Le laser bleu et ses applications dans l'industrie et la science

Le laser bleu est un appareil qui émet un faisceau lumineux dans la gamme de longueurs d'onde comprise entre 400 nm et 500 nm, visible en violet ou en bleu par l'œil humain. Le faisceau lumineux produit est temporellement cohérent et peut être bien collimaté, ce qui lui permet d'avoir de nombreuses applications dans l'industrie et la science. Les caractéristiques des différents lasers bleus sont principalement déterminées par les différents milieux de gain et leurs propriétés. Le terme "laser bleu" peut se référer à l'un ou l'autre des éléments suivants :

1. Une tête laser compacte et puissante d'une longueur d'onde de 400-500 nm, qui est un module laser pour des applications industrielles, scientifiques et de loisir. Outre les considérations de taille, une autre différence majeure par rapport aux modules laser standard est que les têtes laser sont conçues pour atteindre la densité de puissance la plus élevée au niveau du point de focalisation du faisceau tout en conservant une longue durée de vie.
2. Un module laser d'une longueur d'onde de 400-500 nm, dont la taille est supérieure à celle d'une tête laser, bien que les têtes laser soient parfois simplement appelées modules laser.
3. Une diode laser d'une longueur d'onde de 400-500 nm. Les diodes laser bleues les plus populaires sont celles qui émettent des faisceaux aux longueurs d'onde de 405 nm, 445 nm, 447 nm et 450 nm.

Les lasers bleus sont apparus à l'origine comme une curiosité de laboratoire et étaient basés sur le gaz hélium-cadmium, argon ou krypton. Vers 1992, les lasers bleus étaient capables de produire de l'énergie. 1992, les lasers bleus n'étaient capables d'émettre que 130 mW de puissance optique, tout en générant un kilowatt d'énergie sous forme de chaleur. Néanmoins, la situation a changé avec l'innovation apportée par les diodes laser bleues à semi-conducteur émettant sur les bords. Peu après (vers 2000), il est devenu évident que les lasers bleus pouvaient se caractériser par une conversion favorable de la puissance électrique en puissance optique.

L'apparition de la technologie Blu-Ray et des projecteurs à haute puissance a donné naissance au tout premier marché important pour les diodes laser bleues. Cela a accéléré le développement de nouvelles variétés améliorées de ces diodes. Bien qu'il soit possible d'obtenir une lumière bleue avec divers types de lasers (tels que les lasers ioniques, les lasers à colorant, les diodes laser à semi-conducteur et les lasers à l'état solide pompés par diode [DPSS]), ce sont les diodes laser bleues à semi-conducteur qui gagnent aujourd'hui de plus en plus de terrain sur le marché. Cet attrait s'explique par l'efficacité électrique-optique uniformément bonne, la petite taille, les températures de fonctionnement élevées et la durée de vie des diodes laser bleues.

L'efficacité électrique-optique des diodes laser bleues tend à être d'environ 30 % et peut atteindre 39 % à température ambiante. Par ailleurs, les diodes laser à 940 nm utilisées pour pomper les lasers industriels à disque mince Yb:YAG ont généralement un rendement électrique-optique de l'ordre de 46 %. Le processus ultérieur de conversion optique à optique, qui est le pompage des lasers à disque mince Yb:YAG, atteint jusqu'à 77 % d'efficacité optique à optique, bien qu'une conversion optique typique soit d'environ 41 %. Cela donne un rendement global de conversion électrique-optique, pour les modules basés sur un laser à disque mince Yb-YAG, de 18,8 % (typique) à 35,4 % (en laboratoire). Ce rendement est inférieur à celui que l'on peut obtenir avec les lasers bleus.

Les lasers Yb:YAG lasent généralement dans l'IR, à 1030 nm et 1050 nm, avec une puissance de sortie limitée par la diffraction supérieure à 1 kW avec une qualité de faisceau élevée, et des puissances encore plus grandes avec une qualité de faisceau non limitée par la diffraction. Néanmoins, contrairement aux lasers bleus, les lasers Yb:YAG sont assez encombrants et coûteux.

Dans de nombreuses applications, il est également avantageux d'incorporer un laser bleu au lieu de certains lasers IR tels que les lasers à fibre et les lasers CO2. Bien que les lasers à fibre puissent être focalisés à une taille de spot plus petite que les lasers à diode bleue multimode en raison du BPP (Beam Parameter Product) plus faible, ils nécessitent un système de refroidissement plus important. En outre, ils ne peuvent pas traiter efficacement divers métaux, tels que le cuivre. Le cuivre absorbe 5 % de la lumière infrarouge incidente de 1,064 µm et <1 % de la lumière infrarouge incidente de 10,6 µm, mais 65 % du faisceau laser bleu incident de 450 nm à température ambiante. En revanche, malgré le faible rapport prix/puissance des lasers à CO2, le cuivre absorbe <1% de la lumière des lasers à CO2. Les lasers à CO2 souffrent également d'une très mauvaise conversion de la puissance électrique en puissance optique d'environ 7,5 %. C'est pourquoi le cuivre n'absorbe que <0,3 W de puissance optique pour un laser CO2 de 30 W de puissance optique (ce qui ne permet même pas de le traiter). Dans le même temps, un laser CO2 de 30 W de puissance optique consomme environ 400 W d'énergie électrique, ce qui entraîne un coût caché sous la forme d'une facture d'électricité plus élevée. Par rapport aux unités laser CO2, les lasers bleus offrent une taille de faisceau plus petite, ce qui permet à l'utilisateur d'atteindre une plus grande précision et de traiter une plus large gamme de matériaux. Les modules de diodes laser bleues et les têtes laser d' Opt Lasers sont souvent un choix supérieur aux solutions alternatives, car ils offrent une grande fiabilité, une faible consommation d'énergie et peuvent traiter une plus large gamme de matériaux, y compris les métaux.

Les modules modernes de diodes laser bleues sont généralement basés sur des diodes laser bleues à semi-conducteur avec différents supports de gain. Le support de gain choisi détermine les propriétés du faisceau lumineux produit. Chaque diode laser bleue présente des caractéristiques différentes. Celles-ci comprennent la puissance, la longueur d'onde, la durée de vie, les températures de fonctionnement, la taille de la focalisation et l'efficacité. D'autres considérations techniques sont également importantes lors de la conception d'une diode.

Par exemple, les diodes laser InGaN avec un substrat GaN (émettant dans la bande 445 - 450 nm), utilisées dans les têtes laser d'Opt Lasers, sont un type de laser bleu extrêmement utile. Ceci est dû à leur taille compacte, leur grande rentabilité, leur large gamme d'applications, leurs températures de fonctionnement allant jusqu'à 85-90°C (les diodes laser bleues peuvent émettre à pleine puissance jusqu'à 60°C) et leurs performances qui ne cessent de s'améliorer.

Le nitrure de gallium (GaN), semi-conducteur binaire III/V à bande interdite directe avec une structure cristalline Wurtzite, est un excellent substrat pour les diodes laser en raison de sa capacité thermique et de sa conductivité thermique élevées. Le processus de production de diodes laser à base de GaN pourrait toutefois s'avérer difficile en raison de sa sensibilité à la température, de la mobilité de ses trous et de sa bande interdite élevée de 3,42 V. Aujourd'hui, les diodes laser bleues produites commercialement utilisent des surfaces de saphir recouvertes d'une couche de GaN.

Une seule diode laser bleue peut actuellement (à partir de juillet 2021) atteindre une puissance de sortie à longue durée de vie allant jusqu'à 6 W. Le premier exemple d'une telle diode était la NUBM44 de Nichia. Récemment, plusieurs autres entreprises ont développé et commercialisé des diodes laser bleues d'une puissance de 5+ W. La diode laser actuelle de 6 W d'Opt Lasers a une durée de vie de 20 000 heures et est la diode laser bleue à utilisation durable la plus puissante disponible sur le marché.

Les diodes laser bleues peuvent avoir des températures de fonctionnement élevées sans que leur durée de vie n'en soit affectée de manière significative. Cela est dû en partie à leur température de jonction admissible élevée (~130 °C), ce qui permet d'obtenir une crête plus étroite, d'où une plus grande luminosité et un faisceau plus étroitement focalisé. En outre, la puissance de sortie qui peut être atteinte par les diodes laser bleues de haute puissance sans les surcharger est considérablement plus élevée que celle des autres diodes laser. En outre, les lasers bleus peuvent être focalisés sur un point plus petit que les lasers NIR et IR, ce qui s'explique par les longueurs d'onde plus courtes des faisceaux laser bleus. Un autre facteur qui permet à un laser bleu d'être focalisé sur un point plus petit est son produit de paramètre de faisceau (BPP), car le BPP des têtes de laser bleu est 2 à 20 fois plus petit que le BPP des lasers à CO2. Enfin, grâce à l'essor des diodes laser bleues dans l'industrie du Blu-Ray, de l'automobile et des projecteurs, les dernières générations de diodes laser bleues sont devenues remarquablement peu coûteuses et rentables. En conséquence, les lasers bleus sont devenus célèbres pour leur robustesse, leur fiabilité, leur rentabilité et leur densité de puissance de sortie élevée.

Il convient de noter que l'émetteur d'une diode laser bleue multimode présente des caractéristiques monomodes sur l'axe rapide (vertical) et multimodes sur l'axe lent (horizontal). Il en résulte une forme légèrement asymétrique, rectangulaire-elliptique du faisceau au foyer. En outre, la divergence dans l'un des axes est plusieurs fois plus élevée que dans l'autre. Par conséquent, l'ingénierie d'un système laser bleu peut s'avérer difficile, car chaque axe doit être analysé et conçu séparément. Notre équipe est là pour répondre à toutes vos questions et peut même construire un laser scientifique ou industriel de votre choix en seulement 5 semaines.

En fin de compte, le plus grand avantage des lasers bleus est que les métaux absorbent efficacement les rayons laser bleus. Cela signifie que vous disposez d'un laser universel qui peut traiter n'importe quel matériau. En outre, malgré une puissance totale plus faible, les têtes de laser bleu présentent une densité de puissance beaucoup plus élevée que les lasers CO2. En outre, bien que les faisceaux des lasers bleus soient plus petits dans une dimension que ceux des lasers à gaz, le faisceau peut être utilisé de manière beaucoup plus efficace. Cela est dû à la densité de puissance élevée et au taux d'absorption élevé du faisceau laser bleu. Il s'agit d'un avantage significatif pour de nombreuses applications de gravure. En fonction du choix des axes, vous pouvez obtenir une gravure plus large ou plus profonde et plus étroite si le contour de la gravure est tourné de 90 degrés. Les lasers bleus peuvent traiter efficacement une large gamme de matériaux, tels que le titane, le cuivre ou l'or, ainsi que d'autres matériaux comme le bois ou le cuir.

Comme le montre le graphique ci-dessus, le faisceau laser bleu de 445 nm (0,445 µm) présente un taux d'absorption des métaux nettement supérieur à celui des lasers Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) et à fibre (typiquement 1030 - 2050 nm). Dans le même temps, les lasers bleus monomodes sont capables d'atteindre une densité de puissance 50 % plus élevée. Cela signifie qu'un laser bleu peut décharger entre plusieurs et près de 20 fois plus d'énergie sur le matériau éclairé au même niveau de puissance que les lasers CO2 et Nd:YAG.

La sortie d'un faisceau laser bleu peut également être couplée à une fibre optique avec une lentille asphérique entre les deux. Ce type de système est appelé laser à diode couplé à une fibre (ou intégré à une fibre) et présente plusieurs avantages par rapport aux autres solutions :

1. Les lasers à diode couplés à une fibre ont une bonne qualité de taille de faisceau. La taille du faisceau du laser bleu est symétrique, homogène et circulaire.
2. Les fibres optiques peuvent être facilement installées sur de nombreuses machines à commande numérique.
3. La fibre étant légère, elle n'entrave pas le fonctionnement à grande vitesse de la machine CNC.

Par conséquent, les systèmes à laser bleu couplés à des fibres constituent une option intéressante pour les techniques de traitement des matériaux telles que la découpe et la gravure au laser.

Applications dans la science et l'industrie

Du point de vue des applications des lasers bleus en photonique, il s'agit de dispositifs très pratiques en raison de leur gamme pratique de puissances de sortie et de leur modulation aisée avec un courant de commande à haute fréquence. Les applications des lasers bleus comprennent, entre autres, le pompage de lasers à solide, de points quantiques ou d'émetteurs quantiques uniques (EQS), la microscopie laser, la spectroscopie, le balayage de surface, l'impression laser, les capteurs et le pompage de sources RBG (telles que le phosphore). Par exemple, l'utilisation de capteurs laser bleus est avantageuse car ils sont plus performants sur les surfaces hautement polies et brillantes grâce à leur longueur d'onde plus courte. En revanche, la lumière rouge est déformée par ces surfaces, ce qui produit un effet de "mouchetage". Le détecteur est alors confronté à un bruit de signal élevé, ce qui se traduit par une baisse de la précision de la mesure. En revanche, un capteur laser bleu peut fonctionner de manière extraordinairement efficace avec un niveau de moucheture nettement inférieur. Ainsi, l'utilisation d'un laser bleu permet de réduire les niveaux de bruit, normalement d'un facteur de deux à trois par rapport aux capteurs à laser rouge.

En outre, les lasers bleus peuvent également être utilisés dans l'industrie textile pour la découpe rapide, la décoration et la personnalisation de tissus tels que le coton, le polyester, la viscose, le feutre, le molleton, le cuir, les tissus d'ameublement et les tissus en fibre de verre, entre autres possibilités. En outre, les lasers bleus constituent un choix excellent et captivant pour les spectacles laser.

La médecine est également connue pour son utilisation intensive des lasers bleus. La plupart des éléments en titane placés dans le corps humain lors d'opérations chirurgicales sont marqués au laser bleu. En outre, les lasers bleus sont utilisés comme source d'éclairage dans la microscopie à fluorescence.

En outre, les applications industrielles telles que le chauffage des matériaux, la découpe et le soudage bénéficient d'une bonne absorption de puissance. Les matériaux tels que le titane, le cuivre ou l'or sont capables d'absorber environ 65 à 80 % de l'énergie d'un laser bleu. Cela est particulièrement utile dans le cas du soudage, car la faible absorption d'un laser IR (5 %) entraînerait une augmentation du nombre de défauts sur les morceaux de métal traités. À l'inverse, les lasers bleus conviennent parfaitement aux situations dans lesquelles des métaux fins doivent être assemblés rapidement et de manière fiable, avec peu ou pas de défauts. Le taux d'absorption élevé du faisceau laser bleu est également capable d'accélérer le taux d'assemblage pour la fabrication additive, tant pour les méthodes de dépôt de métal par laser que pour les méthodes de croissance sur lit de poudre. Bien que cela dépende du matériau utilisé, on peut s'attendre à une augmentation de la vitesse d'un facteur de trois à dix en adoptant des lasers bleus. En outre, la petite taille de la tache focale d'un laser bleu présente deux autres avantages. Tout d'abord, pour un système optique donné, la taille du faisceau d'un rayon lumineux de 450 nm est inférieure à la moitié de la taille du faisceau correspondant d'un rayon de 1080 nm. L'utilisation d'un faisceau laser bleu peut donc améliorer la capacité de mise à l'échelle des caractéristiques, la résolution et la précision du produit fini. En outre, si l'on applique la même résolution qu'avec un faisceau IR, un laser bleu peut fournir la même résolution, mais pour une zone quatre fois plus grande. Il est clair que l'amélioration potentielle exceptionnelle de la qualité de fabrication et de la vitesse de traitement peut s'avérer très opportune.

Dans l'ensemble, les systèmes à laser bleu s'avèrent très populaires avec un grand nombre d'applications tangibles. Ils sont robustes, fiables, rapides et rentables, comme en témoigne notre tête laser PLH3D-XT-50 ou notre tête laser PLH3D-6W-XF+ avec la mise à niveau de la lentille µSpot:

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PLH3D-XT8

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• 45 W de puissance optique
• HD 125 DPI – spot 180 μm
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• Parfait pour la gravure haute vitesse et la découpe profonde
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PLH3D-XF+

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