A kék lézer és alkalmazásai az iparban és a tudományban
Mi az a kék lézer?
A kék lézer olyan eszköz, amely 400 nm és 500 nm közötti hullámhosszúságú, az emberi szem számára ibolyaszínű vagy kék színben látható fénysugarat bocsát ki. A kibocsátott fénysugár időben koherens és jól kollimálható, ami lehetővé teszi számos alkalmazását az iparban és a tudományban. A különböző kék lézerek jellemzőit elsősorban a különböző erősítő közegek és azok tulajdonságai határozzák meg. A kék lézer kifejezés az alábbiak egyikére utalhat:
- Kompakt, nagy teljesítményű, 400-500 nm hullámhosszú lézerfej, amely ipari, tudományos és hobbi alkalmazásokhoz használt lézermodul. A méretbeli megfontolásokon kívül a másik fő különbség a szabványos lézermoduloktól az, hogy a lézerfejeket úgy tervezték, hogy a fókuszált sugárfoltban a legnagyobb teljesítménysűrűséget érjék el, miközben hosszú élettartamot tartanak fenn.
- Egy 400-500 nm hullámhosszú lézermodul, amely nagyobb méretű, mint egy lézerfej, bár a lézerfejeket néha egyszerűen lézermodulnak nevezik.
- 400-500 nm hullámhosszú lézerdióda. A legnépszerűbb kék lézerdiódák azok, amelyek 405 nm, 445 nm, 447 nm és 450 nm hullámhosszon bocsátanak ki sugarat .
A kék lézerek eredetileg laboratóriumi kuriózumként jöttek létre, és hélium-kadmium, argon vagy kripton gázon alapultak. Ekkoriban kb. 1992-ben a kék lézerek mindössze 130 mW optikai teljesítmény kibocsátására voltak képesek, miközben hő formájában egy kilowattnyi energiát termeltek. A helyzet azonban megváltozott az élsugárzó kék félvezető lézerdiódák által előidézett innovációval. Nem sokkal később (kb. 2000-ben) nyilvánvalóvá vált, hogy a kék lézerek kedvező elektromos-optikai teljesítmény-átalakítással rendelkezhetnek.
A Blu-Ray technológia és a nagy teljesítményű projektorok megjelenése a kék lézerdiódák legelső jelentős piacának megszületését eredményezte. Ez felgyorsította új és továbbfejlesztett változataik kifejlesztését. Bár a kék lézerelés különféle lézertípusokkal (például ionlézerekkel, festéklézerekkel, félvezető lézerdiódákkal és dióda pumpálású szilárdtestlézerekkel [DPSS]) is elérhető, a félvezető kék lézerdiódák azok, amelyek mostanában egyre nagyobb teret nyernek a piacon. Ez a vonzerő a kék lézerdiódák egyenletesen jó elektromos-optikai hatásfokából, kis méretéből, magas üzemi hőmérsékletéből és élettartamából ered.
A kék lézerdiódák elektromos-optikai hatásfoka általában 30% körüli, szobahőmérsékleten pedig akár 39% is lehet. Másrészt az ipari Yb:YAG vékonylemezes lézerek pumpálására használt 940 nm-es lézerdiódák jellemzően 46%-os elektromos-optikai hatásfokkal rendelkeznek. Az ezt követő optikai-optikai átalakítási folyamat, amely az Yb:YAG vékonylemezes lézer pumpálása, akár 77%-os optikai-optikai hatásfokot is elérhet, bár a tipikus optikai átalakítás 41% körüli. Ez az Yb-YAG vékonylemezes lézer alapú modulok esetében 18,8%-os (tipikus) és 35,4%-os (a laboratóriumban) közötti elektromos-optikai átalakítási hatékonyságot eredményez. Ez rosszabb, mint a kék lézerekkel elérhető hatékonyság.
Az Yb:YAG lézerek jellemzően az IR tartományban, 1030 nm-en és 1050 nm-en lézerelnek, 1 kW feletti diffrakciókorlátozott teljesítménnyel, magas sugárminőség mellett, és még nagyobb teljesítményekkel, nem diffrakciókorlátozott sugárminőség mellett. Mindazonáltal a kék lézerekkel ellentétben az Yb:YAG lézerek meglehetősen terjedelmesek és költségesek.
Számos alkalmazásban előnyös a kék lézer beépítése bizonyos IR-lézerek, például szálas lézerek és CO2-lézerek helyett. Míg a szálas lézerek az alacsonyabb BPP (Beam Parameter Product) miatt gyakorlatilag kisebb fókuszálható foltméretre fókuszálhatók, mint a többmódusú kék diódalézerek, nagyobb hűtőrendszert igényelnek. Ezenkívül nem tudnak hatékonyan megmunkálni különböző fémeket, mint például a réz. A réz elnyeli a beeső 1,064 µm-es IR-fény 5%-át és a beeső 10,6 µm-es IR-fény <1%-át, de a beeső 450 nm-es kék lézersugár 65%-át szobahőmérsékleten. Másrészt a CO2-lézerek alacsony ár/teljesítmény aránya ellenére a réz elnyeli a CO2-lézer fényének <1%-át. A CO2-lézerek emellett nagyon gyenge, körülbelül 7,5%-os elektromos-optikai teljesítmény-átalakítással is küzdenek. Emiatt egy 30 W optikai teljesítményű CO2-lézer esetében csak <0,3 W optikai teljesítményt nyel el a réz (ami nem is teszi lehetővé a feldolgozását). Ugyanakkor egy 30 W optikai teljesítményű CO2-lézer egység körülbelül 400 W elektromos energiát fogyaszt, ami a magasabb elektromos számla rejtett költségét hordozza. A CO2-lézer egységekkel összehasonlítva a kék lézerek kisebb sugár derékszélességet kínálnak, ami lehetővé teszi a felhasználó számára a nagyobb pontosság elérését és az anyagok szélesebb körének feldolgozását. Az Opt Lasers kék lézerdióda moduljai és lézerfejei gyakran jobb választásnak bizonyulnak az alternatív megoldásoknál, mivel nagy megbízhatóságot, alacsonyabb energiafogyasztást és az anyagok szélesebb körének - beleértve a fémeket is - megmunkálását kínálják.
Fedezze fel a fejlett kék lézertechnológiát alkalmazó lézervágó és gravírozó termékeink választékát
Az Opt Lasers kék lézerfejeinek versenyelőnye
A modern kék lézerdiódamodulok jellemzően kék félvezető lézerdiódákon alapulnak, amelyekben különböző erősítő közegek vesznek részt. A választott erősítő közeg határozza meg a létrehozott fénysugár tulajdonságait. Minden kék lézerdióda más-más tulajdonságokkal rendelkezik. Ezek közé tartozik a teljesítmény, a hullámhossz, az élettartam, az üzemi hőmérséklet, a fókuszálhatóság és a hatékonyság. A tervezés során egyéb műszaki megfontolások is fontosak.
Például az Opt Lasers lézerfejekben használt InGaN lézerdiódák GaN szubsztráttal (445-450 nm-es sávban lézerelnek) a kék lézerek rendkívül hasznos típusa. Ennek oka a kompakt méretük, a nagyfokú költséghatékonyságuk, a széleskörű alkalmazásuk, a 85-90 °C-os üzemi hőmérsékletük (a kék lézerdiódák teljes teljesítmény mellett jellemzően 60 °C-ig képesek lézerezni) és a folyamatosan javuló teljesítményük.
A gallium-nitrid (GaN), a bináris III/V közvetlen sávszélességű, Wurtzit kristályszerkezetű félvezető, nagy hőkapacitása és hővezető képessége miatt kiváló lézerdióda szubsztrát. A GaN-alapú lézerdiódák gyártási folyamata azonban kihívást jelenthet a hőmérsékletérzékenysége, a lyukmozgékonysága és a magas, 3,42 V-os sávhézag miatt. Napjainkban a kereskedelmi forgalomban gyártott kék lézerdiódák zafírfelületeket használnak, amelyeket GaN-réteggel vonnak be.
Egyetlen kék lézerdióda jelenleg (2021 júliusától) akár 6 W hosszú élettartamú teljesítményt is elérhet. Az első ilyen dióda a Nichia NUBM44 volt. A közelmúltban több más vállalat is kifejlesztett és forgalmazott 5+ W teljesítményű kék lézerdiódákat. Az Opt Lasers jelenlegi 6 W-os lézerdiódája 20 000 órás élettartammal büszkélkedhet, és ez a piacon elérhető legnagyobb teljesítményű, fenntarthatóan használt kék lézerdióda.
A kék lézerdiódák magas üzemi hőmérsékleten működhetnek anélkül, hogy élettartamuk jelentősen csökkenne. Ez részben a magas megengedett csomóponti hőmérsékletüknek (~130C) köszönhető; ez keskenyebb gerincet tesz lehetővé, ami nagyobb fényerőt és szorosabban fókuszált sugárnyalábot eredményez. Ezenkívül a nagy teljesítményű kék lézerdiódákkal túlhajtás nélkül elérhető kimeneti teljesítmény jelentősen nagyobb, mint más lézerdiódákkal. Ezen túlmenően a kék lézerek kisebb foltméretre fókuszálhatók, mint a NIR és IR lézerek, ami a kék lézersugarak rövidebb hullámhosszából adódik. Egy további tényező, amely lehetővé teszi, hogy a kék lézer kisebb foltra fókuszálható legyen, a sugárparamétertermék (BPP), mivel a kék lézerfejek BPP-je 2-20-szor kisebb, mint a CO2-lézerek BPP-je. Végül, a kék lézerdiódák Blu-Ray, az autóipar és a projektorok iparában tapasztalható fellendülésnek köszönhetően a kék lézerdiódák legújabb generációi rendkívül olcsóvá és költséghatékonnyá váltak. Ennek eredményeként a kék lézerek jól ismertek robusztusságukról, megbízhatóságukról, költséghatékonyságukról és nagy kimeneti teljesítménysűrűségükről.
Érdemes megjegyezni, hogy a többmódusú kék lézerdióda emittere a gyors (függőleges) tengelyen egymódusú, a lassú (vízszintes) tengelyen pedig többmódusú. Ez a fókuszban a sugár kissé aszimmetrikus, téglalap-elliptikus alakját eredményezi. Emellett az egyik tengelyen a divergencia többszöröse a másiknak. Következésképpen egy kék lézerrendszer tervezése kihívást jelenthet, mivel minden tengelyt külön kell elemezni és tervezni. Továbbá, mivel a bonyolultabb rendszerekhez a megfelelő lézerdiódák, valamint egyéb alkatrészek kiválasztása szükséges, csapatunk készséggel válaszol minden kérdésére, és akár 5 hét alatt is megépítheti az Ön által kiválasztott egyedi tudományos lézert vagy ipari lézert.
Kék lézerek kontra IR és CO2 lézerek
Végső soron a kék lézerek legnagyobb előnye, hogy a fémek hatékonyan elnyelik a kék lézersugarakat. Ez azt jelenti, hogy egy univerzális lézerrel rendelkezik, amely bármilyen anyagot meg tud dolgozni. Ráadásul az alacsonyabb összteljesítmény ellenére a kék lézerfejek sokkal nagyobb teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, mint a CO2-lézerek. Továbbá, annak ellenére, hogy a kék lézersugarak egy dimenzióban kisebbek, mint a gázlézereknél, a sugár sokkal hatékonyabban használható. Ez a kék lézersugár nagy teljesítménysűrűségének és magas abszorpciós rátájának következményeként adódik. Ez jelentős előny számos gravírozási alkalmazás esetén. A tengelyek megválasztásától függően szélesebb gravírozást vagy mélyebb és keskenyebb gravírozást érhet el, ha a gravírozás körvonalát 90 fokkal elforgatja. A kék lézerekkel hatékonyan megmunkálható az anyagok széles köre, például a titán, a réz vagy az arany, valamint más anyagok, például a fa vagy a bőr.
Amint a fenti grafikonon látható, a 445 nm-es (0,445 µm) kék lézersugár a fémek esetében lényegesen nagyobb abszorpciós arányt tapasztal, mint az Nd:YAG (1064 nm), a CO2 (10600 nm) és a szálas (jellemzően 1030 - 2050 nm) lézerek. Ugyanakkor az egymódusú kék lézerek 50%-kal nagyobb teljesítménysűrűség elérésére képesek. Ez azt jelenti, hogy egy kék lézer a CO2 és Nd:YAG lézerekhez képest azonos teljesítményszint mellett többször és majdnem hússzor több energiát képes a megvilágított anyagra leadni.
| Opt Lasers µSpot kék lézerfej anamorfikus prizmákkal (PLH3D-XT-50) | A legjobb gyártó CW szálas szálas lézere | Tipikus CO2 lézerfej | |
|---|---|---|---|
| Hullámhossz [nm] | 445 | 1064 | 10600 |
| Átlagos teljesítmény [W] | 6.0 | 50.0 | 75 |
| Sugár derékmérete [µm] | 50 x 4,0 | 11 | 64 |
| Átlagos teljesítménysűrűség [kW/cm2] | 3,000 | 12,900 | 580 |
| Abszorpció a rézre [%] | 65 | 5 | <1 |
| A réz elnyelt teljesítménysűrűsége [kW/cm2] | 1,900 | 600 | 5 |
| Élettartam [h] | 30,000 | 100,000 | 1,000-3,000 |
| Tápellátási feszültség [V] | 12-24 DC | 110-220 AC | 100-240 AC |
| Láthatóság | Látható | Láthatatlan | Láthatatlan |
| Méretek [cm] | 4 x 5,5 x 10,5 | 13.2 x 40.3 x 44.8 | 4 x 6 x 16 |
| Egységsúly [kg] | 0.22 | 19 | 1 |
| Ár [k$] | 1.0 | 18 | 1.5 |
| Átlagos teljesítmény kW-onkénti költsége [k$] | 170 | 360 | 20 |
| A teljesítménysűrűség kW-onkénti költsége [$] | 0.33 | 1.4 | 2.6 |
| Rézre vetített elnyelt teljesítménysűrűség költsége kW-onként [$] | 0.51 | 30 | 300 |
A kék lézersugár kimenete egy optikai szálba is bekapcsolható, aszférikus lencsével a kettő között. Az ilyen rendszert szálba kapcsolt (vagy szálba integrált) diódalézernek nevezik, és számos előnye van az alternatív megoldásokkal szemben:
- A szálba kapcsolt diódalézereknek jó a sugár derékszélessége. A kék lézersugár dereka szimmetrikus, homogén és kör alakú.
- Az optikai szálak könnyen felszerelhetők számos CNC-gépre.
- Nem gátolja a CNC-gép nagy sebességű működését, mivel a szál könnyű.
Következésképpen ez teszi a szálcsatolt kék lézerrendszereket érdekes lehetőséggé az olyan anyagmegmunkálási technikákhoz, mint a lézervágás és a lézergravírozás.
Alkalmazások a tudományban és az iparban
A kék lézerek fotonikai alkalmazásai szempontjából a kimenőteljesítmények gyakorlati hatókörének és a nagyfrekvenciás vezérlőárammal történő könnyű modulációnak köszönhetően mélységesen kényelmes eszközök. A kék lézerek alkalmazásai közé tartozik többek között a szilárdtestlézerek, kvantumpontok vagy egyedi kvantum emitterek (SQE) pumpálása, lézermikroszkópia, spektroszkópia, felületi szkennelés, lézernyomtatás, érzékelők és RBG-források (például foszfor) pumpálása. A kék lézeres érzékelők használata például azért előnyös, mert rövidebb hullámhosszuknak köszönhetően jobban működnek az erősen polírozott és fényes felületeken. Ezzel szemben a vörös fényt az ilyen felületek eltorzítják, ami "foltos" hatást eredményez. Ennek következtében az érzékelő megnövekedett jelzajjal találkozik, ami a mérési pontosság csökkenését eredményezi. Másrészt a kék lézeres érzékelő rendkívül hatékonyan képes működni, és a foltosodás mértéke jelentősen alacsonyabb. Így a kék lézer használata alacsonyabb zajszintet eredményez, általában két-háromszorosát a vörös lézeres érzékelőkkel szemben.
Továbbá a kék lézer a textiliparban is használható többek között a szövetek, például pamut, poliészter, viszkóz, nemez, gyapjú, bőr, kárpit és üvegszálas szövetek gyors vágására, díszítésére és személyre szabására. Mi több, a kék lézer kiváló és magával ragadó választás lézershow-khoz.
Az orvostudomány is ismert a kék lézerek széles körű alkalmazásáról. A műtétek során az emberi testbe helyezett titánelemek többségét kék lézerrel jelölik. Ezenkívül a kék lézereket megvilágítási forrásként használják a fluoreszcens mikroszkópiában.
Ezen felül az ipari alkalmazások, például az anyagok felmelegítése, a vágás és a hegesztés is profitálnak a jó energiaelnyelésből. Az olyan anyagok, mint a titán, a réz vagy az arany körülbelül 65-80%-ban képesek elnyelni a kék lézer energiáját. Ez különösen hasznos a hegesztés esetében, mivel az infravörös lézer alacsony abszorpciója (5%) a megmunkált fémdaraboknál fokozott mennyiségű hibát eredményezne. Ezzel szemben a kék lézerek nagyon alkalmasak olyan helyzetekben, amikor vékony fémeket kell gyorsan és megbízhatóan, kevés hibával vagy hiba nélkül összekötni. A magas kék lézersugár-abszorpciós ráta az additív gyártás összeszerelési sebességét is képes felgyorsítani mind a lézeres fémleválasztási, mind a porágynövesztő módszerek esetében. Bár ez az alkalmazott anyagtól függ, a kék lézer alkalmazásával a sebesség háromszorosára-tízszeresére lehet számítani. Emellett a kék lézer kis fókuszpontmérete két további előnnyel jár. Először is, egy beállított optikai rendszer esetében a 450 nm-es fénysugár sugárzási derékszélessége kevesebb mint fele az 1080 nm-es fénysugár megfelelő sugárzási derékszélességének. Így a kék lézersugár használata javíthatja a késztermék jellemzőskálázási képességét, felbontását és pontosságát. Sőt, ha ugyanazt a felbontást alkalmazzuk, mint ami egy IR-sugárral lehetséges, a kék lézer ugyanezt a felbontást tudja biztosítani, de négyszer nagyobb területre. Nyilvánvaló, hogy a gyártási minőség és a feldolgozási sebesség kiemelkedő potenciális javulása rendkívül kedvező lehet.
Mindent egybevetve, a kék lézerrendszerek nagyon népszerűnek bizonyulnak, rengeteg kézzelfogható alkalmazással. Robusztusak, megbízhatóak, időtakarékosak és költséghatékonyak, erre példa a PLH3D-XT-50 lézerfej vagy a PLH3D-6W-XF+ lézerfej a µSpot Lens Upgrade objektívvel:
Hasonlítsa össze lézeres frissítéseinket, és válassza ki az Önnek legmegfelelőbbet
PLH3D-XT-50
Precíz gravírozás
- 6 W optikai teljesítmény
- Ultra HD 550 DPI – < 50 μm folt
- Max. fa vágás (1 menet): 3 mm (⅛")
- Legjobb finom gravírozáshoz és aprólékos részletekhez
- Egyszerű Plug & Play készlet kézikönyvekkel
PLH3D-XT8
Nagy teljesítményű vágás és gravírozás
- 45 W optikai teljesítmény
- HD 125 DPI – 180 μm folt
- Max. fa vágás (1 menet): 20 mm (¾")
- Legjobb nagysebességű gravírozáshoz és mély vágáshoz
- Fa gravírozása 350 mm/s (827 inch/min)
- Rétegelt lemez vágása 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
- Egyszerű Plug & Play készlet kézikönyvekkel
PLH3D-XF+
Belépő szintű megoldás
- 6 W optikai teljesítmény
- Standard 85 DPI – 300 μm folt
- Max. többmenetes fa vágás: 3 mm (⅛")
- Tökéletes hobbicélokra és kisebb kreatív projektekhez
- Egyszerű Plug & Play készlet kézikönyvekkel
Válassza ki alább CNC gépét a Plug & Play készletek böngészéséhez
Ha bármilyen kérdése van, vagy szeretne megbeszélni egy egyedi lézerfej vagy egyedi lézermodul ötletét, kérjük, forduljon hozzánk bizalommal. Az Opt Lasers büszke nyílt végű gyártó, amely az Ön ötletét akár 5 hét alatt kész termékké tudja alakítani.