Diodi laser, verso una nuova realtà

Auge

Con il Compact Disc, l’industria elettronica giapponese ha creato un supporto di grandissimo successo, che ha dominato per decenni il mercato musicale. Al suo sviluppo hanno contribuito numerose grandi imprese del settore. Una delle innovazioni chiave nate da questa collaborazione è il diodo laser, che negli anni successivi ha consentito di realizzare molti altri dispositivi, uno più rivoluzionario dell’altro.


Una grande hit
Chi non ricorda la musica della propria adolescenza? Ogni generazione, però, la associa a un diverso supporto musicale. Che si tratti di "Abbey Road" dei Beatles o di "I’ve Been Expecting You" di Robbie Williams: il primo LP, la prima cassetta, il primo Stereo8 o il primo Cd avrà sempre un posto speciale nel nostro cuore.
Nel caso dei Compact Disc, quei cari ricordi non potrebbero esistere senza il diodo laser firmato Sharp, il primo ad essere prodotto in grandissima serie, utilizzato in molti lettori di Cd fin dal lontano 1982. Ma premiamo il tasto “Avanti veloce” e facciamo un salto di quasi trentacinque anni fino ai giorni nostri: oggi, i diodi laser sono presenti praticamente ovunque, dagli strumenti di monitoraggio fino agli head-up display delle automobili e ai sistemi per la misurazione delle distanze. Non stupisce, quindi, che il mercato per questi componenti sia in espansione: le vendite a livello globale sono passate dai 9,56 miliardi di dollari del 2014 ai 10,07 del 2015 e anche per il 2016 è prevista una prosecuzione di questo trend positivo.

Verso una nuova realtà
Grazie allo head-up display, oggi gli automobilisti possono leggere tutte le informazioni importanti, dalle istruzioni del navigatore fino alla velocità, senza distogliere gli occhi dalla strada. Ma questo è soltanto un esempio delle possibilità offerte dalla cosiddetta “augmented reality”, la tecnologia che permette di proiettare immagini computerizzate direttamente sugli oggetti reali, arricchendo l’ambiente circostante con strumenti di assistenza e informazioni digitali di vario tipo. Un’evoluzione tecnologica che non sarebbe stata possibile senza i diodi laser. Attualmente, si stanno sviluppando anche display da indossare detti head-mounted display, e occhiali che, sempre tramite laser integrati, rendono fruibile la realtà aumentata. Le loro possibili applicazioni sono vastissime, dal salvataggio di persone disperse fino ai giochi, passando per gli impieghi in medicina. Sviluppare diodi laser rossi all’altezza di simili prestazioni non è affatto facile: questi componenti, infatti, devono essere in grado di operare anche a temperature tra i 50 e i 90 °C e di fornire un output costante nella fascia compresa tra 630 e 660 nm.

L’efficienza si fa laser
Un altro aspetto fondamentale, sia per le applicazioni automobilistiche, sia per i pico-proiettori o gli occhiali AR, è l’efficienza energetica. Nel campo dei laser si parla di Wpe (Wall-plug efficiency). Un diodo laser rosso single-mode da 638 nm di Sharp, per esempio, ha raggiunto una Wpe del 33% con una potenza di 180 mW (a 25 °C). Tanto maggiore è l’efficienza, tanto minore è l’impatto sul consumo energetico totale. Inoltre, l’impiego di laser ad alta efficienza riduce la necessità di raffreddamento, che rappresenta un altro fattore critico per molte applicazioni. Oltre ai diodi laser rossi, anche quelli a luce infrarossa stanno diventando sempre più importanti per il settore high-tech. Come nel caso dei laser rossi, i fattori determinanti sono la potenza e l’efficienza energetica. I laser a infrarossi sono molto usati per la misurazione di precisione di valori e distanze. I modelli attuali impiegano lunghezze d’onda comprese tra 750 nm e 940nm e sono indicati anche per i biosensori. Molti di loro, inoltre, sono compatibili con i sensori ottici al silicio. La loro efficienza può perfino superare quella dei laser rossi, con valori di Wpe che arrivano fino al 45% nel caso di alcuni diodi laser a infrarossi single-mode. Da queste eccezionali prestazioni traggono beneficio molti diversi tipi di applicazioni, tra cui apparecchi per autenticazione biometrica, sistemi di comando gestuale, videocamere di visione notturna, strumenti medici e console per giochi. Ma tutti questi dispositivi hanno una caratteristica in comune: sono destinati ad operare a stretto contatto con i loro utenti. Questo può rappresentare un problema, perché la luce dei laser a infrarossi, a certi livelli di concentrazione, può danneggiare l’occhio umano.

Giocare va bene, ma…
Le moderne console per videogiochi permettono all’utente di immergersi completamente nel mondo virtuale. E questo realismo aumenta con ogni generazione di dispositivi. In alcuni sistemi l’effetto 3D è amplificato da laser a infrarossi abbinati a speciali sensori in grado di rilevare i movimenti dell’utente, che possono così essere utilizzati per controllare il gioco. Ma questi sistemi di controllo tridimensionale richiedono laser ad alta potenza che, senza contromisure adeguate, potrebbero danneggiare la retina del giocatore. Affinché il piacere del gioco non si trasformi in un rischio per la vista, sui laser a infrarossi viene normalmente installato un diffusore che riduce la densità dell’energia emessa. Recentemente Sharp ha lanciato un diodo laser con diffusore già integrato, che semplifica quindi le operazioni di montaggio offrendo al tempo stesso una potenza più che sufficiente per il controllo tridimensionale.

Una classe a parte
La sicurezza di questo particolare diodo laser è stata ritenuta così elevata da consentire la classificazione come laser di classe 1 – un’assoluta anteprima nel settore. Classe 1 significa che il laser è sicuro per le persone in tutte le normali condizioni d’impiego. L’esposizione massima permessa, oltre la quale subentrerebbero danni alla vista, non può cioè essere superata né a occhio nudo, né guardando il diodo attraverso un telescopio o un microscopio. Ciò nonostante, questo diodo laser è in grado di produrre luce infrarossa con una potenza di fino a 700 mW e un’efficienza WPE del 36%. Nati dal desiderio di realizzare un supporto musicale portatile dall’eccellente qualità acustica, i diodi laser hanno poi trovato applicazione in innumerevoli altri settori. Che cosa succederà adesso che l’era del Cd volge alla fine? C’è da aspettarsi anche un declino della tecnologia laser? Le recenti innovazioni come i diodi laser a infrarossi di classe 1 fanno pensare esattamente il contrario. Dobbiamo chiederci piuttosto: quali altre rivoluzionarie tecnologie vedranno la luce grazie a questi componenti?

 

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