La prossima ondata di innovazione nella fotonica

Einstein gettò le basi per la tecnologia laser nel suo articolo rivoluzionario “La teoria quantistica della radiazione”, pubblicato nel 1917. Dopo anni di sviluppo, i primi laser ampiamente commercializzati arrivarono sul mercato negli anni ’60, quando furono utilizzati per applicazioni che spaziavano dalla scienza alla chirurgia. Sin da quei primi giorni, la capacità unica dei laser di creare un fascio di luce stretto e focalizzato ha consentito molti altri casi d’uso, tra cui la scansione di codici a barre, il sequenziamento del DNA e la produzione di chip semiconduttori. In una delle applicazioni più innovative, il rover Curiosity della NASA ha utilizzato apparecchiature laser per far esplodere le rocce su Marte, consentendo agli scienziati di analizzare le sostanze chimiche nei vapori risultanti.

Questo articolo è uno sforzo collaborativo di Gaurav Batra, Ryan Fletcher, Kairat Kasymaliev, Abhijit Mahindroo e Nick Santhanam, che rappresentano le opinioni dell'Advanced Electronics Practice di McKinsey.

Sebbene il mercato dei laser sia cresciuto costantemente a partire dagli anni ’70, l’innovazione e la crescita dei ricavi hanno subito un rallentamento negli ultimi dieci anni. Molte aziende a basso costo sono entrate nel mercato con la maturazione della tecnologia di base. Ciò ha messo sotto pressione il prezzo di vendita medio dei laser utilizzati in prodotti finali ad alto volume, compresi quelli relativi alla trasmissione delle telecomunicazioni, alla marcatura, all’incisione e al biosensing. Ma il settore potrebbe ora essere all’apice di una nuova era di innovazione in cui i laser vengono sempre più combinati con ottica e sensori per consentire applicazioni ancora più sofisticate. Questi dispositivi integrati, molti dei quali sono ancora in fase di sviluppo in numerosi settori, potrebbero non solo riportare il mercato dei laser su una traiettoria di crescita elevata, ma anche diventare la principale fonte di valore.

Per aiutare le parti interessate del settore della fotonica a valutare le opportunità future, abbiamo valutato i recenti sviluppi nei mercati finali dei laser. Abbiamo poi esplorato in dettaglio i settori dell’ottica e dei sensori, concentrandoci sulle capacità uniche che tali tecnologie possono fornire se combinate con i laser. Le parti interessate del settore, inclusi proprietari, operatori e membri del consiglio di amministrazione, hanno riconosciuto questi vantaggi e si stanno rapidamente muovendo per ampliare le capacità tecnologiche delle loro aziende attraverso fusioni, acquisizioni e partnership strategiche. Anche gli investitori stanno prestando attenzione.

Sebbene la tecnologia laser sia costantemente maturata sin dal suo inizio, si distinguono due epoche di innovazione. Negli anni '70 e '80, i ricercatori hanno fatto importanti scoperte nel campo della fisica del laser che hanno fatto avanzare la tecnologia, sebbene molte applicazioni fossero limitate a contesti scientifici, di laboratorio e di ricerca e sviluppo. E negli ultimi tre decenni, i dispositivi laser sono passati dal laboratorio alla sfera commerciale man mano che venivano perfezionati per migliorare prestazioni, robustezza e affidabilità. In questo periodo sono emerse molte nuove applicazioni laser, come la chirurgia, la litografia e la saldatura, consentendo progressi in settori che vanno dalla sanità all’elettronica alla produzione industriale. Queste innovazioni hanno aiutato il mercato dei dispositivi laser a raggiungere un valore di 17 miliardi di dollari entro il 2020.

Nonostante i progressi tecnologici del settore e i forti ricavi, alcuni indicatori recenti sollevano preoccupazioni. Prendiamo il ritmo dell’innovazione misurato dal numero di brevetti registrati. Dal 2001 al 2010, i ricercatori hanno depositato negli Stati Uniti più di 29.000 domande di brevetti relativi al laser, più del doppio rispetto al decennio precedente (Figura 1). Negli anni dal 2011 al 2020, invece, sono state presentate solo circa 24.000 domande. Questo calo è stato un’aberrazione in un settore in cui le domande di brevetto sono tradizionalmente raddoppiate ogni decennio.

I laser possono utilizzare solidi, liquidi o gas come mezzo di guadagno (una fonte di amplificazione ottica) per creare il fascio di luce coerente desiderato. Tali fasci sono composti da fotoni – particelle che rappresentano la più piccola quantità discreta, o quanto, di radiazione elettromagnetica – che hanno la stessa frequenza e forma d’onda. Questa uniformità impedisce al raggio di diffondersi e diffondersi. I laser a gas utilizzano CO2 o altri gas come mezzo di guadagno e in genere forniscono un'emissione più uniforme, con minori perdite, rispetto ai laser a stato solido o liquidi.