Il laser blu e le sue applicazioni nell'industria e nella scienza

Il laser blu è un dispositivo che emette un fascio di luce nella gamma di lunghezze d'onda tra 400 e 500 nm, visibile all'occhio umano come viola o blu. Il fascio di luce prodotto è temporalmente coerente e può essere ben collimato, il che gli consente di avere numerose applicazioni nell'industria e nella scienza. Le caratteristiche dei diversi laser blu sono determinate principalmente dai diversi mezzi di guadagno e dalle loro proprietà. Il termine laser blu può riferirsi a una delle seguenti tipologie:

1. Una testa laser compatta ad alta potenza con lunghezza d'onda di 400-500 nm, un modulo laser per applicazioni industriali, scientifiche e hobbistiche. Oltre alle dimensioni, un'altra differenza principale rispetto ai moduli laser standard è che le teste laser sono progettate per ottenere la massima densità di potenza nel punto di fuoco del fascio mantenendo una lunga durata.
2. Un modulo laser con lunghezza d'onda di 400-500 nm, di dimensioni maggiori rispetto a una testa laser, anche se le teste laser sono talvolta indicate semplicemente come moduli laser.
3. Un diodo laser con lunghezza d'onda di 400-500 nm. I diodi laser blu più diffusi sono quelli che emettono fasci alle lunghezze d'onda di 405 nm, 445 nm, 447 nm e 450 nm.

Ilaser blu nacquero originariamente come curiosità di laboratorio e si basavano sul gas Elio-Cadmio, Argon o Kripton. A quel punto, verso il 1992, i laser blu erano in grado di emettere solo 130 mW di potenza ottica, pur generando un chilowatt di energia sotto forma di calore. Tuttavia, la situazione è cambiata con l'innovazione apportata dai diodi laser blu a semiconduttore con emissione ai bordi. Poco dopo (circa 2000), fu evidente che i laser blu potevano presentare una favorevole conversione di potenza elettrica-ottica.

La comparsa della tecnologia Blu-Ray e dei proiettori ad alta potenza ha portato alla nascita del primo grande mercato per i diodi laser blu. Ciò ha accelerato lo sviluppo di nuove e migliori varietà. Sebbene il laser blu sia ottenibile con diversi tipi di laser (come i laser a ioni, i laser a coloranti, i diodi laser a semiconduttore e i laser a stato solido pompati a diodi [DPSS]), sono i diodi laser blu a semiconduttore a guadagnare sempre più terreno sul mercato. L'attrattiva deriva dalle efficienze elettrico-ottiche uniformemente buone, dalle dimensioni ridotte, dalle alte temperature di funzionamento e dalla durata di vita dei diodi laser blu.

Le efficienze elettrico-ottiche dei diodi laser blu tendono a essere di circa il 30% e raggiungono il 39% a temperatura ambiente. D'altra parte, i diodi laser da 940 nm utilizzati per pompare i laser industriali a disco sottile Yb:YAG hanno in genere un'efficienza elettrica-ottica del 46%. Il successivo processo di conversione ottico-ottica, che consiste nel pompaggio dei laser a disco sottile Yb:YAG, raggiunge un'efficienza ottico-ottica del 77%, anche se la conversione ottica tipica si aggira intorno al 41%. Ne consegue un'efficienza di conversione elettrica-ottica complessiva, per i moduli basati su laser a disco sottile Yb-YAG, del 18,8% (tipico) fino al 35,4% (in laboratorio). Questo valore è inferiore a quello che si può ottenere con i laser blu.

I laser Yb:YAG lasiano tipicamente nell'IR, a 1030 nm e 1050 nm, con potenze superiori a 1 kW a diffrazione limitata con un'elevata qualità del fascio, e potenze ancora maggiori con una qualità del fascio non limitata dalla diffrazione. Tuttavia, a differenza dei laser blu, i laser Yb:YAG sono piuttosto ingombranti e costosi.

In molte applicazioni è inoltre vantaggioso incorporare un laser blu al posto di alcuni laser IR come i laser a fibra e i laser CO2. Sebbene i laser a fibra possano essere focalizzati su una dimensione di spot più piccola rispetto ai laser a diodi blu multimodali, grazie al BPP (Beam Parameter Product) più basso, richiedono un sistema di raffreddamento più grande. Inoltre, non possono trattare in modo efficiente diversi metalli, come ad esempio il rame. Il rame assorbe il 5% della luce IR 1,064 µm incidente e <1% della luce IR 10,6 µm incidente, ma il 65% del raggio laser blu 450 nm incidente a temperatura ambiente. D'altra parte, nonostante il basso rapporto prezzo-potenza dei laser CO2, il rame assorbe <1% della luce laser CO2. I laser a CO2 soffrono anche di una conversione di potenza elettrica-ottica molto scarsa, pari a circa il 7,5%. Per questo motivo, per un laser a CO2 da 30 W di potenza ottica, il rame assorbe solo <0,3 W di potenza ottica (il che non ne consente nemmeno l'elaborazione). Allo stesso tempo, un'unità laser CO2 da 30 W di potenza ottica consuma circa 400 W di energia elettrica, il che comporta un costo nascosto di bollette più alte. Rispetto alle unità laser a CO2, i laser blu offrono un'ampiezza del fascio minore, che consente all'utente di ottenere una maggiore precisione e di lavorare una gamma più ampia di materiali. I moduli diodi laser blu e le teste laser di Opt Lasers sono spesso una scelta superiore rispetto alle soluzioni alternative, in quanto offrono un'elevata affidabilità, un consumo energetico inferiore e possono lavorare una gamma più ampia di materiali, compresi i metalli.

I moderni moduli a diodo laser blu sono in genere basati su diodi laser a semiconduttore blu con diversi mezzi di guadagno. Il mezzo di guadagno scelto determina le proprietà del fascio di luce prodotto. Ogni diodo laser blu ha caratteristiche diverse. Tra queste, la potenza, la lunghezza d'onda, la durata, le temperature di esercizio, le dimensioni ridotte del fascio e l'efficienza. Nella progettazione di un diodo laser sono importanti anche altre considerazioni tecniche.

Ad esempio, i diodi laser InGaN con un substrato GaN (che emettono laser nella banda 445-450 nm), utilizzati nelle teste laser di Opt Lasers, sono un tipo di laser blu estremamente utile. Ciò è dovuto alle loro dimensioni compatte, alla grande efficienza in termini di costi, all'ampia gamma di applicazioni, alle temperature di funzionamento fino a 85-90°C (i diodi laser blu possono produrre laser a piena potenza fino a 60°C) e alle prestazioni in costante miglioramento.

Il nitruro di gallio (GaN), semiconduttore binario III/V a bandgap diretto con struttura cristallina Wurtzite, è un ottimo substrato per diodi laser grazie alla sua elevata capacità termica e conduttività termica. Il processo di produzione di diodi laser a base di GaN potrebbe tuttavia rivelarsi una sfida a causa della sua sensibilità alla temperatura, della mobilità delle buche e dell'elevato bandgap di 3,42 V. Attualmente, i diodi laser blu prodotti in commercio utilizzano superfici di zaffiro rivestite con uno strato di GaN.

Un singolo diodo laser blu può attualmente (a partire da luglio 2021) raggiungere una potenza di uscita di lunga durata fino a 6 W. Il primo esempio di tale diodo è stato NUBM44 di Nichia. Recentemente, altre aziende hanno sviluppato e commercializzato diodi laser blu con una potenza di oltre 5 W. L'attuale diodo laser da 6 W di Opt Lasers vanta una durata operativa di 20.000 ore ed è il diodo laser blu con la più alta potenza utilizzabile in modo sostenibile disponibile sul mercato.

I diodi laser blu possono avere temperature di esercizio elevate senza che la loro durata ne risenta in modo significativo. Ciò è dovuto in parte alle loro elevate temperature di giunzione ammissibili (~130C); ciò consente di ottenere una cresta più stretta, con conseguente maggiore luminosità e un fascio più mirato. Inoltre, la potenza di uscita che può essere raggiunta dai diodi laser blu ad alta potenza senza overdrive è significativamente più alta rispetto ad altri diodi laser. Inoltre, i laser blu possono essere focalizzati in modo da ottenere uno spot di dimensioni più ridotte rispetto ai laser NIR e IR, grazie alle lunghezze d'onda più corte dei fasci laser blu. Un ulteriore fattore che consente di focalizzare un laser blu su uno spot più piccolo è il prodotto del parametro del fascio (BPP), poiché il BPP delle teste dei laser blu è da 2 a 20 volte più piccolo del BPP dei laser CO2. Infine, grazie al boom dei diodi laser blu nel settore Blu-Ray, automobilistico e dei proiettori, le ultime generazioni di diodi laser blu sono diventate notevolmente economiche e convenienti. Di conseguenza, i laser blu sono diventati famosi per la loro robustezza, affidabilità, efficienza economica ed elevata densità di potenza in uscita.

Vale la pena notare che l'emettitore di un diodo laser blu multimodale ha caratteristiche monomodali sull'asse veloce (verticale) e multimodali sull'asse lento (orizzontale). Ciò determina una forma leggermente asimmetrica, rettangolare-ellittica, del fascio al fuoco. Inoltre, la divergenza su uno degli assi è diverse volte superiore a quella sull'altro. Di conseguenza, la progettazione di un sistema laser blu potrebbe rivelarsi una sfida, poiché ogni asse deve essere analizzato e progettato separatamente. Inoltre, poiché i sistemi più complessi richiedono la selezione dei giusti diodi laser e di altri componenti, il nostro team è a disposizione per rispondere a tutte le vostre domande e può anche costruire un laser scientifico o industriale personalizzato di vostra scelta in sole 5 settimane.

In definitiva, il più grande vantaggio dei laser blu è che i metalli assorbono efficacemente i raggi laser blu. Ciò significa che si dispone di un laser universale in grado di lavorare qualsiasi materiale. Inoltre, nonostante la minore potenza totale, le teste dei laser blu presentano una densità di potenza molto più elevata rispetto ai laser CO2. Inoltre, anche se i raggi laser blu sono più piccoli in una dimensione rispetto ai laser a gas, il raggio può essere utilizzato in modo molto più efficace. Ciò è dovuto all'elevata densità di potenza e all'alto tasso di assorbimento del fascio laser blu. Si tratta di un vantaggio significativo per molte applicazioni di incisione. A seconda della scelta degli assi, è possibile ottenere un'incisione più ampia o più profonda e stretta se il contorno dell'incisione viene ruotato di 90 gradi. I laser blu possono lavorare efficacemente un'ampia gamma di materiali, come il titanio, il rame o l'oro, ma anche altri materiali come il legno o la pelle.

Come mostra il grafico qui sopra, il raggio laser blu da 445 nm (0,445 µm) presenta un tasso di assorbimento dei metalli significativamente più elevato rispetto ai laser Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) e Fibra (tipicamente 1030-2050 nm). Allo stesso tempo, i laser blu monomodali sono in grado di raggiungere una densità di potenza superiore del 50%. Ciò significa che un laser blu può scaricare sul materiale illuminato una quantità di energia da diverse a quasi 20 volte superiore, a parità di potenza, rispetto ai laser CO2 e Nd:YAG.

L'uscita di un raggio laser blu può anche essere accoppiata a una fibra ottica con una lente asferica tra le due. Questo tipo di sistema è chiamato laser a diodi accoppiato a fibra (o integrato in fibra) e presenta diversi vantaggi rispetto alle soluzioni alternative:

1. I laser a diodi accoppiati a fibra hanno una buona qualità della vita del fascio. La vita del fascio laser blu è simmetrica, omogenea e circolare.
2. Le fibre ottiche possono essere facilmente installate su molte macchine CNC.
3. Non inibiscono il funzionamento ad alta velocità della macchina CNC, poiché la fibra è leggera.

Di conseguenza, questo rende i sistemi laser blu accoppiati a fibra un'opzione interessante per le tecniche di lavorazione dei materiali, come il taglio e l'incisione laser.

Applicazioni nella scienza e nell'industria

Dal punto di vista delle applicazioni dei laser blu in fotonica, si tratta di dispositivi estremamente convenienti grazie alla loro portata pratica delle potenze di uscita e alla facilità di modulazione con corrente di controllo ad alta frequenza. Le applicazioni dei laser blu includono, tra l'altro, il pompaggio di laser a stato solido, punti quantici o emettitori quantici singoli (SQE), microscopia laser, spettroscopia, scansione di superfici, stampa laser, sensori e pompaggio di sorgenti RBG (come il fosforo). Ad esempio, l'uso di sensori laser blu è vantaggioso in quanto, grazie alla loro lunghezza d'onda più corta, si ottengono risultati migliori su superfici molto lucide e brillanti. Al contrario, la luce rossa viene distorta da tali superfici, provocando un effetto "speckle". Questo fa sì che il rilevatore incontri un elevato rumore di segnale, che si traduce in una minore precisione di misura. D'altra parte, un sensore laser blu può funzionare in modo straordinariamente efficiente con una quantità notevolmente inferiore di speckling. Pertanto, l'uso di un laser blu comporta una riduzione dei livelli di rumore, di solito di un fattore da due a tre rispetto ai sensori laser rossi.

Inoltre, i laser blu possono essere utilizzati anche nell'industria tessile per il taglio rapido, la decorazione e la personalizzazione di tessuti come il cotone, il poliestere, la viscosa, il feltro, il pile, la pelle, la tappezzeria e i tessuti in fibra di vetro, tra le altre possibilità. Inoltre, i laser blu sono una scelta eccellente e accattivante per gli spettacoli laser.

Anche la medicina è nota per l'ampio uso di laser blu. La maggior parte degli elementi in titanio inseriti nel corpo umano durante gli interventi chirurgici viene marcata con il laser blu. Inoltre, i laser blu sono utilizzati come fonte di illuminazione nella microscopia a fluorescenza.

Inoltre, le applicazioni industriali come il riscaldamento dei materiali, il taglio e la saldatura beneficiano di un buon assorbimento di potenza. Materiali come il titanio, il rame o l'oro sono in grado di assorbire circa il 65-80% dell'energia di un laser blu. Questo è particolarmente utile nel caso della saldatura, poiché il basso assorbimento di un laser IR (5%) porterebbe a una maggiore quantità di difetti sui pezzi di metallo lavorati. Al contrario, i laser blu sono particolarmente adatti a situazioni in cui i metalli sottili devono essere uniti in modo rapido e affidabile, con pochi o nessun difetto. L'elevato tasso di assorbimento del fascio laser blu è anche in grado di accelerare la velocità di assemblaggio per la produzione additiva, sia per i metodi di deposizione laser di metalli che per quelli di crescita a letto di polvere. Anche se ciò dipende dal materiale utilizzato, si può prevedere un aumento della velocità di un fattore da tre a dieci adottando i laser blu. Inoltre, le dimensioni ridotte dello spot di messa a fuoco di un laser blu portano a due ulteriori vantaggi. Innanzitutto, per un sistema ottico impostato, la vita del fascio di un raggio di luce da 450 nm è meno della metà della corrispondente vita del fascio di un raggio da 1080 nm. Pertanto, l'utilizzo di un raggio laser blu può migliorare la capacità di scalare le caratteristiche, la risoluzione e la precisione del prodotto finito. Inoltre, se si applica la stessa risoluzione possibile con un raggio IR, un laser blu può fornire la stessa risoluzione, ma per un'area quattro volte più grande. È evidente che l'eccezionale potenziale di miglioramento della qualità di produzione e della velocità di lavorazione può essere molto opportuno.

Nel complesso, i sistemi laser blu si stanno dimostrando molto popolari con un'abbondante quantità di applicazioni tangibili. Sono robusti, affidabili, efficienti in termini di tempo e convenienti, come la nostra testa laser PLH3D-XT-50 o la testa laser PLH3D-6W-XF+ con µSpot Lens Upgrade:

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