Der blaue Laser und seine Anwendungen in Industrie und Wissenschaft

Der blaue Laser ist ein Gerät, das einen Lichtstrahl im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 500 nm aussendet, der für das menschliche Auge als violett oder blau sichtbar ist. Der erzeugte Lichtstrahl ist zeitlich kohärent und kann gut kollimiert werden, was ihm zahlreiche Anwendungen in Industrie und Wissenschaft ermöglicht. Die Merkmale der verschiedenen blauen Laser werden in erster Linie durch unterschiedliche Verstärkungsmedien und deren Eigenschaften bestimmt. Der Begriff "blauer Laser" kann sich auf einen der folgenden Begriffe beziehen:

1. Ein kompakter, leistungsstarker Laserkopf mit einer Wellenlänge von 400-500 nm, der als Lasermodul für industrielle, wissenschaftliche und Hobbyanwendungen eingesetzt wird. Abgesehen von der Größe besteht ein weiterer wesentlicher Unterschied zu Standard-Lasermodulen darin, dass Laserköpfe so konstruiert sind, dass sie die höchste Leistungsdichte am fokussierten Strahlpunkt erreichen und gleichzeitig eine lange Lebensdauer aufweisen.
2. Ein Lasermodul mit einer Wellenlänge von 400-500 nm, das größer ist als ein Laserkopf, obwohl Laserköpfe manchmal einfach als Lasermodule bezeichnet werden.
3. Eine Laserdiode mit einer Wellenlänge von 400-500 nm. Die gängigsten blauen Laserdioden sind solche, die Strahlen mit den Wellenlängen 405 nm, 445 nm, 447 nm und 450 nm emittieren .

Blaue Laser kamen ursprünglich als Laborkuriosität auf und basierten auf Helium-Cadmium-, Argon- oder Kryptongas. Zu diesem Zeitpunkt, ca. 1992 waren blaue Laser in der Lage, nur 130 mW an optischer Leistung zu emittieren, während sie ein Kilowatt Energie in Form von Wärme erzeugten. Die Situation änderte sich jedoch mit der Innovation der kantenemittierenden blauen Halbleiterlaserdioden. Bald darauf (ca. 2000) zeigte sich, dass blaue Laser eine günstige Umwandlung von elektrischer in optische Leistung bieten.

Das Aufkommen der Blu-Ray-Technologie und von Hochleistungsprojektoren führte zur Entstehung des ersten großen Marktes für blaue Laserdioden. Dies beschleunigte die Entwicklung neuer und verbesserter Varianten dieser Dioden. Obwohl das blaue Lasern mit verschiedenen Lasertypen möglich ist (z. B. Ionenlaser, Farbstofflaser, Halbleiterlaserdioden und diodengepumpte Festkörperlaser [DPSS]), sind es die blauen Halbleiterlaserdioden, die sich nun zunehmend auf dem Markt durchsetzen. Diese Anziehungskraft beruht auf der gleichmäßig guten elektrisch/optischen Effizienz, der geringen Größe, den hohen Betriebstemperaturen und der langen Lebensdauer der blauen Laserdioden.

Die elektrisch/optischen Wirkungsgrade blauer Laserdioden liegen in der Regel bei etwa 30 % und erreichen bei Raumtemperatur bis zu 39 %. Andererseits liegen 940-nm-Laserdioden, die zum Pumpen von industriellen Yb:YAG-Dünnschichtlasern verwendet werden, in der Regel im Bereich von 46 % elektrisch-optischer Effizienz. Der anschließende optisch-optische Umwandlungsprozess, d. h. das Pumpen von Yb:YAG-Dünnschichtlasern, erreicht einen optisch-optischen Wirkungsgrad von bis zu 77 %, obwohl eine typische optische Umwandlung bei etwa 41 % liegt. Daraus ergibt sich für Yb:YAG-Dünnschichtlasermodule ein Gesamtwirkungsgrad der elektrisch-optischen Umwandlung von 18,8 % (typisch) bis 35,4 % (im Labor). Dies ist schlechter als das, was mit blauen Lasern erreicht werden kann.

Yb:YAG-Laser lasern typischerweise im IR-Bereich, bei 1030 nm und 1050 nm, mit über 1 kW beugungsbegrenzter Leistung bei hoher Strahlqualität und noch höheren Leistungen bei nicht beugungsbegrenzter Qualität des Strahls. Im Gegensatz zu blauen Lasern sind Yb:YAG-Laser jedoch recht sperrig und kostspielig.

In vielen Anwendungen ist es außerdem von Vorteil, einen blauen Laser anstelle bestimmter IR-Laser wie Faserlaser und CO2-Laser einzusetzen. Während Faserlaser aufgrund des niedrigeren BPP (Beam Parameter Product) praktisch auf eine kleinere Spotgröße fokussiert werden können als blaue Multimode-Diodenlaser, benötigen sie ein größeres Kühlsystem. Außerdem können sie verschiedene Metalle, wie z. B. Kupfer, nicht effizient bearbeiten. Kupfer absorbiert 5 % des einfallenden 1,064-µm-IR-Lichts und <1 % des einfallenden 10,6-µm-IR-Lichts, aber 65 % des einfallenden blauen 450-nm-Laserstrahls bei Raumtemperatur. Andererseits absorbiert Kupfer trotz des niedrigen Preis-/Leistungsverhältnisses von CO2-Lasern <1% des CO2-Laserlichts. CO2-Laser leiden auch unter einer sehr schlechten Umwandlung von elektrischer in optische Leistung von etwa 7,5 %. Aus diesem Grund werden bei einem CO2-Laser mit 30 W optischer Leistung nur <0,3 W optischer Leistung von Kupfer absorbiert (und können somit nicht einmal verarbeitet werden). Gleichzeitig verbraucht ein CO2-Laser mit einer optischen Leistung von 30 W etwa 400 W an elektrischer Leistung, was mit höheren Stromkosten verbunden ist. Im Vergleich zu CO2-Lasern bieten blaue Laser eine kleinere Strahltaille, wodurch der Anwender eine höhere Präzision erreichen und eine größere Bandbreite an Materialien bearbeiten kann. Die blauen Laserdiodenmodule und Laserköpfe von Opt Lasers sind alternativen Lösungen oft überlegen, da sie eine hohe Zuverlässigkeit und einen geringeren Stromverbrauch bieten und ein breiteres Spektrum an Materialien, einschließlich Metallen, bearbeiten können.

Moderne blaue Laserdiodenmodule basieren in der Regel auf blauen Halbleiterlaserdioden mit unterschiedlichen Verstärkungsmedien. Das gewählte Verstärkungsmedium bestimmt die Eigenschaften des erzeugten Lichtstrahls. Jede blaue Laserdiode hat unterschiedliche Eigenschaften. Dazu gehören Leistung, Wellenlänge, Lebensdauer, Betriebstemperatur, Fokussierbarkeit und Effizienz. Auch andere technische Überlegungen sind bei der Entwicklung wichtig.

InGaN-Laserdioden mit einem GaN-Substrat (445-450 nm), die in den Laserköpfen von Opt Lasers verwendet werden, sind beispielsweise ein äußerst nützlicher Typ von blauen Lasern. Dies liegt an ihrer kompakten Größe, ihrer hohen Kosteneffizienz, ihrem breiten Anwendungsspektrum, ihren hohen Betriebstemperaturen von 85-90°C (blaue Laserdioden können bei voller Leistung bis zu 60°C lasern) und ihrer immer besseren Leistung.

Galliumnitrid (GaN), ein binärer III/V-Halbleiter mit direkter Bandlücke und Wurtzit-Kristallstruktur, ist aufgrund seiner hohen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit ein hervorragendes Substrat für Laserdioden. Die Herstellung von Laserdioden auf GaN-Basis könnte sich jedoch aufgrund der Temperaturempfindlichkeit, der Löchermobilität und der hohen Bandlücke von 3,42 V als Herausforderung erweisen. Heutzutage verwenden kommerziell hergestellte blaue Laserdioden Saphiroberflächen, die mit einer GaN-Schicht beschichtet sind.

Eine einzelne blaue Laserdiode kann derzeit (Stand: Juli 2021) eine Dauerleistung von bis zu 6 W erreichen. Das erste Beispiel einer solchen Diode war die NUBM44 von Nichia. In jüngster Zeit haben mehrere weitere Unternehmen blaue Laserdioden mit einer Leistung von 5+ W entwickelt und auf den Markt gebracht. Die aktuelle 6-W-Laserdiode von Opt Lasers hat eine Lebensdauer von 20 000 Stunden und ist die leistungsstärkste nachhaltig genutzte blaue Laserdiode auf dem Markt.

Blaue Laserdioden können bei hohen Betriebstemperaturen eingesetzt werden, ohne dass ihre Lebensdauer wesentlich beeinträchtigt wird. Dies ist zum Teil auf ihre hohen zulässigen Sperrschichttemperaturen (~130C) zurückzuführen; dies ermöglicht einen schmaleren Steg, was zu einer höheren Helligkeit und einem enger gebündelten Strahl führt. Außerdem ist die Ausgangsleistung, die von blauen Hochleistungslaserdioden erreicht werden kann, ohne sie zu übersteuern, im Vergleich zu anderen Laserdioden deutlich höher. Darüber hinaus können blaue Laser auf eine kleinere Spotgröße fokussiert werden als NIR- und IR-Laser, was auf die kürzeren Wellenlängen der blauen Laserstrahlen zurückzuführen ist. Ein weiterer Faktor, der es ermöglicht, einen blauen Laser auf einen kleineren Punkt zu fokussieren, ist sein Strahlparameterprodukt (BPP), denn das BPP von blauen Laserköpfen ist 2-20 Mal kleiner als das BPP von CO2-Lasern. Dank des Booms für blaue Laserdioden in der Blu-Ray-, Automobil- und Projektorenindustrie sind die letzten Generationen von blauen Laserdioden bemerkenswert preiswert und kosteneffizient geworden. Infolgedessen sind blaue Laser für ihre Robustheit, Zuverlässigkeit, Kosteneffizienz und hohe Ausgangsleistungsdichte bekannt geworden.

Es ist erwähnenswert, dass der Emitter einer blauen Multimode-Laserdiode auf der schnellen (vertikalen) Achse Singlemode-Eigenschaften und auf der langsamen (horizontalen) Achse Multimode-Eigenschaften aufweist. Dies führt zu einer leicht asymmetrischen, rechteckig-elliptischen Form des Strahls im Brennpunkt. Außerdem ist die Divergenz in einer der Achsen um ein Vielfaches höher als in der anderen. Folglich kann sich die Konstruktion eines blauen Lasersystems als Herausforderung erweisen, da jede Achse separat analysiert und ausgelegt werden muss. Da komplexere Systeme auch die Auswahl der richtigen Laserdioden und anderer Komponenten erfordern, steht Ihnen unser Team für alle Fragen zur Verfügung und kann sogar einen wissenschaftlichen oder industriellen Laser Ihrer Wahl in nur 5 Wochen bauen.

Der größte Vorteil von blauen Lasern ist, dass Metalle blaue Laserstrahlen effizient absorbieren. Das heißt, Sie haben einen universellen Laser, der jedes Material bearbeiten kann. Hinzu kommt, dass blaue Laserköpfe trotz der geringeren Gesamtleistung eine viel höhere Leistungsdichte aufweisen als CO2-Laser. Und obwohl blaue Laserstrahlen in einer Dimension kleiner sind als bei Gaslasern, kann der Strahl viel effektiver genutzt werden. Dies ergibt sich aus der hohen Leistungsdichte und der hohen Absorptionsrate des blauen Laserstrahls. Dies ist ein wesentlicher Vorteil bei vielen Gravuranwendungen. Je nach Wahl der Achsen kann entweder eine breitere Gravur oder eine tiefere und schmalere Gravur erzielt werden, wenn der Umriss für die Gravur um 90 Grad gedreht wird. Blaue Laser können eine Vielzahl von Materialien wie Titan, Kupfer oder Gold, aber auch andere Materialien wie Holz oder Leder effektiv bearbeiten.

Wie die obige Grafik zeigt, weist der blaue Laserstrahl mit 445 nm (0,445 µm) eine deutlich höhere Absorptionsrate für Metalle auf als Nd:YAG- (1064 nm), CO2- (10600 nm) und Faserlaser (typischerweise 1030 - 2050 nm). Gleichzeitig können blaue Single-Mode-Laser eine um 50 % höhere Leistungsdichte erreichen. Das bedeutet, dass ein blauer Laser bei gleicher Leistung im Vergleich zu CO2- und Nd:YAG-Lasern zwischen mehreren und fast 20 Mal mehr Energie auf das beleuchtete Material abgeben kann.

Der Ausgang eines blauen Laserstrahls kann auch in eine optische Faser mit einer asphärischen Linse dazwischen eingekoppelt werden. Diese Art von System wird als fasergekoppelter (oder faserintegrierter) Diodenlaser bezeichnet und hat mehrere Vorteile gegenüber alternativen Lösungen:

1. Fasergekoppelte Diodenlaser haben eine gute Qualität der Strahltaille. Die Strahltaille des blauen Lasers ist symmetrisch, homogen und kreisförmig.
2. Optische Fasern können auf vielen CNC-Maschinen problemlos installiert werden.
3. Der Hochgeschwindigkeitsbetrieb der CNC-Maschine wird nicht beeinträchtigt, da die Faser leicht ist.

Dies macht fasergekoppelte blaue Lasersysteme zu einer interessanten Option für Materialbearbeitungsverfahren wie Laserschneiden und Lasergravieren.

Anwendungen in Wissenschaft und Industrie

Aus Sicht der Anwendungen von blauen Lasern in der Photonik sind sie aufgrund ihres praktischen Leistungsumfangs und der einfachen Modulation mit hochfrequentem Steuerstrom äußerst praktisch. Zu den Anwendungen blauer Laser gehören unter anderem das Pumpen von Festkörperlasern, Quantenpunkten oder Einzelquantenemittern (SQEs), Lasermikroskopie, Spektroskopie, Oberflächenabtastung, Laserdruck, Sensoren und das Pumpen von RBG-Quellen (wie Phosphor). Der Einsatz von blauen Lasersensoren ist beispielsweise von Vorteil, da sie aufgrund ihrer kürzeren Wellenlänge auf hochpolierten und glänzenden Oberflächen besser funktionieren. Im Gegensatz dazu wird rotes Licht durch solche Oberflächen verzerrt, was zu einem "Speckle"-Effekt führt. Dies führt dazu, dass der Detektor ein erhöhtes Signalrauschen aufweist, was sich in einer geringeren Messgenauigkeit niederschlägt. Andererseits kann ein blauer Lasersensor außerordentlich effizient arbeiten, wobei die Fleckenbildung deutlich geringer ausfällt. Daher führt die Verwendung eines blauen Lasers zu einem geringeren Rauschen, normalerweise um den Faktor zwei bis drei im Vergleich zu roten Lasersensoren.

Darüber hinaus können blaue Laser auch in der Textilindustrie zum schnellen Schneiden, Dekorieren und Personalisieren von Stoffen wie Baumwolle, Polyester, Viskose, Filz, Vlies, Leder, Polstermöbel und Glasfasergeweben eingesetzt werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Darüber hinaus eignen sich blaue Laser hervorragend für Lasershows, die durch ihre Faszination bestechen.

Auch in der Medizin werden blaue Laser häufig eingesetzt. Die meisten Titanelemente, die bei Operationen in den menschlichen Körper eingesetzt werden, werden mit blauen Lasern markiert. Außerdem werden blaue Laser als Beleuchtungsquelle in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt.

Darüber hinaus profitieren industrielle Anwendungen wie das Erhitzen von Materialien, Schneiden und Schweißen von einer guten Leistungsaufnahme. Materialien wie Titan, Kupfer oder Gold sind in der Lage, etwa 65-80 % der Energie eines blauen Lasers zu absorbieren. Dies ist besonders beim Schweißen von Vorteil, da die geringe Absorption eines IR-Lasers (5 %) zu einer erhöhten Anzahl von Fehlern in den bearbeiteten Metallstücken führen würde. Umgekehrt eignen sich blaue Laser sehr gut für Situationen, in denen dünne Metalle schnell und zuverlässig mit wenigen bis gar keinen Fehlern gefügt werden sollen. Die hohe Absorptionsrate des blauen Laserstrahls ist auch in der Lage, die Fügegeschwindigkeit bei der additiven Fertigung zu beschleunigen, sowohl beim Laserauftragschweißen als auch beim Pulverbettverfahren. Je nach verwendetem Material kann man durch den Einsatz von blauen Lasern eine Geschwindigkeitssteigerung um den Faktor drei bis zehn erwarten. Darüber hinaus bietet der kleine Brennfleck eines blauen Lasers zwei weitere Vorteile. Erstens ist die Strahltaille eines 450-nm-Lichtstrahls bei einem festgelegten optischen System weniger als halb so groß wie die entsprechende Strahltaille eines 1080-nm-Strahls. Daher kann die Verwendung eines blauen Laserstrahls die Fähigkeit zur Skalierung der Merkmale, die Auflösung und die Präzision des Endprodukts verbessern. Außerdem kann ein blauer Laser bei gleicher Auflösung, wie sie mit einem IR-Strahl möglich ist, die gleiche Auflösung liefern, allerdings für einen viermal so großen Bereich. Es liegt auf der Hand, dass das herausragende Potenzial zur Verbesserung der Fertigungsqualität und der Bearbeitungsgeschwindigkeit sehr günstig sein kann.

Alles in allem erfreuen sich blaue Lasersysteme großer Beliebtheit und bieten eine Fülle konkreter Anwendungen. Sie sind robust, zuverlässig, zeiteffizient und kostengünstig. Ein Beispiel dafür ist unser PLH3D-XT-50 Laserkopf oder der PLH3D-6W-XF+ Laserkopf mit µSpot Lens Upgrade:

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