Modrý laser a jeho využití v průmyslu a vědě

Modrý laser je zařízení, které emituje světelný paprsek ve vlnovém rozsahu mezi 400 nm a 500 nm, což je pro lidské oko viditelné jako fialová nebo modrá barva. Vytvářený světelný paprsek je časově koherentní a může být dobře kolimovaný, což umožňuje jeho široké využití v průmyslu i vědě. Charakteristiky různých modrých laserů jsou primárně určovány odlišnými zesilujícími médii a jejich vlastnostmi. Termín modrý laser může označovat následující:

1. Kompaktní, vysokovýkonnou laserovou hlavu s vlnovou délkou 400-500 nm, což je laserový modul pro průmyslové, vědecké i hobby aplikace. Kromě rozměrových hledisek je hlavním rozdílem oproti standardním laserovým modulům to, že laserové hlavy jsou navrženy tak, aby dosáhly nejvyšší hustoty výkonu ve fokálním místě při zajištění dlouhé životnosti.
2. Laserový modul s vlnovou délkou 400-500 nm, který je větší než laserová hlava, ačkoli i laserové hlavy jsou někdy označovány jako laserové moduly.
3. Laserová dioda s vlnovou délkou 400-500 nm. Nejoblíbenější modré laserové diody jsou ty, které emitují paprsky na vlnových délkách 405 nm, 445 nm, 447 nm a 450 nm.

Modré lasery vznikly původně jako laboratorní kuriozita a byly založeny na plynových laserech s heliem-kadmiem, argonem nebo kryptonem. V roce 1992 byly tyto modré lasery schopné vyzařovat pouze 130 mW optického výkonu, přičemž vytvářely kilowattové ztráty ve formě tepla. Situace se však změnila s inovací, kterou přinesly polovodičové hranoemitující modré laserové diody. Krátce poté (cca 2000) bylo zřejmé, že modré lasery mohou nabízet výhodnou konverzi elektrické energie na optický výkon.

Vznik technologie Blu-Ray a vysokovýkonných projektorů vedl ke zrodu prvního většího trhu s modrými laserovými diodami, což urychlilo vývoj nových a vylepšených typů. Ačkoli je možné modré lasery realizovat pomocí různých typů laserů (například iontové lasery, barvivové lasery, polovodičové laserové diody a polovodičové lasery buzené pevnolátkové [DPSS]), na trhu se prosazují především polovodičové modré laserové diody. Tato rostoucí popularita vyplývá z jejich stabilně vysoké účinnosti přeměny elektrické energie na optickou, kompaktních rozměrů, vysokých pracovních teplot a dlouhé životnosti.

Elektricko-optická účinnost modrých laserových diod se typicky pohybuje kolem 30 % a může dosáhnout až 39 % při pokojové teplotě. Na druhé straně, 940 nm laserové diody používané jako pumpy pro průmyslové Yb:YAG tenkovrstvé disklasery dosahují typicky účinnosti v rozmezí 46 %. Následný opticko-optický převod, což je buzení Yb:YAG tenkovrstvého disklaseru, dosahuje až 77% optické účinnosti, ačkoliv běžná účinnost je okolo 41 %. Celková elektricko-optická účinnost modulů na bázi Yb:YAG tenkovrstvých disklaserů se pohybuje mezi 18,8 % (typicky) až 35,4 % (laboratorně). To je nižší než to, čeho lze dosáhnout s modrými lasery.

Yb:YAG lasery typicky emitují v infračerveném spektru na 1030 nm a 1050 nm s difrakčně omezeným výkonem nad 1 kW a vysokou kvalitou paprsku, případně s ještě vyšším výkonem, ovšem již s nižší kvalitou paprsku. Ve srovnání s modrými lasery jsou však Yb:YAG lasery rozměrné a nákladné.

V mnoha aplikacích je také výhodné implementovat modrý laser namísto určitých IR laserů, například vláknových a CO2 laserů. Vláknové lasery lze zaostřit na menší průměr než multimódové modré diodové lasery díky nižšímu BPP (Beam Parameter Product), vyžadují však větší chladicí systém. Navíc nejsou schopny efektivně zpracovávat různé kovy, například měď. Měď absorbuje 5 % dopadajícího IR záření 1,064 µm a <1 % IR záření 10,6 µm, ale 65 % dopadajícího modrého záření 450 nm při pokojové teplotě. Naproti tomu CO2 lasery mají, i přes nízký poměr cena/výkon, na měď absorpci <1 %. CO2 lasery navíc trpí velmi nízkou účinností přeměny elektrické energie na optickou okolo 7,5 %. Výsledkem je, že pouze <0,3 W optického výkonu se absorbuje do mědi u 30W CO2 laseru (což nestačí na její zpracování). Současně jednotka 30W CO2 laseru spotřebuje asi 400 W elektrické energie, což znamená skryté náklady na elektřině. Ve srovnání s CO2 lasery nabízejí modré lasery menší průměr svazku, což uživateli umožňuje vyšší přesnost a zpracování širšího spektra materiálů. Modré laserové diodové moduly a laserové hlavy značky Opt Lasers jsou často lepší volbou oproti ostatním řešením, neboť nabízejí vysokou spolehlivost, nižší spotřebu energie a zpracování širší škály materiálů včetně kovů.

Moderní modré laserové diodové moduly jsou zpravidla založeny na modrých polovodičových laserových diodách s různými zesilujícími médii. Použité médium určuje vlastnosti vytvářeného světelného paprsku. Každá modrá laserová dioda má odlišné charakteristiky. Patří sem výkon, vlnová délka, životnost, provozní teploty, možnost zaostření na minimální průměr a účinnost. Další technické aspekty jsou klíčové při konstrukci těchto zařízení.

Například InGaN laserové diody na substrátu GaN (emituje v pásmu 445–450 nm), používané v Laserových hlavách Opt Lasers, představují velmi užitečný typ modrých laserů díky své malé velikosti, vynikající vztahu cena/výkon, všestrannému použití, pracovním teplotám až 85-90°C (modré diody běžně emitují plný výkon do cca 60°C) a stále se zlepšujícím parametrům.

Galliumnitrid (GaN) – binární polovodič typu III/V s přímou energetickou mezerou a wurtzitovou krystalovou strukturou – je vynikající substrát pro laserové diody díky vysoké tepelné kapacitě a vodivosti. Výroba laserových diod na bázi GaN však představuje výzvu kvůli citlivosti na teplotu, malé pohyblivosti děr a vysoké hodnotě zakázaného pásma 3,42 V. V současnosti se běžně vyráběné modré laserové diody vytvářejí na safírových podložkách pokrytých vrstvou GaN.

Jedna modrá laserová dioda může v současnosti (červenec 2021) dosáhnout dlouhoživotnostního výkonu až 6 W. Prvním typem byla NUBM44 od společnosti Nichia. Nedávno několik dalších společností vyvinulo a komerčně nabízí modré laserové diody s výkonem nad 5 W. Aktuální 6 W laserová dioda Opt Lasers disponuje životností 20 000 hodin a představuje nejvýkonnější dlouhodobě používanou modrou laserovou diodu na trhu.

Modré laserové diody mohou pracovat při vysokých teplotách bez významného ovlivnění životnosti. Je to dáno mimo jiné vysokou přípustnou teplotou pn přechodu (~130 °C), což umožňuje užší hřeben diody a tím vyšší jas a možnosti ostřejšího zaostření paprsku. Výkon dostupný u výkonných modrých laserových diod bez přetížení je dramaticky vyšší ve srovnání s ostatními diodami. Dále lze modré lasery zaostřit na menší průměr než NIR a IR lasery, což je dáno kratší vlnovou délkou modrého paprsku. Dalším faktorem, který umožňuje modrý laser zaostřit na menší bod, je jeho beam parameter product (BPP), protože BPP modrých laserových hlav je 2–20krát menší než BPP CO2 laserů. Díky rozmachu poptávky po modrých diodách v Blu-Ray, automobilovém a projektorovém průmyslu jsou navíc nejnovější generace modrých laserových diod velmi cenově dostupné a efektivní. Díky tomu jsou modré lasery známé pro svoji odolnost, spolehlivost, efektivitu i vysokou hustotu výstupního výkonu.

Je důležité zmínit, že emitor multimódové modré laserové diody má jednovidové vlastnosti na rychlé (vertikální) ose a vícevidové na pomalé (horizontální) ose. Výsledkem je mírně asymetrický obdélníkově-eliptický tvar paprsku ve fokálním bodě a několikanásobně vyšší divergence v jedné ose oproti druhé. Konstrukce modrého laserového systému proto může být komplikovaná, neboť je nutné analyzovat a navrhovat každý směr zvlášť. U složitějších aplikací, kde je potřeba pečlivě volit typy diod i další komponenty, je vám náš tým k dispozici ke konzultaci či výrobě vlastního vědeckého nebo průmyslového laseru podle požadovaných parametrů již do 5 týdnů.

Největší výhodou modrých laserů je, že kovy účinně absorbují modré paprsky. Znamená to, že máte k dispozici univerzální laser schopný zpracovat jakýkoli materiál. Navíc, i při nižším celkovém výkonu dosahují modré laserové hlavy mnohem vyšší hustoty výkonu než CO2 lasery. Přestože modrý paprsek má v jednom rozměru menší šířku než u plynových laserů, lze jej efektivněji využít vzhledem k vysoké hustotě výkonu a absorpci modrého světla materiály. To je výhodné u mnoha gravírovacích aplikací. V závislosti na orientaci osy je možné dosáhnout širší nebo naopak užší a hlubší gravury při pootočení kontury o 90 stupňů. Modré lasery účinně zpracovávají materiály jako titan, měď, zlato a také nekovové – například dřevo nebo kůži.

Jak ukazuje výše uvedený graf, modrý laserový paprsek 445 nm (0,445 µm) vykazuje významně vyšší míru absorpce na kovech než Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) i vláknové lasery (obvykle 1030–2050 nm). Jednovidové modré lasery dokáží navíc dosáhnout až o 50 % vyšší hustoty výkonu. Znamená to, že modrý laser může předat materiálu při stejné úrovni výkonu o několik až téměř 20násobek více energie než CO2 či Nd:YAG lasery.

Výstup modrého laserového paprsku lze také svázat do optického vlákna pomocí asférické čočky mezi nimi. Tento typ systému se nazývá vláknově svázaný (nebo vláknově integrovaný) diodový laser a má několik výhod oproti alternativním řešením:

1. Vláknově svázané diodové lasery mají dobrou kvalitu ohniska paprsku. Ohnisko modrého laserového paprsku je symetrické, homogenní a kruhové.
2. Optická vlákna lze snadno instalovat na mnoho CNC strojů.
3. Nebrání vysokorychlostnímu provozu CNC stroje, protože vlákno je lehké.

Tím se z vláknově svázaných modrých laserových systémů stává zajímavá volba pro technologie zpracování materiálů, jako je laserové řezání a laserové gravírování.

Aplikace ve vědě a průmyslu

Z hlediska aplikací modrých laserů v oblasti fotoniky jde o velmi praktická zařízení díky rozumnému rozsahu výstupních výkonů a snadné modulaci pomocí řízení proudu ve vysokých frekvencích. Aplikace modrých laserů zahrnují mimo jiné buzení pevnolátkových laserů, kvantových teček nebo jednotlivých kvantových emitorů (SQEs), laserovou mikroskopii, spektroskopii, skenování povrchu, laserový tisk, senzory a buzení RBG zdrojů (například fosforu). Například použití modrých laserových senzorů je výhodné, protože díky kratší vlnové délce dosahují lepšího výkonu na silně leštěných a lesklých površích. Oproti tomu červené světlo je těmito povrchy zkreslováno a vzniká efekt "speckle". To způsobuje zvýšený šum signálu detektorem, což snižuje přesnost měření. Modrý laserový senzor je naproti tomu schopen pracovat efektivněji s výrazně nižším množstvím "speckle". Použití modrého laseru tedy vede k nižší úrovni šumu, obvykle 2–3 krát nižší ve srovnání s červeným laserovým senzorem.

Modré lasery je možné využívat také v textilním průmyslu pro rychlé řezání, dekoraci a personalizaci textilií, jako je bavlna, polyester, viskóza, plsť, fleece, kůže, čalounění a sklolaminátové tkaniny, a mnoho dalších. Navíc jsou modré lasery výbornou a poutavou volbou pro laserové show.

Medicína rovněž hojně využívá modré lasery. Většina titanových implantátů umisťovaných během chirurgických zákroků je značena právě modrými lasery. Kromě toho se modré lasery používají jako zdroj osvětlení ve fluorescenční mikroskopii.

Průmyslové aplikace, například ohřev materiálů, řezání a svařování, dále profitují z dobré absorbce výkonu. Materiály jako titan, měď nebo zlato jsou schopny absorbovat přibližně 65–80 % energie z modrého laseru. To je zvláště užitečné při svařování, protože nízká absorbce IR laseru (5 %) by vedla ke zvýšenému množství vad v opracovaných kovových dílech. Naopak, modré lasery jsou velmi vhodné v situacích, kdy je třeba rychle a spolehlivě spojovat tenké kovy s minimem nebo žádnými vadami. Vysoká absorpce paprsku modrého laseru rovněž umožňuje zvýšit rychlost sestavování součástí při aditivní výrobě, a to jak pro laserové nanášení kovu, tak pro metodu růstu v práškovém loži. V závislosti na použitém materiálu lze očekávat zvýšení rychlosti 3–10krát při použití modrých laserů. Kromě toho malý průměr ohniska modrého laseru přináší další dvě výhody. Především, při dané optické soustavě bude ohnisko paprsku o vlnové délce 450 nm méně než poloviční oproti stejnému paprsku o vlnové délce 1080 nm. Použití modrého laserového paprsku tak zlepšuje schopnost miniaturizace funkcí, rozlišení a přesnost výsledného produktu. Pokud je použito stejných parametrů rozlišení jako u IR paprsku, modrý laser může dosáhnout stejného rozlišení na čtyřnásobné ploše. Je zřejmé, že významné zvýšení kvality výroby i rychlosti zpracování může přinést výrazné výhody.

Celkově jsou modré laserové systémy mimořádně populární díky širokému spektru praktických aplikací. Jsou robustní, spolehlivé, časově efektivní a nákladově úsporné, což dokládají například naše laserová hlava PLH3D-XT-50 nebo hlava PLH3D-6W-XF+ s vylepšením µSpot čočkou:

Porovnejte naše laserové upgrady a vyberte si ten, který vám nejlépe vyhovuje

PLH3D-XT-50

Precizní gravírování

• 6 W optického výkonu
• Ultra HD 550 DPI – bod 45 μm
• Max. řezání dřeva (1 průchod): 3 mm (⅛")
• Nejvhodnější pro jemné gravírování a složité detaily
• Snadná sada Plug & Play s návody

Zobrazit stránku sady

★ Nejlepší volba ★

PLH3D-XT8

Vysoce výkonné řezání a gravírování

• 45 W optického výkonu
• HD 125 DPI – bod 180 μm
• Max. řezání dřeva (1 průchod): 20 mm (¾")
• Nejvhodnější pro vysokorychlostní gravírování a hluboké řezání
• Gravírování dřeva rychlostí 350 mm/s (827 inch/min)
• Řezání překližky rychlostí 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
• Snadná sada Plug & Play s návody

Zobrazit stránku sady

PLH3D-XF+

Vstupní řešení

• 6 W optického výkonu
• Standard 85 DPI – bod 300 μm
• Max. víceprůchodové řezání dřeva: 3 mm (⅛")
• Ideální pro hobby použití a malé kreativní projekty
• Snadná sada Plug & Play s návody

Zobrazit stránku sady

Máte-li jakékoli dotazy nebo byste chtěli probrat nápad na zakázkovou laserovou hlavu nebo zakázkový laserový modul, neváhejte nás kontaktovat. Opt Lasers je hrdý výrobce na zakázku, který dokáže proměnit váš nápad v hotový produkt již za 5 týdnů.