Niebieski laser i jego zastosowania w przemyśle i nauce

High Power 15 W Blue Laser with Three Blue Laser Diodes

Czym jest niebieski laser?


Niebieski laser to urządzenie emitujące wiązkę światła o długości fali w zakresie od 400 nm do 500 nm, widoczną dla ludzkiego oka jako fioletowa lub niebieska. Wytwarzana wiązka światła jest spójna czasowo i może być dobrze skolimowana, co pozwala na jej liczne zastosowania w przemyśle i nauce. Charakterystyka różnych laserów niebieskich zależy głównie od różnych ośrodków wzmocnienia i ich właściwości. Termin niebieski laser może odnosić się do jednego z poniższych:

  1. Kompaktowy laser o dużej mocy Głowica laserowa o długości fali 400-500 nmmodułu laserowego do zastosowań przemysłowych, naukowych i hobbystycznych. Oprócz rozmiaru, inną główną różnicą w stosunku do standardowych modułów laserowych jest to, że głowice laserowe są zaprojektowane tak, aby osiągnąć najwyższą gęstość mocy w skupionym punkcie wiązki przy zachowaniu długiej żywotności.
  2. A Moduł laserowy o długości fali 400-500 nmktóry ma większy rozmiar niż głowica laserowa, chociaż głowice laserowe są czasami nazywane po prostu modułami laserowymi.
  3. A Dioda laserowa o długości fali 400-500 nm. Najpopularniejsze niebieskie di ody laserowe to te, które emitują wiązki o długości fali 405 nm, 445 nm, 447 nm i 450 nm.

405nm Laser Diodes - Violet Laser Diodes
405 nm Laser Diode - Violet Laser Diode
445nm Laser Diodes - Blue Laser Diodes

Niebieskie lasery pierwotnie powstały jako ciekawostka laboratoryjna i były oparte na gazie helowo-kadmowym, argonie lub kryptonie. W tym momencie, ok. 1992 roku, niebieskie lasery były w stanie emitować jedynie 130 mW mocy optycznej, generując przy tym kilowat energii w postaci ciepła. Niemniej jednak sytuacja zmieniła się wraz z innowacjami wprowadzonymi przez emitujące krawędź niebieskie półprzewodnikowe diody laserowe. Wkrótce potem (ok. 2000 r.) stało się oczywiste, że niebieskie lasery mogą charakteryzować się korzystną konwersją mocy elektrycznej na optyczną.

Pojawienie się technologii Blu-Ray i projektorów o dużej mocy spowodowało narodziny pierwszego dużego rynku dla niebieskich diod laserowych. Przyspieszyło to rozwój nowych i ulepszonych ich odmian. Chociaż niebieskie światło laserowe można uzyskać za pomocą różnych typów laserów (takich jak lasery jonowe, lasery barwnikowe, półprzewodnikowe diody laserowe i lasery półprzewodnikowe z pompą diodową [DPSS]), to właśnie półprzewodnikowe niebieskie diody laserowe zyskują coraz większą popularność na rynku. Ten wzrost atrakcyjności wynika z równomiernie dobrej sprawności elektryczno-optycznej, małych rozmiarów, wysokich temperatur pracy i żywotności niebieskich diod laserowych.

Sprawność elektryczno-optyczna niebieskich diod laserowych wynosi zwykle około 30% i aż 39% w temperaturze pokojowej. Z drugiej strony, diody laserowe 940 nm, które są używane do pompowania przemysłowych laserów cienkowarstwowych Yb:YAG, mają zazwyczaj sprawność elektryczną do optycznej w zakresie 46%. Późniejszy proces konwersji optycznej na optyczną, czyli pompowanie lasera cienkowarstwowego Yb:YAG, osiąga sprawność optyczną do 77%, chociaż typowa konwersja optyczna wynosi około 41%. Daje to ogólną sprawność konwersji elektrycznej na optyczną dla modułów opartych na laserach cienkowarstwowych Yb-YAG wynoszącą od 18,8% (typowo) do 35,4% (w laboratorium). Jest to wynik gorszy od tego, jaki można osiągnąć w przypadku laserów niebieskich.

Lasery Yb:YAG zazwyczaj świecą w podczerwieni, przy długości fali 1030 nm i 1050 nm, z mocą wyjściową powyżej 1 kW ograniczoną dyfrakcją i wysoką jakością wiązki, a nawet większą mocą przy jakości wiązki nieograniczonej dyfrakcją. Niemniej jednak, w przeciwieństwie do laserów niebieskich, lasery Yb:YAG są dość nieporęczne i kosztowne.

W wielu zastosowaniach korzystne jest również zastosowanie niebieskiego lasera zamiast niektórych laserów na podczerwień, takich jak lasery światłowodowe i lasery CO2. Podczas gdy lasery światłowodowe można praktycznie skupić na mniejszym rozmiarze plamki niż wielomodowe niebieskie lasery diodowe ze względu na niższy BPP (Beam Parameter Product), wymagają one większego systemu chłodzenia. Ponadto nie mogą one skutecznie przetwarzać różnych metali, takich jak na przykład miedź. Miedź pochłania 5% padającego światła podczerwonego 1,064 µm i <1% padającego światła podczerwonego 10,6 µm, ale 65% padającej niebieskiej wiązki laserowej 450 nm w temperaturze pokojowej. Z drugiej strony, pomimo niskiego stosunku ceny do mocy laserów CO2, miedź pochłania <1% światła lasera CO2. Lasery CO2 cierpią również z powodu bardzo słabej konwersji mocy elektrycznej na optyczną, wynoszącej około 7,5%. Z tego powodu tylko <0,3 W mocy optycznej jest pochłaniane przez miedź dla lasera CO2 o mocy optycznej 30 W (co nawet nie pozwala na jego przetwarzanie). Jednocześnie laser CO2 o mocy optycznej 30 W zużywa około 400 W energii elektrycznej, co wiąże się z ukrytymi kosztami w postaci wyższych rachunków za prąd. W porównaniu do laserów CO2, niebieskie lasery oferują mniejszą szerokość wiązki, co pozwala użytkownikowi osiągnąć większą precyzję i przetwarzać szerszy zakres materiałów. Moduły niebieskich diod laser owych i głowice laserowe Opt Lasers są często lepszym wyborem niż alternatywne rozwiązania, ponieważ oferują wysoką niezawodność, niższe zużycie energii i mogą przetwarzać szerszy zakres materiałów, w tym metale.


Przewaga konkurencyjna niebieskich głowic laserowych Opt Lasers


15 W Blue Laser - PLH3D-15W from Opt Lasers Grav

Nowoczesne moduły niebieskich diod laserowych są zazwyczaj oparte na niebieskich półprzewodnikowych diodach laserowych z różnymi mediami wzmacniającymi. Wybrany środek wzmacniający określa właściwości wytwarzanej wiązki światła. Każda niebieska dioda laserowa ma inną charakterystykę. Obejmują one moc, długość fali, żywotność, temperaturę pracy, jak mały może być skupiony i wydajność. Podczas projektowania diody ważne są również inne względy techniczne.

Na przykład, diody laserowe InGaN z podłożem GaN (emitujące światło w paśmie 445 - 450 nm), stosowane w głowicach laserowych Opt Lasers, są niezwykle użytecznym typem niebieskich laserów. Dzieje się tak ze względu na ich kompaktowy rozmiar, dużą opłacalność, szeroki zakres zastosowań, temperatury pracy sięgające 85-90°C (niebieskie diody laserowe mogą świecić z pełną mocą do typowo 60°C) i stale poprawiającą się wydajność.

Azotek galu (GaN), binarny półprzewodnik z bezpośrednim pasmem wzbronionym III/V o strukturze krystalicznej Wurtzite, jest doskonałym podłożem dla diod laserowych ze względu na wysoką pojemność cieplną i przewodność cieplną. Proces produkcji diod laserowych opartych na GaN może jednak okazać się wyzwaniem ze względu na jego wrażliwość na temperaturę, ruchliwość dziur i wysoką przerwę pasmową wynoszącą 3,42 V. Obecnie komercyjnie produkowane niebieskie diody laserowe wykorzystują szafirowe powierzchnie pokryte warstwą GaN.

Pojedyncza niebieska dioda laserowa może obecnie (stan na lipiec 2021 r.) osiągnąć długotrwałą moc wyjściową do 6 W. Pierwszym przykładem takiej diody była NUBM44 firmy Nichia. Niedawno kilka innych firm opracowało i skomercjalizowało niebieskie diody laserowe o mocy 5+ W. Obecna dioda laserowa Opt Lasers o mocy 6 W ma żywotność 20 000 godzin i jest najwyższą dostępną na rynku niebieską diodą laserową o zrównoważonej mocy.

Niebieskie diody laserowe mogą mieć wysoką temperaturę pracy bez znaczącego wpływu na ich żywotność. Wynika to częściowo z ich wysokiej dopuszczalnej temperatury złącza (~130C); pozwala to na węższy grzbiet, co skutkuje wyższą jasnością i bardziej skupioną wiązką. Co więcej, moc wyjściowa, którą można osiągnąć za pomocą niebieskich diod laserowych o dużej mocy bez ich przesterowania, jest znacznie wyższa w porównaniu z innymi diodami laserowymi. Ponadto, niebieskie lasery mogą być skupiane do mniejszego rozmiaru plamki niż lasery NIR i IR, co wynika z krótszych długości fal niebieskich wiązek laserowych. Dodatkowym czynnikiem umożliwiającym ogniskowanie niebieskiego lasera na mniejszej plamce jest jego iloczyn parametrów wiązki (BPP), ponieważ BPP niebieskich głowic laser owych jest 2-20 razy mniejszy niż BPP laserów CO2. Wreszcie, dzięki boomowi na niebieskie diody laserowe w branży Blu-Ray, motoryzacyjnej i projektorowej, ostatnie generacje niebieskich diod laserowych stały się niezwykle tanie i opłacalne. W rezultacie niebieskie lasery stały się dobrze znane ze swojej solidności, niezawodności, opłacalności i wysokiej gęstości mocy wyjściowej.

Warto zauważyć, że emiter wielomodowej niebieskiej diody laserowej ma charakterystykę jednomodową na osi szybkiej (pionowej) i wielomodową na osi wolnej (poziomej). Skutkuje to lekko asymetrycznym, prostokątno-eliptycznym kształtem wiązki w ognisku. Ponadto rozbieżność w jednej z osi jest kilkakrotnie wyższa niż w drugiej. W rezultacie inżynieria systemu niebieskiego lasera może okazać się wyzwaniem, ponieważ każda oś musi być analizowana i projektowana oddzielnie. Ponadto, ponieważ bardziej złożone systemy wymagają doboru odpowiednich diod laserowych, a także innych komponentów, nasz zespół jest tutaj, aby odpowiedzieć na wszystkie pytania i może nawet zbudować niestandardowy laser naukowy lub laser przemysłowy w ciągu zaledwie 5 tygodni.


Lasery niebieskie a lasery na podczerwień i CO2


Największą zaletą niebieskich laserów jest to, że metale skutecznie pochłaniają niebieskie wiązki laserowe. Oznacza to, że mamy do czynienia z uniwersalnym laserem, który może przetwarzać dowolny materiał. Co więcej, pomimo niższej mocy całkowitej, głowice laserów niebieskich charakteryzują się znacznie wyższą gęstością mocy niż lasery CO2. Co więcej, mimo że wiązki niebieskiego lasera są mniejsze w jednym wymiarze niż w przypadku laserów gazowych, wiązkę można wykorzystać znacznie efektywniej. Wynika to z wysokiej gęstości mocy i wysokiego współczynnika absorpcji wiązki niebieskiego lasera. Jest to znacząca zaleta w przypadku wielu zastosowań grawerskich. W zależności od wyboru osi, można uzyskać szersze grawerowanie lub głębsze i węższe, jeśli kontur grawerowania zostanie obrócony o 90 stopni. Niebieskie lasery mogą skutecznie przetwarzać szeroką gamę materiałów, takich jak tytan, miedź lub złoto, a także inne materiały, takie jak drewno lub skóra.


Blue Laser Absorption Characteristics

Jak pokazano na powyższym wykresie, wiązka niebieskiego lasera o długości fali 445 nm (0,445 µm) charakteryzuje się znacznie wyższym współczynnikiem absorpcji metali niż lasery Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) i światłowodowe (zazwyczaj 1030-2050 nm). Jednocześnie niebieskie lasery jednomodowe są w stanie osiągnąć o 50% wyższą gęstość mocy. Oznacza to, że niebieski laser może wyładować od kilku do prawie 20 razy więcej energii w oświetlanym materiale przy tym samym poziomie mocy w porównaniu do laserów CO2 i Nd:YAG.


Głowica niebieskiego lasera µSpot firmy Opt Lasers z pryzmatami anamorficznymi (PLH3D-XT-50)Laser światłowodowy CW czołowego producentaTypowa głowica lasera CO2
Długość fali [nm] 445 1064 10600
Średnia moc [W] 6.0 50.0 75
Rozmiar wiązki [µm] 50 na 4.0 11 64
Średnia gęstość mocy [kW/cm2] 3,000 12,900 580
Absorpcja na miedzi [%] 65 5 <1
Gęstość mocy pochłoniętej przez miedź [kW/cm2] 1,900 600 5
Żywotność [h] 30,000 100,000 1,000-3,000
Napięcie zasilania [V] 12-24 DC 110-220 AC 100-240 AC
Widoczność Widoczny Niewidoczny Niewidoczny
Wymiary [cm] 4 x 5,5 x 10,5 13,2 x 40,3 x 44,8 4 x 6 x 16
Waga urządzenia [kg] 0.22 19 1
Cena [k$] 1.0 18 1.5
Koszt za kW średniej mocy [k$] 170 360 20
Koszt na kW gęstości mocy [$] 0.33 1.4 2.6
Koszt na kW gęstości mocy pochłanianej na miedzi [$] 0.51 30 300

Moduły światłowodowe


Wiązka wyjściowa niebieskiego lasera może być również sprzężona ze światłowodem za pomocą soczewki asferycznej. Ten rodzaj systemu nazywany jest laserem diodowym sprzężonym ze światłowodem (lub zintegrowanym ze światłowodem) i ma kilka zalet w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami:

  1. Lasery diodowe sprzężone z włóknami charakteryzują się dobrą jakością talii wiązki. Wiązka niebieskiego lasera jest symetryczna, jednorodna i okrągła.
  2. Światłowody można łatwo zainstalować na wielu maszynach CNC.
  3. Nie ograniczają one szybkiej pracy maszyny CNC, ponieważ światłowód jest lekki.

Sprawia to, że systemy niebieskiego lasera sprzężonego z włóknem są interesującą opcją dla technik obróbki materiałów, takich jak cięcie laserowe i grawerowanie laserowe.


Zastosowania w nauce i przemyśle


Z punktu widzenia zastosowań niebieskich laserów w fotonice, są one bardzo wygodnymi urządzeniami ze względu na ich praktyczny zakres mocy wyjściowych i łatwą modulację prądem sterującym o wysokiej częstotliwości. Zastosowania niebieskich laserów obejmują między innymi pompowanie laserów na ciele stałym, kropek kwantowych lub pojedynczych emiterów kwantowych (SQE), mikroskopię laserową, spektroskopię, skanowanie powierzchni, drukowanie laserowe, czujniki i pompowanie źródeł RBG (takich jak luminofor). Na przykład, stosowanie niebieskich czujników laserowych jest korzystne, ponieważ działają one lepiej na wysoce wypolerowanych i błyszczących powierzchniach dzięki krótszej długości fali. Z kolei światło czerwone jest zniekształcane przez takie powierzchnie, co skutkuje efektem "plamki". Powoduje to, że detektor napotyka podwyższony poziom szumów sygnału, co przekłada się na niższą dokładność pomiaru. Z drugiej strony, Czujnik z niebieskim laserem może działać niezwykle wydajnie przy znacznie mniejszej ilości plamek. W związku z tym zastosowanie niebieskiego lasera skutkuje obniżeniem poziomu szumów, zwykle od dwóch do trzech razy w porównaniu do czujników z czerwonym laserem.

Co więcej, niebieskie lasery mogą być również wykorzystywane w przemyśle tekstylnym do szybkiego cięcia, dekoracji i personalizacji tkanin, takich jak bawełna, poliester, wiskoza, filc, polar, skóra, tkaniny tapicerskie i tkaniny z włókna szklanego. Co więcej, niebieskie lasery stanowią doskonały i urzekający wybór do pokazów laserowych.

Medycyna jest również znana z szerokiego wykorzystania niebieskich laserów. Większość tytanowych elementów umieszczanych w ludzkim ciele podczas operacji jest znakowana niebieskimi laserami. Dodatkowo, niebieskie lasery są wykorzystywane jako źródło oświetlenia w mikroskopii fluorescencyjnej.

Co więcej, zastosowania przemysłowe, takie jak podgrzewanie materiałów, cięcie i spawanie, korzystają z dobrej absorpcji mocy. Materiały takie jak tytan, miedź czy złoto są w stanie zaabsorbować około 65-80% energii z niebieskiego lasera. Jest to szczególnie przydatne w przypadku spawania, ponieważ niska absorpcja lasera na podczerwień (5%) prowadziłaby do zwiększonej ilości defektów w przetwarzanych kawałkach metalu. Z drugiej strony, niebieskie lasery są bardzo przydatne w sytuacjach, w których cienkie metale mają być szybko i niezawodnie łączone z niewielką lub zerową ilością defektów. Wysoki współczynnik absorpcji wiązki niebieskiego lasera jest również w stanie przyspieszyć tempo montażu w produkcji addytywnej, zarówno w przypadku laserowego osadzania metalu, jak i metod wzrostu złoża proszku. Chociaż zależy to od zastosowanego materiału, można oczekiwać trzy- lub dziesięciokrotnego wzrostu prędkości dzięki zastosowaniu niebieskich laserów. Poza tym, mały rozmiar plamki niebieskiego lasera prowadzi do dwóch dodatkowych korzyści. Po pierwsze, dla ustalonego systemu optycznego, talia wiązki światła o długości 450 nm jest o połowę mniejsza niż odpowiadająca jej talia wiązki o długości 1080 nm. Tak więc użycie niebieskiej wiązki laserowej może poprawić zdolność skalowania cech, rozdzielczość i precyzję gotowego produktu. Co więcej, jeśli zastosuje się tę samą rozdzielczość, która jest możliwa przy użyciu wiązki podczerwieni, niebieski laser może zapewnić taką samą rozdzielczość, ale dla obszaru czterokrotnie większego. Wyraźnie widać, że wyjątkowa potencjalna poprawa jakości produkcji i szybkości przetwarzania może być bardzo korzystna.

Podsumowując, systemy niebieskiego lasera okazują się bardzo popularne w wielu namacalnych zastosowaniach. Są solidne, niezawodne, wydajne czasowo i opłacalne, czego przykładem jest nasza głowica laserowa PLH3D-XT-50 lub głowica laserowa PLH3D-6W-XF+ z rozszerzeniem µSpot Lens Upgrade:


  • PLH3D-XT-50 Specjalistyczna głowica laserowa do grawerowania

    PLH3D-XT-50 Specjalistyczna głowica laserowa do grawerowania

    Głowica laserowa do grawerowania PLH3D-XT-50 to wszechstronne i wyspecjalizowane narzędzie przeznaczone zarówno do grawerowania, jak i cięcia. Dzięki regulowanemu rozmiarowi i kwadratowemu punktowi wiązki może osiągnąć wyjątkowo wysoką rozdzielczość i ułatwia cięcie cienkich materiałów z bardzo cienką linią

    $699.00
    W magazynie

Jeśli wymagana jest wyższa moc robocza, zdecydowanie zalecamy zapoznanie się z naszą głowicą laserową PLH3D-15W. Jeśli jednak chcesz kupić swoją pierwszą głowicę do grawerowania, możesz wypróbować naszą głowicę laserową o mocy 2 W.


  • Obniżka! -$300.00
    Głowica laserowa do grawerowania PLH3D-15W

    Głowica laserowa do grawerowania PLH3D-15W

    Prawdziwa moc optyczna 15 W w połączeniu z unikalną konstrukcją sprawia, że ta kompaktowa głowica laserowa może pracować z różnymi materiałami, w tym drewnem, skórą, metalami, tekstyliami i tworzywami sztucznymi. Posiada zintegrowaną wysokociśnieniową dyszę powietrzną i sterownik diody laserowej. Jej przemysłowa konstrukcja sprawia, że jest idealnym dodatkiem do warsztatu dla profesjonalistów.

    $1,199.00 $1,499.00
    In Stock
  • Wyprzedaż!
    Głowica laserowa do grawerowania PLH3D-2W

    Głowica laserowa do grawerowania PLH3D-2W

    Najmniejsza, ale wciąż potężna głowica laserowa z serii PLH3D. PLH3D-2W to średniej mocy głowica laserowa wyposażona w diodę laserową 450 nm i soczewkę o wysokiej rozdzielczości. Kompaktowa konstrukcja i bardzo niska waga (70 gramów) pozwalają na montaż głowicy nawet w małych i delikatnych maszynach. Sterownik wyposażony w diodę LED informuje użytkownika o uzbrojeniu głowicy laserowej.

    $99.00 $165.00
    W magazynie

Jeśli masz jakieś pytania lub chciałbyś omówić pomysł na niestandardową głowicę laser ową lub niestandardowy moduł laserowy, skontaktuj się z nami. Opt Lasers jest dumnym producentem Open End, który może przekształcić Twój pomysł w gotowy produkt w zaledwie 5 tygodni.