I laser come tecnologia fondamentale del mondo moderno e del futuro

Potenziale dei laser

Da quando fu costruito il primo laser nel 1960 e gli scienziati alla base della fisica che lo rese possibile ricevettero il Premio Nobel per la Fisica nel 1964, la tecnologia ha continuato a trovare nuove applicazioni. I laser sono comunemente utilizzati per:

• incisione e stampa,
• comunicazioni in fibra ottica,
• dischi ottici,
• fabbricazione di semiconduttori,
• chirurgia,
• trattamenti sanitari,
• misurazioni,
• miramento militare.

Sulla base di questi sviluppi, nel prossimo futuro i laser potrebbero diventare fondamentali nei processi produttivi, come la saldatura e la stampa 3D, nelle telecomunicazioni satellitari, nella propulsione spaziale, nella biotecnologia, nel calcolo (fotonica), nella fusione nucleare e persino nelle armi.

Principi dei laser

Laser è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, cioè amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione. L’idea centrale della tecnologia laser è produrre luce coerente anziché luce ordinaria.

Un fascio di luce coerente è molto stretto, ha una sola lunghezza d’onda e non si disperde sulle lunghe distanze.

Fonte: Britannica

Per creare un laser si stimolano gli atomi del materiale emettitore, di solito un gas ma anche un liquido o un solido. Gli atomi emettono luce, che in gran parte rimane intrappolata e viene riflessa all’interno del laser finché non esce come fascio di luce coerente.

Fonte: University of Kwazulu-Natali

I laser possono essere realizzati per molte lunghezze d’onda. Ciascuna usa un materiale specifico per produrre la luce, modificando il funzionamento del laser. Lunghezze d’onda diverse trasportano quantità diverse di energia e vengono assorbite in modo differente a seconda del materiale bersaglio.

Anche nel solo campo medico vengono impiegati molti laser diversi in base all’obiettivo.

Fonte: University of Kwazulu-Natali

(I lettori interessati ai principi scientifici alla base del laser possono leggere “Principi del laser” per saperne di più.)

Evoluzione della tecnologia laser

Nel corso degli anni i laser sono migliorati notevolmente. Nuovi materiali hanno ampliato le lunghezze d’onda disponibili, con laser a CO₂, rubino, titanio-zaffiro e punti quantici, il cui lavoro di base è stato premiato con il Nobel per la Fisica nel 2023.

Ciò ha reso possibili laser a impulsi ultrabrevi e laser regolati con precisione per specifiche applicazioni industriali e mediche.

I laser a bassa potenza divennero presto abbastanza economici da essere integrati nei lettori di codici a barre negli anni Settanta. In seguito furono utilizzati per leggere i dati memorizzati sui CD e poi su DVD e dischi Blu-ray.

Fonte: Laser Warfare

Potrebbero emergere anche nuove forme di laser, come i laser ad aria aperta, potenzialmente più robusti e leggeri.

Applicazioni dei laser

Osservazione di intervalli temporali estremamente brevi

Una delle applicazioni degli impulsi laser ultrabrevi consiste nell’illuminare un bersaglio per un tempo brevissimo, nell’ordine del femtosecondo, un milionesimo di un miliardesimo di secondo.

Ciò consente di osservare fenomeni come le reazioni chimiche delle molecole, in precedenza considerate istantanee.

Fonte: Nobel Prize

Ulteriori progressi stanno aprendo un intero nuovo campo scientifico, la scienza degli attosecondi. Un attosecondo è un millesimo di femtosecondo. Grazie a essa gli scienziati possono studiare la dinamica degli elettroni all’interno di atomi e molecole e analizzare la materia nella fase condensata.

Incisione e produzione

I laser possono incidere i materiali con grande precisione. Tuttavia, un uso troppo prolungato riscalda rapidamente il materiale e genera onde d’urto dannose. In passato ciò rappresentava un problema per i laser potenti o per i materiali che devono essere privi di difetti.

I laser a femtosecondi più avanzati continuano a incidere, ma i loro impulsi sono abbastanza brevi da evitare il surriscaldamento, eliminando il problema.

Fonte: Nobel Prize

Oggi i laser vengono usati regolarmente per forare, tagliare, marcare, testurizzare e saldare metalli, plastica, legno e vetro.

“Molti componenti prodotti oggi richiedono caratteristiche microscopiche che possono essere create solo con la foratura laser.

È possibile realizzare geometrie molto piccole e complesse in numerosi materiali con metodi come la scrittura diretta, la trapanazione e la proiezione di maschere, senza effetti termici o danni al materiale.”

Matt Nipper, direttore tecnico di Laser Light Technologies, ora parte di Spectrum Plastics.

Le moderne macchine laser sono controllate da software avanzati come le macchine CNC. Gli strumenti di produzione laser vanno da piccoli dispositivi da banco da poche migliaia di dollari a macchine industriali da milioni di dollari.

I laser possono essere così precisi da essere oggi utilizzati per rimuovere l’isolamento dai cavi.

“L’isolamento può essere rimosso con una tolleranza di 0,005 pollici. La spellatura può essere programmata per ablare l’isolamento in qualsiasi punto del cavo, consentendo rimozioni ad alta precisione nella sua parte centrale.”

Matt Nipper, direttore tecnico di Laser Light Technologies, ora parte di Spectrum Plastics.

Stampa 3D

Molte stampanti 3D usano un laser per fondere la plastica o il metallo che formerà il prodotto finale. Tra le tecniche rientra la fusione laser a letto di polvere, che potrebbe diventare ancora più precisa e potente con un fascio laser anulare.

Fonte: International Journal of Machine Tools and Manufacture

L’uso simultaneo di due laser potrebbe diventare una configurazione standard per accelerare la produzione additiva.

Con la stampa 3D sempre più presente nei processi produttivi, come discusso in “La stampa 3D si consolida nel futuro della produzione”, si può prevedere un aumento analogo della domanda di laser.

Usi medici

La luce intensa dei laser può creare l’accelerazione laser-plasma, portando particelle come protoni ed elettroni a energie estreme. Queste particelle possono essere usate nella radioterapia e i laser consentono di realizzare macchine abbastanza piccole per un ospedale, a differenza degli acceleratori di particelle, molto più grandi e ingombranti.

I laser ultraveloci vengono usati anche nella chirurgia oculare, dagli interventi LASIK che eliminano la necessità degli occhiali alla fotocoagulazione per trattare la retinopatia diabetica, una malattia della retina.

Fonte: Nobel Prize

I laser possono essere usati nei trattamenti cutanei. A seconda della lunghezza d’onda, possono agire solo sullo strato superficiale o sui vasi sanguigni più profondi.

Fonte: Laser Focus World

I laser trovano inoltre applicazione nei trattamenti estetici, dalla rimozione di peli e tatuaggi al ringiovanimento cutaneo e alla rimozione di cicatrici da acne e macchie pigmentate, come macchie senili e nei.

Archiviazione dei dati

I laser vengono utilizzati da decenni per memorizzare dati sui dischi ottici. Laser più potenti e con lunghezze d’onda più corte possono registrare dati con maggiore densità, da cui l’adozione dei laser blu per i Blu-ray.

Tuttavia, è ormai evidente che i dischi ottici non sono una forma durevole di archiviazione dei dati.

Si stanno quindi valutando numerosi metodi basati sui laser, come l’incisione a bassa potenza sui polimeri, altre forme di archiviazione meccanica, l’incisione dei diamanti e i dischi di cristallo 5D.

Fonte: University of Southampton

La capacità dei laser di raggiungere una precisione nanometrica, pari alla lunghezza d’onda della luce, fa sì che rimangano probabilmente un metodo preferenziale di registrazione, soprattutto per l’archiviazione a lungo termine.

Incisione di semiconduttori

Fin dalle origini del settore, i produttori di semiconduttori hanno usato i laser per preparare il materiale destinato alla creazione dei chip.

Un vantaggio fondamentale è che il taglio e l’incisione laser non richiedono contatto e producono meno polvere rispetto alle alternative, un aspetto importante per i materiali che esigono la massima pulizia. Il taglio laser spreca inoltre meno materiale e non genera crepe.

I laser vengono usati per saldare, rimuovere rivestimenti e marcare materiali e apparecchiature per semiconduttori.

Calcolo

I chip di silicio tradizionali stanno raggiungendo dimensioni quasi minime, perciò si studiano nuove forme di calcolo per continuare ad aumentare la potenza di computer e centri dati.

Una di queste è la fotonica, che usa la luce anziché gli elettroni per trasportare i dati di calcolo. Il metodo sostituisce i transistor di silicio con numerosi laser ultraveloci, sensori di luce e fibre ottiche e potrebbe mantenere valida la legge di Moore.

Un’altra opzione è rappresentata dai computer quantistici, che sfruttano effetti quantistici per eseguire calcoli normalmente impossibili per i computer tradizionali. I laser possono aiutare anche in questo ambito, dai laser a infrarossi per manipolare gli atomi di idrogeno ai laser per magnetizzare sostanze non magnetiche.

Telecomunicazioni

Oltre che nei semiconduttori e nel calcolo, i laser vengono usati da decenni per trasmettere informazioni.

I diodi laser possono produrre luce coerente a frequenza stretta, consentendo l’invio di più canali informativi attraverso un unico cavo in fibra ottica. Sono usati soprattutto nelle telecomunicazioni a lunga distanza e vengono realizzati con punti quantici.

I laser possono essere usati anche nelle telecomunicazioni spaziali, tra satelliti oppure tra satelliti e stazioni a terra.

Il principale vantaggio delle comunicazioni laser rispetto alle onde radio è la maggiore larghezza di banda, che consente di trasferire più dati in meno tempo. Inoltre, le comunicazioni laser sono quasi impossibili da intercettare, perché l’intercettazione richiederebbe di trovarsi fisicamente vicino al ricevitore.

Per esempio, ogni satellite Starlink dispone di tre collegamenti laser intersatellitari (ISL) da 200 Gbit/s, che trasmettono dati tra i satelliti prima di inviarli alle stazioni Starlink.

In futuro anche le comunicazioni spaziali con eventuali basi sulla Luna o su Marte useranno probabilmente i laser, poiché offrono sia il trasferimento dati più rapido sia la maggiore larghezza di banda possibile.

Biotecnologia

Fluorescenza

Un’applicazione spesso dimenticata dei laser è la biotecnologia. Un metodo iniziale è stato la fluorescenza indotta da laser (LIF), in cui un laser induce tessuti biologici o molecole a emettere luce verde o rossa, rendendoli osservabili con un microscopio a fluorescenza.

Fonte: MicroscopyU

I laser vengono usati anche nei citometri a flusso per separare le cellule di un campione.

Un importante sottosettore della tecnica è la spettroscopia LIF, impiegata nella cromatografia e nell’elettroforesi capillare, due tecniche biochimiche fondamentali per analizzare le molecole biologiche.

Sequenziamento genetico e medicina

Fonte: Memorial University

I progressi nella tecnologia laser e la riduzione dei costi sono stati fattori decisivi per rendere il sequenziamento genetico più diffuso e accessibile sia ai ricercatori sia agli specialisti medici.

I laser vengono usati per rilevare i tumori e analizzare le cellule tumorali e possono inoltre tagliare sottili sezioni di tessuto per ulteriori analisi.

Sensori e veicoli autonomi

I laser possono misurare l’ambiente circostante. Possono essere usati per il posizionamento in fabbrica, per misurare le distanze o per rilevare la presenza di un ostacolo.

Sistemi complessi di questi laser vengono impiegati nel lidar (Light Detection and Ranging), che usa impulsi di luce laser per misurare la distanza degli oggetti circostanti. I sistemi lidar sono normalmente usati per la mappatura.

Il lidar è una componente essenziale della maggior parte dei sistemi di guida autonoma, tra cui Waymo di Google (GOOGL ). Fa eccezione Tesla, che si affida solo alle telecamere.

Armi a energia diretta

Con i droni che diventano una minaccia crescente sui campi di battaglia moderni, gli eserciti di tutto il mondo cercano soluzioni economiche per abbatterli.

Ciò è particolarmente importante perché la maggior parte dei droni suicidi costa al massimo poche migliaia di dollari, rendendo spesso un missile o persino un’arma da fuoco più costosi del bersaglio.

Una soluzione potrebbe essere costituita dalle armi laser, una sottocategoria delle armi a energia diretta che comprende anche, per esempio, i fasci a microonde. L’idea è usare un potente raggio laser per bruciare il drone prima che diventi una minaccia.

Fonte: Laser Focus World

Poiché le munizioni costerebbero soltanto l’energia impiegata, questa potrebbe essere una delle poche opzioni sostenibili nel lungo periodo. La tecnologia è però ancora lontana dalla maturità e alcuni problemi devono essere risolti prima dell’impiego sui campi di battaglia:

• La nebbia può ostacolare le armi laser.
• Il consumo energetico è enorme, rendendo problematiche sia la generazione sia l’accumulo per il fuoco rapido.
• I laser sono dispositivi relativamente fragili e quindi poco affidabili in prima linea.

Il primo impiego su larga scala delle armi laser riguarderà probabilmente la protezione di strutture fisse, come basi militari e navi.

Fusione nucleare

La strategia oggi dominante per ottenere la fusione nucleare impiega i tokamak, strutture ad anello che usano campi magnetici per confinare il plasma.

Come spiegato in “Fusione nucleare – La soluzione definitiva per l’energia pulita all’orizzonte”, questo non è però l’unico metodo possibile per ottenere la fusione nucleare. Un’altra opzione usa i laser per rendere gli atomi di idrogeno così caldi da farli collidere, generando istantaneamente onde d’urto che li spingono l’uno contro l’altro.

Un buon esempio è la National Ignition Facility (NIF) statunitense, che guida, amplifica, riflette e concentra 192 potenti raggi laser su un bersaglio grande quanto una gomma da matita. In un solo punto vengono così erogati 500.000 miliardi di watt di potenza di picco.

Fonte: Britannica

Questi sistemi sono buoni candidati per la futura fusione nucleare commerciale e potrebbero essere utili anche per la propulsione a fusione pulsata delle astronavi destinate allo spazio profondo.

Applicazioni spaziali

Astrofisica

L’astrofisica studia spesso condizioni estreme di pressione e temperatura difficili da riprodurre sulla Terra, come quelle all’interno delle stelle o dei pianeti giganti gassosi.

I laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) possono aiutare a studiare la materia calda e densa (WDM), contribuendo a sviluppare veicoli spaziali e motori a fusione migliori.

Energia solare orbitale

L’energia solare orbitale è una possibilità crescente per produrre energia pulita. Il costo del lancio di un sistema energetico in orbita sta diminuendo rapidamente, rendendo plausibile portare migliaia di tonnellate di carico in orbita o produrre nello spazio.

Come illustrato in “Soluzioni energetiche spaziali per un’energia pulita illimitata”, l’energia prodotta potrebbe essere trasmessa sulla Terra mediante fasci a microonde o potenti laser.

Vela solare

Un’altra futura possibilità spaziale per i laser sono le vele solari. L’idea fondamentale è che, pur essendo privi di massa, i fotoni trasportano una quantità minima di moto.

Nell’ambiente privo di peso dello spazio profondo, questa piccola spinta può bastare ad accelerare un’astronave.

Una vela solare sarebbe una grande vela di pellicola capace di catturare la luce e trasformarla in propulsione. Sistemi laser in orbita o sulla Luna potrebbero dirigerle più luce e accelerarla a velocità irraggiungibili dai razzi chimici.

Fonte: For All Mankind TV

Il metodo potrebbe essere utilizzato persino per viaggi interstellari, poiché la fisica nota permetterebbe teoricamente di spingere un’astronave fino al 20 per cento della velocità della luce.

Investire nella tecnologia laser

I laser sono presenti in innumerevoli ambiti della tecnologia moderna, dai dischi ottici agli strumenti chirurgici, dalla stampa 3D ai semiconduttori, alla produzione e ai sequenziatori genomici. Il mercato da 17,8 miliardi di dollari dovrebbe crescere a un tasso annuo composto del 7,8 per cento fino al 2030.

È possibile investire in società legate ai laser tramite numerosi broker. Su Securities.io sono disponibili le nostre raccomandazioni sui migliori broker negli Stati Uniti, in Canada, in Australia, nel Regno Unito e in molti altri Paesi.

Chi non vuole scegliere singole società può valutare ETF tecnologici come iShares U.S. Technology ETF (IYW) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Non esiste un ETF dedicato esclusivamente ai laser, ma questi fondi offrono un’esposizione più diversificata alle azioni nanotecnologiche e tecnologiche.

È inoltre possibile scoprire come investire nel gallio nel nostro rapporto dedicato. Il gallio è un elemento essenziale nella produzione dei laser e si trova attualmente al centro della guerra commerciale tra Stati Uniti e Cina.

Aziende del settore laser

II-VI Marlow / Coherent

Coherent è un grande conglomerato industriale con oltre 26.000 dipendenti e un leader nella tecnologia laser, nato dalla fusione tra la società di materiali avanzati II-VI (COHR ) Marlow e il produttore di laser Coherent.

La società è specializzata in materiali avanzati usati nei laser, nell’ottica e nella fotonica, come fosfuro di indio, wafer epitassiali e arseniuro di gallio. È cresciuta soprattutto grazie a numerose acquisizioni nell’ultimo decennio.

Fonte: Coherent

La società ricava direttamente dai laser il 29 per cento dei ricavi; il resto proviene da apparecchiature collegate, come fibre ottiche ed elettronica. La categoria della strumentazione comprende soprattutto applicazioni biomediche e delle scienze della vita.

Fonte: Coherent

La presenza nei materiali avanzati, tra cui termofotovoltaico, carburo di silicio, laser ed elettronica, permette alla società di beneficiare di tendenze strutturali come la crescita della produzione di precisione, della produzione additiva e stampa 3D, dell’elettrificazione e delle energie rinnovabili. Abbiamo trattato il termofotovoltaico in un precedente articolo.

La società ha recentemente separato l’attività del carburo di silicio in una nuova entità, posseduta al 75 per cento da Coherent. La quota restante è divisa in parti uguali tra Mitsubishi Electric, che apporta proprietà intellettuale nei dispositivi di potenza al carburo di silicio, e Denso, che contribuisce con l’attività di fornitore automobilistico nell’elettrificazione e nei semiconduttori di potenza.

Questo perché il carburo di silicio sta diventando una tecnologia autonoma, impiegata soprattutto in applicazioni ad alta potenza come veicoli elettrici, batterie ed energie rinnovabili.

Coherent è leader nel lidar e nel rilevamento digitale 3D, comprese le applicazioni di guida autonoma, nelle celle a flusso per il sequenziamento di nuova generazione (NGS) in biotecnologia e nei laser per la produzione di semiconduttori. Prevede che i suoi mercati principali crescano dell’8–20 per cento.

Fonte: Coherent

Altre possibili nuove applicazioni dei laser, come armi a energia diretta, calcolo fotonico, fusione nucleare e tecnologie spaziali, potrebbero sostenere ulteriormente la crescita a lungo termine della società.

Nel complesso, Coherent è quanto di più vicino a una società laser pura quotata in borsa per gli investitori interessati al settore, con una forte integrazione verticale e oltre 3.100 brevetti a tutela delle sue innovazioni.