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Lo strumento laser è ormai da anni parte attiva della nostra quotidianità e sembra non mostrare affatto la sua età, anche se nel 2020 festeggia il suo sessantesimo compleanno. Era il 16 maggio 1960...

Il 16 maggio 1960 Theodore Maiman, un giovane ricercatore di fisica presso gli Hughes Research Laboratories di Malibu, in California, invece di godersi il panorama del Pacifico dalle finestre con ampie vedute del suo nuovo ufficio sulle colline, uscì dalle stanze sotterranee chiuse per annunciare al mondo che aveva trovato la prima "scintilla" del laser.

Più tardi, il 7 luglio 1960, in una conferenza stampa a New York, il dottor Maiman disse: “Siamo qui per annunciare che è stato possibile raggiungere un obiettivo che gli scienziati hanno sognato per molti anni. del 1917 sull'emissione stimolata): per la prima volta nella storia è stato possibile ottenere una luce 'coerente'. In altre parole, possiamo dire che il 'laser' tanto sognato non è più un sogno sfuggente, ma un fatto concreto”.

Nelle mani del giovane Theodore Maiman i componenti del primo laser. Da sinistra: la struttura riflettente, la lampada flash e il cristallo rubino, su un supporto. Siamo nel maggio 1960. Fonte Prof. Siegman

Com'è stato possibile tutto questo? Occorre rileggere quanto affermato dallo stesso scienziato: “Partendo da una lampada a spirale, usata come flash per scopi fotografici, avente al suo interno un'asta di cristallo di rubino, l'abbiamo posizionata insieme all'interno di una cavità con specchi cilindrici. Niente più calcoli, niente più esperimenti devianti. Questo era il momento della verità! Applicando un'alimentazione di 500 V alla lampada, l'abbiamo accesa e abbiamo osservato la traccia del decadimento nel rosso rubino sull'oscilloscopio. Quando abbiamo cambiato l'alimentazione a 950V, tutto è cambiato. La traccia sull'oscilloscopio mostrava un impulso di luce a 694,3 nm, subito seguito dal decadimento della luce fluorescente. Voilà: è nato il laser” (THMaiman,“ The Laser Odissey ”, Laser Press, Washington, 2000, cap. 10).

Il mondo scientifico internazionale era incredulo alla notizia, almeno per due motivi: la grande semplicità dei componenti utilizzati per eseguire l'esperimento e la facilità con cui era stata ottenuta l'azione del laser; la natura e le caratteristiche dell'elemento utilizzato (rubino) con il quale era molto difficile ottenere l'azione laser.

Sempre nella conferenza stampa del 7 luglio 1960, Maiman annunciò che, a suo avviso, “il laser avrebbe cinque grandi classi di applicazioni: come luce concentrata per l'industria, la chimica e la medicina; nella ricerca; nelle comunicazioni terrestri a banda larga; come amplificatore di luce; nelle comunicazioni interspaziali”.

Come puoi vedere, era molto lontana da ciò che è stato poi realizzato.

Laboratorio laser al Politecnico di Milano alla fine degli anni Sessanta. Al centro, senza grembiule, il Prof. Orazio Svelto. Fonte Prof. Svelto

Va tenuto presente che in quegli anni erano numerosi i laboratori privati, principalmente, oltre che pubblici, come le università, che avevano intravisto le grandi possibilità che poteva offrire questo “raggio di luce coerente”. Queste possibilità erano concentrate principalmente sul settore delle telecomunicazioni - da cui il grande interesse di aziende come Bell Telephone, Hughes, IBM, attive nel settore - ma anche sulla spettroscopia e sul settore militare - eravamo nel bel mezzo della guerra fredda e molta ricerca è stata finanziata dai governi -.

La confusione creatasi attorno al laser stesso contribuì anche al clima di incertezza sull'importanza della scoperta, poiché la sua configurazione fu prefigurata negli stessi anni da un giovane e intelligente ricercatore della Columbia University, Gordon Gould, che pensava autonomamente al laser . idea di un sistema laser eccitato otticamente da una lampada e in cui il materiale attivo - nel caso di Maiman il rubino - era inserito tra due specchi piani e paralleli. Da notare che fu Gordon Gould a formulare il nome LASER per questo ipotetico dispositivo, che Theodore Maiman continuò invece a chiamare, ambiguamente, il maser-ottica.

Il problema più grande è sorto dal deposito da parte del sig. Gould di un brevetto statunitense già nel 1958, un brevetto basato su due note di poche pagine, senza alcun risultato sperimentale, ma solo idee, ma due anni prima dell'effettiva scoperta sperimentale di questo dispositivo. Questo fatto causò un blocco allo sviluppo tecnologico dell'invenzione di Theodore Maiman, poiché il brevetto di Gordon Gould impose una royalty su tutto ciò che usciva dagli USA sull'argomento per un periodo di trent'anni.

Per questi motivi, dall'inizio degli anni settanta, i laboratori degli enti di ricerca dedicarono gran parte della loro attività allo sviluppo di nuove sorgenti laser, alla ricerca della "sorgente del futuro" in termini di: funzionamento continuo, potenza e lunghezza d'onda di emissione; per inciso, anche il nostro Paese è stato coinvolto in questa frenetica ricerca. Citando alcune date, va sottolineato che: nel 1961 fu sviluppata la prima sorgente in fibra, nel 1963 il laser CO2 e, nel 1970, gli attuali laser a diodi, basati su giunzioni eterostrutturali.

Da notare, a questo punto, che per i laser in fibra, dopo le prime importanti applicazioni nel campo delle telecomunicazioni, si è resa necessaria, oltre quarant'anni dopo, l'intuizione del sig. Valentin Gapontsev per il loro impiego nelle lavorazioni meccaniche. , mentre per i laser CO2 è stato necessario attendere circa cinque anni per vedere le prime applicazioni di incisione di substrati ceramici e ben quindici anni per le prime applicazioni industriali del taglio di lamiere di ferro con l'ausilio di ossigeno.

In quegli anni il laser era considerato: "una brillante soluzione alla ricerca di problemi" anche perché le sorgenti sviluppate non erano applicabili, per la loro potenza limitata e le caratteristiche intrinseche del prototipo, alle lavorazioni meccaniche allora progettate principalmente per il settore automobilistico. principalmente saldatura e tempra.

Schema del laser LMD convenzionale (a sinistra) e dell'EHLA ad alta velocità. Fonte Fraunhofer ILT

Come tutti oggi possono vedere, il laser, precedentemente descritto come "una brillante soluzione alla ricerca di un problema", deve essere considerato "una brillante soluzione a molti problemi sia in campo scientifico che industriale". Ne è prova il Premio Nobel per la Fisica 2018 assegnato al francese Prof. Gérard Mourou per invenzioni rivoluzionarie nel campo della fisica dei laser, con molteplici implicazioni scientifiche e applicative industriali, come la dismissione delle centrali nucleari.

Il cambiamento è avvenuto verso la fine degli anni settanta quando gli esperti si sono resi conto che la caccia a nuove, ipotetiche fonti non era più utile. Dopo la presentazione dei primi sistemi laser per la lavorazione della lamiera all'EMO di Milano nel 1979, questo tipo di applicazione copre oggi oltre il 50% dell'intero fatturato industriale delle lavorazioni meccaniche con raggi laser.

Tenendo conto dell'interesse dei nostri lettori verso le cosiddette applicazioni della meccanica pesante, presentiamo, a titolo di esempio, in estrema sintesi, alcuni dei recenti sviluppi di tali impieghi, sperando che possano essere di stimolo per le aziende del settori coinvolti.

Verniciatura a polvere su pistone idraulico con tecnica EHLA ad alta velocità. Fonte Fraunhofer ILT

La deposizione di strati più o meno spessi basata sull'applicazione di materiali resistenti all'usura e alla corrosione su superfici ferrose, per migliorarne le caratteristiche, è una tecnologia utilizzata da tempo. All'inizio degli anni Ottanta, quando divenne chiaro che l'utilizzo del laser in tempra era difficoltoso dal punto di vista applicativo a causa della bassa potenza assorbita dal materiale, la tecnica di verniciatura diretta delle polveri metalliche mediante raggi laser, denominata LMD , è stato sperimentato. Deposizione laser di metalli. Questa tecnologia ha avuto successo rispetto a quelle tradizionali - cromatura galvanica, deposizione ad arco - per il miglior legame metallurgico tra strato depositato e materiale, ma applicabile economicamente principalmente solo su aree estremamente ridotte.

La situazione è cambiata dopo la recente normativa europea che pone dei limiti all'utilizzo delle tecniche di deposizione con materiali contenenti polveri metalliche in cui vi sia la presenza diretta o indiretta di cromo esavalente, in quanto potenzialmente cancerogeno. Per superare questa limitazione, i ricercatori del Fraunhofer ILT Institute di Aquisgrana, in Germania, hanno sviluppato una tecnica di deposizione laser ad alta velocità dei materiali, chiamata EHLA, acronimo tedesco per High Speed ​​Laser Material Deposition. Le polveri spruzzate vengono fuse dal raggio laser prima di raggiungere il bagno fuso su cui cade, quindi, materiale liquido e non solido. In questo modo, oltre a ridurre l'energia ceduta al materiale, si evita la vaporizzazione di parte delle polveri e, di conseguenza, si rispetta la Direttiva UE. La tecnica EHLA permette quindi di rivestire superfici, anche termosensibili, ad alti tassi di deposizione: da 100 a 250 volte superiori al metodo LMD convenzionale. In questo modo si possono rivestire velocemente anche grandi superfici: un nuovo interessante campo di applicazione per i laser.

Schema di saldatura laser con molti passaggi stretti utilizzando un laser da 1 µm. Fonte Fraunhofer IWS

Convenzionalmente è risaputo che anche con la saldatura profonda e gli attuali generatori industriali è difficile saldare strutture metalliche con spessori superiori a 15-20 mm e che per valori superiori è necessario ricorrere a tecniche MIG o ad arco sommerso in cui , tuttavia, oltre a lunghi tempi di lavorazione, ci si deve aspettare un grande consumo di materiale d'apporto e forti distorsioni termiche.

Per superare queste limitazioni e ampliare il campo di applicazione della saldatura laser, il Fraunhofer IWS Institute di Dresda, in Germania, ha sviluppato la tecnica laser-multi-pass-gap-narrow MPNG, Laser-Multi-Pass-Narrow. Gap, particolarmente incentrato su muri molto spessi. Questa metodologia trova applicazione su acciai strutturali classici, acciai resistenti al calore, materiali a base di nichel e leghe speciali di alluminio, materiali largamente utilizzati nel settore energetico. Operativamente, partendo da circa 3-5 mm dal fondo, è necessario realizzare una scanalatura tra le superfici da saldare, con un angolo che può essere anche di 3° se si trovano sorgenti da 1 µm come fibra o disco, altamente focalizzabili, Usato. Con il laser, la radice di 3-5 mm viene saldata direttamente, senza filo d'apporto. Utilizzando il filo d'apporto, vengono quindi realizzati molti cordoni di saldatura fino a riempire la scanalatura. In questo modo, con potenze laser di soli 3-4 kW, è possibile eseguire saldature per spessori da 15 a 50 mm, garantendo: ridotta energia termica in ingresso, cordone esente da cricche e mancanza di fusione, distorsioni trascurabili. In sostanza: un metodo efficiente ea basso costo. © TECNeLaB

Microsezioni del cordone ottenute saldando l'alluminio con la tecnica MPNG utilizzando un laser fibra da 4 kW. Fonte Fraunhofer IWS

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