Den blå laser og dens anvendelser i industri og videnskab

Den blå laser er en enhed, der udsender en lysstråle i bølgelængdeområdet mellem 400 nm og 500 nm, der er synlig som violet eller blå for det menneskelige øje. Den producerede lysstråle er tidsmæssigt kohærent og kan kollimeres godt, hvilket giver den mange anvendelsesmuligheder inden for industri og videnskab. Karakteristika for forskellige blå lasere bestemmes overvejende af forskellige forstærkningsmedier og deres egenskaber. Udtrykket blå laser kan henvise til en af følgende:

1. Et kompakt, højeffektivt laserhoved med en bølgelængde på 400-500 nm, som er et lasermodul til industrielle, videnskabelige og hobbymæssige anvendelser. Bortset fra størrelsesovervejelser er en anden vigtig forskel fra standard lasermoduler, at laserhoveder er designet til at opnå den højeste effekttæthed på det fokuserede strålepunkt, samtidig med at de har en lang levetid.
2. Et lasermodul med en bølgelængde på 400-500 nm, som er større end et laserhoved, selv om laserhoveder nogle gange blot kaldes lasermoduler.
3. En laserdiode med en bølgelængde på 400-500 nm. De mest populære blå laserdioder er dem, der udsender stråler ved bølgelængderne 405 nm, 445 nm, 447 nm og 450 nm.

Blå lasere opstod oprindeligt som en nysgerrighed i laboratoriet og var baseret på helium-cadmium-, argon- eller kryptongas. På det tidspunkt, ca. 1992 var blå lasere kun i stand til at udsende 130 mW optisk effekt, mens de genererede en kilowatt energi i form af varme. Ikke desto mindre ændrede situationen sig med den innovation, som de kantudsendende blå halvlederlaserdioder medførte. Kort tid efter (ca. 2000) var det tydeligt, at blå lasere kunne have en gunstig elektrisk-til-optisk effektkonvertering.

Fremkomsten af Blu-Ray-teknologi og højeffektprojektorer resulterede i fødslen af det allerførste store marked for blå laserdioder. Det fremskyndede udviklingen af nye og forbedrede varianter af dem. Selvom blå lasing kan opnås med forskellige typer lasere (f.eks. ionlasere, farvestoflasere, halvlederlaserdioder og diodepumpede faststoflasere [DPSS]), er det blå halvlederlaserdioder, der nu i stigende grad vinder indpas på markedet. Denne tiltrækningskraft skyldes de blå laserdiodernes ensartet gode elektriske-til-optiske effektivitet, små størrelser, høje driftstemperaturer og levetid.

De blå laserdioder har en elektrisk-optisk effektivitet på ca. 30 % og helt op til 39 % ved stuetemperatur. På den anden side har 940 nm-laserdioder, der bruges til at pumpe industrielle Yb:YAG-tyndskivelasere, typisk en elektrisk-til-optisk effektivitet på omkring 46 %. Den efterfølgende optiske-til-optiske konverteringsproces, som er Yb:YAG-tyndskivelaserpumpning, når op på 77 % optisk-til-optisk effektivitet, selvom en typisk optisk konvertering er omkring 41 %. Det giver en samlet elektrisk-til-optisk konverteringseffektivitet for Yb-YAG-tyndskivelaserbaserede moduler på 18,8 % (typisk) og op til 35,4 % (i laboratoriet). Dette er dårligere end det, der kan opnås med blå lasere.

Yb:YAG-lasere lyser typisk i det infrarøde område, ved 1030 nm og 1050 nm, med over 1 kW diffraktionsbegrænset output med høj strålekvalitet og endnu større effekt med ikke-diffraktionsbegrænset strålekvalitet. I modsætning til blå lasere er Yb:YAG-lasere dog ret klodsede og dyre.

I mange anvendelser er det også en fordel at bruge en blå laser i stedet for visse IR-lasere som fiberlasere og CO2-lasere. Mens fiberlasere praktisk talt kan fokuseres til en mindre spotstørrelse end multimode blå diodelasere på grund af den lavere BPP (Beam Parameter Product), kræver de et større kølesystem. Derudover kan de ikke effektivt behandle forskellige metaller, som for eksempel kobber. Kobber absorberer 5 % af det indfaldende 1,064 µm IR-lys og <1 % af det indfaldende 10,6 µm IR-lys, men 65 % af den indfaldende 450 nm blå laserstråle ved stuetemperatur. På den anden side absorberer kobber <1 % af CO2-laserlyset på trods af CO2-laserens lave pris/effekt-forhold. CO2-lasere lider også under en meget dårlig elektrisk-til-optisk effektkonvertering på ca. 7,5 %. Derfor absorberes kun <0,3 W optisk effekt på kobber for en CO2-laser med 30 W optisk effekt (hvilket ikke engang gør det muligt at behandle den). Samtidig bruger en CO2-laserenhed med 30 W optisk effekt ca. 400 W elektrisk strøm, hvilket medfører en skjult omkostning i form af en højere elregning. Sammenlignet med CO2-laserenheder har blå lasere en mindre stråletalje, hvilket giver brugeren mulighed for at opnå højere præcision og bearbejde en bredere vifte af materialer. Opt Lasers' blå laserdiodemoduler og laserhoveder er ofte et bedre valg end alternative løsninger, da de tilbyder høj pålidelighed, lavere strømforbrug og kan bearbejde en bredere vifte af materialer, herunder metaller.

Moderne blå laserdiodemoduler er typisk baseret på blå halvlederlaserdioder med forskellige forstærkningsmedier involveret. Det valgte forstærkningsmedie bestemmer egenskaberne for den producerede lysstråle. Hver blå laserdiode har forskellige egenskaber. Disse omfatter effekt, bølgelængde, levetid, driftstemperaturer, hvor lille den kan fokuseres og effektivitet. Andre tekniske overvejelser er også vigtige, når man konstruerer en.

For eksempel er InGaN-laserdioder med et GaN-substrat (lasing ved 445-450 nm), som bruges i Opt Lasers' laserhoveder, en yderst nyttig type blå laser. Det skyldes deres kompakte størrelse, store omkostningseffektivitet, brede anvendelsesområde, driftstemperaturer helt op til 85-90 °C (blå laserdioder kan lasere ved fuld effekt op til typisk 60 °C) og en stadig bedre ydeevne.

Galliumnitrid (GaN), en binær III/V-halvleder med direkte båndgab og en Wurtzite-krystalstruktur, er et fantastisk laserdiodesubstrat på grund af sin høje varmekapacitet og varmeledningsevne. Den GaN-baserede laserdiodeproduktionsproces kan dog vise sig at være en udfordring på grund af dens temperaturfølsomhed, hulmobilitet og høje båndgab på 3,42 V. I dag bruger kommercielt fremstillede blå laserdioder safiroverflader, der er belagt med et GaN-lag.

En enkelt blå laserdiode kan i øjeblikket (fra juli 2021) opnå en lang levetidseffekt på op til 6 W. Det første eksempel på en sådan diode var NUBM44 fra Nichia. For nylig har flere andre virksomheder udviklet og kommercialiseret blå laserdioder med en effekt på 5+ W. Opt Lasers' nuværende 6 W-laserdiode har en levetid på 20.000 timer og er den blå laserdiode med den højeste effekt, der kan bruges bæredygtigt på markedet.

Blå laserdioder kan have høje driftstemperaturer, uden at det påvirker deres levetid væsentligt. Det skyldes til dels deres høje tilladte overgangstemperaturer (~130C); det giver mulighed for en smallere ridge, hvilket resulterer i højere lysstyrke og en mere fokuseret stråle. Desuden er den udgangseffekt, der kan opnås med blå laserdioder med høj effekt uden at overstyre dem, betydeligt højere sammenlignet med andre laserdioder. Derudover kan blå lasere fokuseres til en mindre spotstørrelse end NIR- og IR-lasere, hvilket skyldes de blå laserstrålers kortere bølgelængder. En yderligere faktor, der gør det muligt at fokusere en blå laser til et mindre spot, er dens stråleparameterprodukt (BPP), da BPP for blå laserhoveder er 2-20 gange mindre end BPP for CO2-lasere. Endelig er de seneste generationer af blå laserdioder blevet bemærkelsesværdigt billige og omkostningseffektive takket være boomet for blå laserdioder i Blu-Ray-, bil- og projektorindustrien . Som følge heraf er blå lasere blevet kendt for deres robusthed, pålidelighed , omkostningseffektivitet og høje udgangseffekttæthed.

Det er værd at bemærke, at emitteren på en blå multimode-laserdiode har singlemode-egenskaber på den hurtige (lodrette) akse og multimode-egenskaber på den langsomme (vandrette) akse. Dette resulterer i en let asymmetrisk, rektangulær-elliptisk form på strålen ved fokus. Desuden er divergensen i en af akserne flere gange højere end i den anden. Derfor kan konstruktionen af et blåt lasersystem vise sig at være en udfordring, da hver akse skal analyseres og designes separat. Desuden kræver mere komplekse systemer, at man vælger de rigtige laserdioder og andre komponenter, og vores team er her for at besvare alle dine spørgsmål og kan endda bygge en brugerdefineret videnskabelig laser eller industriel laser efter dit valg på så lidt som 5 uger.

I sidste ende er den største fordel ved blå lasere, at metaller effektivt absorberer blå laserstråler. Det betyder, at du har en universel laser, der kan behandle ethvert materiale. På trods af den lavere samlede effekt har blå laserhoveder desuden en meget højere effekttæthed end CO2-lasere. Selv om blå laserstråler er mindre i én dimension end i gaslasere, kan strålen desuden bruges meget mere effektivt. Dette er en konsekvens af den blå laserstråles høje effekttæthed og høje absorptionshastighed. Det er en betydelig fordel i forbindelse med mange graveringsopgaver. Afhængigt af valget af akser kan du enten opnå en bredere gravering eller en dybere og smallere, hvis konturen for graveringen drejes 90 grader. Blå lasere kan effektivt behandle en lang række materialer som f.eks. titanium, kobber eller guld samt andre materialer som træ eller læder.

Som det fremgår af grafen ovenfor, har den blå laserstråle på 445 nm (0,445 µm) en betydeligt højere absorptionshastighed for metaller end Nd:YAG- (1064 nm), CO2- (10600 nm) og fiberlasere (typisk 1030 - 2050 nm). Samtidig er blå single mode-lasere i stand til at opnå 50 % højere effekttæthed. Det betyder, at en blå laser kan udlede mellem flere og næsten 20 gange mere energi i det belyste materiale ved samme effektniveau sammenlignet med CO2- og Nd:YAG-lasere.

Output fra en blå laserstråle kan også kobles ind i en optisk fiber med en asfærisk linse imellem. Denne type system kaldes en fiberkoblet (eller fiberintegreret) diodelaser, og den har flere fordele i forhold til alternative løsninger:

1. Fiberkoblede diodelasere har en god stråletaljekvalitet. Den blå laserstråles talje er symmetrisk, homogen og cirkulær.
2. Optiske fibre kan nemt installeres på mange CNC-maskiner.
3. Det hæmmer ikke CNC-maskinens højhastighedsdrift, da fiberen er let.

Det gør derfor fiberkoblede blå lasersystemer til en interessant mulighed for materialeforarbejdningsteknikker som laserskæring og lasergravering.

Anvendelser inden for videnskab og industri

Når det gælder anvendelser af blå lasere i fotonik, er de meget praktiske enheder på grund af deres praktiske omfang af udgangseffekt og nemme modulation med højfrekvent kontrolstrøm. Anvendelser af blå lasere omfatter blandt andet pumpning af faststoflasere, kvantepunkter eller enkeltkvanteemittere (SQE'er), lasermikroskopi, spektroskopi, overfladescanning, laserprint, sensorer og pumpning af RBG-kilder (såsom fosfor). For eksempel er det en fordel at bruge blå lasersensorer, da de fungerer bedre på højpolerede og blanke overflader takket være deres kortere bølgelængde. Derimod bliver rødt lys forvrænget af sådanne overflader, hvilket resulterer i en "speckle"-effekt. Det får en detektor til at støde på forhøjet signalstøj, hvilket betyder lavere målenøjagtighed. På den anden side kan en blå lasersensor fungere ekstraordinært effektivt med en markant lavere mængde pletter. Derfor resulterer brugen af en blå laser i lavere støjniveauer, normalt med en faktor to til tre i forhold til røde lasersensorer.

Desuden kan blå lasere også bruges i tekstilindustrien til hurtig skæring, dekoration og personalisering af stoffer som bomuld, polyester, viskose, filt, fleece, læder, møbelstoffer og glasfiberstoffer, blandt andre muligheder. Desuden er blå lasere et fremragende og fængslende valg til lasershows.

Medicin er også kendt for at gøre udstrakt brug af blå lasere. De fleste titaniumelementer, der placeres i en menneskekrop under operationer, er markeret med blå lasere. Derudover bruges blå lasere som belysningskilde i fluorescensmikroskopi.

Derudover drager industrielle anvendelser som opvarmning af materialer, skæring og svejsning fordel af god effektabsorption. Materialer som titanium, kobber eller guld er i stand til at absorbere omkring 65-80 % af energien fra en blå laser. Det er især nyttigt i forbindelse med svejsning, da den lave absorption af en IR-laser (5 %) ville føre til en øget mængde defekter på tværs af de bearbejdede metalstykker. Omvendt er blå lasere meget velegnede til situationer, hvor tynde metaller skal sammenføjes hurtigt og pålideligt med få eller ingen defekter. Den høje absorptionshastighed for blå laserstråler kan også fremskynde monteringshastigheden for additiv fremstilling for både lasermetalaflejring og pulverbedvækstmetoder. Det afhænger af det anvendte materiale, men man kan forvente en stigning i hastigheden på en faktor tre til ti ved at anvende blå lasere. Derudover giver den blå lasers lille fokuspunkt to yderligere fordele. For det første er stråletaljen for en 450 nm lysstråle mindre end halvdelen af den tilsvarende stråletalje for en 1080 nm stråle for et indstillet optisk system. Ved at bruge en blå laserstråle kan man således forbedre det færdige produkts skaleringsevne, opløsning og præcision. Hvis man anvender den samme opløsning, som er mulig med en IR-stråle, kan en blå laser desuden levere den samme opløsning, men på et område, der er fire gange så stort. Det er klart, at den fremragende potentielle forbedring af produktionskvaliteten og forarbejdningshastigheden kan være meget hensigtsmæssig.

Alt i alt viser blå lasersystemer sig at være meget populære med en lang række konkrete anvendelser. De er robuste, pålidelige, tidseffektive og omkostningseffektive, og et eksempel på det er vores PLH3D-XT-50-laserhoved eller PLH3D-6W-XF+-laserhoved med µSpot Lens Upgrade:

Sammenlign vores laseropgraderinger for at finde den, der passer bedst til dig

PLH3D-XT-50

Præcisionsgravering

• 6 W optisk effekt
• Ultra HD 550 DPI – 45 μm spot
• Maks. træskæring (1 gennemløb): 3 mm (⅛")
• Ideel til fin gravering og komplekse detaljer
• Nemt Plug & Play-kit med manualer

Gå til pakkesiden

★ Bedste valg ★

PLH3D-XT8

Høj-effekt skæring og gravering

• 45 W optisk effekt
• HD 125 DPI – 180 μm spot
• Maks. træskæring (1 gennemløb): 20 mm (¾")
• Ideel til højhastighedsgravering og dyb skæring
• Graver træ med 350 mm/s (827 inch/min)
• Skærer krydsfiner med 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
• Nemt Plug & Play-kit med manualer

Gå til pakkesiden

PLH3D-XF+

Begynderløsning

• 6 W optisk effekt
• Standard 85 DPI – 300 μm spot
• Maks. træskæring i flere gennemløb: 3 mm (⅛")
• Perfekt til hobbybrug og små, kreative projekter
• Nemt Plug & Play-kit med manualer

Gå til pakkesiden

Hvis du har spørgsmål eller gerne vil diskutere en idé til et brugerdefineret laserhoved eller et brugerdefineret lasermodul, er du velkommen til at kontakte os. Opt Lasers er en stolt Open End Manufacturer, der kan forvandle din idé til et færdigt produkt på så lidt som 5 uger.