di Marcello Zagaria

Laser: una delle più notevoli invenzioni del XX secolo, datata 1960, destinata ancora a rivoluzionare la nostra vita. Qualche anno fa l’Unesco celebrò il centenario della pubblicazione dei lavori scientifici di Albert Einstein, fisico, matematico, filosofo e pacifista, che nel 1905 – annus mirabilis per la fisica – introdussero idee rivoluzionarie su tre questioni fondamentali alla base della fisica moderna: l’esistenza degli atomi, la natura della luce, i concetti di spazio, tempo, materia ed energia, che determinarono mutamenti radicali nel nostro modo di vedere il cosmo, dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande. Se volete sapere come il laser è stato usato nelle arti dello spettacolo, leggete LASER: Le arti.

Albert Einstein, nel 1905, pubblicò la Teoria della Relatività che includeva la famosa equazione E=mc^2. Nel 1917 mostrò il legame esistente tra la legge di Bohr e la formula di Plank dell’irraggiamento del corpo nero e nello stesso anno introdusse la nozione di emissione stimolata, che sarebbe stata poi applicata alla concezione del Laser. Nobel nel 1921, Einstein ha mutato per sempre il modello istituzionale di interpretazione del mondo fisico.

Qualche anno più tardi, i suoi studi sull’emissione stimolata di radiazione permisero la realizzazione di applicazioni straordinarie che tutti oggi conosciamo, dai DVD alla chirurgia, dalla navigazione in rete alla scansione dei codici a barra in ogni supermercato, dai giroscopi ottici degli aeroplani agli ologrammi.

Atomi di luce

1957, New York. Si narra che in una delle lunghe notti di ricerca passate nel laboratorio di Fisica della Columbia University, Gordon Gould giunse alla definizione di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Allo stesso scienziato dopo tre decenni di battaglie legali con altri inventori e società, furono finalmente riconosciuti tutti i brevetti e attribuito il conio del termine LASER. Ma facciamo un salto all’indietro prima di seguire gli sviluppi di una delle più utili ed eleganti applicazioni della fisica mai realizzate: torniamo alla scoperta del fenomeno dell’emissione stimolata di radiazione e alla sua importanza per la descrizione dei processi di interazione tra radiazione e materia, in particolare per la realizzazione di sorgenti laser.

In un noto articolo del 1917 Einstein propose di sostituire con considerazioni generali e puramente quantistiche i ragionamenti di Planck sull’interazione tra radiazione elettromagnetica e materia. Con tre postulati molto generali ricavò la formula del corpo nero (problema che aveva assillato non poco i fisici!) e la fondamentale relazione tra energia e frequenza della radiazione. Il suo lavoro mise in luce anche un fenomeno nuovo, centrale ai fini della nostra indagine, legato ad un comportamento noto della fisica: gli atomi di cui è fatta la materia possono emettere ed assorbire radiazioni elettromagnetiche (luce inclusa, se le radiazioni vibrano con la rapidità adatta a renderle visibili al nostro occhio) secondo varie modalità. Il meccanismo, in generale, non è troppo complicato da spiegare: si tratta di scoprire e di accettare il fatto che gli atomi possono “vivere” in differenti “stati energetici”, ossia sono caratterizzati da configurazioni interne più o meno “eccitate”.

Se forniamo energia addizionale ad un atomo che giace sullo stato “fondamentale”, lo innalziamo ad un livello superiore, seppure intrinsecamente instabile, nel senso che per esso esiste uno stato più stabile di energia: quello fondamentale a cui esso naturalmente ritorna, perdendo energia ed emettendo spontaneamente l’energia in eccesso sotto forma di un “quanto di luce”: un fotone. Questa caduta spontanea a uno stato di energia inferiore è il primo meccanismo possibile di emissione di radiazione. Anche la luce che viene dal sole nasce da un rilascio disorganizzato di energia da parte dei nuclei atomici della nostra stella, eccitati da processi più complicati di quello descritto, ma con effetti del tutto simili.

Einstein aveva però considerato che gli atomi in attesa di emettere spontaneamente un fotone, potessero essere provocati a cedere energia prematuramente e ad emettere il proprio fotone se stimolati dall’esterno in modo controllato, direzionato e organizzato. L’idea che un tale fenomeno di emissione stimolata potesse manifestarsi macroscopicamente fu inizialmente considerata con scetticismo; mentre si scatenavano le guerre mondiali, l’emissione stimolata di radiazione rimase per un tempo lungo una pura previsione teorica.

Laser light show Video/Laser II (L), 1969
Spirali, immagine laser cinetica da VIDEO/LASER II realizzata con il laser multicolore e il sistema di scansione X-Y completato e destinato ad Expo ’70 di Osaka in Giappone. Carson D. Jeffries: Spirals, © 1969

Dalle microonde al visibile

La ricerca e lo sviluppo di una nuova sorgente avvenne in diverse fasi. I primi dispositivi non emettevano luce ma microonde (le stesse del forno, già) e si chiamavano M.A.S.E.R. Alla Columbia University di New York ed al Lebedev Institute di Mosca, nel 1954, furono realizzati i primi amplificatori per microonde basati sul processo di emissione stimolata. Nel 1958, Charles Townes e Arthur Schawlow svilupparono teoricamente l’idea di un amplificatore ottico racchiuso entro una coppia di specchi riflettenti per formare una cavità risonante destinata a selezionare e ad amplificare onde luminose di una particolare lunghezza e la pubblicarono. Ma realizzare l’amplificazione con emissione stimolata nell’ottico non fu immediato a causa della difficoltà di trovare un adeguato materiale da eccitare, e della minor lunghezza d’onda in gioco che richiedeva apparati e misure molto più precisi.

Soltanto due anni dopo, Theodore Maiman riuscì a realizzare il primo laser sfruttando un cilindro di rubino tra due specchi posti ad opportuna distanza e circondato da un tubo di vetro contenente gas sottoposto a scariche luminose di tipo impulsivo.

William R. Bennet Jr, uno dei pionieri del Laser a gas

Nel frattempo, alla fine del 1960, Ali Javan, William R. Bennet Jr. e Donald R. Herriot riuscirono ad ottenere il famoso laser a gas a elio-neon in grado di produrre radiazione continua. I laser ad onda continua mantengono un alto livello di potenza media pressoché costante, mentre i laser impulsati, emettono brevi impulsi di luce con una maggior potenza di picco, ma si caratterizzano per la bassa potenza media, dato che non emettono luce per tutto l’intervallo temporale compreso tra due impulsi successivi. Il funzionamento era diverso dal modello di Maiman, in quanto l’eccitazione del mezzo non avveniva con un flash luminoso ma con una scarica elettrica.

Dopo il laser a gas, e le sperimentazioni con diverse miscele e nuovi sviluppi, una nuova pietra miliare fu segnata dai dispositivi a semiconduttore. Presentati nel 1962 da quattro gruppi di ricerca indipendenti, ultima evoluzione per quanto riguarda le sorgenti laser, paragonabile in elettronica al passaggio dalle valvole al transistor: minor costo, consumi ridotti, dimensioni straordinariamente contenute, sistema di manutenzione più economico. Il funzionamento di questo tipo di dispositivi – detti anche “diodi laser” essendo sostanzialmente dei diodi – è radicalmente diverso dagli altri laser, sebbene sia sempre basato sul processo descritto da Einstein.

Schema di funzionamento della cavità ottica di un Laser

Tutti i laser sin qui menzionati, si basano su atomi o molecole isolati utilizzati come sorgenti indipendenti di fotoni. In relazione allo stato fisico del mezzo attivo, nei laser a gas il materiale attivo è allo stato gassoso; nei laser a stato solido, il materiale attivo che viene eccitato è costituito da cristalli o vetri modificati con l’inclusione di opportuni elementi. Nei laser a semiconduttore il mezzo attivo, la sorgente, non è costituita da atomi isolati indipendenti: le proprietà che determinano la generazione di luce sono infatti il risultato di una complessa interazione tra tutti gli atomi nel solido semiconduttore.

Schema di funzionamento di un laser a cavità semiconduttore.
Nel campo delle telecomunicazioni, le sorgenti ottiche utilizzate per la trasmissione di segnali ottici sono principalmente dispositivi a semiconduttore; tali dispositivi sono di due tipi: diodi emettitori di luce (LED, light emitting diode) e diodi ad amplificazione luminosa per emissione stimolata di radiazione (LASER, light amplification by stimulated emission of radiation) e si basano su fenomeni di emissione della radiazione elettromagnetica che è possibile descrivere mediante principi elementari di meccanica quantistica.

Proprietà della nuova sorgente.

Sfruttando le leggi fisiche è stato possibile concentrare in un singolo punto dello spazio quantità sempre più grandi di materiale per ottenere una radiazione luminosa differente da qualsiasi altra: la luce laser. Per il suo ordine interno, si propaga in un fascio ben collimato, è coerente, ovvero i fotoni emessi dal laser vibrano in concordanza di fase sia nello spazio che nel tempo; è unidirezionale, proprietà strettamente legata alla sua coerenza spaziale, i fotoni emessi dal laser sono paralleli, diffusi in una sola direzione, concentrati al punto da potersi considerare perfettamente rettilinei. La divergenza di un fascio laser è determinata dalla sola diffrazione.

La luce laser si propaga in un fascio ben collimato e la sua divergenza è determinata dalla sola diffrazione. Fenomeno fisico associato alla deviazione della traiettoria delle onde (come anche la riflessione, la rifrazione, la diffusione o l’interferenza) quando queste incontrano un ostacolo sul loro cammino. Le superfici a specchio sono alla base delle ricerche di Charles Townes per realizzare la cavità ottica teorizzata con Arthur Schawlow, al pari delle ricerche che la comunità artistica internazionale cominciò a svolgere per dar vita a nuove forme d’arte di luce.

E’ tutta di un unico colore, nel linguaggio dell’ottica si dice che è monocromatica, ovvero il laser agisce con un’unica e precisa frequenza di emissione ed emette onde luminose con la stessa lunghezza d’onda ed energia; possiede una elevata intensità o brillanza, potenza per unità di superficie, e può essere di diversi ordini di grandezza maggiore della più intensa luce emessa da una sorgente luminosa, compresa quella solare.

Le specifiche proprietà dei laser sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continueranno ad avere in moltissimi campi; l’elevatissima brillanza, permette ai laser il taglio, l’incisione, e la saldatura di metalli; la monocromaticità e la coerenza consentono di sfruttare l’interferenza ottica per eseguire osservazioni astronomiche e misure più precise di diversi ordini di grandezza, come calcolare la distanza della Luna con una precisione di meno di 15 cm di errore, e di mandare impulsi di luce a distanza di migliaia di chilometri senza tuttavia modificare la loro durata o “forma”.

Proprietà e campi di applicazioni della nuova sorgente.

I primi laser avevano le dimensioni di una lavatrice, oggi i venditori ambulanti offrono per pochi euro laser rossi basati su piccoli cristalli di semiconduttore, cioè materiali solidi fatti da atomi la cui struttura interna è ancora tale da permettere il fenomeno dell’emissione stimolata di radiazione. Solo ottant’anni fa, pensare di dirigere la luce nella stessa direzione, con una sola lunghezza d’onda, eliminando così la dispersione dell’emissione, sarebbe stato impensabile. Tuttavia all’inizio non si riuscivano ad ottenere laser di potenza veramente elevata, il che impediva le applicazioni militari ideate dal governo statunitense e i problemi legati alla realizzazione di diodi laser a temperatura ambiente non facilitavano l’ingresso di questi dispositivi nel campo delle comunicazioni. Solo in seguito – il conflitto in Vietnam, la crisi energetica del 1973, la nascita delle questioni legate all’ambiente – si investì molto sul laser come strumento di puntamento, spionaggio, monitoraggio ambientale  e comunicazione.

La realizzazione nel 1970 e ben più tardi la diffusione della banda larga su fibra ottica e di diodi laser a bassa corrente funzionanti a temperatura ambiente, estremamente piccoli e veloci, uniti alla monocromaticità del laser consentirono scambi di informazioni in tempi brevi e per distanze lunghissime.

Il laser è stato usato diffusamente per scopi medici: la possibilità di concentrare grandi energie in una piccola banda di frequenze e collimare accuratamente il fascio di luce permette di eseguire operazioni molto precise sull’organismo pur mantenendo lontani gli strumenti dal punto operato. In oculistica, si usa in tutte le retinopatie e, tra queste, per il distacco di retina per saldare la retina all’occhio. 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.

I primi laser avevano dimensioni considerevoli, in futuro sono preannunciate potenze e miniaturizzazioni sempre più spinte

Dalla fine degli anni ‘50 ad oggi le applicazioni e le frontiere dei laser sono moltiplicate e spingono in avanti. Nuove potenze e miniaturizzazione offriranno nuove regioni dello spettro, lunghezze d’onda inesplorate, levitazione e manipolazione di oggetti di ridotte dimensioni, coinvolgeranno campi della ricerca ottica, olografica, per offrire prospettive entusiasmanti.

Performance luminose

Dai laboratori di ricerca scientifica i dispositivi laser si diffusero e generarono grande interesse ed entusiasmo, mostrando la propria utilità in applicazioni sorprendenti e prospettive nuove nel campo dell’espressione artistica. Un laser è essenzialmente un raggio di luce, e la luce può essere pratica quanto bella. La comunità artistica internazionale cominciò a considerare tutte le proprietà innovative della luce laser per dar vita a nuove forme d’arte e spettacolo e a realizzare installazioni pittoriche, scultoree, olografiche di opere di luce che mettevano in scena proprio la bellezza e la purezza dei colori laser. Queste opere prendevano corpo nel corso di performance estemporanee, mentre l’artista fotografava i fasci di luce laser in molti modi differenti per creare impressionanti effetti visivi. I laser proiettavano raggi e combinazioni luminose statiche o deviate dal rimbalzo molteplice su degli specchi preventivamente posizionati o indossati dall’artista, che muovendosi in continuazione rifletteva i raggi in direzione di superfici, oggetti di vetro, contenitori riempiti di liquidi o volute gassose formate dalle macchine del fumo.

Le prime installazioni artistiche laser ci conducono a Leo Beiser e alle sue sperimentazioni ed illusioni ottiche, o all’artista svedese Carl Frederick Reutersward che nel 1968 usò i laser in una performance del “Faust”. Negli stessi anni Joel Stein, artista francese, realizzò un sistema di proiezioni di immagini laser per un balletto all’Opera Comique di Parigi e l’anno successivo presentò le sue opere laser a Bordeaux.

Lloyd G. Cross inventò Sonovision un sistema di proiezioni laser sonore, brevettato anch’esso nel 1968, che consentiva una ottima interazione tra i raggi luminosi di un laser HeNe puntati sulla membrana riflettente che ricopriva il sistema di diffusione sonoro.

“Laser Light: a New Visual Art” fu la prima grande mostra Americana di laser art organizzata dal Dr. Leon Goldman presso l’Art Museum di Cincinnati nel dicembre del 1969, dove Mike Campbell, Baron Kody e Rockne Krebs realizzarono diverse ambientazioni artistiche nelle stanze in cui erano posizionati specchi e diffuso il fumo ambiente che rende le proiezioni laser visibili e suggestive.

Krebs realizzò “Day Passage” nel 1971 per la mostra “Art and Technology” al County Museum of Art di Los Angeles, utilizzando laser argon e HeNe per la creazione di una scultura luminosa multicolore 3D.

La fisica Elsa Garmire del California Institute of Technology, a partire dagli inizi degli anni ‘70, cominciava a sperimentare le possibilità ottiche e artistiche della luce laser: “Ero vivamente interessata al movimento che univa arte e tecnologia attraverso numerose attività, dalla produzione di film laser fino alla realizzazione di fotografie laser: filtrando i raggi attraverso materiali disposti all’interno di una black box, era possibile proiettare immagini su uno schermo, su una pellicola fotografica o una carta tipografica sensibile e realizzare “Lasergrams” a colori o in bianco e nero”. Mentre con il film maker Ivan Dryer, lavorò alla produzione di “Laserimage” per fissare immagini laser su pellicola cinematografica e sincronizzare le immagini con la musica.

L’evoluzione della scansione grafica fissa al 1969 la data di presentazione del primo vero spettacolo di luce laser. Grazie ad un sistema a colori con galvanometri ottici e controllo elettronico – primitivo in relazione agli standard attuali, ma vero e proprio cuore tecnologico di ogni futuro sistema di proiezione laser che consentirà grazie alla precisione, alla velocità di rotazione, alla precisione di spostamento e posizionamento dei galvanometri di disegnare con la luce, creare effetti grafici, astrazioni geometriche ed animazioni – il 9 maggio, Lowell Cross, compositore di musica elettronica, con Carson Jeffries, scultore di sistemi di arte cinetica, e David Tudor, professore di fisica, presentarono un concerto al Mills College (Oakland California) con immagini programmate e sincronizzate alla musica. Una seconda versione, aggiornata e più spettacolare, fu presentata dallo stesso Cross in occasione del Pepsi-Cola Pavilion per l’Expo ‘70 ad Osaka in Giappone, dove trovarono sede molte altre interessanti e inusuali installazioni sperimentali, tra arte e tecnologia. Più di 2 milioni di visitatori entusiasti, molti dei quali impressionati dalla bellezza mozzafiato generata dalla combinazione di suono e luce.

9 maggio 1969, Lowell Cross, Eugene Turitz e David Tudor presentano al Mills College Audio/Video/Laser il primo laser light show con sistema di scansione X-Y e musica elettronica. Gli autori decisero di chiamare il loro sistema di scansione laser VIDEO/LASER (= VIDEO/LASER I), primo nel suo genere.

Grandi eventi e celebrazioni includevano presentazioni e spettacolari esibizioni di luce laser: è il caso di citare il bicentenario americano organizzato nel 1976 presso il Monumento di Washington: quattro milioni di persone ad assistere a bocca aperta alle proiezioni laser visibili a 20 miglia di distanza. O l’allestimento di due presentazioni su grande scala nel 1980, una per sostenere le celebrazioni del 350° anniversario della città di Boston, l’altra per animare il party di insediamento in onore del Presidente Ronald Reagan.

Laser light show Video/Laser II (L), 1969
Estate, autunno 1969. Con il supporto di David Tudor, Lowell Cross e Carson D. Jeffries furono incaricati da E.A.T di realizzare uno show con un sistema implementato di laser a colori per il Padiglione Pepsi-Cola di Expo ’70, Osaka, Giappone. Carson D. Jeffries e Lowell Cross completarono a dicembre il sistema, VIDEO/LASER II.

Gli spettacoli di luce laser erano considerati l’attrazione principale di un evento e, almeno agli inizi, una forma di intrattenimento psichedelico, abitualmente accompagnato da performance di musica dal vivo o diffusa, mentre agli organizzatori musicali fu ben presto chiaro che la luce avrebbe saputo accompagnare grandi momenti musicali con analogo successo. Dal 1966, come parte integrante dei concerti di rock psichedelico e, a partire dal 1969, della scena progressive in generale, i light show apparvero su entrambe le sponde dell’Atlantico. Jefferson Airplane in America, Pink Floyd e The Who in Inghilterra, furono tra i primi gruppi rock ad usare sistemi di proiezione laser nei propri concerti. E ancora, i Blue Oyster Cult usarono i laser durante il tour a supporto dell’album  Spectres;  la Electric Light Orchestra ne fece uso nel 1978 durante il Tour di Out of the Blue famoso anche per il loro “Oggetto volante non identificato”.

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Tuttavia sono i  Pink Floyd ad essere universalmente riconosciuti per i loro spettacoli di luci laser. Veri e propri pionieri, grazie alle sperimentazioni luminose di Mike Leonard, responsabile degli spettacoli di luci al loro debutto del 1967 e più tardi di Marc Brickman designer che utilizzò centinaia di proiettori intelligenti e laser, controllati e programmati, battuta per battuta, per seguire i brani in scaletta e per accompagnarli con giochi di luci, soluzioni scenotecniche e tecnologie innovative, fino ad utilizzare laser a vapori di  rame, solitamente usati nella ricerca nucleare. Le loro esibizioni dal vivo hanno sempre proposto esperienze visive e musicali innovative, e sono diventate successivamente punto di riferimento per ogni epoca successiva.

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Se volete sapere altro su come il laser è stato usato nelle arti dello spettacolo, leggete LASER: Le arti.