Синият лазер и неговите приложения в промишлеността и науката
Какво представлява синият лазер?
Синият лазер е устройство, което излъчва светлинен лъч с дължина на вълната между 400 nm и 500 nm, видим за човешкото око като виолетов или син. Произведеният светлинен лъч е времево кохерентен и може да бъде добре колимиран, което му позволява да има многобройни приложения в промишлеността и науката. Характеристиките на различните сини лазери се определят предимно от различните усилващи среди и техните свойства. Терминът "син лазер" може да се отнася до едно от следните понятия:
- Компактна лазерна глава с висока мощност и дължина на вълната 400-500 nm, която представлява лазерен модул за промишлени, научни и хоби приложения. Освен съображенията, свързани с размера, друга основна разлика от стандартните лазерни модули е, че лазерните глави са проектирани така, че да постигат най-висока плътност на мощността във фокусираната точка на лъча, като същевременно запазват дълъг живот.
- Лазерен модул с дължина на вълната 400-500 nm, който е по-голям по размер от лазерна глава, въпреки че понякога лазерните глави се наричат просто лазерни модули.
- Лазерен диод с дължина на вълната 400-500 nm. Най-популярните сини лазерни диоди са тези, които излъчват лъчи с дължина на вълната 405 nm, 445 nm, 447 nm и 450 nm.
Първоначалносините лазери са се появили като лабораторна любопитна идея и са били базирани на газ хелий-кадмий, аргон или криптон. В този момент около. 1992 г., сините лазери бяха способни да излъчват само 130 mW оптична мощност, като същевременно генерираха един киловат енергия под формата на топлина. Въпреки това ситуацията се промени с нововъведенията, внесени от излъчващите сини полупроводникови лазерни диоди с ръбове. Скоро след това (около 2000 г.) стана ясно, че сините лазери могат да се характеризират с благоприятно преобразуване на електрическата в оптична енергия.
Появата на Blu-Ray технологията и мощните проектори доведе до появата на първия голям пазар за сини лазерни диоди. Това ускори разработването на нови и усъвършенствани техни разновидности. Въпреки че синьото лазерно лъчение може да се постигне с различни видове лазери (като йонни лазери, лазери с багрила, полупроводникови лазерни диоди и диодно напомпани твърдотелни лазери [DPSS]), сега все повече на пазара се налагат именно полупроводниковите сини лазерни диоди. Тази привлекателна тенденция се дължи на еднакво добрите електрически и оптични характеристики, малките размери, високите работни температури и продължителността на живота на сините лазерни диоди.
Електро-оптичният коефициент на полезно действие на сините лазерни диоди обикновено е около 30 % и достига 39 % при стайна температура. От друга страна, лазерните диоди с дължина на вълната 940 nm, които се използват за захранване на промишлени Yb:YAG тънкодискови лазери, обикновено са с електрическо-оптична ефективност от порядъка на 46 %. Последващият процес на оптично-оптично преобразуване, който представлява изпомпване на Yb:YAG лазери с тънък диск, достига до 77 % оптично-оптична ефективност, въпреки че типичното оптично преобразуване е около 41 %. Така се получава обща ефективност на електрическо-оптичното преобразуване за модули, базирани на Yb-YAG лазер с тънък диск, от 18,8 % (типично) до 35,4 % (в лабораторията). Това е по-ниско от това, което може да се постигне със сини лазери.
Yb:YAG лазерите обикновено лазерират в инфрачервения спектър, при 1030 nm и 1050 nm, с мощност над 1 kW с ограничена дифракция и високо качество на лъча, и дори по-големи мощности с качество на лъча без ограничение на дифракцията. Въпреки това, за разлика от сините лазери, Yb:YAG лазерите са доста обемисти и скъпи.
В много приложения също така е изгодно да се включи син лазер вместо някои инфрачервени лазери, като например влакнести лазери и CO2 лазери. Въпреки че влакнестите лазери практически могат да бъдат фокусирани до по-малък размер на петното, отколкото многомодовите сини диодни лазери, поради по-ниския BPP (Beam Parameter Product), те изискват по-голяма охладителна система. Освен това те не могат да обработват ефективно различни метали, като например мед. Медта поглъща 5% от падащата 1,064 µm инфрачервена светлина и <1% от падащата 10,6 µm инфрачервена светлина, но 65% от падащия 450 nm син лазерен лъч при стайна температура. От друга страна, въпреки ниското съотношение цена-мощност на CO2 лазерите, медта поглъща <1% от CO2 лазерната светлина. CO2 лазерите също така страдат от много лошо преобразуване на електрическата в оптична мощност от около 7,5 %. Поради това само <0,3 W оптична мощност се поглъща от медта за СО2 лазер с оптична мощност 30 W (което дори не позволява тя да бъде обработена). В същото време устройство за 30 W оптична мощност на CO2 лазер консумира около 400 W електрическа енергия, което носи скрита цена на по-високи сметки за електричество. В сравнение с CO2 лазерните устройства, сините лазери предлагат по-малка талия на лъча, което позволява на потребителя да постигне по-висока прецизност и да обработва по-широк спектър от материали. Модулите със сини лазерни диоди и лазерните глави на Opt Lasers често са по-добър избор от алтернативните решения, тъй като предлагат висока надеждност, по-ниска консумация на енергия и могат да обработват по-широк спектър от материали, включително метали.
Открийте нашата гама от продукти за лазерно рязане и гравиране с усъвършенствана синя лазерна технология
Конкурентното предимство на сините лазерни глави на Opt Lasers
Съвременните сини лазерни диодни модули обикновено се основават на сини полупроводникови лазерни диоди с включени различни усилващи среди. Избраната среда за усилване определя свойствата на произвеждания светлинен сноп. Всеки син лазерен диод има различни характеристики. Те включват мощност, дължина на вълната, продължителност на живота, работни температури, колко малък може да бъде фокусиран и ефективност. При проектирането на такъв диод са важни и други технически съображения.
Например InGaN лазерните диоди с GaN субстрат (лазериращи в диапазона 445 - 450 nm), използвани в лазерните глави на Opt Lasers, са изключително полезен тип сини лазери. Това се дължи на техния компактен размер, голяма рентабилност, широк спектър от приложения, работни температури до 85-90°C (сините лазерни диоди могат да лазерират при пълна мощност обикновено до 60°C) и постоянно подобряваща се производителност.
Галиевият нитрид (GaN), двукомпонентен III/V полупроводник с пряка лента на пропускане и кристална структура на Вурцит, е чудесен субстрат за лазерни диоди в резултат на високия си топлинен капацитет и топлопроводимост. Производственият процес на GaN-базирани лазерни диоди обаче може да се окаже предизвикателство поради неговата температурна чувствителност, мобилност на дупките и високата лента на пропускане от 3,42 V. В днешно време произвежданите в търговската мрежа сини лазерни диоди използват сапфирени повърхности, които са покрити с GaN слой.
Понастоящем (към юли 2021 г.) един син лазерен диод може да достигне дълготрайна изходна мощност до 6 W. Първият пример за такъв диод е NUBM44 на Nichia. Напоследък още няколко компании разработиха и пуснаха на пазара сини лазерни диоди с мощност 5+ W. Настоящият 6 W лазерен диод на Opt Lasers може да се похвали с 20 000 часа експлоатационен живот и е най-високата мощност на устойчиво използвания син лазерен диод, наличен на пазара.
Сините лазерни диоди могат да имат високи работни температури, без това да се отрази значително на техния живот. Това отчасти се дължи на високите им допустими температури на съединението (~130С); това позволява по-тесен хребет, което води до по-висока яркост и по-тясно фокусиран лъч. Освен това изходната мощност, която може да бъде постигната от сини лазерни диоди с висока мощност, без да се налага да ги претоварват, е значително по-висока в сравнение с други лазерни диоди. В допълнение към това сините лазери могат да бъдат фокусирани до по-малък размер на петното в сравнение с NIR и IR лазерите, което е резултат от по-късите дължини на вълните на сините лазерни лъчи. Допълнителен фактор, който позволява синият лазер да бъде фокусиран до по-малък размер на петното, е произведението на параметъра на снопа (BPP), тъй като BPP на сините лазерни глави е 2-20 пъти по-малък от BPP на CO2 лазерите. И накрая, благодарение на бума на сини лазерни диоди в Blu-Ray, автомобилната и проекторната индустрия, последните поколения сини лазерни диоди станаха забележително евтини и рентабилни. В резултат на това сините лазери станаха добре известни със своята здравина, надеждност, рентабилност и висока плътност на изходната мощност.
Заслужава да се отбележи, че емитерът на многомодовия син лазерен диод има едномодови характеристики по бързата (вертикална) ос и многомодови характеристики по бавната (хоризонтална) ос. Това води до леко асиметрична, правоъгълно-елиптична форма на лъча във фокуса. Освен това дивергенцията по една от осите е няколко пъти по-голяма от тази по другата. Следователно проектирането на синя лазерна система може да се окаже предизвикателство, тъй като всяка ос трябва да се анализира и проектира поотделно. Освен това, тъй като по-сложните системи изискват избор на правилните лазерни диоди, както и на други компоненти, нашият екип е тук, за да отговори на всичките ви въпроси и дори може да изгради персонализиран научен лазер или индустриален лазер по ваш избор само за 5 седмици.
Сини лазери срещу IR и CO2 лазери
В крайна сметка най-голямото предимство на сините лазери е, че металите ефективно поглъщат сините лазерни лъчи. Това означава, че разполагате с универсален лазер, който може да обработва всякакви материали. На всичкото отгоре, въпреки по-ниската обща мощност, сините лазерни глави се отличават с много по-висока плътност на мощността от CO2 лазерите. Освен това, въпреки че сините лазерни лъчи са по-малки в едно измерение, отколкото при газовите лазери, лъчът може да се използва много по-ефективно. Това се получава като следствие от високата плътност на мощността и високата степен на поглъщане на синия лазерен лъч. Това е значително предимство при много приложения за гравиране. В зависимост от избора на осите можете да постигнете или по-широко гравиране, или по-дълбоко и по-тясно, ако контурът за гравиране се завърти на 90 градуса. Сините лазери могат ефективно да обработват широка гама от материали, като например титан, мед или злато, както и други материали като дърво или кожа.
Както е показано на графиката по-горе, при синия лазерен лъч с дължина на вълната 445 nm (0,445 µm) се наблюдава значително по-висока степен на поглъщане на металите в сравнение с лазерите Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) и Fiber (обикновено 1030 - 2050 nm). В същото време едномодовите сини лазери са в състояние да постигнат 50% по-висока плътност на мощността. Това означава, че синият лазер може да изхвърли от няколко до почти 20 пъти повече енергия в осветявания материал при едно и също ниво на мощност в сравнение с CO2 и Nd:YAG лазерите.
| Главата за син лазер µSpot на Opt Lasers с анаморфни призми (PLH3D-XT-50) | CW влакнест лазер на водещ производител | Типична CO2 лазерна глава | |
|---|---|---|---|
| Дължина на вълната [nm] | 445 | 1064 | 10600 |
| Средна мощност [W] | 6.0 | 50.0 | 75 |
| Размер на талията на снопа [µm] | 50 на 4,0 | 11 | 64 |
| Средна плътност на мощността [kW/cm2] | 3,000 | 12,900 | 580 |
| Абсорбция върху мед [%] | 65 | 5 | <1 |
| Плътност на абсорбираната мощност на медта [kW/cm2] | 1,900 | 600 | 5 |
| Живот [h] | 30,000 | 100,000 | 1,000-3,000 |
| Напрежение на захранването [V] | 12-24 DC | 110-220 AC | 100-240 AC |
| Видимост | Видима | Невидима | Невидим |
| Размери [cm] | 4 x 5,5 x 10,5 | 13,2 x 40,3 x 44,8 | 4 x 6 x 16 |
| Тегло на устройството [kg] | 0.22 | 19 | 1 |
| Цена [k$] | 1.0 | 18 | 1.5 |
| Разходи за 1 kW средна мощност [k$] | 170 | 360 | 20 |
| Разходи за kW плътност на мощността [$] | 0.33 | 1.4 | 2.6 |
| Разходи за kW плътност на абсорбираната мощност върху мед [$] | 0.51 | 30 | 300 |
Изходът на син лазерен лъч може да се свърже и в оптично влакно с асферична леща между тях. Този вид система се нарича диоден лазер, свързан с оптично влакно (или интегриран с оптично влакно), и наистина има няколко предимства пред алтернативните решения:
- Диодните лазери, свързани с влакно, имат добро качество на талията на лъча. Талията на синия лазерен лъч е симетрична, хомогенна и кръгла.
- Оптичните влакна могат лесно да се инсталират на много машини с ЦПУ.
- То не възпрепятства високоскоростната работа на машината с ЦПУ, тъй като влакното е леко.
Следователно това прави сините лазерни системи с влакно интересен вариант за техники за обработка на материали като лазерно рязане и лазерно гравиране.
Приложения в науката и промишлеността
От гледна точка на приложенията на сините лазери във фотониката, те са дълбоко удобни устройства поради практическия обхват на изходните им мощности и лесната модулация с високочестотен управляващ ток. Приложенията на сините лазери включват, наред с други неща, изпомпване на твърдотелни лазери, квантови точки или единични квантови излъчватели (SQE), лазерна микроскопия, спектроскопия, сканиране на повърхности, лазерен печат, сензори и изпомпване на RBG източници (като фосфор). Например използването на сини лазерни сензори е изгодно, тъй като те работят по-добре върху силно полирани и гланцирани повърхности благодарение на по-късата си дължина на вълната. За разлика от тях, червената светлина се изкривява от такива повърхности, което води до ефекта "петна". Това води до повишен шум на сигнала в детектора, което води до понижена точност на измерването. От друга страна, синият лазерен сензор може да работи изключително ефективно при значително по-ниско количество петна. По този начин използването на син лазер води до понижени нива на шума, обикновено два до три пъти в сравнение с червените лазерни сензори.
Освен това сините лазери могат да се използват и в текстилната промишленост за бързо рязане, декориране и персонализиране на тъкани, като памук, полиестер, вискоза, филц, вълна, кожа, тапицерия и тъкани от фибростъкло, наред с други възможности. Нещо повече, сините лазери са отличен и завладяващ избор за лазерни шоута.
Медицината също е известна с широкото използване на сини лазери. По-голямата част от титановите елементи, поставени в човешкото тяло по време на операции, се маркират със сини лазери. Освен това сините лазери се използват като източник на осветление във флуоресцентната микроскопия.
Наред с това промишлените приложения, като нагряване на материали, рязане и заваряване, се възползват от доброто поглъщане на енергия. Материали като титан, мед или злато са в състояние да абсорбират около 65-80 % от енергията на синия лазер. Това е особено полезно в случай на заваряване, тъй като ниското поглъщане на инфрачервения лазер (5%) би довело до повишено количество дефекти по обработваните парчета метал. Обратно, сините лазери са много подходящи за ситуации, в които тънките метали трябва да бъдат бързо и надеждно съединени с малко или никакви дефекти. Високата степен на поглъщане на синия лазерен лъч е в състояние да ускори и скоростта на сглобяване при адитивното производство както при лазерното отлагане на метали, така и при методите на растеж в прахово легло. Макар че това зависи от използвания материал, може да се очаква увеличение на скоростта от три до десет пъти чрез използване на сини лазери. Освен това малкият размер на фокусното петно на синия лазер води до две допълнителни предимства. На първо място, за определена оптична система, талията на снопа светлина с дължина 450 nm е по-малко от половината от съответната талия на снопа с дължина 1080 nm. По този начин използването на син лазерен лъч може да подобри способността за мащабиране на елементи, разделителната способност и точността на крайния продукт. Освен това, ако се приложи същата разделителна способност, която е възможна с инфрачервен лъч, синият лазер може да осигури същата разделителна способност, но за четири пъти по-голяма площ. Очевидно е, че изключителният потенциал за подобряване на качеството на производството и скоростта на обработка може да бъде изключително подходящ.
Като цяло, сините лазерни системи се оказват много популярни и имат многобройни конкретни приложения. Те са здрави, надеждни, ефективни от гледна точка на време и разходи, като пример за това е нашата лазерна глава PLH3D-XT-50 или PLH3D-6W-XF+ с µSpot Lens Upgrade:
Сравнете нашите лазерни ъпгрейди, за да видите кой е най-подходящ за вас
PLH3D-XT-50
Прецизно гравиране
- 6 W оптична мощност
- Ultra HD 550 DPI < 50 μm петно
- Максимално рязане на дърво (1 проход): 3 mm (⅛")
- Най-добър за фино гравиране и сложни детайли
- Лесен Plug & Play комплект с инструкции
PLH3D-XT8
Високомощно рязане и гравиране
- 45 W оптична мощност
- HD 125 DPI – 180 μm петно
- Максимално рязане на дърво (1 проход): 20 mm (¾")
- Най-добър за високоскоростно гравиране и дълбоко рязане
- Гравиране на дърво със 350 mm/s (827 inch/min)
- Рязане на шперплат с 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
- Лесен Plug & Play комплект с инструкции
PLH3D-XF+
Базово решение
- 6 W оптична мощност
- Стандартни 85 DPI – 300 μm петно
- Максимално многопроходно рязане на дърво: 3 mm (⅛")
- Перфектен за хоби и малки креативни проекти
- Лесен Plug & Play комплект с инструкции
Изберете вашата CNC машина по-долу, за да разгледате Plug & Play комплектите
Ако имате някакви въпроси или искате да обсъдим идея за персонализирана лазерна глава или персонализиран лазерен модул, моля, не се колебайте да се свържете с нас. Opt Lasers се гордее с това, че е отворен производител, който може да превърне вашата идея в готов продукт само за 5 седмици.