Laser usa e getta, super economico


    Oltre 50 anni fa è stato inventato il laser e questa invenzione ha trasformato diverse tecnologie introducendo nuovi dispositivi, dai lettori CD ai strumenti chirurgici.

    Recentemente un gruppo di ricercatori francesi e ungheresi ha realizzato una nuova tecnica per realizzare laser molto economici.

    I chip laser vengono stampati attraverso la tecnologia a getto di inchiostro.

    Funzionamento di un laser

    I laser sono dispositivi che servono per ottenere fasci di luce (radiazioni elettromagnetiche monocromatiche di tipo coerente nel campo dell’infrarosso, visibile e ultravioletto) estremamente concentrati e intensi basandosi sul processo dell’emissione stimolata della radiazione.


    Solitamente un laser è composto da tre unità (vedi immagine 1):
    1. mezzo attivo, mezzo (cristallo, gas o liquido) in grado di emettere luce;
    2. sistema di pompaggio che serve a fornire energia al mezzo attivo;
    3. risonatore o cavità ottica (serve a catturare la luce).

     

    Nei laser si utilizza il mezzo attivo ossia un materiale che può essere eccitato, gli atomi di tale materiale devono poter passare da uno stato eccitato ad uno stato diseccitato emettendo in questo modo i fotoni. La differenza di energia fra lo stato eccitato e quello diseccitato fornisce l’energia e la frequenza dei fotoni che vengono emessi.

     

    In genere, il mezzo attivo è costituito da materiali inorganici come vetri, cristalli o materiali come i semiconduttori (ad esempio l'Arseniuro di gallio (GaAs) ma, negli ultimi anni, i ricercatori hanno studiato invece l'utilizzo di coloranti organici a base di carbonio.

    Componenti di un Laser: 1) Mezzo ottico attivo 2) Energia fornita al mezzo ottico 3) Specchio 4) Specchio semiriflettente 5) Fascio laser in uscita. Credit: di Tatoute - Opera propria, CC BY-SA 3.0, Wikimedia CommonsImmagine 1 - Componenti di un Laser: 1) Mezzo ottico attivo 2) Energia fornita al mezzo ottico 3) Specchio 4) Specchio semiriflettente 5) Fascio laser in uscita. Credit: di Tatoute - Opera propria, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

    I laser organici sembrano essere una grande promessa perché sono a basso costo e possono emettere luce in una vasta gamma di lunghezze d'onda, tuttavia hanno una limitazione importante, i coloranti che sono alla base di questo tipo di laser si deteriorano rapidamente.


     

     

    Vantaggi e svantaggi del laser organico usa e getta

    «Il basso costo e la facilità di montaggio del chip laser rappresentano gli aspetti più significativi dei nostri risultati» scrive Sébastien Sanaur, professore associato presso il CMP (Center of Microelectronics in Provence) della Ecole Nationale Supérieure (Scuola Nazionale Superiore) Mines Saint-Étienne, Francia.

     

    Sanaur e i suoi colleghi hanno realizzato dei laser organici, che amplificano la luce attraverso materiali che utilizzano il carbonio. I laser organici sono meno comuni rispetto ai laser inorganici, come quelli contenuti nei puntatori laser, lettori DVD e mouse ottici, ma offrono vantaggi quali conversione fotonica ad alto rendimento, facile montaggio, basso costo e una vasta gamma di lunghezze d'onda.

    Immagine 1 - I chip stampati tramite la tecnologia a getto d'inchiostro vengono utilizzati come nucleo di un laser organico. La figura (a) mostra uno schema tipico delle parti principali di un laser mentre la figura (b) mostra una serie di chip a confronto con una moneta da 1 centesimo di euro. OC significa "Output Coupler" e FP significa interferometro di Fabry-Perot. Credit: Sanaur, et al/JAPImmagine 2 - I pixel stampati tramite la tecnologia a getto d'inchiostro vengono utilizzati come nucleo di un laser organico. La figura (a) mostra uno schema tipico delle parti principali di un laser mentre la figura (b) mostra una serie di pixel a confronto con una moneta da 1 centesimo di euro. OC significa "Output Coupler (accoppiatore di uscita)" e FP significa interferometro di Fabry-Perot. Credit: Sanaur, et al/JAP


    Uno svantaggio che ha ostacolato lo sviluppo dei laser organici è rappresentato dal fatto che il deterioramento avviene in tempi relativamente brevi, questo fattore potrebbe essere parzialmente superato se i laser divenissero così a buon mercato da poter essere usati e gettati via.

    Una tecnologia familliare, la stampa a getto d'inchiostro

    Il team di scienziati ha realizzato il laser ultra low cost utilizzando una tecnologia familiare, la stampa a getto di inchiostro.

     

    La stampa a getto di inchiostro è un processo produttivo relativamente poco costoso che funziona spruzzando piccoli getti di liquido al di sopra di un materiale sottostante.
     

    Una comune stampante a getto di inchiostro è soltanto una delle forme che può assumere tale tecnologia, gli scienziati utilizzano tale tecnologia per stampare circuiti elettronici, farmaci e addirittura cellule biologiche.

     

    «Attraverso le testine a getto d'inchiostro con tecnologia piezoelettrica, puoi stampare ‘dove vuoi, quando vuoi’ senza spreco di materie prime» scrive Sanaur.

    La tecnica non richiede stampi, può essere eseguita a temperatura ambiente e permette di stampare su materiali flessibili.

    I ricercatori hanno provato svariati inchiostri prima di decidere di utilizzare un tipo di inchiostro commerciale denominato EMD6415 mescolato con i coloranti.

    Il processo produttivo 

    Ricapitolando, l’inchiostro viene stampato su una superficie fatta di quarzo in piccoli pixel quadrati di (50 millimetri quadrati) per realizzare il nucleo del laser (vedi immagine 2). Tale nucleo viene posizionato tra due specchi che riflettono la luce attraverso il mezzo attivo durante l'amplificazione. Per fornire l’energia luminosa in ingresso necessaria al funzionamento del laser organico usa e getta viene utilizzato un altro laser.

    Inoltre, gli scienziati sostengono che sia possibile sostituire facilmente il nucleo del laser nel momento in cui avviene il deterioramento.

    Emissione di raggi laser in diversi colori

    Attraverso l’uso di due coloranti i ricercatori hanno dimostrato di poter emettere raggi laser con una colorazione che varia dal giallo fino al rosso intenso. L’utilizzo di altri coloranti potrebbe coprire altre parti dello spettro di luce come il blu e il giallo.

     

    Uno degli aspetti più promettenti di questa ricerca è rappresentato dalla possibilità di stampare sullo stesso nucleo diversi coloranti per generare uno spettro di colori con lo stesso dispositivo.

     

    Principale aspetto critico

    L’ostacolo principale alla diffusione di questo dispositivo è rappresentato dal fatto che i laser organici necessitano di un’alimentazione esterna, parliamo di laser ad alta energia.

    Un significativo passo avanti potrebbe essere quello di riuscire a trovare il modo di alimentare i chip laser con dei LED laser a basso costo, ciò avrebbe un impatto importante per molte applicazioni pratiche.


    Ad esempio i laser low cost a getto di inchiostro potrebbero essere utilizzati per inviare dati tramite fibre di plastica ed essere utilizzati come strumenti per effettuare analisi di campioni chimici o biologici.

    Riferimenti:

    "Inkjet-printed vertically-emitting solid-state organic lasers," by Oussama Mhibik, Sebastien Chenais, Sébastien Forget, Christophe Defranoux and Sébastien Sanaur, Journal of Applied Physics May 3, 2016. DOI: 10.1063/1.4946826



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