青色レーザーと産業・科学への応用

青色レーザーは、400nmから500nmの波長範囲の光ビームを放出する装置であり、人間の目には紫色または青色として見える。生成される光ビームは時間的にコヒーレントであり、十分に平行化することができるため、産業や科学の分野で数多くの応用が可能です。異なる青色レーザーの特性は、主に異なる利得媒体とその特性によって決定されます。青色レーザーという用語は、以下のいずれかを指す：

1. コンパクトで高出力な波長400-500nmのレーザーヘッドで、産業用、科学用、ホビー用のレーザーモジュールです。サイズを考慮する以外に、標準的なレーザーモジュールとのもう一つの主な違いは、レーザーヘッドが長寿命を保ちながら、集光ビームスポットで最高の出力密度を達成するように設計されていることです。
2. 波長400-500nmのレーザーモジュールは、レーザーヘッドよりもサイズが大きいが、レーザーヘッドは単にレーザーモジュールと呼ばれることもある。
3. 波長400-500nmのレーザーダイオード。最も一般的な青色レーザーダイオードは、波長405nm、445nm、447nm、450nmのビームを発するものである。

青色レーザーは元々、実験室での好奇心から生まれたもので、ヘリウム・カドミウム、アルゴン、クリプトンガスをベースにしていた。1992年ごろの時点では、青色レーザーの出力は、ヘリウム、カドミウム、アルゴン、クリプトンのいずれかのガスをベースにしていました。1992年当時、青色レーザーの光出力はわずか130mWで、熱の形で1キロワットのエネルギーを発生していた。しかし、端面発光型青色半導体レーザー・ダイオードの登場によって状況は一変した。その直後（2000年頃）、青色レーザーが電気-光パワー変換に有利であることが明らかになった。

ブルーレイ技術と高出力プロジェクターの登場は、青色半導体レーザーの最初の主要市場の誕生をもたらした。これにより、青色レーザーの新しい改良型の開発が加速された。青色レーザーは、イオンレーザー、色素レーザー、半導体レーザーダイオード、ダイオード励起固体レーザー[DPSS]など、さまざまな種類のレーザーで実現可能だが、現在、市場で人気が高まっているのは半導体青色レーザーダイオードである。この魅力的な波動は、青色レーザーダイオードの一様に優れた電気-光効率、小型サイズ、高い動作温度と寿命に起因している。

青色レーザーダイオードの電気-光効率は約30％の傾向があり、室温では39％にも達する。一方、産業用Yb:YAG薄型ディスクレーザーの励起に使用される940nmレーザーダイオードの電気-光変換効率は、通常46%程度です。その後の光-光変換プロセス（Yb:YAG薄型ディスクレーザーの励起）では、光-光変換効率は最大77%に達しますが、一般的な光変換効率は41%程度です。このため、Yb-YAG薄型ディスク・レーザー・ベースのモジュールでは、電気-光変換効率は全体で18.8％（代表値）、最大35.4％（実験室）となる。これは、青色レーザーで達成できるものよりも劣っている。

Yb:YAGレーザーは、一般的に1030nmと1050nmの赤外領域でレーザーを発振し、高いビーム品質で1kWを超える回折限界出力が得られ、回折限界のないビーム品質ではさらに大きな出力が得られる。とはいえ、青色レーザーとは異なり、Yb:YAGレーザーはかなりかさばり、コストも高い。

多くのアプリケーションでは、ファイバーレーザーやCO2レーザーのような特定の赤外レーザーの代わりに青色レーザーを組み込むことも有利です。ファイバーレーザーは、BPP（ビームパラメータ積）が低いため、マルチモード青色ダイオードレーザーよりも小さなスポットサイズに集光することができますが、より大きな冷却システムを必要とします。さらに、例えば銅のような様々な金属を効率的に加工することはできません。銅は、入射する1.064μmの赤外光の5％、入射する10.6μmの赤外光の1％未満を吸収しますが、入射する450nmの青色レーザー光の65％を室温で吸収します。一方、CO2レーザーは価格対出力比が低いにもかかわらず、銅はCO2レーザー光の1%未満しか吸収しません。CO2レーザーはまた、電気から光へのパワー変換が約7.5%と非常に低いという問題を抱えています。そのため、30Wの光パワーのCO2レーザーでは、銅に吸収される光パワーは0.3W未満です（これは加工することさえできません）。同時に、30WのCO2レーザー・ユニットは約400Wの電力を消費し、電気代が高くなるという隠れたコストが発生します。CO2レーザーユニットと比較して、青色レーザーはビームウエストが小さいため、ユーザーはより高い精度を達成し、より幅広い材料を加工することができます。Opt Lasersの青色レーザーダイオードモジュールと レーザーヘッドは、高い信頼性、低い消費電力を提供し、金属を含むより幅広い材料を処理できるため、しばしば代替ソリューションよりも優れた選択肢となります。

最新の青色レーザーダイオードモジュールは、通常、異なる利得媒体を含む青色半導体レーザーダイオードをベースにしています。選択する利得媒体は、生成される光ビームの特性を決定します。すべての青色半導体レーザーダイオードは異なる特性を持っています。これには、出力、波長、寿命、動作温度、集光できる大きさ、効率などが含まれます。青色レーザーを設計する際には、その他の技術的な考慮事項も重要です。

例えば、Opt Lasersのレーザーヘッドで使用されている、GaN基板を持つInGaNレーザーダイオード（445 - 450 nm帯で発振）は、非常に有用なタイプの青色レーザーです。これは、そのコンパクトなサイズ、優れたコスト効率、幅広いアプリケーション、85～90℃という高い動作温度（青色レーザーダイオードは、通常60℃までフルパワーで発振可能）、そして向上し続ける性能のためです。

窒化ガリウム(GaN)は、ウルツ鉱型結晶構造を持つIII/V族直接バンドギャップ半導体の2元系で、高い熱容量と熱伝導率を持つため、レーザーダイオード基板として最適です。しかし、GaNベースのレーザーダイオード製造プロセスは、その温度感受性、ホール移動度、3.42Vという高いバンドギャップのために、困難であることが判明するかもしれない。現在、商業的に生産されている青色レーザーダイオードは、GaN層でコーティングされたサファイア表面を利用している。

このようなダイオードの最初の例は、日亜化学工業のNUBM44であった。Opt Lasersの現在の6Wレーザーダイオードは、20,000時間の動作寿命を誇り、市場で入手可能な持続的に使用可能な最高出力の青色レーザーダイオードである。

青色レーザーダイオードは、その寿命に大きな影響を与えることなく、高い動作温度を持つことができる。これは、その高い許容接合部温度（～130℃）のためでもあります。これにより、リッジが狭くなり、より高い輝度と、より強く集光されたビームを得ることができます。さらに、高出力青色レーザーダイオードがオーバードライブなしで達成できる出力パワーは、他のレーザーダイオードに比べて著しく高い。これに加えて、青色レーザーは、青色レーザービームの波長が短いため、近赤外レーザーや赤外レーザーよりも小さなスポットサイズに集光することができます。青色レーザーのビームパラメータ積（BPP）は、CO2レーザーのBPPの2～20分の1です。最後に、ブルーレイ、自動車、プロジェクター業界における青色レーザー・ダイオードのブームのおかげで、最近の世代の青色レーザー・ダイオードは驚くほど安価でコスト効率が良くなっている。その結果、青色レーザーはその堅牢性、信頼性、 コスト効率、高出力密度でよく知られるようになった。

マルチモード青色レーザーダイオードのエミッタは、高速（縦）軸にシングルモード特性を持ち、低速（横）軸にマルチモード特性を持つことは注目に値する。このため、焦点でのビーム形状はわずかに非対称な矩形楕円形となる。また、一方の軸の発散は、他方の軸の発散よりも数倍高い。その結果、青色レーザーシステムのエンジニアリングは、すべての軸を個別に分析・設計する必要があるため、困難となる可能性があります。さらに、より複雑なシステムには、適切なレーザーダイオードを選択する必要があり、その他のコンポーネントも必要です。私たちのチームは、お客様のあらゆるご質問にお答えし、ご希望の科学用レーザーや 産業用レーザーを最短5週間でカスタムメイドすることも可能です。

結局のところ、青色レーザーの最大の利点は、金属が青色レーザー光線を効率的に吸収することです。これは、あらゆる材料を加工できる万能レーザーがあることを意味します。その上、総出力は低いものの、青色レーザーヘッドはCO2レーザーよりもはるかに高い出力密度を特徴としている。さらに、青色レーザービームはガスレーザーよりも一次元が小さいにもかかわらず、ビームをより効果的に使用することができる。これは、青色レーザービームの 高出力密度と高吸収率の結果として生じる。これは、多くの彫刻用途において重要な利点となります。軸の選択に応じて、彫刻の輪郭を90度回転させれば、より広い彫刻か、より深く狭い彫刻を達成することができる。青色レーザーは、木材や革のような他の材料と同様に、チタン、銅、または金のような広範囲の材料を効果的に加工することができます。

上のグラフに示すように、445 nm (0.445 µm)の青色レーザービームは、Nd:YAG (1064 nm)、CO2 (10600 nm)、ファイバー(通常1030 - 2050 nm)レーザーよりも金属に対する吸収率が著しく高い。同時に、シングルモードの青色レーザーは、50%高い出力密度を達成することが可能です。これは、青色レーザーが、CO2やNd:YAGレーザーと比較して、同じ出力レベルで数倍から20倍近いエネルギーを被照射物に照射できることを意味します。

青色レーザービームの出力は、非球面レンズを挟んで光ファイバーに結合することもできます。この種のシステムは、ファイバー結合（またはファイバー統合）ダイオード・レーザーと呼ばれ、他のソリューションに比べていくつかの利点があります：

1. ファイバー結合型ダイオード・レーザーは、ビーム・ウエストが良好です。青色レーザーのビームウエストは、対称的で均質な円形です。
2. 光ファイバーは、多くのCNCマシンに簡単に取り付けることができる。
3. ファイバーは軽量であるため、CNCマシンの高速動作を阻害しない。

その結果、ファイバー結合青色レーザーシステムは、レーザー切断やレーザー彫刻などの材料加工技術にとって興味深い選択肢となる。

科学と産業における応用

フォトニクスにおける青色レーザの応用という観点から見ると、青色レーザは、その実用的な出力範囲と高周波制御電流による容易な変調により、非常に便利なデバイスです。青色レーザーの用途としては、固体レーザー、量子ドットや単一量子エミッター（SQE）の励起、レーザー顕微鏡、分光、表面走査、レーザー印刷、センサー、RBG光源（蛍光体など）の励起などがあります。例えば、青色レーザーセンサーを使用すると、波長が短いため、高度に研磨された光沢のある表面でより優れた性能を発揮するため有利である。対照的に、赤色光はそのような表面によって歪められ、「スペックル」効果が生じる。その結果、ディテクターは信号ノイズにさらされ、測定精度が低下する。一方、青色レーザー・センサーは、スペックルの量が著しく少なく、非常に効率的に動作することができる。そのため、青色レーザーを使用することで、赤色レーザーセンサーとは対照的に、通常2～3倍ノイズレベルが低下する。

さらに、青色レーザーは、綿、ポリエステル、ビスコース、フェルト、フリース、皮革、椅子張り、グラスファイバーなどの繊維の迅速な切断、装飾、パーソナライゼーションにも使用できる。さらに、青色レーザーは、レーザーショーのための優れた魅惑的な選択肢となります。

医療もまた、青色レーザーを広範に使用することで知られている。手術中に人体に配置されるチタン要素の大部分は、青色レーザーでマーキングされる。さらに、青色レーザーは蛍光顕微鏡の照明光源として使用される。

その上、材料の加熱、切断、溶接などの産業用途は、優れた出力吸収の恩恵を受けています。チタン、銅、金などの材料は、青色レーザーのエネルギーを約65～80％吸収することができます。赤外レーザーの吸収率が低いと（5％）、加工された金属の塊全体に欠陥が多くなるため、これは溶接の場合に特に有効です。逆に、青色レーザーは、薄い金属をほとんど欠陥なく迅速かつ確実に接合する場合に非常に適している。高い青色レーザービームの吸収率は、レーザー金属蒸着と粉末成長法の両方において、積層造形の組立速度を速めることもできる。これは使用する材料にもよるが、青色レーザーを採用することで3倍から10倍の速度向上が期待できる。それに加えて、青色レーザーの小さな集光スポットサイズは、さらに2つの利点をもたらす。まず、設定された光学系において、450nmのビームウエストは1080nmのビームウエストの半分以下である。したがって、青色レーザービームを使用することで、完成品のフィーチャースケーリング能力、解像度、精度を向上させることができる。さらに、IRビームで可能な解像度と同じであれば、青色レーザーは4倍の面積で同じ解像度を提供できる。明らかに、製造品質と加工速度の卓越した潜在的向上は、非常に好都合である。

全体として、青色レーザーシステムは、多くの具体的な用途で非常に人気がある。その一例が、当社のPLH3D-XT-50レーザーヘッドまたはPLH3D-6W-XF+レーザーヘッドとμSpotレンズアップグレードです：

レーザーアップグレードを比較して、最適なモデルをお選びください

PLH3D-XT-50

高精度レーザー彫刻

• 光学出力 6 W
• Ultra HD 550 DPI – スポット径 45 μm
• 最大木材切断（1パス）：3 mm (⅛")
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• マニュアル付きプラグ＆プレイ・キット

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★ ベストチョイス ★

PLH3D-XT8

高出力レーザー切断＆彫刻

• 光学出力 45 W
• HD 125 DPI – スポット径 180 μm
• 最大木材切断（1パス）：20 mm (¾")
• 高速彫刻および深切断に最適
• 木材彫刻 350 mm/s (827 inch/min)
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• マニュアル付きプラグ＆プレイ・キット

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PLH3D-XF+

エントリーレベル・ソリューション

• 光学出力 6 W
• 標準 85 DPI – スポット径 300 μm
• 最大木材切断（複数パス）：3 mm (⅛")
• ホビー用途や小規模クリエイティブ案件に最適
• マニュアル付きプラグ＆プレイ・キット

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