Sininen laser ja sen sovellukset teollisuudessa ja tieteessä

Sininen laser on laite, joka lähettää valonsäteen aallonpituusalueella 400-500 nm, joka näkyy ihmissilmälle violettina tai sinisenä. Tuotettu valonsäde on ajallisesti koherentti ja hyvin kollimoitavissa, minkä ansiosta sillä on lukuisia sovelluksia teollisuudessa ja tieteessä. Eri sinisten lasereiden ominaisuudet määräytyvät pääasiassa erilaisten vahvistavien väliaineiden ja niiden ominaisuuksien perusteella. Termillä sininen laser voidaan viitata joko johonkin seuraavista:

1. Kompakti, suuritehoinen 400-500 nm:n aallonpituuden laserpää, joka on lasermoduuli teollisuuden, tieteen ja harrastusten sovelluksiin. Kokoon liittyvien näkökohtien lisäksi toinen merkittävä ero tavallisiin lasermoduuleihin verrattuna on se, että laserpäät on suunniteltu siten, että ne saavuttavat suurimman tehotiheyden fokusoidussa sädekohdassa ja säilyttävät samalla pitkän käyttöiän.
2. 400-500 nm:n aallonpituuden lasermoduuli, joka on kooltaan suurempi kuin laserpää, vaikka laserpäitä kutsutaankin joskus yksinkertaisesti lasermoduuleiksi.
3. 400-500 nm:n aallonpituuden laserdiodi. Suosituimmat siniset laserdiodit ovat 405 nm:n, 445 nm:n, 447 nm:n ja 450 nm:n aallonpituuksilla säteileviä diodeja .

Siniset laserit syntyivät alun perin laboratorion kuriositeettina, ja ne perustuivat helium-kadmium-, argon- tai kryptonkaasuun. Tuolloin n. 1992 siniset laserit pystyivät lähettämään vain 130 mW optista tehoa, mutta tuottivat kilowatin verran energiaa lämmön muodossa. Tilanne kuitenkin muuttui reunoilta säteilevien sinisten puolijohdelaserdiodien tuomien innovaatioiden myötä. Pian sen jälkeen (noin vuonna 2000) kävi ilmi, että siniset laserit voivat muuntaa tehon edullisesti sähköisestä optiseen.

Blu-Ray-tekniikan ja suuritehoisten projektoreiden myötä syntyivät sinisten laserdiodien ensimmäiset suuret markkinat. Tämä kiihdytti niiden uusien ja paranneltujen lajikkeiden kehittämistä. Vaikka sinistä laserointia on mahdollista saada aikaan erilaisilla lasereilla (kuten ionilasereilla, väriainelasereilla, puolijohdelaserdiodeilla ja diodipumpattavilla puolijohdelasereilla [DPSS]), juuri puolijohdelaserdiodit ovat nyt yhä enemmän yleistymässä markkinoilla. Tämä vetovoima johtuu sinisten laserdiodien tasaisen hyvästä sähkö-optisesta hyötysuhteesta, pienestä koosta, korkeista käyttölämpötiloista ja eliniästä.

Sinisten laserdiodien sähköoptinen hyötysuhde on yleensä noin 30 prosenttia ja jopa 39 prosenttia huoneenlämmössä. Toisaalta 940 nm:n laserdiodien, joita käytetään teollisten Yb:YAG-ohutlevylasereiden pumppaamiseen, sähkö-optinen hyötysuhde on tyypillisesti noin 46 prosenttia. Seuraavassa optisesta optiseksi muuntoprosessissa, joka on Yb:YAG-ohutlevylasereiden pumppaus, saavutetaan jopa 77 prosentin optisesta optiseksi hyötysuhde, vaikka tyypillinen optinen muuntaminen on noin 41 prosenttia. Näin saadaan Yb-YAG-ohutlevylaseriin perustuvien moduulien sähköisestä optiseksi muuntamisen kokonaishyötysuhteeksi 18,8 % (tyypillinen) - 35,4 % (laboratoriossa). Tämä on huonompi kuin sinisillä lasereilla saavutettava hyötysuhde.

Yb:YAG-laserit laseroivat tyypillisesti IR-alueella, 1030 nm:n ja 1050 nm:n kohdalla, ja niiden teho on yli 1 kW diffraktiorajoitetulla teholla, kun säteen laatu on hyvä, ja vielä suuremmilla tehoilla, kun säteen laatu ei ole diffraktiorajoitettu. Toisin kuin siniset laserit, Yb:YAG-laserit ovat kuitenkin melko tilaa vieviä ja kalliita.

Monissa sovelluksissa on myös edullista käyttää sinistä laseria tiettyjen IR-lasereiden, kuten kuitulasereiden ja CO2-lasereiden, sijasta. Vaikka kuitulaserit voidaan käytännössä keskittää pienempään pistekokoon kuin monimuotosiniset diodilaserit pienemmän BPP:n (Beam Parameter Product) vuoksi, ne vaativat suuremman jäähdytysjärjestelmän. Lisäksi niillä ei voida käsitellä tehokkaasti erilaisia metalleja, kuten esimerkiksi kuparia. Kupari absorboi 5 % 1,064 µm:n IR-valosta ja <1 % 10,6 µm:n IR-valosta, mutta 65 % 450 nm:n sinisestä lasersäteestä huoneenlämmössä. Toisaalta CO2-lasereiden alhaisesta hinta-tehosuhteesta huolimatta kupari absorboi <1 % CO2-laserin valosta. CO2-laserit kärsivät myös erittäin huonosta sähköisen ja optisen tehon muuntamisesta noin 7,5 prosenttiin. Tämän vuoksi kupariin absorboituu vain <0,3 W optista tehoa 30 W optisen tehon CO2-laserille (mikä ei edes salli sen käsittelyä). Samaan aikaan 30 W:n optisen tehon CO2-laseryksikkö kuluttaa noin 400 W:n sähkötehon, mikä aiheuttaa piilevänä kustannuksena korkeamman sähkölaskun. CO2-laseryksiköihin verrattuna siniset laserit tarjoavat pienemmän säteen vyötärön, minkä ansiosta käyttäjä voi saavuttaa suuremman tarkkuuden ja käsitellä laajempaa materiaalivalikoimaa. Opt Lasersin siniset laserdiodimoduulit ja laserpäät ovat usein parempi valinta kuin vaihtoehtoiset ratkaisut, sillä ne ovat erittäin luotettavia, niiden virrankulutus on alhaisempi ja niillä voidaan käsitellä laajempaa materiaalivalikoimaa, myös metalleja.

Nykyaikaiset siniset laserdiodimoduulit perustuvat tyypillisesti sinisiin puolijohdelaserdiodeihin, joissa on mukana erilaisia vahvistusmedioita. Valittu vahvistusmedia määrittää tuotetun valonsäteen ominaisuudet. Jokaisella sinisellä laserdiodilla on erilaiset ominaisuudet. Niitä ovat muun muassa teho, aallonpituus, käyttöikä, käyttölämpötilat, se, kuinka pieneksi se voidaan keskittää, ja tehokkuus. Myös muut tekniset näkökohdat ovat tärkeitä diodin suunnittelussa.

Esimerkiksi Opt Lasersin laserpäissä käytetyt InGaN-laserdiodit, joissa on GaN-substraatti (laserointi 445-450 nm:n kaistalla), ovat erittäin käyttökelpoisia sinisiä lasereita. Tämä johtuu niiden kompaktista koosta, suuresta kustannustehokkuudesta, laajasta sovellusvalikoimasta, jopa 85-90 °C:n käyttölämpötiloista (siniset laserdiodit voivat laseroida täydellä teholla tyypillisesti 60 °C:n lämpötilaan asti) ja jatkuvasti paranevasta suorituskyvystä.

Galliumnitridi (GaN), binäärinen III/V-puolijohde, jolla on suora kaistaläpimitta ja Wurtzite-kiderakenne, on erinomainen laserdiodisubstraatti suuren lämpökapasiteettinsa ja lämmönjohtavuutensa ansiosta. GaN-pohjaisten laserdiodien tuotantoprosessi saattaa kuitenkin osoittautua haasteelliseksi sen lämpötilaherkkyyden, reikien liikkuvuuden ja suuren 3,42 V:n kaistanleveyden vuoksi. Nykyään kaupallisesti tuotetuissa sinisissä laserdiodeissa käytetään safiiripintoja, jotka on päällystetty GaN-kerroksella.

Yksittäisellä sinisellä laserdiodilla voidaan tällä hetkellä (heinäkuussa 2021) saavuttaa jopa 6 W:n pitkäikäinen teho. Ensimmäinen esimerkki tällaisesta diodista oli Nichian NUBM44. Viime aikoina useat muutkin yritykset ovat kehittäneet ja kaupallistaneet sinisiä laserdiodeja, joiden teho on yli 5 W. Opt Lasersin nykyinen 6 W:n laserdiodi tarjoaa 20 000 tunnin käyttöiän, ja se on suurin markkinoilla saatavilla oleva teholtaan kestävästi käytetty sininen laserdiodi.

Sinisten laserdiodien käyttölämpötilat voivat olla korkeita ilman, että niiden käyttöikä kärsii merkittävästi. Tämä johtuu osittain niiden korkeista sallituista liitoslämpötiloista (~130 C); tämä mahdollistaa kapeamman harjanteen, mikä johtaa suurempaan kirkkauteen ja tiukemmin fokusoituun säteen. Lisäksi lähtöteho, joka voidaan saavuttaa suuritehoisilla sinisillä laserdiodilla ilman niiden yliohjausta, on huomattavasti suurempi kuin muilla laserdiodilla. Tämän lisäksi siniset laserit voidaan fokusoida pienempään pistekokoon kuin NIR- ja IR-laserit, mikä johtuu sinisten lasersäteiden lyhyemmistä aallonpituuksista. Lisätekijä, joka mahdollistaa sinisen laserin tarkentamisen pienempään pisteeseen, on sen säteen parametrituote (BPP), sillä sinisten laserpäiden BPP on 2-20 kertaa pienempi kuin CO2-laserien BPP. Blu-Ray-, auto- ja projektoriteollisuudessa tapahtuneen sinisten laserdiodien kysynnän kasvun ansiosta sinisten laserdiodien viimeisimmistä sukupolvista on tullut huomattavan edullisia ja kustannustehokkaita. Tämän seurauksena sinisistä lasereista on tullut tunnettuja niiden kestävyydestä, luotettavuudesta, kustannustehokkuudesta ja suuresta tehotiheydestä.

On syytä huomata, että multimodisen sinisen laserdiodin emitterillä on yksimuoto-ominaisuudet nopealla (pystysuoralla) akselilla ja multimuoto-ominaisuudet hitaalla (vaakasuoralla) akselilla. Tämä johtaa siihen, että säde on fokuksessa hieman epäsymmetrinen, suorakulmainen ja elliptinen. Lisäksi divergenssi toisella akselilla on moninkertainen toiseen akseliin verrattuna. Tämän vuoksi sinisen laserjärjestelmän suunnittelu voi osoittautua haasteelliseksi, koska jokainen akseli on analysoitava ja suunniteltava erikseen. Koska monimutkaisemmat järjestelmät edellyttävät lisäksi oikeiden laserdiodien ja muiden komponenttien valintaa, tiimimme vastaa kaikkiin kysymyksiisi ja voi jopa rakentaa haluamasi tieteellisen tai teollisen laserin vain viidessä viikossa.

Viime kädessä sinisten lasereiden suurin etu on se, että metallit absorboivat tehokkaasti sinisiä lasersäteitä. Tämä tarkoittaa, että käytössäsi on universaali laser, joka voi käsitellä mitä tahansa materiaalia. Lisäksi pienemmästä kokonaistehosta huolimatta sinisten laserpäiden tehotiheys on paljon suurempi kuin CO2-laserien. Lisäksi, vaikka siniset lasersäteet ovat yhdessä ulottuvuudessa pienempiä kuin kaasulasereissa, sädettä voidaan käyttää paljon tehokkaammin. Tämä johtuu sinisen lasersäteen suuresta tehotiheydestä ja suuresta absorptiotaajuudesta. Se on merkittävä etu monissa kaiverrussovelluksissa. Akselivalinnasta riippuen kaiverruksella voidaan saada aikaan joko leveämpi kaiverrus tai syvempi ja kapeampi kaiverrus, jos kaiverruksen ääriviivaa käännetään 90 astetta. Sinisillä lasereilla voidaan käsitellä tehokkaasti monenlaisia materiaaleja, kuten titaania, kuparia tai kultaa, sekä muita materiaaleja, kuten puuta tai nahkaa.

Kuten yllä olevasta kuvaajasta käy ilmi, 445 nm:n (0,445 µm) sininen lasersäde absorboituu metalleihin huomattavasti nopeammin kuin Nd:YAG- (1064 nm), CO2- (10600 nm) ja kuitulaserit (tyypillisesti 1030 - 2050 nm). Samaan aikaan yksimoodisilla sinisillä lasereilla voidaan saavuttaa 50 prosenttia suurempi tehotiheys. Tämä tarkoittaa, että sininen laser voi samalla tehotasolla purkaa valaistavaan materiaaliin useasta lähes 20-kertaisesti enemmän energiaa kuin CO2- ja Nd:YAG-laserit.

Sinisen lasersäteen ulostulo voidaan myös kytkeä optiseen kuituun, jonka välissä on asfäärinen linssi. Tällaista järjestelmää kutsutaan kuitukytketyksi (tai kuituintegroiduksi) diodilaseriksi, ja sillä on useita etuja vaihtoehtoisiin ratkaisuihin verrattuna:

1. Kuitukytketyillä diodilasereilla on hyvä säteen vyötärön laatu. Sinisen laserin säteen vyötärö on symmetrinen, homogeeninen ja pyöreä.
2. Optiset kuidut voidaan helposti asentaa moniin CNC-koneisiin.
3. Se ei estä CNC-koneen nopeaa toimintaa, koska kuitu on kevyt.

Näin ollen tämä tekee kuitukytkentäisistä sinisistä laserjärjestelmistä mielenkiintoisen vaihtoehdon materiaalinkäsittelytekniikoihin, kuten laserleikkaukseen ja laserkaiverrukseen.

Sovellukset tieteessä ja teollisuudessa

Fotoniikassa käytettävien sinisten lasereiden sovellusten kannalta ne ovat syvästi käteviä laitteita, koska niiden lähtötehot ovat käytännöllisen laajuisia ja niitä on helppo moduloida korkeataajuisella säätövirralla. Sinisten lasereiden käyttökohteita ovat muun muassa kiinteän tilan lasereiden, kvanttitähteiden tai yksittäisten kvanttiemittereiden (SQE) pumppaaminen, lasermikroskopia, spektroskopia, pintojen skannaus, lasertulostus, anturit ja RBG-lähteiden (kuten fosforin) pumppaaminen. Esimerkiksi sinisten laserantureiden käyttö on edullista, koska ne toimivat paremmin kiillotetuilla ja kiiltävillä pinnoilla lyhyemmän aallonpituutensa ansiosta. Punainen valo sitä vastoin vääristyy tällaisilla pinnoilla, mikä johtaa "pilkkuefektiin". Tämä aiheuttaa ilmaisimessa kohinaa, mikä heikentää mittaustarkkuutta. Toisaalta sininen laseranturi voi toimia poikkeuksellisen tehokkaasti, ja pilkkujen määrä on huomattavasti pienempi. Sinisen laserin käyttö alentaa kohinatasoa yleensä kahdesta kolmeen kertaan verrattuna punaisiin laserantureihin.

Lisäksi sinisiä lasereita voidaan käyttää myös tekstiiliteollisuudessa muun muassa puuvillan, polyesterin, viskoosin, huovan, fleecen, nahan, verhoilu- ja lasikuitukankaiden sekä muiden kankaiden nopeaan leikkaamiseen, koristeluun ja personointiin. Lisäksi siniset laserit ovat erinomainen ja kiehtova valinta lasershowta varten.

Myös lääketiede on tunnettu sinisten lasereiden laajasta käytöstä. Suurin osa ihmiskehoon leikkausten aikana asetettavista titaanielementeistä merkitään sinisillä lasereilla. Lisäksi sinisiä lasereita käytetään valonlähteenä fluoresenssimikroskopiassa.

Lisäksi hyvästä tehon absorptiosta hyötyvät teolliset sovellukset, kuten materiaalien lämmittäminen, leikkaaminen ja hitsaaminen. Titaanin, kuparin ja kullan kaltaiset materiaalit pystyvät absorboimaan noin 65-80 prosenttia sinisen laserin energiasta. Tämä on erityisen hyödyllistä hitsauksen yhteydessä, sillä IR-laserin alhainen absorptio (5 %) johtaisi siihen, että käsiteltävien metallipalojen virheet lisääntyisivät. Sitä vastoin siniset laserit soveltuvat erinomaisesti tilanteisiin, joissa ohuet metallit on liitettävä nopeasti ja luotettavasti yhteen niin, että niissä on vain vähän tai ei lainkaan vikoja. Suuri sinisen lasersäteen absorptionopeus pystyy myös nopeuttamaan kokoonpanonopeutta additiivisessa valmistuksessa sekä lasermetallilaskeutumis- että jauhepetikasvumenetelmissä. Tämä riippuu käytetystä materiaalista, mutta sinisten lasereiden käyttöönoton voidaan odottaa lisäävän nopeutta kolmesta kymmenkertaisesti. Tämän lisäksi sinisen laserin pieni fokusointipisteen koko johtaa kahteen muuhun hyötyyn. Ensinnäkin 450 nm:n valonsäteen säteen vyötärö on asetetussa optisessa järjestelmässä alle puolet pienempi kuin 1080 nm:n valonsäteen vastaavan säteen vyötärö. Näin ollen sinisen lasersäteen käyttö voi parantaa lopputuotteen piirteiden skaalauskykyä, resoluutiota ja tarkkuutta. Lisäksi jos käytetään samaa resoluutiota kuin IR-säteellä, sinisellä laserilla voidaan saavuttaa sama resoluutio, mutta neljä kertaa suuremmalle alueelle. On selvää, että valmistuslaadun ja käsittelynopeuden huomattava mahdollinen parantaminen voi olla erittäin hyödyllistä.

Kaiken kaikkiaan siniset laserjärjestelmät ovat osoittautuneet erittäin suosituiksi ja niillä on runsaasti konkreettisia sovelluksia. Ne ovat vankkoja, luotettavia, aikatehokkaita ja kustannustehokkaita, mistä esimerkkinä ovat laserpää PLH3D-XT-50 tai laserpää PLH3D-6W-XF+, jossa on µSpot Lens Upgrade:

Vertaile laserpäivityksiämme ja valitse sinulle parhaiten sopiva

PLH3D-XT-50

Tarkkuuskaiverrus

• 6 W optinen teho
• Ultra HD 550 DPI – 45 μm piste
• Maks. puunleikkaus (1 ajo): 3 mm (⅛")
• Paras hienokaiverrukseen ja monimutkaisiin yksityiskohtiin
• Helppo Plug & Play -paketti ohjeineen

Siirry tuotepaketin sivulle

★ Paras valinta ★

PLH3D-XT8

Suurtehoinen leikkaus ja kaiverrus

• 45 W optinen teho
• HD 125 DPI – 180 μm piste
• Maks. puunleikkaus (1 ajo): 20 mm (¾")
• Paras suurinopeuskaiverrukseen ja syväleikkaukseen
• Kaiverrus puuhun 350 mm/s (827 inch/min)
• Vanerin leikkaus 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
• Helppo Plug & Play -paketti ohjeineen

Siirry tuotepaketin sivulle

PLH3D-XF+

Aloitustason ratkaisu

• 6 W optinen teho
• Standardi 85 DPI – 300 μm piste
• Maks. moniajoin tehty puunleikkaus: 3 mm (⅛")
• Ihanteellinen harrastekäyttöön ja pieniin luoviin projekteihin
• Helppo Plug & Play -paketti ohjeineen

Siirry tuotepaketin sivulle

Jos sinulla on kysyttävää tai haluat keskustella ideasta räätälöityä laserpäätä tai räätälöityä lasermoduulia varten, ota rohkeasti yhteyttä meihin. Opt Lasers on ylpeä Open End -valmistaja, joka voi muuttaa ideasi valmiiksi tuotteeksi jopa 5 viikossa.