El láser azul y sus aplicaciones en la industria y la ciencia
¿Qué es un láser azul?
El láser azul es un dispositivo que emite un haz de luz en el rango de longitud de onda entre 400 nm y 500 nm, visible como violeta o azul para el ojo humano. El haz de luz producido es temporalmente coherente y puede colimarse bien, lo que le permite tener numerosas aplicaciones en la industria y la ciencia. Las características de los distintos láseres azules vienen determinadas principalmente por los distintos medios de ganancia y sus propiedades. El término láser azul puede referirse a uno de los siguientes:
- Un cabezal láser compacto de alta potencia y longitud de onda de 400-500 nm, que es un módulo láser para aplicaciones industriales, científicas y de aficionados. Aparte de las consideraciones de tamaño, otra diferencia principal con respecto a los módulos láser estándar es que los cabezales láser están diseñados para alcanzar la mayor densidad de potencia en el punto del haz enfocado, manteniendo al mismo tiempo una larga vida útil.
- Un módulo láser de longitud de onda de 400-500 nm, de mayor tamaño que un cabezal láser, aunque a veces los cabezales láser se denominan simplemente módulos láser.
- Un diodo láser de longitud de onda de 400-500 nm. Los diodos láser azules más populares son los que emiten haces a longitudes de onda de 405 nm, 445 nm, 447 nm y 450 nm.
Los láseres azules surgieron originalmente como una curiosidad de laboratorio y se basaban en gas Helio-Cadmio, Argón o Criptón. En ese momento, hacia 1992, los láseres azules sólo eran capaces de emitir 130 mW de potencia óptica, mientras que generaban un kilovatio de energía en forma de calor. Sin embargo, la situación cambió con la innovación que supusieron los diodos láser semiconductores azules emisores de bordes. Poco después (hacia el año 2000), se hizo evidente que los láseres azules podían presentar una conversión de potencia eléctrica a óptica favorable.
La aparición de la tecnología Blu-Ray y de proyectores de alta potencia supuso el nacimiento del primer gran mercado de diodos láser azules. Esto aceleró el desarrollo de variedades nuevas y mejoradas de los mismos. Aunque el láser azul se puede conseguir con diversos tipos de láser (como los láseres de iones, los láseres de colorantes, los diodos láser semiconductores y los láseres de estado sólido bombeados por diodos [DPSS]), son los diodos láser azules semiconductores los que ahora están ganando cada vez más terreno en el mercado. Este auge se debe a las eficiencias eléctrico-ópticas uniformemente buenas, los tamaños reducidos, las temperaturas de funcionamiento elevadas y la vida útil de los diodos láser azules.
La eficiencia eléctrica-óptica de los diodos láser azules suele rondar el 30% y puede llegar al 39% a temperatura ambiente. Por otro lado, los diodos láser de 940 nm que se utilizan para bombear los láseres industriales de disco fino Yb:YAG suelen tener una eficiencia eléctrico-óptica del 46%. El subsiguiente proceso de conversión óptico-óptica, que es el bombeo de láseres de disco fino Yb:YAG, alcanza hasta un 77% de eficiencia óptico-óptica, aunque una conversión óptica típica ronda el 41%. Esto arroja una eficiencia global de conversión eléctrica-óptica, para módulos basados en láser de disco fino Yb-YAG, del 18,8% (típico) al 35,4% (en laboratorio). Esto es inferior a lo que puede conseguirse con los láseres azules.
Los láseres Yb:YAG suelen emitir en el IR, a 1030 nm y 1050 nm, con una potencia superior a 1 kW limitada por difracción con una alta calidad del haz, e incluso potencias superiores con una calidad del haz no limitada por difracción. Sin embargo, a diferencia de los láseres azules, los láseres Yb:YAG son bastante voluminosos y costosos.
En muchas aplicaciones, también resulta ventajoso incorporar un láser azul en lugar de ciertos láseres IR como los láseres de fibra y los láseres de CO2. Aunque los láseres de fibra pueden enfocarse prácticamente a un tamaño de punto más pequeño que los láseres de diodo azul multimodo debido a su menor BPP (producto de parámetros del haz), requieren un sistema de refrigeración mayor. Además, no pueden procesar eficazmente diversos metales, como, por ejemplo, el cobre. El cobre absorbe el 5% de la luz IR incidente de 1,064 µm y <1% de la luz IR incidente de 10,6 µm, pero el 65% del haz láser azul incidente de 450 nm a temperatura ambiente. Por otro lado, a pesar de la baja relación precio-potencia de los láseres de CO2, el cobre absorbe <1% de la luz láser de CO2. Los láseres de CO2 también adolecen de una conversión de potencia eléctrica-óptica muy pobre, de alrededor del 7,5%. Debido a ello, sólo se absorben <0,3 W de potencia óptica en el cobre para un láser de CO2 de 30 W de potencia óptica (lo que ni siquiera permite procesarlo). Al mismo tiempo, una unidad láser de CO2 de 30 W de potencia óptica consume unos 400 W de potencia eléctrica, lo que conlleva un coste oculto de mayor factura eléctrica. En comparación con las unidades láser de CO2, los láseres azules ofrecen una menor cintura del haz, lo que permite al usuario lograr una mayor precisión y procesar una gama más amplia de materiales. Los módulos de diodos láser azules y los cabezales láser de Opt Lasers son a menudo una opción superior a las soluciones alternativas, ya que ofrecen una alta fiabilidad, un menor consumo de energía y pueden procesar una gama más amplia de materiales, incluidos los metales.
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La ventaja competitiva de los cabezales láser azules de Opt Lasers
Los módulos modernos de diodos láser azules se basan normalmente en diodos láser semiconductores azules con diferentes medios de ganancia. El medio de ganancia elegido determina las propiedades del haz de luz producido. Cada diodo láser azul tiene características diferentes. Por ejemplo, la potencia, la longitud de onda, la vida útil, la temperatura de funcionamiento, el tamaño de enfoque y el rendimiento. También hay otras consideraciones técnicas importantes a la hora de diseñar uno.
Por ejemplo, los diodos láser de InGaN con sustrato de GaN (que emiten láser en la banda de 445 - 450 nm), utilizados en los cabezales láser de Opt Lasers, son un tipo de láser azul enormemente útil. Esto se debe a su tamaño compacto, gran rentabilidad, amplia gama de aplicaciones, temperaturas de funcionamiento de hasta 85-90°C (los diodos láser azules pueden emitir láser a plena potencia hasta 60°C normalmente) y un rendimiento cada vez mejor.
El nitruro de galio (GaN), semiconductor binario III/V de banda prohibida directa con estructura cristalina de wurtzita, es un excelente sustrato para diodos láser por su gran capacidad calorífica y conductividad térmica. Sin embargo, el proceso de producción de diodos láser basados en GaN puede suponer un reto debido a su sensibilidad a la temperatura, la movilidad de los agujeros y su elevado bandgap de 3,42 V. En la actualidad, los diodos láser azules producidos comercialmente utilizan superficies de zafiro recubiertas con una capa de GaN.
Un solo diodo láser azul puede alcanzar actualmente (a partir de julio de 2021) una potencia de salida de larga duración de hasta 6 W. El primer ejemplo de un diodo de este tipo fue el NUBM44 de Nichia. Recientemente, varias empresas más han desarrollado y comercializado diodos láser azules con una potencia de más de 5 W. El actual diodo láser de 6 W de Opt Lasers cuenta con una vida útil de 20 000 horas y es el diodo láser azul de uso sostenible de mayor potencia disponible en el mercado.
Los diodos láser azules pueden funcionar a altas temperaturas sin que ello afecte significativamente a su vida útil. Esto se debe en parte a sus altas temperaturas de unión permitidas (~130C); esto permite una cresta más estrecha, lo que se traduce en una mayor luminosidad y un haz más estrechamente enfocado. Además, la potencia de salida que pueden alcanzar los diodos láser azules de alta potencia sin sobrecargarlos es significativamente mayor que la de otros diodos láser. Además, los láseres azules pueden enfocarse con un tamaño de punto más pequeño que los láseres NIR e IR, lo que se debe a las longitudes de onda más cortas de los haces láser azules. Un factor adicional que permite enfocar un láser azul a un punto más pequeño es su producto parámetro del haz (BPP), ya que el BPP de los cabezales de láser azul es de 2 a 20 veces menor que el BPP de los láseres de CO2. Por último, gracias al auge de los diodos láser azules en la industria del Blu-Ray, la automoción y los proyectores, las últimas generaciones de diodos láser azules se han vuelto notablemente económicas y rentables. Como resultado, los láseres azules se han hecho famosos por su robustez, fiabilidad, rentabilidad y alta densidad de potencia de salida.
Cabe señalar que el emisor de un diodo láser azul multimodo tiene características monomodo en el eje rápido (vertical) y multimodo en el eje lento (horizontal). Esto da lugar a una forma ligeramente asimétrica, rectangular-elíptica del haz en el foco. Además, la divergencia en uno de los ejes es varias veces mayor que en el otro. En consecuencia, la ingeniería de un sistema láser azul puede resultar todo un reto, ya que cada eje debe analizarse y diseñarse por separado. Además, como los sistemas más complejos requieren seleccionar los diodos láser adecuados, así como otros componentes, nuestro equipo está aquí para responder a todas sus preguntas e incluso puede construir un láser científico personalizado o un láser industrial de su elección en tan sólo 5 semanas.
Láseres azules frente a láseres IR y CO2
En última instancia, la mayor ventaja de los láseres azules es que los metales absorben eficazmente los rayos láser azules. Esto significa que tiene un láser universal que puede procesar cualquier material. Además, a pesar de su menor potencia total, los cabezales láser azules presentan una densidad de potencia mucho mayor que los láseres de CO2. Además, aunque los haces de láser azul son más pequeños en una dimensión que en los láseres de gas, el haz puede utilizarse con mucha más eficacia. Esto es consecuencia de la alta densidad de potencia y la elevada tasa de absorción del rayo láser azul. Es una ventaja significativa en el caso de muchas aplicaciones de grabado. Dependiendo de la elección de los ejes, se puede conseguir un grabado más ancho o más profundo y estrecho si el contorno para el grabado se gira 90 grados. Los láseres azules pueden procesar eficazmente una amplia gama de materiales, como titanio, cobre u oro, así como otros materiales como madera o cuero.
Como se muestra en el gráfico anterior, el rayo láser azul de 445 nm (0,445 µm) experimenta una tasa de absorción para metales significativamente mayor que los láseres Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) y Fibra (típicamente 1030 - 2050 nm). Al mismo tiempo, los láseres azules monomodo son capaces de alcanzar una densidad de potencia un 50% superior. Esto significa que un láser azul puede descargar entre varias y casi 20 veces más energía en el material iluminado al mismo nivel de potencia en comparación con los láseres de CO2 y Nd:YAG.
| Cabezal láser azul µSpot de Opt Lasers con prismas anamórficos (PLH3D-XT-50) | Láser de fibra CW de fabricante superior | Cabezal láser de CO2 típico | |
|---|---|---|---|
| Longitud de onda [nm] | 445 | 1064 | 10600 |
| Potencia media [W] | 6.0 | 50.0 | 75 |
| Tamaño de la cintura del haz [µm] | 50 por 4,0 | 11 | 64 |
| Densidad de potencia media [kW/cm2] | 3,000 | 12,900 | 580 |
| Absorción en cobre [%] | 65 | 5 | <1 |
| Densidad de potencia absorbida en el cobre [kW/cm2] | 1,900 | 600 | 5 |
| Vida útil [h] | 30,000 | 100,000 | 1,000-3,000 |
| Tensión de alimentación [V] | 12-24 CC | 110-220 CA | 100-240 CA |
| Visibilidad | Visible | Invisible | Invisible |
| Dimensiones [cm] | 4 x 5,5 x 10,5 | 13.2 x 40.3 x 44.8 | 4 x 6 x 16 |
| Peso unitario [kg] | 0.22 | 19 | 1 |
| Precio [k$] | 1.0 | 18 | 1.5 |
| Coste por kW de potencia media [k$] | 170 | 360 | 20 |
| Coste por kW de densidad de potencia [k$] 0,33 | 0.33 | 1.4 | 2.6 |
| Coste por kW de densidad de potencia absorbida en cobre [$] 0,33 | 0.51 | 30 | 300 |
La salida de un haz láser azul también puede acoplarse a una fibra óptica con una lente asférica entre ambos. Este tipo de sistema se denomina láser de diodo acoplado a fibra (o integrado en fibra) y tiene varias ventajas sobre las soluciones alternativas:
- Los láseres de diodo acoplados a fibra tienen una buena calidad de cintura del haz. La cintura del haz del láser azul es simétrica, homogénea y circular.
- La fibra óptica puede instalarse fácilmente en muchas máquinas CNC.
- No inhibe el funcionamiento a alta velocidad de la máquina CNC, ya que la fibra es ligera.
En consecuencia, esto hace que los sistemas láser azul acoplados a fibra sean una opción interesante para técnicas de procesamiento de materiales como el corte por láser y el grabado por láser.
Aplicaciones en la ciencia y la industria
Desde el punto de vista de las aplicaciones de los láseres azules en fotónica, son dispositivos profundamente convenientes debido a su práctico alcance de potencias de salida y fácil modulación con corriente de control de alta frecuencia. Las aplicaciones de los láseres azules incluyen, entre otras cosas, el bombeo de láseres de estado sólido, puntos cuánticos o emisores cuánticos únicos (SQE), microscopía láser, espectroscopia, escaneado de superficies, impresión láser, sensores y bombeo de fuentes RBG (como el fósforo). Por ejemplo, el uso de sensores láser azules es ventajoso, ya que funcionan mejor en superficies muy pulidas y brillantes gracias a su longitud de onda más corta. En cambio, la luz roja se ve distorsionada por esas superficies, lo que provoca un efecto de "moteado". Esto hace que el detector encuentre un ruido de señal elevado, lo que se traduce en una menor precisión de la medición. En cambio, un sensor láser azul puede funcionar de forma extraordinariamente eficiente con una cantidad notablemente inferior de moteado. Por ello, al utilizar un láser azul se reducen los niveles de ruido, normalmente en un factor de dos a tres en comparación con los sensores láser rojos.
Además, los láseres azules también pueden utilizarse en la industria textil para el corte rápido, la decoración y la personalización de tejidos como algodón, poliéster, viscosa, fieltro, vellón, cuero, tapicería y tejidos de fibra de vidrio, entre otras posibilidades. Además, los láseres azules son una opción excelente y cautivadora para espectáculos láser.
La medicina también es conocida por hacer un uso extensivo de los láseres azules. La mayoría de los elementos de titanio que se colocan en el cuerpo humano durante las intervenciones quirúrgicas se marcan con láser azul. Además, los láseres azules se utilizan como fuente de iluminación en microscopía de fluorescencia.
Además, las aplicaciones industriales como el calentamiento de materiales, el corte y la soldadura se benefician de una buena absorción de potencia. Materiales como el titanio, el cobre o el oro son capaces de absorber alrededor del 65-80% de energía de un láser azul. Esto es especialmente útil en el caso de la soldadura, ya que la baja absorción de un láser IR (5%) provocaría una mayor cantidad de defectos en los trozos de metal procesados. Por el contrario, los láseres azules son muy adecuados para situaciones en las que hay que unir metales finos de forma rápida y fiable, sin apenas defectos. La elevada tasa de absorción del rayo láser azul también puede acelerar la velocidad de ensamblaje en la fabricación aditiva, tanto en los métodos de deposición de metal por láser como en los de crecimiento de lecho de polvo. Aunque esto depende del material utilizado, se puede esperar un aumento de la velocidad de entre tres y diez veces mediante la adopción de láseres azules. Además, el pequeño tamaño del punto de enfoque de un láser azul conlleva dos ventajas adicionales. En primer lugar, para un sistema óptico establecido, la cintura del haz de un haz de luz de 450 nm es menos de la mitad que la cintura del haz correspondiente de un haz de 1080 nm. Por lo tanto, el uso de un haz láser azul puede mejorar la capacidad de escalado de características, la resolución y la precisión del producto acabado. Además, si se aplica la misma resolución que es posible con un haz IR, un láser azul puede proporcionar la misma resolución, pero para un área cuatro veces mayor. Es evidente que la mejora potencial de la calidad de fabricación y la velocidad de procesamiento puede ser muy oportuna.
En definitiva, los sistemas láser azules están demostrando ser muy populares con una gran cantidad de aplicaciones tangibles. Son robustos, fiables, rentables y ahorran tiempo. Un ejemplo de ello es nuestro cabezal láser PLH3D-XT-50 o el cabezal láser PLH3D-6W-XF+ con actualización de lente µSpot:
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- 6 W de potencia óptica
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- Corte máximo de madera (1 pasada): 3 mm (⅛")
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PLH3D-XT8
Corte y grabado de alta potencia
- 45 W de potencia óptica
- HD 125 DPI – 180 μm de punto
- Corte máximo de madera (1 pasada): 20 mm (¾")
- Ideal para grabado a alta velocidad y corte profundo
- Graba madera a 350 mm/s (827 inch/min)
- Corta contrachapado a 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
- Kit Plug & Play fácil con manuales
PLH3D-XF+
Solución de entrada
- 6 W de potencia óptica
- Estándar 85 DPI – 300 μm de punto
- Corte máximo de madera multipaso: 3 mm (⅛")
- Perfecto para uso aficionado y pequeños proyectos creativos
- Kit Plug & Play fácil con manuales
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