LLNL stampa in 3D guide d’onda laser ceramiche in Yb:YAG
Una guida d’onda laser interamente ceramica prodotta con stampa 3D
Un gruppo di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), insieme al DEVCOM Army Research Laboratory, ha realizzato mediante produzione additiva una guida d’onda laser interamente ceramica basata su granato di ittrio e alluminio, meglio conosciuto con la sigla YAG.
Il risultato riguarda un settore nel quale la stampa 3D non viene utilizzata semplicemente per ottenere una forma complessa. La tecnica serve a controllare la composizione del materiale all’interno del componente, creando direttamente durante la fabbricazione una regione attiva drogata con itterbio circondata da materiale YAG non drogato.
Il componente risultante è quindi contemporaneamente una struttura ceramica trasparente e un dispositivo ottico capace di confinare e amplificare la luce.
Il lavoro è stato condotto da Ross Osborne, Jun Zhang, Mark Dubinskii, Nerine Cherepy e Stephen Payne ed è stato pubblicato nel 2026 sulla rivista Optics Letters con il titolo “All-ceramic channel waveguides fabricated via 3D printing”.
Secondo gli autori, si tratta della prima dimostrazione di guide d’onda a canale in ceramica trasparente Yb:YAG realizzate mediante Direct Ink Writing e utilizzate con successo come dispositivi laser.
Perché le guide d’onda sono così importanti nei laser
Una guida d’onda ottica svolge nei confronti della luce un ruolo paragonabile, per certi aspetti, a quello svolto da un filo nei confronti della corrente elettrica.
La luce viene confinata all’interno di una regione centrale, il core, circondata da un materiale che costituisce il cladding. Le differenze nelle proprietà ottiche tra le due regioni impediscono alla radiazione di disperdersi liberamente e permettono di guidarla lungo un percorso prestabilito.
Il fenomeno alla base del funzionamento è la riflessione interna totale.
Nei sistemi laser la guida può contenere anche il materiale attivo che trasferisce energia alla radiazione luminosa. In questo modo si possono combinare confinamento della luce e amplificazione all’interno di strutture molto compatte.
Le fibre ottiche in silice rappresentano l’esempio più diffuso di questo principio.
I laser a fibra possono raggiungere potenze elevate mantenendo dimensioni contenute, una buona qualità del fascio e un’efficiente dissipazione del calore grazie all’elevato rapporto tra superficie e volume della fibra.
Le proprietà stesse del vetro di silice pongono però limiti alla quantità di potenza che può attraversare una fibra.
Perché superare i limiti delle fibre in silice
Uno dei fenomeni che limita la potenza dei laser a fibra è la diffusione Brillouin stimolata, indicata con la sigla SBS, Stimulated Brillouin Scattering.
Quando l’intensità luminosa aumenta oltre determinate condizioni, una parte dell’energia può interagire con vibrazioni acustiche presenti nel materiale. L’interazione genera luce che si propaga in una direzione indesiderata e sottrae energia al fascio principale.
Il problema diventa particolarmente importante nei laser a singola frequenza e nei sistemi nei quali è necessario mantenere un’elevata qualità del fascio.
Aumentare semplicemente il diametro della fibra non risolve automaticamente la difficoltà. Una guida più grande può infatti supportare un numero maggiore di modi ottici, deteriorando le caratteristiche del fascio.
Da molti anni la ricerca tenta quindi di conservare i vantaggi geometrici dei laser a fibra utilizzando materiali con proprietà termiche e ottiche superiori a quelle della silice.
Il YAG è uno dei candidati più interessanti.
Che cos’è il YAG
YAG è l’acronimo di Yttrium Aluminum Garnet, granato di ittrio e alluminio, con formula chimica Y₃Al₅O₁₂.
È un materiale cristallino utilizzato da decenni nella tecnologia laser.
Quando alcuni atomi della struttura vengono sostituiti da elementi delle terre rare, il materiale può diventare un mezzo laser attivo. Il caso probabilmente più conosciuto è il Nd:YAG, nel quale il drogante è il neodimio.
Nel lavoro di LLNL il drogante è invece l’itterbio, da cui la denominazione Yb:YAG.
Gli ioni di itterbio assorbono l’energia fornita da una sorgente di pompaggio e possono successivamente trasferirla alla radiazione laser.
Una caratteristica importante del YAG è la sua conducibilità termica, sensibilmente maggiore rispetto a quella della silice.
Per un laser ad alta potenza questo significa poter allontanare il calore generato nel materiale attivo con maggiore efficacia.
Sette volte la conducibilità termica della silice
Nel lavoro pubblicato dai ricercatori di Lawrence Livermore viene evidenziato che il YAG cristallino presenta una conducibilità termica circa sette volte superiore a quella del vetro di silice utilizzato nelle fibre convenzionali.
La maggiore conduzione termica permette di ridurre gradienti di temperatura all’interno del mezzo laser.
Questi gradienti non rappresentano soltanto un problema di raffreddamento. Possono modificare l’indice di rifrazione e provocare deformazioni del componente, generando il fenomeno noto come lente termica.
Di conseguenza, migliorare la capacità di dissipare il calore significa anche poter controllare meglio la qualità ottica del fascio quando la potenza aumenta.
Il YAG presenta inoltre un coefficiente di guadagno per la diffusione Brillouin stimolata molto inferiore rispetto alla silice. Gli autori indicano una differenza di almeno un ordine di grandezza, che in determinate condizioni potrebbe essere molto superiore.
È su queste proprietà che si basa l’ipotesi di poter superare sensibilmente i livelli di potenza ottenibili con le normali fibre di vetro.
L’obiettivo è superare di oltre dieci volte la potenza delle fibre
Ross Osborne, ricercatore del Lawrence Livermore National Laboratory, ritiene che con un ulteriore sviluppo questa architettura cristallina possa arrivare a sostenere potenze in uscita superiori di oltre dieci volte rispetto alle fibre di vetro, conservando allo stesso tempo dimensioni compatte.
Questo valore non rappresenta però la potenza già raggiunta dall’esperimento.
È una distinzione essenziale.
I dispositivi dimostrati nel lavoro scientifico funzionano attualmente a potenze nell’ordine delle centinaia di milliwatt. Il programma di ricerca punta a sviluppare progressivamente il sistema fino alla scala dei kilowatt.
Il fattore dieci indicato da LLNL riguarda quindi il potenziale dell’architettura sulla base delle proprietà del materiale e non un aumento di potenza già dimostrato sperimentalmente.
Perché è difficile costruire una fibra di YAG
Se il YAG possiede proprietà tanto interessanti, potrebbe sembrare sufficiente sostituire il vetro delle fibre ottiche con questo materiale.
La realtà produttiva è molto più complessa.
Le fibre di silice beneficiano di processi industriali estremamente maturi che consentono di produrre lunghezze elevate con un controllo molto preciso di core, cladding, diametro e purezza.
Realizzare strutture equivalenti utilizzando un materiale cristallino come il YAG è molto più difficile.
Sono state sviluppate fibre monocristalline attraverso tecniche di crescita cristallina e fibre ceramiche ottenute mediante estrusione, gel casting e altri processi.
La produzione di elementi lunghi e uniformi rimane però complessa, così come la realizzazione del cladding necessario per confinare correttamente la luce.
Spesso core e cladding richiedono operazioni produttive separate. L’interfaccia tra i due materiali può introdurre difetti, variazioni dell’indice di rifrazione e perdite ottiche.
È proprio qui che la produzione additiva proposta da LLNL offre un approccio differente.
Core e cladding vengono costruiti contemporaneamente
Il procedimento messo a punto dai ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory utilizza la Direct Ink Writing, abbreviata DIW.
Nel Direct Ink Writing il materiale non viene depositato sotto forma di polvere successivamente fusa da un laser, come avviene in molte tecnologie additive per metalli.
La materia prima è un inchiostro o una pasta con proprietà reologiche attentamente controllate.
Nel caso sviluppato da LLNL, gli inchiostri contengono nanoparticelle ceramiche.
Durante la deposizione, un ugello estrude il materiale seguendo un percorso determinato digitalmente.
Il vantaggio fondamentale è la possibilità di usare composizioni differenti nello stesso componente.
Per produrre la guida d’onda, il gruppo ha depositato un sottile filamento di YAG drogato con itterbio all’interno di una matrice composta da YAG non drogato.
Il filamento costituisce il core attivo della guida. Il materiale circostante svolge la funzione di cladding.
Core e cladding vengono quindi costruiti come parti di una singola struttura invece di essere fabbricati separatamente e uniti in seguito.
Tre guide d’onda all’interno dello stesso blocco
I ricercatori hanno realizzato un blocco contenente tre differenti guide d’onda.
I tre filamenti di Yb:YAG sono stati prodotti variando alcuni parametri di deposizione, compresa la velocità di stampa, allo scopo di valutare gli effetti della fabbricazione sulla geometria finale.
La struttura appena stampata era molto più grande del dispositivo definitivo.
Il corpo ceramico iniziale, ancora nello stato definito “green body”, misurava approssimativamente quattro centimetri di lunghezza e circa un centimetro nelle altre due dimensioni.
In questa fase il materiale non è ancora una ceramica trasparente e densa.
È costituito dalle particelle ceramiche tenute insieme dai componenti organici utilizzati per conferire all’inchiostro le proprietà necessarie alla stampa.
La vera trasformazione avviene nei passaggi successivi.
Dalla pasta di nanoparticelle a una ceramica trasparente
Dopo la stampa, il componente deve essere asciugato lentamente.
Nel processo descritto dai ricercatori, la struttura viene sottoposta a essiccazione controllata per evitare deformazioni e cricche.
Il materiale organico utilizzato per formulare l’inchiostro deve quindi essere eliminato e le nanoparticelle ceramiche devono essere consolidate.
La struttura viene sottoposta a sinterizzazione.
Durante la sinterizzazione le particelle si uniscono e la porosità diminuisce. Il componente si contrae e aumenta progressivamente la propria densità.
Per un componente strutturale una piccola quantità di porosità residua può talvolta essere tollerata.
Per un’ottica trasparente è molto più problematica.
Porosità, inclusioni e discontinuità diffondono la luce e possono rendere inutilizzabile il dispositivo.
Per questo il processo comprende anche l’Hot Isostatic Pressing, o HIP.
Il ruolo dell’Hot Isostatic Pressing
Nell’Hot Isostatic Pressing il componente viene sottoposto contemporaneamente ad alta temperatura e a una pressione applicata uniformemente attraverso un gas.
Il trattamento permette di eliminare una parte consistente della porosità residua e di avvicinare la ceramica alla densità teorica.
Il risultato può diventare otticamente trasparente pur non essendo un singolo cristallo.
La struttura finale è infatti una ceramica policristallina: contiene numerosi piccoli cristalli di YAG, ma la densità e la qualità delle interfacce tra i grani sono sufficientemente elevate da ridurre la diffusione della luce.
Questo aspetto distingue le ceramiche laser trasparenti dai normali materiali ceramici, che sono generalmente opachi.
Una guida larga appena 100 micrometri
Dopo la lavorazione e il consolidamento, la migliore delle guide testate presentava una sezione trasversale ellittica di circa 100 micrometri per 60 micrometri.
Per confronto, un capello umano ha generalmente un diametro compreso nell’ordine di alcune decine di micrometri.
La lunghezza della guida utilizzata per la migliore prova laser era di 1,4 centimetri.
Queste dimensioni mostrano il livello di controllo richiesto.
Non basta estrudere una pasta ceramica e ottenere un blocco trasparente: il filamento drogato deve conservarsi all’interno del materiale con posizione, dimensione e composizione sufficientemente precise da svolgere la funzione di guida ottica.
L’itterbio deve rimanere dove serve
Una difficoltà ulteriore deriva dalla diffusione del drogante durante i trattamenti termici.
Il filamento di Yb:YAG viene inizialmente depositato con un confine definito rispetto al YAG non drogato.
Durante sinterizzazione e trattamenti ad alta temperatura, tuttavia, gli ioni di itterbio possono diffondere verso il materiale circostante.
Se la diffusione fosse eccessiva, il profilo progettato durante la stampa verrebbe perso.
Il gruppo ha quindi analizzato la distribuzione dell’itterbio utilizzando tecniche di mappatura elementare.
Le misure hanno confermato la presenza del profilo di drogaggio e l’integrità della guida d’onda dopo il processo ceramico.
Questo è uno degli aspetti più importanti della dimostrazione, perché prova che la geometria composizionale introdotta nello stato ancora morbido può sopravvivere alle successive operazioni necessarie a ottenere la ceramica trasparente.
Perdite per scattering inferiori all’1,3% per centimetro
Le misure ottiche sul cladding hanno rilevato perdite dovute alla diffusione inferiori all’1,3% per centimetro alla lunghezza d’onda di 1,3 micrometri.
Il dato indica che la ceramica ottenuta presenta una qualità ottica sufficientemente elevata per funzionare come elemento fotonico.
Il semplice fatto di ottenere trasparenza visibile non sarebbe infatti sufficiente.
In una guida d’onda laser, una piccola perdita ripetuta lungo il percorso può limitare considerevolmente l’efficienza complessiva.
La produzione di un materiale ceramico trasparente richiede quindi un controllo molto più severo della microstruttura rispetto alla maggior parte delle applicazioni della stampa 3D ceramica.
Il test laser a 940 nanometri
Per verificare che la guida non si limitasse a trasportare la luce ma potesse realmente funzionare come mezzo laser, i ricercatori l’hanno sottoposta a pompaggio ottico.
È stato utilizzato un laser Ti:sapphire alla lunghezza d’onda di 940 nanometri.
Questa radiazione viene assorbita dagli ioni Yb³⁺ presenti nel core.
L’energia assorbita porta gli ioni in uno stato energetico superiore. Quando ritornano verso uno stato inferiore possono contribuire all’emissione stimolata che alimenta il fascio laser.
Il dispositivo ha prodotto emissione laser a circa 1.030 nanometri, una lunghezza d’onda caratteristica dei sistemi Yb:YAG.
Un’efficienza di pendenza del 61%
La migliore guida ha raggiunto una slope efficiency, o efficienza di pendenza, del 61%.
La slope efficiency descrive quanto rapidamente cresce la potenza laser in uscita quando aumenta la potenza di pompaggio assorbita, dopo il superamento della soglia di funzionamento.
Non significa quindi che il 61% di tutta l’energia elettrica consumata dal sistema venga trasformata direttamente in luce laser.
È invece una misura dell’efficienza della conversione ottica all’interno della specifica configurazione sperimentale.
Per una prima dimostrazione di una guida a canale ceramica realizzata con questo processo, il valore è significativo.
I ricercatori hanno inoltre determinato una perdita di round trip del 12,4%, cioè la perdita complessiva associata a un percorso completo avanti e indietro nella cavità laser.
Ridurre ulteriormente queste perdite sarà uno degli elementi necessari per aumentare la potenza.
LLNL lavora sulla stampa di ceramiche laser da oltre dieci anni
Il dispositivo del 2026 non nasce da un singolo progetto isolato.
Il Lawrence Livermore National Laboratory sviluppa da anni tecniche additive per produrre materiali ottici con composizione controllata.
Già nel 2016 LLNL aveva dimostrato la possibilità di formulare inchiostri di YAG e Nd:YAG e di produrre mediante Direct Ink Writing piccoli campioni ceramici trasparenti.
Nel 2018 Ivy Krystal Jones, Zachary Seeley, Nerine Cherepy, Eric Duoss e Stephen Payne pubblicarono uno dei primi lavori sulla produzione tramite Direct Ink Writing di mezzi di guadagno ceramici trasparenti.
L’idea di fondo era già quella attuale: sfruttare la stampa non tanto per realizzare geometrie esterne impossibili, quanto per decidere tridimensionalmente dove collocare i diversi materiali all’interno di un’ottica.
Dalle barre laser ai profili di drogaggio controllati
Il gruppo del Lawrence Livermore National Laboratory ha successivamente realizzato barre laser in YAG con differenti distribuzioni dei droganti.
Con sistemi di stampa multimateriale è possibile, almeno in linea di principio, decidere quanto elemento attivo collocare in ciascuna parte del componente.
Si possono creare regioni fortemente drogate, regioni prive di drogante e transizioni graduali tra una composizione e l’altra.
Questo offre possibilità difficili da ottenere mediante la crescita convenzionale di cristalli.
Un cristallo tradizionale tende infatti ad avere una composizione determinata dal processo con cui è stato cresciuto.
La produzione additiva permette invece di progettare la distribuzione del materiale quasi come una geometria.
Nel 2021 LLNL aveva già stampato guide planari
Un passaggio importante è arrivato nel 2021.
Un gruppo di LLNL comprendente Zachary Seeley, Ian Phillips, Thomas Rudzik, Nerine Cherepy, Alexander Drobshoff e Stephen Payne ha utilizzato una tecnologia di material jet printing per produrre guide d’onda planari trasparenti in Yb:YAG.
In quel caso il materiale veniva depositato sotto forma di piccole gocce anziché mediante il filamento continuo tipico del Direct Ink Writing.
Le guide avevano spessori compresi tra 25 e 350 micrometri.
Il dispositivo riuscì a supportare la propagazione ottica e dimostrò funzionamento laser con un’efficienza di pendenza del 23,6% in modalità pulsata.
Quel risultato mostrava già che la produzione additiva poteva creare non soltanto materiale laser trasparente, ma vere strutture di guida.
Il lavoro del 2026 compie un passo ulteriore passando dalla guida planare a una guida a canale completamente incorporata nella ceramica.
La differenza tra una guida planare e una guida a canale
In una guida planare il confinamento della luce avviene principalmente lungo una dimensione.
Il fascio può invece espandersi maggiormente nell’altra direzione.
Una guida a canale confina la radiazione nelle due dimensioni trasversali rispetto alla direzione di propagazione.
Dal punto di vista geometrico è quindi più vicina al comportamento di una fibra.
Questo rende le channel waveguide particolarmente interessanti per ottenere elevata intensità, controllo del modo ottico e dispositivi compatti.
Realizzare un piccolo core completamente circondato dal cladding è però anche più difficile dal punto di vista produttivo.
La capacità di stampare direttamente il filamento attivo all’interno della matrice YAG affronta proprio questo problema.
Perché fabbricare insieme core e cladding può ridurre i difetti
Nelle tecniche convenzionali, una guida cristallina può richiedere la produzione separata del core e l’aggiunta successiva del cladding attraverso processi quali crescita epitassiale, rivestimento o assemblaggio.
Ogni passaggio introduce un’interfaccia che deve essere controllata.
Differenze di composizione, contaminazioni, microvuoti e tensioni residue possono aumentare le perdite ottiche.
La strategia di LLNL cerca invece di creare entrambe le regioni nello stesso corpo ceramico prima della densificazione.
Durante la successiva sinterizzazione, la struttura viene consolidata come un unico elemento.
Secondo i ricercatori questo approccio può aumentare la resa produttiva e ridurre i difetti in corrispondenza dell’interfaccia core-cladding.
Dalla scala dei milliwatt alla scala dei kilowatt
La principale sfida è ora la potenza.
Una dimostrazione di laboratorio con un dispositivo lungo poco più di un centimetro non equivale a un laser industriale o militare da kilowatt.
Aumentare la potenza richiederà guide più lunghe, geometrie ottimizzate, pompaggio differente, sistemi di raffreddamento e una riduzione ulteriore delle perdite.
Dovrà inoltre essere dimostrato che il processo produttivo può mantenere la stessa precisione su componenti più grandi.
La diffusione dei droganti, la contrazione durante la sinterizzazione e le tensioni generate durante l’essiccazione diventano sempre più difficili da controllare con l’aumento delle dimensioni.
Il gruppo indica comunque esplicitamente come obiettivo il passaggio dalle attuali centinaia di milliwatt a potenze dell’ordine dei kilowatt.
Applicazioni nella difesa
Una delle ragioni per cui il DEVCOM Army Research Laboratory è coinvolto nel progetto riguarda le applicazioni dei laser ad alta potenza nel settore della difesa.
I laser a fibra sono già utilizzati nello sviluppo di sistemi a energia diretta destinati, tra gli altri compiti, alla difesa contro droni e altre minacce.
In queste applicazioni un’elevata potenza non è sufficiente.
Occorre anche mantenere una buona qualità del fascio, perché l’energia deve essere concentrata su un bersaglio a distanza.
Sistemi compatti, efficienti e termicamente gestibili sono quindi particolarmente interessanti per installazioni mobili.
Il finanziamento per le prove laser è arrivato dall’esercito statunitense, mentre la capacità fondamentale di produrre queste ceramiche tramite additive manufacturing è stata sviluppata attraverso il programma Laboratory Directed Research and Development del Lawrence Livermore National Laboratory.
LLNL è gestito da Lawrence Livermore National Security, LLC per conto della National Nuclear Security Administration del Department of Energy statunitense.
Non soltanto applicazioni militari
Il potenziale commerciale non è limitato ai sistemi di difesa.
I laser ad alta potenza vengono utilizzati per taglio, saldatura, trattamento delle superfici e altre operazioni industriali.
Un mezzo laser capace di sostenere potenze elevate in dimensioni contenute potrebbe trovare applicazione in sistemi di lavorazione dei materiali nei quali ingombro ed efficienza termica sono fattori importanti.
La possibilità di controllare tridimensionalmente la composizione introduce inoltre prospettive più ampie.
La stessa tecnica potrebbe consentire la realizzazione di componenti nei quali differenti regioni possiedono proprietà ottiche differenti, creando in un unico pezzo funzioni che oggi richiedono più elementi assemblati.
La stampa 3D diventa uno strumento per progettare il materiale
Il lavoro del Lawrence Livermore National Laboratory mostra una direzione della produzione additiva meno visibile rispetto alla stampa di grandi componenti.
Qui la libertà geometrica esterna è quasi secondaria.
La vera caratteristica distintiva è il controllo della geometria interna e della composizione.
Il filamento da 100 × 60 micrometri non è semplicemente una parte stampata all’interno di un’altra parte. È una regione con proprietà ottiche diverse, collocata deliberatamente in una determinata posizione per svolgere una funzione fisica precisa.
La stampa 3D diventa quindi un metodo per progettare il materiale stesso.
Invece di chiedersi soltanto quale forma debba avere il componente, diventa possibile chiedersi quale materiale debba trovarsi in ogni punto del suo volume.
Il risultato è promettente, ma la verifica decisiva sarà lo scaling
La dimostrazione di LLNL non significa che le fibre di silice siano destinate a essere sostituite a breve da guide d’onda ceramiche stampate in 3D.
Le fibre ottiche convenzionali dispongono di decenni di ottimizzazione industriale, costi competitivi, processi produttivi estremamente affidabili e prestazioni già molto elevate.
Le guide Yb:YAG prodotte mediante Direct Ink Writing si trovano invece ancora a livello di ricerca.
Il risultato permette però di dimostrare tre elementi essenziali contemporaneamente: la possibilità di stampare il core drogato direttamente nel cladding, la capacità di trasformare il corpo stampato in una ceramica otticamente trasparente e il funzionamento effettivo della struttura come laser.
Il prossimo passaggio sarà verificare se queste caratteristiche possono essere mantenute mentre aumentano lunghezza, potenza e complessità del dispositivo.
Se il processo riuscirà a raggiungere la scala dei kilowatt prevista dai ricercatori, l’aspetto più importante non sarà semplicemente aver “stampato un laser in 3D”.
Sarà aver utilizzato la produzione additiva per costruire un’architettura ottica che unisce il confinamento tipico delle fibre alle proprietà termiche e non lineari di una ceramica cristallina come il YAG.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
