque contenuto parecchio). In spettroscopia si sfrutta questa caratteristica per ottenere spettri ad alta risoluzione. Sarebbe molto difficoltoso ottenere gli spettri Raman senza questa caratteristica dei laser.
Brillanza
  Nei laser la quantità di energia emessa per unità di angolo solido è incomparabilmente più elevata rispetto alle sorgenti tradizionali. In particolare è elevato il numero di fotoni per unità di frequenza. Questa caratteristica è diretta conseguenza delle due precedentemente citate. Grazie a questa caratteristica si ha la possibilità di osservare fenomeni particolari, come per esempio l'assorbimento a molti fotoni. L'elevata intensità ha trovato anche diverse applicazioni tecnologiche, per esempio nel taglio dei metalli.
Coerenza
   Mentre nell'emissione spontanea ogni fotone viene emesso in maniera casuale rispetto agli altri, nell'emissione stimolata ogni fotone ha la stessa fase del fotone che ha indotto l'emissione. La fase viene mantenuta nel tempo e nello spazio. Questa caratteristica ha permesso lo sviluppo della tecnica CARS.
Impulsi ultra-brevi
   Con diverse tecniche è possibile costruire laser che emettano pacchetti di onde estremamente stretti nel dominio del tempo, attualmente si è giunti allo sviluppo di impulsi dell'ordine del femtosecondo. Questi laser hanno trovato impieghi in diversi ambiti di ricerca, hanno per esempio permesso la nascita di una nuova disciplina, che è stata chiamata femtochimica.

Classificazione dei laser


La classificazione dei laser è fatta in base alla potenza:

Classe I (<0,04mW): Completamente innocui.

Classe II (<1mW): Normalmente non sono in grado di arrecare danni alla vista (ad es. stampanti laser).

Classe IIIa (<5mW): Possono danneggiare la vista se guardati tramite dispositivi ottici (ad es. puntatori laser).

Classe IIIb (<500mW): L'esposizione diretta al raggio è sempre pericolosa per la vista e in grado di causare danni alla cute.

Classe IV (>500mW): È pericolosa l'esposizione anche al raggio diffuso (laser industriali usati per il taglio dei metalli).

L'ORDINANZA 16 luglio 1998 pubblicata nella Gazetta Ufficiale n. 167 del 20-07-1998 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 III(>1mW), secondo la norma CEI EN 60825; lo stesso provvedimento è emanato nell'Unione Europea dalla direttiva CEI EN 60825/1 e negli U.S.A dal "Chapter 21 CFR (the Code of Federal Regulations)". Bisogna stare attenti ai puntatori laser venduti liberamente su internet di potenze elevate ma comunque spacciati per laser di classe I o II e quindi di libera vendita, ma seriamente pericolosi per la vista: I laser libera vendita NON superano i 100m su superfici chiare e i 150m su catarifrangente.
Il laser in medicina [modifica]

Successivamente alla sua invenzione nel 1960, il laser è stato usato diffusamente per scopi medici. La risposta terapeutica dipende 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) e alte energie.

In questo modo onde di stress meccanico possono essere prodotte con sufficiente forza per disintegrare calcoli urinari. Gli effetti termici si ottengono abbassando la potenza del laser. 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 luce laser 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 ha invece l'immissione di principi attivi per via cutanea.
Oftalmologia [modifica]

Chirurgia refrattiva laser

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 col laser, il difetto visivo si elimina solo in apparenza: a livello organico resta (è dovuto a una lieve deformazione del bulbo oculare), ma 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, allo stato attuale non si raggiunge ancora 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 forma particolare. L'esperienza accumulata e le curve interpolate sono inserite di serie su tutti i macchinari. Però non sempre i produttori condividono la necessità dell'apprendimento delle macchine di produzione. Ciò rallenta l'estendibilità del laser a tutti i tipi di cornee.

L'intelligenza del macchinario dipende totalmente dall'esperienza acquisita in interventi precedenti; la sua precisione sta nell'applicare sulla cornea esattamente le misure di taglio calcolate.

Tuttavia, prima dell'intervento si può capire se la cornea è operabile col macchinario in dotazione. Accade che la macchina sia tarata per ampiezze della pupilla (che sono dell'ordine del millimetro) leggermente inferiori alla massima estensione da misurare che è quella raggiunta dalla pupilla di notte.

L'intervento ha successo almeno nel 90% dei casi; rarissimi i casi di cecità; 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" (di cui si lamenta un non trascurabile 7% degli operati), assenti o non troppo evidenziati nel "consenso informato", sono: secchezza degli occhi (assenza di lacrime), abbassamento della visione notturna, fotofobia, astigmatismo irregolare che fa "esplodere" le luci in tante macchie indefinite, sdoppiamento delle immagini, aloni, forte bruciore nei locali chiusi, occhi perennemente arrossati. Le complicanze possono essere talvolta gravi, tanto da impedire la guida notturna (insufficienza e fastidio dell'illuminazione stradale) o il lavoro in ambienti a forte luminosità. Le complicazioni possono manifestarsi fin dai primi giorni dopo l'intervento e ad aggravarsi con gli anni.

Se l'occhio è molto scavato e il lembo da rimuovere per l'incisione laser è cicatrizzato definitivamente, oppure se il laser ha commesso errori nel sollevare e riporre la superficie corneale per asportare micron dello strato sottostante, l'occhio non è rioperabile e il danno è permanente.

Talora, per rimediare a un intervento laser errato, si ricorre al trapianto di cornea. Nel caso di errori col laser ad eccimeri possono restare "pieghe" sulla cornea, che assume una forma irregolare (per cui non esistono occhiali e lenti a contatto in commercio in grado di correggerlo).

Forti dolori post-operatori sono dovuti talvolta ad allergia al cortisone contenuto nei colliri.

Nel caso in cui venga firmata una liberatoria prima dell'intervento, non vi sono responsabilità né estremi di reato. Il "consenso informato" in vari casi viene firmato pochi minuti prima dell'intervento, sotto anestesia locale degli occhi. Non è viceversa semplice trovare uno specialista che certifichi con la firma su una cartella clinica il danno eventualmente subito da un collega, che sarebbe equivalente ad una denuncia penale. Per ottenere un risarcimento in tribunale e una radiazione dall'albo è appunto necessaria una perizia tecnica.

Laserterapia retinica

Il laser retinico viene usato generalmente per “bruciare” zone della retina malata. In alcuni casi, invece, viene sfruttato al fine di fissare meglio la retina sana intorno a zone patologiche. L’obiettivo è quello di ottenere delle cicatrici che rinforzino il tessuto nervoso sensibile alla luce nei suoi punti più delicati (la retina è simile alla pellicola di una macchina fotografica tradizionale su cui si imprimono le immagini). Per l'operazione si impiega un tipo particolare di strumento, detto "argon laser", il cui fascio luminoso ha un’azione termica: riscaldando la zona su cui si punta si possono curare diverse malattie della retina. Vedi Link
Terapia fotodinamica contro alcuni tumori [modifica]
Exquisite-kfind.png    Per approfondire, vedi la voce Terapia fotodinamica.

Il laser viene utilizzato come tecnica non invasiva per la completa rimozione di tumori allo stadio iniziale.

Nei tessuti viene iniettato un farmaco innocuo che riconosce e si "incolla" alle sole cellule malate, sensibile alla luce. 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 minimamente intaccate, come purtroppo avviene durante un'asportazione chirurgica.

Per tumori più estesi, serve a circoscrivere la metastasi, ma non guarisce la malattia.
Altri utilizzi [modifica]
Dei laser vengono utilizzati per realizzare effetti speciali durante uno spettacolo

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. Viene utilizzato come elemento di lettura nei player di CD e DVD e per la scrittura nei masterizzatori. È 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 armi, o più pacificamente, per conferenze. Enormi laser permetteranno forse in un prossimo futuro di ottenere reattori nucleari a fusione efficienti.

Nel settore militare i laser vengono utilizzati come componente dei sistemi di puntamento ma il loro uso come arma offensiva o difensiva non è diffuso. I laser hanno ricevuto spesso ingenti fondi ma ottenendo risultati piuttosto modesti. I comandi militari hanno richiesto sistemi laser di elevata potenze (100 KiloWatt 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 entrambi le caratteristiche. Nel febbraio 2007 utilizzando un laser SSHCL (Solid State Heat Capacity Laser) ricercatori statunitensi hanno dichiarato di aver raggiunto potenze di 67 KiloWatt con un dispositivo trasportabile. I ricercatori ritengono di poter raggiungere potenze di 100 KiloWatt entro il 2008.[1].

Attualmente cominciano ad apparire le prime armi ad energia diretta basate sull'impiego di laser, un esempio di esse è l'MTHEL (Mobile Tactical High Energy Laser) sviluppato dagli Stati Uniti ed utilizzato anche dall'esercito Israeliano come dispositivo per la difesa di punto, in grado di intercettare missili e proiettili di mortaio distruggendoli in volo mediante il surriscaldamento dell'involucro dell'arma ad opera di un fascio laser a luce infrarossa creato mediante un laser a fluorite di deuterio.

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 sopra lo zero assoluto). 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.[2]

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 , ma 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.

Perché il laser taglia

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.

Vaporizzazione e taglio laser
Laser Nd:YAG, laser ad argo, 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.

Fusione
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 via da un getto di gas man mano che si forma, mentre il taglio procede.

Combustione

Laser CO2 a bassa potenza, bisturi laser. I laser a infrarossi ad 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 laser viene usato per fermare forti emorragie, poiché il laser a infrarossi causa una cauterizzazione della ferita.[senza fonte]

Note
  1. ^ Un laser da guerre spaziali contro missili e carri armati
  2. ^ Semiconduttori raffreddati con la luce. Le Scienze. URL consultato il 09-05-2007.

Bibliografia [modifica]

   * Orazio Svelto. Principi dei laser (Tamburini, 1970).
   * (EN) Anthony E. Siegman. Lasers (University Science Books, 1986).
   * Mario Bertolotti. Storia del laser (Bollati Boringhieri, 1999). ISBN 88-339-1198-5
   * Orazio Svelto, Il fascino sottile del laser, (Di Renzo Editore, 2007)

Voci correlate

   * Lista di tipi di laser
   * Maser
   * Laser a eccimeri
   * Laser atomico
   * Inversione di popolazione
   * Tactical High Energy Laser (THEL)
   * CEI 825
   * Raggi T
   * Laser a cascata quantica
   * Laser scanner

Altri progetti

   * Commons
   * Collabora a Commons Wikimedia Commons contiene file multimediali su Laser

Collegamenti

   * Analisi storico-scientifica dei laser (presentazione powerpoint)
   * Agenzia internazionale per la prevenzione della cecità: laser per correggere miopia, astigmatismo e ipermetropia
   * (IT) Le ScienzeSi spiega perché il laser tagli
   * (EN) Simulatore interattivo per il laser al rubino
   * (EN) Simulatore interattivo per il laser all'elio neon
   * (EN) Simulatore interattivo per il diodo laser

 
Copyright 2015. All rights reserved.
Torna ai contenuti | Torna al menu