La produzione additiva sta entrando in un settore nel quale precisione geometrica, qualità dei materiali e caratteristiche ottiche devono essere controllate su scala micrometrica. I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno realizzato mediante stampa 3D una guida d’onda laser interamente ceramica, utilizzando una particolare architettura basata sul granato di ittrio e alluminio, più conosciuto con la sigla YAG.
Il risultato non consiste semplicemente nell’aver stampato un componente ottico. Il gruppo di ricerca ha dimostrato che è possibile utilizzare l’additive manufacturing per costruire contemporaneamente il nucleo attivo della guida d’onda e il materiale che lo circonda, ottenendo una struttura ceramica trasparente capace di funzionare effettivamente come laser.
Il lavoro, condotto insieme al DEVCOM Army Research Laboratory, apre una strada verso sistemi laser compatti che, secondo i ricercatori, potrebbero in futuro raggiungere potenze nettamente superiori a quelle ottenibili con le tradizionali fibre ottiche in vetro.
Il punto da sottolineare è però la distinzione tra risultato sperimentale e obiettivo industriale. Il dispositivo realizzato dal Lawrence Livermore National Laboratory funziona ed è stato caratterizzato in laboratorio, ma l’ipotesi di superare di oltre dieci volte la potenza dei laser in fibra rappresenta il potenziale della tecnologia una volta portata su scale energetiche molto maggiori.
Perché le fibre ottiche diventano un limite nei laser ad alta potenza
Le guide d’onda sono strutture che confinano e indirizzano la luce lungo un percorso definito.
Il principio è alla base delle fibre ottiche utilizzate nelle telecomunicazioni, ma anche dei laser in fibra impiegati nell’industria per taglio, saldatura e lavorazione dei materiali e nei sistemi militari a energia diretta.
Una guida d’onda comprende normalmente un core, cioè una regione centrale attraverso la quale viene propagata la luce, circondata da un cladding con differenti proprietà ottiche. La differenza di indice di rifrazione permette di mantenere la radiazione confinata all’interno del nucleo.
Le fibre laser basate sulla silice presentano numerosi vantaggi: sono compatte, efficienti, relativamente facili da raffreddare e possono produrre fasci di elevata qualità.
Quando la potenza aumenta, tuttavia, iniziano a emergere limiti fisici.
La silice ha una conducibilità termica relativamente bassa. L’energia che non viene trasformata in radiazione laser produce calore, e questo calore deve essere allontanato dal materiale. A potenze elevate possono inoltre comparire fenomeni ottici non lineari e instabilità che rendono sempre più difficile aumentare ulteriormente la potenza mantenendo la qualità del fascio.
Da qui nasce l’interesse per materiali cristallini e ceramici.
Il ruolo dello YAG nei laser
Il YAG, yttrium aluminum garnet, è un materiale ampiamente utilizzato nella tecnologia laser.
La sua formula chimica è Y3Al5O12 e può essere drogato con elementi delle terre rare per modificarne le proprietà ottiche.
Nel progetto del Lawrence Livermore National Laboratory il materiale attivo è Yb:YAG, cioè YAG drogato con ioni di itterbio.
L’itterbio assorbe l’energia fornita da una sorgente di pompaggio e permette successivamente l’emissione della radiazione laser.
Rispetto alla silice comunemente impiegata nelle fibre, lo YAG presenta una conducibilità termica molto più elevata. Questa caratteristica consente di evacuare con maggiore efficacia il calore prodotto durante il funzionamento del laser e costituisce uno dei motivi per cui i ricercatori lo considerano interessante per sistemi ad alta potenza.
Il problema non è quindi trovare un materiale capace di funzionare meglio della silice in determinate condizioni. La difficoltà consiste nel trasformarlo in una guida d’onda con geometrie e qualità ottica adeguate.
Ed è proprio qui che entra in gioco la stampa 3D.
Una guida d’onda costruita con Direct Ink Writing
Il team del Lawrence Livermore National Laboratory ha utilizzato una tecnica di additive manufacturing chiamata Direct Ink Writing, DIW.
A differenza dei processi di stampa 3D basati sulla fusione di filamenti termoplastici, il Direct Ink Writing utilizza un materiale sotto forma di pasta o inchiostro con caratteristiche reologiche attentamente controllate.
Nel caso sviluppato da LLNL, la formulazione contiene nanoparticelle ceramiche.
L’inchiostro viene estruso attraverso un ugello seguendo una traiettoria definita digitalmente. In questo modo è possibile depositare filamenti estremamente piccoli e creare localmente regioni con composizioni differenti.
Per realizzare la guida d’onda, i ricercatori hanno depositato un sottile filamento di YAG drogato con itterbio all’interno di una matrice di YAG non drogato.
Il filamento Yb:YAG svolge la funzione di nucleo attivo della guida d’onda, mentre il materiale YAG circostante costituisce il cladding.
La caratteristica importante del processo è che core e cladding vengono costruiti come parti della stessa struttura ceramica.
Questo permette di evitare alcune delle difficoltà associate ai sistemi nei quali elementi differenti devono essere prodotti separatamente e successivamente uniti.
Dalla pasta ceramica a un componente otticamente trasparente
Al termine della stampa il componente non possiede ancora le caratteristiche necessarie per funzionare come dispositivo ottico.
Il cosiddetto “green body”, cioè il pezzo appena prodotto, contiene particelle ceramiche insieme ai componenti utilizzati per rendere stampabile l’inchiostro.
È quindi necessario un processo di consolidamento.
La struttura viene essiccata e successivamente sinterizzata ad alta temperatura. Il trattamento permette alle particelle di consolidarsi formando un materiale ceramico denso.
Il processo comprende anche un trattamento di Hot Isostatic Pressing, HIP, nel quale temperatura e pressione vengono utilizzate per aumentare ulteriormente la densità del materiale e ridurre la presenza di porosità residua.
La porosità è particolarmente critica per un componente ottico perché pori e difetti possono diffondere la luce e aumentare le perdite.
Il risultato finale è una ceramica trasparente nella quale il nucleo drogato con itterbio resta incorporato nella matrice di YAG.
Tre guide d’onda all’interno dello stesso blocco ceramico
Il gruppo di ricerca ha costruito tre differenti guide d’onda all’interno di un singolo componente ceramico.
Questa configurazione mostra uno dei vantaggi potenziali dell’additive manufacturing: la possibilità di incorporare più strutture ottiche direttamente all’interno di un materiale durante la fabbricazione.
Non si tratta quindi necessariamente di replicare mediante stampa 3D una geometria che potrebbe essere costruita con tecnologie convenzionali.
La prospettiva è utilizzare la libertà geometrica del processo per progettare dispositivi ottici con distribuzioni tridimensionali del materiale attivo, della concentrazione del drogante e dell’indice di rifrazione difficili da ottenere mediante lavorazioni tradizionali.
Il Lawrence Livermore National Laboratory lavora su questo concetto da diversi anni.
Già nei precedenti programmi dedicati alle ceramiche trasparenti, LLNL aveva utilizzato additive manufacturing e material jetting per realizzare mezzi laser con distribuzioni controllate dei materiali.
Nel 2021 un gruppo del laboratorio aveva dimostrato guide d’onda planari in Yb:YAG ottenute mediante material jet printing, con spessori nell’ordine di decine di micrometri.
Il nuovo lavoro porta il concetto verso guide d’onda tridimensionali prodotte tramite Direct Ink Writing.
I risultati sperimentali del laser
Il lavoro scientifico è stato pubblicato sulla rivista Optics Letters con il titolo “All-ceramic channel waveguides fabricated via 3D printing”.
Gli autori sono Ross Osborne, Jun Zhang, Mark Dubinskii, Nerine Cherepy e Stephen Payne, con ricercatori appartenenti al Lawrence Livermore National Laboratory e al DEVCOM Army Research Laboratory.
Una delle guide d’onda testate presentava una sezione ellittica di circa 100 × 60 micrometri e una lunghezza di circa 1,4 centimetri.
I ricercatori hanno pompato otticamente il dispositivo utilizzando una sorgente a 940 nanometri.
La guida d’onda Yb:YAG ha prodotto emissione laser a circa 1.030 nanometri.
Il dispositivo con le migliori prestazioni ha raggiunto una slope efficiency del 61%.
La slope efficiency descrive quanto efficacemente un aumento della potenza di pompaggio oltre la soglia si traduca in un aumento della potenza laser in uscita. Un valore di questo livello dimostra che il processo di stampa e consolidamento non ha semplicemente prodotto una struttura trasparente, ma un mezzo laser con caratteristiche funzionali significative.
I ricercatori hanno inoltre misurato perdite di scattering relativamente contenute nel materiale di cladding, un altro parametro fondamentale per evitare che l’energia luminosa venga dispersa durante la propagazione.
Perché LLNL parla di una potenza oltre dieci volte superiore
Il risultato attuale non è un laser dieci volte più potente delle migliori fibre ottiche disponibili.
L’affermazione riguarda ciò che questa architettura potrebbe consentire quando sarà sviluppata su scala maggiore.
Secondo Ross Osborne, la struttura cristallina potrebbe permettere di aumentare di oltre un ordine di grandezza la potenza rispetto alle fibre in vetro mantenendo dimensioni compatte.
Il principale vantaggio deriva dalla gestione termica.
Nei laser ad alta potenza, il calore costituisce uno dei principali fattori che limitano l’incremento delle prestazioni. Un materiale ceramico cristallino come YAG può trasferire il calore molto meglio rispetto alla silice.
A questo si aggiunge la possibilità di progettare sezioni della guida d’onda più grandi e geometrie differenti da quelle di una fibra tradizionale.
L’obiettivo è quindi mantenere alcuni dei vantaggi della propagazione guidata tipica dei laser in fibra, ma utilizzando un materiale più adatto alla gestione di elevate densità energetiche.
Dalle centinaia di milliwatt ai kilowatt
La distanza tra il prototipo di laboratorio e un sistema industriale rimane considerevole.
I dispositivi dimostrati operano nell’ordine delle centinaia di milliwatt. Il gruppo di LLNL punta però a sviluppare progressivamente la tecnologia fino alla scala dei kilowatt.
Significa aumentare la potenza di diversi ordini di grandezza senza perdere le caratteristiche che hanno permesso al prototipo di funzionare.
Occorrerà controllare la qualità della ceramica su volumi maggiori, ridurre ulteriormente le perdite ottiche, ottimizzare la concentrazione dell’itterbio, migliorare il raffreddamento e sviluppare configurazioni di pompaggio appropriate.
Anche il processo produttivo dovrà garantire una ripetibilità sufficiente per passare dalla dimostrazione scientifica a componenti utilizzabili in sistemi reali.
L’additive manufacturing può aiutare proprio sotto questo aspetto perché permette di controllare digitalmente la geometria e, potenzialmente, la distribuzione composizionale all’interno del componente.
Applicazioni industriali nella lavorazione dei materiali
Una delle possibili applicazioni riguarda i laser industriali.
Sistemi nell’ordine dei kilowatt vengono impiegati per tagliare e saldare metalli, lavorare componenti, effettuare trattamenti superficiali e supportare diversi processi produttivi.
La possibilità di costruire sorgenti laser più compatte e capaci di raggiungere potenze elevate potrebbe quindi interessare il settore delle macchine utensili e della produzione industriale.
La capacità di stampare direttamente strutture ottiche complesse potrebbe inoltre consentire una maggiore integrazione tra sorgente laser e sistema ottico.
In prospettiva, il processo potrebbe permettere di realizzare più guide d’onda all’interno dello stesso corpo ceramico, creare configurazioni parallele o modificare localmente le proprietà del materiale mediante differenti concentrazioni di drogante.
L’interesse del DEVCOM Army Research Laboratory
Il coinvolgimento del DEVCOM Army Research Laboratory evidenzia anche il valore della tecnologia nel settore della difesa.
I laser ad alta energia vengono studiati per applicazioni che comprendono sistemi anti-drone, protezione contro determinate minacce aeree e altri sistemi a energia diretta.
Una delle principali difficoltà consiste nel combinare elevata potenza, qualità del fascio, compattezza, efficienza energetica e gestione termica.
Le forze armate statunitensi lavorano da anni su architetture laser scalabili e sul coherent beam combining, dove l’uscita di più sorgenti viene combinata per ottenere fasci di potenza superiore.
Le guide d’onda cristalline sviluppate da LLNL potrebbero offrire una nuova opzione per realizzare sorgenti elementari con una maggiore capacità di gestione della potenza.
Anche in questo caso, tuttavia, il passaggio dal dispositivo sperimentale a un sistema operativo richiederà ulteriori sviluppi.
Una ricerca iniziata molti anni prima del prototipo attuale
Il lavoro non nasce da un singolo esperimento.
Il Lawrence Livermore National Laboratory studia da almeno un decennio l’applicazione della produzione additiva ai materiali ottici.
I ricercatori del laboratorio hanno lavorato sulla stampa di vetro trasparente, ceramiche YAG, materiali con composizione graduata e mezzi laser nei quali la concentrazione degli elementi attivi può essere modificata durante la produzione.
L’obiettivo è sfruttare una caratteristica dell’additive manufacturing particolarmente importante in questo settore: la possibilità di progettare non soltanto la forma esterna del componente, ma anche la sua struttura interna e, in alcuni processi, perfino la distribuzione locale della composizione chimica.
Una lente, un amplificatore laser o una guida d’onda possono così essere pensati come oggetti tridimensionali nei quali le proprietà ottiche vengono definite punto per punto durante la produzione.
La stampa 3D diventa uno strumento per progettare il materiale
Questo è probabilmente l’aspetto più significativo del lavoro del Lawrence Livermore National Laboratory.
Nella stampa 3D tradizionale il progettista stabilisce la geometria dell’oggetto e la macchina la costruisce.
Nel caso delle ceramiche ottiche sviluppate da LLNL il processo può diventare più sofisticato: oltre alla geometria è possibile intervenire sulla posizione del materiale drogato e sulla struttura interna del componente.
La produzione additiva diventa quindi uno strumento di material design.
Per una guida d’onda laser significa poter controllare la posizione del mezzo attivo, la forma del core, il rapporto tra core e cladding e, in prospettiva, gradienti della concentrazione del drogante o dell’indice di rifrazione.
Queste possibilità potrebbero portare a dispositivi che non sarebbero semplicemente più facili da produrre rispetto a quelli convenzionali, ma che sarebbero difficili o impossibili da costruire con le tecnologie tradizionali.
Il prossimo passaggio sarà dimostrare la scalabilità
Il risultato ottenuto dal Lawrence Livermore National Laboratory e dal DEVCOM Army Research Laboratory dimostra che il Direct Ink Writing può essere utilizzato per costruire una guida d’onda interamente ceramica capace di funzionare come laser.
I prossimi sviluppi determineranno quanto questa architettura potrà essere scalata.
Portare la tecnologia dalle centinaia di milliwatt ai watt e successivamente ai kilowatt significa affrontare problemi termici, ottici e produttivi molto differenti da quelli osservati in un prototipo lungo poco più di un centimetro.
Se questi ostacoli verranno superati, la combinazione tra ceramiche Yb:YAG, guide d’onda e stampa 3D potrebbe offrire un’alternativa interessante alle fibre di silice nelle applicazioni nelle quali l’aumento della potenza è oggi limitato dalle caratteristiche del materiale.
Il valore della ricerca, quindi, non è soltanto il laser realizzato. È la dimostrazione che la produzione additiva può essere utilizzata per costruire direttamente l’architettura interna di un dispositivo fotonico, trasformando una pasta di nanoparticelle ceramiche in un componente ottico trasparente e funzionale.
Un passaggio che amplia ulteriormente il campo di applicazione della stampa 3D, portandola dalla produzione di parti meccaniche alla progettazione tridimensionale dei materiali destinati alla fotonica e ai laser ad alta potenza.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
