De blauwe laser en zijn toepassingen in industrie en wetenschap
Wat is een blauwe laser?
De blauwe laser is een apparaat dat een lichtstraal uitzendt in het golflengtebereik tussen 400 nm en 500 nm, die voor het menselijk oog zichtbaar is als violet of blauw. De geproduceerde lichtbundel is tijdelijk coherent en kan goed worden gecollimeerd, waardoor hij talrijke toepassingen kent in de industrie en de wetenschap. Kenmerken van verschillende blauwe lasers worden voornamelijk bepaald door verschillende versterkingsmedia en hun eigenschappen. De term blauwe laser kan verwijzen naar een van de volgende:
- Een compacte, krachtige laserkop met een golflengte van 400-500 nm, een lasermodule voor industriële, wetenschappelijke en hobbytoepassingen. Afgezien van de afmetingen is een ander belangrijk verschil met standaard lasermodules dat laserkoppen ontworpen zijn om de hoogste vermogensdichtheid te bereiken op de gefocuste bundelplek en tegelijkertijd een lange levensduur te behouden.
- Een lasermodule met een golflengte van 400-500 nm is groter dan een laserkop, hoewel naar laserkoppen soms gewoon verwezen wordt als lasermodules.
- Een 400-500 nm golflengte laserdiode. De populairste blauwe laserdiodes zijn laserdiodes die stralen uitzenden met een golflengte van 405 nm, 445 nm, 447 nm en 450 nm.
Blauwe lasers ontstonden oorspronkelijk als een curiositeit in het laboratorium en waren gebaseerd op Helium-Cadmium, Argon of Kryptongas. Op dat moment, ca. 1992 konden blauwe lasers slechts 130 mW optisch vermogen afgeven, terwijl ze een kilowatt energie genereerden in de vorm van warmte. De situatie veranderde echter door de innovatie van de edge-emitting blauwe halfgeleiderlaserdiodes. Kort daarna (ca. 2000) was het duidelijk dat blauwe lasers een gunstige elektrische-naar-optische vermogensomzetting konden hebben.
Het verschijnen van Blu-Ray technologie en krachtige projectoren resulteerde in de geboorte van de eerste grote markt voor blauwe laserdiodes. Dit versnelde de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde varianten. Hoewel blauw laseren mogelijk is met verschillende soorten lasers (zoals ionenlasers, kleurstoflasers, halfgeleiderlaserdiodes en diodegepompte vastestoflasers [DPSS]), zijn het halfgeleiderlaserdiodes die nu steeds meer aan populariteit winnen op de markt. Deze aantrekkingskracht komt voort uit de uniform goede elektro-optische efficiëntie, kleine afmetingen, hoge bedrijfstemperaturen en levensduur van blauwe laserdiodes.
De elektro-optische efficiëntie van blauwe laserdiodes is over het algemeen ongeveer 30% en kan oplopen tot 39% bij kamertemperatuur. Aan de andere kant hebben 940 nm laserdiodes die worden gebruikt om industriële Yb:YAG dunne schijflasers te pompen, meestal een elektrisch/optisch rendement van 46%. Het daaropvolgende optische-naar-optische conversieproces, waarbij Yb:YAG dunne schijf lasers worden gepompt, bereikt tot 77% optische-naar-optische efficiëntie, hoewel een typische optische conversie rond de 41% ligt. Dit resulteert in een totale elektrische-naar-optische omzettingsefficiëntie, voor modules op basis van Yb-YAG dunne schijflaser, van 18,8% (typisch) tot 35,4% (in het lab). Dit is inferieur aan wat kan worden bereikt met blauwe lasers.
Yb:YAG-lasers laseren meestal in het IR, bij 1030 nm en 1050 nm, met een diffractiebegrensd vermogen van meer dan 1 kW met een hoge straalkwaliteit, en zelfs grotere vermogens met een niet-diffractiebegrensde straalkwaliteit. In tegenstelling tot blauwe lasers zijn Yb:YAG-lasers echter vrij omvangrijk en duur.
In veel toepassingen is het ook voordelig om een blauwe laser te gebruiken in plaats van bepaalde IR-lasers zoals vezellasers en CO2-lasers. Vezellasers kunnen vanwege de lagere BPP (Beam Parameter Product) praktisch worden gefocust op een kleinere spotgrootte dan multimode blauwe diodelasers, maar ze vereisen een groter koelsysteem. Bovendien kunnen ze verschillende metalen, zoals bijvoorbeeld koper, niet efficiënt verwerken. Koper absorbeert 5% van het invallende 1,064 µm IR licht en <1% van het invallende 10,6 µm IR licht, maar 65% van de invallende 450 nm blauwe laserstraal bij kamertemperatuur. Aan de andere kant absorbeert koper, ondanks de lage prijs-vermogensverhouding van CO2-lasers, <1% van het CO2-laserlicht. CO2 lasers hebben ook te lijden onder een zeer slechte elektrische-naar-optische vermogensomzetting van ongeveer 7,5%. Daarom wordt slechts <0,3 W optisch vermogen geabsorbeerd op koper voor een CO2 laser met 30 W optisch vermogen (waardoor het niet eens kan worden verwerkt). Tegelijkertijd verbruikt een CO2-laserunit met een optisch vermogen van 30 W ongeveer 400 W aan elektrisch vermogen, wat de verborgen kosten van een hogere elektriciteitsrekening met zich meebrengt. Vergeleken met CO2 lasers hebben blauwe lasers een kleinere bundelomtrek, waardoor de gebruiker een hogere precisie kan bereiken en een breder scala aan materialen kan verwerken. De blauwe laserdiodemodules en laserkoppen van Opt Lasers zijn vaak een betere keuze dan alternatieve oplossingen, omdat ze een hoge betrouwbaarheid bieden , minder stroom verbruiken en een breder scala aan materialen kunnen verwerken, inclusief metalen.
Ontdek onze reeks lasersnij- en graveerproducten met geavanceerde blauwe lasertechnologie
Het concurrentievoordeel van de blauwe laserkoppen van Opt Lasers
Moderne blauwe laserdiodemodules zijn meestal gebaseerd op blauwe halfgeleiderlaserdiodes met verschillende versterkingsmedia. Het gekozen versterkingsmedium bepaalt de eigenschappen van de geproduceerde lichtbundel. Elke blauwe laserdiode heeft andere eigenschappen. Deze omvatten vermogen, golflengte, levensduur, bedrijfstemperaturen, hoe klein de diode kan worden gefocusseerd en efficiëntie. Andere technische overwegingen zijn ook belangrijk bij de ontwikkeling van een diode.
InGaN laserdiodes met een GaN substraat (met een golflengte van 445 - 450 nm), die worden gebruikt in de laserkoppen van Opt Lasers, zijn bijvoorbeeld een zeer bruikbaar type blauwe laser. Dit komt door hun compacte formaat, grote kostenefficiëntie, brede toepassingsbereik, bedrijfstemperaturen tot 85-90°C (blauwe laserdiodes kunnen op vol vermogen laseren tot typisch 60°C) en steeds betere prestaties.
Gallium Nitride (GaN), binaire III/V halfgeleider met directe bandkloof en een Wurtziet kristalstructuur, is een uitstekend laserdiodesubstraat vanwege zijn hoge warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid. Het productieproces van op GaN gebaseerde laserdiodes kan echter een uitdaging vormen vanwege de temperatuurgevoeligheid, de gatenmobiliteit en de hoge bandkloof van 3,42 V. Tegenwoordig maken commercieel geproduceerde blauwe laserdiodes gebruik van saffieroppervlakken die gecoat zijn met een GaN-laag.
Een enkele blauwe laserdiode kan momenteel (vanaf juli 2021) een langdurig uitgangsvermogen bereiken van maximaal 6 W. Het eerste voorbeeld van zo'n diode was NUBM44 van Nichia. Recentelijk hebben verschillende andere bedrijven blauwe laserdiodes ontwikkeld en gecommercialiseerd met een vermogen van 5+ W. De huidige 6 W laserdiode van Opt Lasers heeft een levensduur van 20 000 uur en is de duurzaamst gebruikte blauwe laserdiode met het hoogste vermogen op de markt.
Blauwe laserdiodes kunnen hoge bedrijfstemperaturen hebben zonder dat dit hun levensduur significant beïnvloedt. Dit is deels te danken aan hun hoge toelaatbare junctietemperatuur (~130C); hierdoor is een smallere rand mogelijk, wat resulteert in een hogere helderheid en een strakker gefocuste bundel. Bovendien is het uitgangsvermogen dat kan worden bereikt door hoogvermogen blauwe laserdiodes zonder ze te overdrijven aanzienlijk hoger in vergelijking met andere laserdiodes. Bovendien kunnen blauwe lasers worden gefocusseerd tot een kleinere spotgrootte dan NIR- en IR-lasers, wat het gevolg is van de kortere golflengte van blauwe laserstralen. Een bijkomende factor waardoor een blauwe laser kan worden gericht op een kleinere spot is het bundelparameterproduct (BPP), aangezien de BPP van blauwe laserkoppen 2-20 keer kleiner is dan de BPP van CO2-lasers. Tot slot zijn, dankzij de hausse aan blauwe laserdiodes in de Blu-Ray-, auto- en projectorindustrie, recente generaties blauwe laserdiodes opmerkelijk goedkoop en kostenefficiënt geworden. Als gevolg daarvan staan blauwe lasers bekend om hun robuustheid, betrouwbaarheid, kostenefficiëntie en hoge vermogensdichtheid.
Het is vermeldenswaard dat de emitter van een multimode blauwe laserdiode singlemode kenmerken heeft op de snelle (verticale) as en multimode kenmerken op de langzame (horizontale) as. Dit resulteert in een licht asymmetrische, rechthoekig-elliptische vorm van de bundel in het brandpunt. Ook is de divergentie in een van de assen enkele malen hoger dan in de andere. Bijgevolg kan de engineering van een blauw lasersysteem een uitdaging zijn omdat elke as afzonderlijk moet worden geanalyseerd en ontworpen. Bovendien vereisen complexere systemen de selectie van de juiste laserdiodes en andere componenten. Ons team staat klaar om al uw vragen te beantwoorden en kan zelfs een aangepaste wetenschappelijke laser of industriële laser naar keuze bouwen in slechts 5 weken.
Blauwe lasers vs IR en CO2 lasers
Uiteindelijk is het grootste voordeel van blauwe lasers dat metalen blauwe laserstralen efficiënt absorberen. Dit betekent dat je een universele laser hebt die elk materiaal kan verwerken. Bovendien hebben blauwe laserkoppen, ondanks het lagere totale vermogen, een veel hogere vermogensdichtheid dan CO2 lasers. Bovendien kan de straal veel effectiever worden gebruikt, ook al zijn blauwe laserstralen in één dimensie kleiner dan bij gaslasers. Dit is het gevolg van de hoge vermogensdichtheid en de hoge absorptiesnelheid van de blauwe laserstraal. Dit is een belangrijk voordeel bij veel graveertoepassingen. Afhankelijk van de keuze van de assen kun je een bredere gravure maken of een diepere en smallere gravure als de omtrek voor de gravure 90 graden wordt gedraaid. Blauwe lasers kunnen een breed scala aan materialen effectief bewerken, zoals titanium, koper of goud, maar ook andere materialen zoals hout of leer.
Zoals de bovenstaande grafiek laat zien, heeft de 445 nm (0,445 µm) blauwe laserstraal een aanzienlijk hogere absorptie voor metalen dan Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) en fiber (typisch 1030 - 2050 nm) lasers. Tegelijkertijd kunnen single mode blauwe lasers een 50% hogere vermogensdichtheid bereiken. Dit betekent dat een blauwe laser tussen enkele en bijna 20 keer meer energie kan afgeven aan het belichte materiaal bij hetzelfde vermogensniveau in vergelijking met CO2- en Nd:YAG-lasers.
| Opt Lasers' µSpot blauwe laserkop met anamorfe prisma's (PLH3D-XT-50) | De beste CW fiberlaser van de fabrikant | Typische CO2 Laserkop | |
|---|---|---|---|
| Golflengte [nm] | 445 | 1064 | 10600 |
| Gemiddeld vermogen [W] | 6.0 | 50.0 | 75 |
| Bundelwijdte [µm] | 50 bij 4,0 | 11 | 64 |
| Gemiddelde vermogensdichtheid [kW/cm2] | 3,000 | 12,900 | 580 |
| Absorptie op koper [%] | 65 | 5 | <1 |
| Geabsorbeerde vermogensdichtheid van koper [kW/cm2] | 1,900 | 600 | 5 |
| Levensduur [h] | 30,000 | 100,000 | 1,000-3,000 |
| Voedingsspanning [V] | 12-24 DC | 110-220 WISSELSTROOM | 100-240 WISSELSTROOM |
| Zichtbaarheid | Zichtbaar | Onzichtbaar | Onzichtbaar |
| Afmetingen [cm] | 4 x 5,5 x 10,5 | 13,2 x 40,3 x 44,8 | 4 x 6 x 16 |
| Gewicht [kg] | 0.22 | 19 | 1 |
| Prijs [k$] | 1.0 | 18 | 1.5 |
| Kosten per kW gemiddeld vermogen [k$] | 170 | 360 | 20 |
| Kosten per kW vermogensdichtheid [$] | 0.33 | 1.4 | 2.6 |
| Kosten per kW van geabsorbeerde vermogensdichtheid op koper [$] | 0.51 | 30 | 300 |
De uitgang van een blauwe laserstraal kan ook worden gekoppeld in een optische vezel met een asferische lens ertussen. Dit soort systeem wordt een vezelkoppeling (of vezelgeïntegreerde) diodelaser genoemd en heeft een aantal voordelen ten opzichte van alternatieve oplossingen:
- Vezelgekoppelde diodelasers hebben een goede straalkwaliteit. De straalomtrek van de blauwe laser is symmetrisch, homogeen en cirkelvormig.
- Optische vezels kunnen gemakkelijk op veel CNC-machines worden geïnstalleerd.
- Het belemmert de snelle werking van de CNC machine niet omdat de vezel licht van gewicht is.
Hierdoor zijn vezelgekoppelde blauwe lasersystemen een interessante optie voor materiaalbewerkingstechnieken zoals lasersnijden en lasergraveren.
Toepassingen in wetenschap en industrie
Vanuit het oogpunt van toepassingen van blauwe lasers in de fotonica zijn het zeer handige apparaten vanwege hun praktisch bereik van uitgangsvermogens en eenvoudige modulatie met hoogfrequente stuurstroom. Toepassingen van blauwe lasers zijn onder andere het pompen van vastestoflasers, kwantumstippen of enkelvoudige kwantumemitters (SQE's), lasermicroscopie, spectroscopie, oppervlaktescanning, laserprinten, sensoren en het pompen van RBG-bronnen (zoals fosfor). Het gebruik van blauwe lasersensoren is bijvoorbeeld voordelig omdat ze beter presteren op sterk gepolijste en glanzende oppervlakken dankzij hun kortere golflengte. Rood licht daarentegen wordt vervormd door dergelijke oppervlakken, wat resulteert in een 'spikkel'-effect. Hierdoor krijgt een detector te maken met verhoogde signaalruis, wat zich vertaalt in een lagere meetnauwkeurigheid. Aan de andere kant kan een blauwe lasersensor buitengewoon efficiënt presteren met een aanzienlijk lagere hoeveelheid spikkels. Als zodanig resulteert het gebruik van een blauwe laser in lagere ruisniveaus, gewoonlijk met een factor twee tot drie in vergelijking met rode lasersensoren.
Bovendien kunnen blauwe lasers ook worden gebruikt in de textielindustrie voor het snel snijden, versieren en personaliseren van stoffen zoals katoen, polyester, viscose, vilt, fleece, leer, bekleding en glasvezelstoffen, naast andere mogelijkheden. Bovendien zijn blauwe lasers een uitstekende en boeiende keuze voor lasershows.
Ook de geneeskunde maakt veel gebruik van blauwe lasers. De meeste titanium elementen die tijdens operaties in een menselijk lichaam worden geplaatst, worden gemarkeerd met blauwe lasers. Bovendien worden blauwe lasers gebruikt als verlichtingsbron bij fluorescentiemicroscopie.
Bovendien profiteren industriële toepassingen zoals het verhitten van materialen, snijden en lassen van een goede stroomabsorptie. Materialen zoals titanium, koper of goud kunnen ongeveer 65-80% energie van een blauwe laser absorberen. Dit is vooral nuttig bij het lassen, omdat de lage absorptie van een IR-laser (5%) zou leiden tot een verhoogd aantal defecten in de bewerkte stukken metaal. Omgekeerd zijn blauwe lasers zeer geschikt voor situaties waarin dunne metalen snel en betrouwbaar moeten worden verbonden met weinig tot geen defecten. De hoge absorptiesnelheid van de blauwe laserstraal kan ook de assemblagesnelheid voor additieve productie versnellen voor zowel lasermetaaldepositie als poederbedgroeimethoden. Hoewel dit afhangt van het gebruikte materiaal, kan men een snelheidsverhoging van een factor drie tot tien verwachten bij het gebruik van blauwe lasers. Daarnaast leidt de kleine focusspot van een blauwe laser tot twee extra voordelen. Ten eerste is voor een ingesteld optisch systeem de bundel taille van een 450 nm lichtstraal minder dan de helft van een overeenkomstige bundel taille van een 1080 nm lichtstraal. Het gebruik van een blauwe laserstraal kan dus de schaalbaarheid, resolutie en precisie van het eindproduct verbeteren. Bovendien, als dezelfde resolutie wordt toegepast die mogelijk is met een IR-bundel, kan een blauwe laser dezelfde resolutie leveren, maar dan voor een gebied dat vier keer zo groot is. Het is duidelijk dat de uitstekende potentiële verbetering van de productiekwaliteit en verwerkingssnelheid zeer opportuun kan zijn.
Al met al blijken blauwe lasersystemen erg populair te zijn met een overvloed aan tastbare toepassingen. Ze zijn robuust, betrouwbaar, tijdbesparend en kosteneffectief. Een voorbeeld hiervan is onze PLH3D-XT-50 laserkop of PLH3D-6W-XF+ laserkop met µSpot Lens Upgrade:
Vergelijk onze laser-upgrades en kies degene die het beste bij je past
PLH3D-XT-50
Precisiegraveren
- 6 W optisch vermogen
- Ultra HD 550 DPI – < 50 μm spot
- Max. hout snijden (1 doorgang): 3 mm (⅛")
- Beste voor fijn graveren en complexe details
- Eenvoudige Plug & Play-kit met handleidingen
PLH3D-XT8
Hoogvermogen snijden & graveren
- 45 W optisch vermogen
- HD 125 DPI – 180 μm spot
- Max. hout snijden (1 doorgang): 20 mm (¾")
- Beste voor hogesnelheidsgraveren en diep snijden
- Graveer hout met 350 mm/s (827 inch/min)
- Snijd multiplex met 22,5 mm/s (53,1 inch/min)
- Eenvoudige Plug & Play-kit met handleidingen
PLH3D-XF+
Instapoplossing
- 6 W optisch vermogen
- Standaard 85 DPI – 300 μm spot
- Max. meerdoorgangs snijden van hout: 3 mm (⅛")
- Perfect voor hobbygebruik en kleine creatieve projecten
- Eenvoudige Plug & Play-kit met handleidingen
Selecteer hieronder je CNC-machine om Plug & Play-kits te bekijken
Als u vragen hebt of een idee voor een aangepaste laserkop of een aangepaste lasermodule wilt bespreken, neem dan gerust contact met ons op. Opt Lasers is een trotse Open End Manufacturer die uw idee in slechts 5 weken kan omzetten in een kant-en-klaar product.