O laser azul e as suas aplicações na indústria e na ciência

O laser azul é um dispositivo que emite um feixe de luz na gama de comprimento de onda entre 400 nm e 500 nm, visível como violeta ou azul ao olho humano. O feixe de luz produzido é temporalmente coerente e pode ser bem colimado, o que lhe permite ter inúmeras aplicações na indústria e na ciência. As caraterísticas dos diferentes lasers azuis são predominantemente determinadas pelos diferentes meios de ganho e pelas suas propriedades. O termo laser azul pode referir-se a qualquer um dos seguintes:

1. Uma cabeça laser compacta e de alta potência com um comprimento de onda de 400-500 nm, que é um módulo laser para aplicações industriais, científicas e de lazer. Para além das considerações de dimensão, outra diferença principal em relação aos módulos laser normais é que as cabeças laser são concebidas para atingir a mais elevada densidade de potência no ponto de incidência do feixe, mantendo simultaneamente uma longa duração.
2. Um módulo laser com um comprimento de onda de 400-500 nm, que é maior do que uma cabeça laser, embora as cabeças laser sejam por vezes designadas simplesmente por módulos laser.
3. Um díodo laser com um comprimento de onda de 400-500 nm. Os díodos laser azuis mais populares são os que emitem feixes nos comprimentos de onda de 405 nm, 445 nm, 447 nm e 450 nm.

Os lasers azuis surgiram inicialmente como uma curiosidade de laboratório e baseavam-se no gás hélio-cádmio, árgon ou crípton. Nessa altura, ca. 1992, os lasers azuis eram capazes de emitir apenas 130 mW de potência ótica, gerando um quilowatt de energia sob a forma de calor. No entanto, a situação alterou-se com a inovação introduzida pelos díodos laser semicondutores azuis emissores de bordos. Pouco depois (cerca de 2000), tornou-se evidente que os lasers azuis podiam apresentar uma conversão favorável de energia eléctrica em ótica.

O aparecimento da tecnologia Blu-Ray e de projectores de alta potência resultou no nascimento do primeiro grande mercado de díodos laser azuis. Este facto acelerou o desenvolvimento de variedades novas e melhoradas dos mesmos. Embora a laserização azul seja possível com diversos tipos de lasers (como os lasers de iões, os lasers de corantes, os díodos laser semicondutores e os lasers de estado sólido com bombagem de díodos [DPSS]), são os díodos laser azuis semicondutores que estão agora a ganhar cada vez mais terreno no mercado. Este aumento de atração deve-se às eficiências eléctricas/ópticas uniformemente boas, às pequenas dimensões, às elevadas temperaturas de funcionamento e ao tempo de vida dos díodos laser azuis.

A eficiência eléctrica-ótica dos díodos laser azuis tende a ser de cerca de 30%, podendo atingir 39% à temperatura ambiente. Por outro lado, os díodos laser de 940 nm que são utilizados para bombear lasers industriais de discos finos de Yb:YAG têm normalmente uma eficiência eléctrica-ótica da ordem dos 46%. O processo subsequente de conversão ótico-ótica, que é o bombeamento do laser de disco fino Yb:YAG, atinge até 77% de eficiência ótico-ótica, embora uma conversão ótica típica seja de cerca de 41%. Isto produz uma eficiência global de conversão eléctrica-ótica, para módulos baseados em laser de disco fino Yb-YAG, de 18,8% (típica) até 35,4% (no laboratório). Esta eficiência é inferior à que pode ser obtida com lasers azuis.

Os lasers de Yb:YAG fazem normalmente a lase no infravermelho, a 1030 nm e 1050 nm, com uma potência superior a 1 kW limitada por difração com uma elevada qualidade do feixe, e potências ainda maiores com uma qualidade do feixe não limitada por difração. No entanto, ao contrário dos lasers azuis, os lasers de Yb:YAG são bastante volumosos e dispendiosos.

Em muitas aplicações, é também vantajoso incorporar um laser azul em vez de determinados lasers de infravermelhos, como os lasers de fibra e os lasers de CO2. Embora os lasers de fibra possam ser praticamente focados para um tamanho de ponto mais pequeno do que os lasers de díodo azul multimodo devido ao menor BPP (Beam Parameter Product), requerem um sistema de arrefecimento maior. Além disso, não podem processar eficazmente vários metais, como, por exemplo, o cobre. O cobre absorve 5% da luz infravermelha incidente de 1,064 µm e <1% da luz infravermelha incidente de 10,6 µm, mas 65% do feixe laser azul de 450 nm incidente à temperatura ambiente. Por outro lado, apesar da baixa relação preço/potência dos lasers de CO2, o cobre absorve <1% da luz laser de CO2. Os lasers de CO2 também sofrem de uma conversão de energia eléctrica para ótica muito fraca de cerca de 7,5%. Por esse motivo, apenas <0,3 W de potência ótica é absorvida pelo cobre para um laser de CO2 de 30 W de potência ótica (o que nem sequer permite o seu processamento). Ao mesmo tempo, uma unidade laser de CO2 de 30 W de potência ótica consome cerca de 400 W de energia eléctrica, o que acarreta um custo oculto de uma fatura eléctrica mais elevada. Em comparação com as unidades de laser de CO2, os lasers azuis oferecem uma cintura de feixe mais pequena, o que permite ao utilizador obter uma maior precisão e processar uma gama mais vasta de materiais. Os módulos de díodo laser azul e as cabeças de laser da Opt Lasers são frequentemente uma escolha superior às soluções alternativas, uma vez que oferecem uma elevada fiabilidade, um menor consumo de energia e podem processar uma gama mais vasta de materiais, incluindo metais.

Os modernos módulos de díodos laser azuis baseiam-se normalmente em díodos laser semicondutores azuis com diferentes meios de ganho envolvidos. O meio de ganho escolhido determina as propriedades do feixe de luz produzido. Cada díodo laser azul tem caraterísticas diferentes. Estas incluem a potência, o comprimento de onda, o tempo de vida, as temperaturas de funcionamento, o tamanho que pode ser focado e a eficiência. Outras considerações técnicas são também importantes aquando da engenharia de um díodo laser.

Por exemplo, os díodos laser InGaN com um substrato de GaN (com emissão de luz na banda de 445 - 450 nm), utilizados nas cabeças laser da Opt Lasers, são um tipo de laser azul extremamente útil. Isto deve-se ao seu tamanho compacto, à sua excelente relação custo-eficácia, à sua vasta gama de aplicações, às temperaturas de funcionamento que atingem 85-90°C (os díodos laser azuis podem produzir laser com potência máxima até 60°C) e a um desempenho cada vez melhor.

O nitreto de gálio (GaN), semicondutor binário III/V de intervalo de banda direto com uma estrutura cristalina de Wurtzite, é um excelente substrato para díodos laser devido à sua elevada capacidade de aquecimento e condutividade térmica. O processo de produção de díodos laser baseados em GaN pode, no entanto, revelar-se um desafio devido à sua sensibilidade à temperatura, à mobilidade dos orifícios e ao elevado intervalo de banda de 3,42 V. Atualmente, os díodos laser azuis produzidos comercialmente utilizam superfícies de safira revestidas com uma camada de GaN.

Um único díodo laser azul pode atualmente (a partir de julho de 2021) atingir uma potência de longa duração de até 6 W. O primeiro exemplo de um díodo deste tipo foi o NUBM44 da Nichia. Recentemente, várias outras empresas desenvolveram e comercializaram díodos laser azuis com uma potência de 5+ W. O atual díodo laser de 6 W da Opt Lasers tem um tempo de vida útil de 20 000 horas e é o díodo laser azul de maior potência utilizado de forma sustentável disponível no mercado.

Os díodos laser azuis podem ter temperaturas de funcionamento elevadas sem afetar significativamente a sua vida útil. Isto deve-se, em parte, às suas elevadas temperaturas de junção permitidas (~130C), o que permite uma crista mais estreita, resultando num brilho mais elevado e num feixe mais bem focado. Além disso, a potência de saída que pode ser alcançada pelos díodos laser azuis de alta potência sem os sobrecarregar é significativamente mais elevada em comparação com outros díodos laser. Além disso, os lasers azuis podem ser focados num ponto de menor dimensão do que os lasers NIR e IR, o que resulta dos comprimentos de onda mais curtos dos feixes laser azuis. Um fator adicional que permite que um laser azul seja focado num ponto mais pequeno é o seu produto de parâmetro de feixe (PPB), uma vez que o PPB das cabeças de laser azul é 2 a 20 vezes mais pequeno do que o PPB dos lasers de CO2. Por último, graças à expansão dos díodos laser azuis na indústria Blu-Ray, automóvel e de projectores, as gerações recentes de díodos laser azuis tornaram-se extremamente baratas e rentáveis. Como resultado, os lasers azuis tornaram-se conhecidos pela sua robustez, fiabilidade, eficiência de custos e elevada densidade de potência de saída.

É importante notar que o emissor de um díodo laser azul multimodo tem caraterísticas monomodo no eixo rápido (vertical) e caraterísticas multimodo no eixo lento (horizontal). Isto resulta numa forma retangular-elíptica ligeiramente assimétrica do feixe no foco. Além disso, a divergência num dos eixos é várias vezes superior à do outro. Consequentemente, a engenharia de um sistema de laser azul pode revelar-se um desafio, uma vez que cada eixo tem de ser analisado e concebido separadamente. Além disso, uma vez que os sistemas mais complexos requerem a seleção dos díodos laser adequados, bem como de outros componentes, a nossa equipa está aqui para responder a todas as suas questões e pode mesmo construir um laser científico ou industrial personalizado à sua escolha em apenas 5 semanas.

Em última análise, a maior vantagem dos lasers azuis é o facto de os metais absorverem eficazmente os feixes de laser azuis. Isto significa que tem um laser universal que pode processar qualquer material. Para além disso, apesar da potência total inferior, as cabeças de laser azul apresentam uma densidade de potência muito superior à dos lasers de CO2. Além disso, embora os feixes de laser azul sejam mais pequenos numa dimensão do que nos lasers de gás, o feixe pode ser utilizado de forma muito mais eficaz. Este facto é uma consequência da elevada densidade de potência e da elevada taxa de absorção do feixe laser azul. Trata-se de uma vantagem significativa no caso de muitas aplicações de gravação. Dependendo da escolha dos eixos, é possível obter uma gravação mais larga ou mais profunda e estreita se o contorno da gravação for rodado em 90 graus. Os lasers azuis podem processar eficazmente uma vasta gama de materiais, como o titânio, o cobre ou o ouro, bem como outros materiais como a madeira ou o couro.

Como mostra o gráfico acima, o feixe de laser azul de 445 nm (0,445 µm) apresenta uma taxa de absorção de metais significativamente mais elevada do que os lasers Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) e fibra (normalmente 1030 - 2050 nm). Ao mesmo tempo, os lasers azuis de modo único são capazes de atingir uma densidade de potência 50% superior. Isto significa que um laser azul pode descarregar entre várias e quase 20 vezes mais energia no material iluminado com o mesmo nível de potência, em comparação com os lasers de CO2 e Nd:YAG.

A saída de um feixe de laser azul também pode ser acoplada a uma fibra ótica com uma lente asférica entre eles. Este tipo de sistema é designado por laser de díodo acoplado à fibra (ou integrado na fibra) e tem várias vantagens em relação a soluções alternativas:

1. Os lasers de díodo acoplados à fibra têm uma boa qualidade de cintura de feixe. A cintura do feixe laser azul é simétrica, homogénea e circular.
2. As fibras ópticas podem ser facilmente instaladas em muitas máquinas CNC.
3. Não inibem o funcionamento a alta velocidade da máquina CNC, uma vez que a fibra é leve.

Consequentemente, este facto torna os sistemas de laser azul acoplados a fibras uma opção interessante para técnicas de processamento de materiais, como o corte e a gravação a laser.

Aplicações na ciência e na indústria

Do ponto de vista das aplicações dos lasers azuis na fotónica, são dispositivos extremamente convenientes devido ao seu âmbito prático de potências de saída e à fácil modulação com corrente de controlo de alta frequência. As aplicações dos lasers azuis incluem, entre outras, o bombeamento de lasers de estado sólido, pontos quânticos ou emissores quânticos únicos (SQEs), microscopia laser, espetroscopia, varrimento de superfícies, impressão laser, sensores e fontes RBG de bombeamento (como o fósforo). Por exemplo, a utilização de sensores laser azuis é vantajosa, uma vez que têm um melhor desempenho em superfícies altamente polidas e brilhantes, graças ao seu comprimento de onda mais curto. Em contrapartida, a luz vermelha é distorcida por essas superfícies, o que resulta num efeito de "manchas". Isto faz com que o detetor encontre um sinal de ruído elevado, o que se traduz numa menor precisão de medição. Por outro lado, um sensor laser azul pode ter um desempenho extraordinariamente eficiente com uma quantidade notavelmente menor de manchas. Como tal, a utilização de um laser azul resulta em níveis de ruído mais baixos, normalmente por um fator de dois a três, em comparação com os sensores laser vermelhos.

Além disso, os lasers azuis também podem ser utilizados na indústria têxtil para o corte rápido, decoração e personalização de tecidos como o algodão, poliéster, viscose, feltro, lã, couro, estofos e tecidos de fibra de vidro, entre outras possibilidades. Além disso, os lasers azuis são uma excelente e cativante escolha para espectáculos de laser.

A medicina também é conhecida pela utilização extensiva de lasers azuis. A maioria dos elementos de titânio colocados no corpo humano durante as cirurgias é marcada com lasers azuis. Além disso, os lasers azuis são utilizados como fonte de iluminação na microscopia de fluorescência.

Além disso, as aplicações industriais, como o aquecimento de materiais, o corte e a soldadura, beneficiam de uma boa absorção de energia. Materiais como o titânio, o cobre ou o ouro são capazes de absorver cerca de 65-80% da energia de um laser azul. Isto é particularmente útil no caso da soldadura, uma vez que a baixa absorção de um laser IR (5%) levaria a uma quantidade elevada de defeitos nos pedaços de metal processados. Por outro lado, os lasers azuis são muito adequados para situações em que os metais finos devem ser unidos de forma rápida e fiável, com poucos ou nenhuns defeitos. A elevada taxa de absorção do feixe de laser azul é também capaz de acelerar a taxa de montagem para o fabrico aditivo, tanto para os métodos de deposição de metal a laser como para o crescimento em leito de pó. Embora isto dependa do material utilizado, pode esperar-se um aumento de velocidade por um fator de três a dez com a adoção de lasers azuis. Para além disso, o pequeno tamanho do ponto de focagem de um laser azul conduz a duas vantagens adicionais. Em primeiro lugar, para um sistema ótico definido, a cintura de feixe de um feixe de luz de 450 nm é menos de metade da cintura de feixe correspondente de um feixe de 1080 nm. Assim, a utilização de um feixe de laser azul pode melhorar a capacidade de dimensionamento das caraterísticas, a resolução e a precisão do produto acabado. Além disso, se for aplicada a mesma resolução que é possível com um feixe IR, um laser azul pode fornecer a mesma resolução, mas para uma área quatro vezes maior. É evidente que a melhoria potencial da qualidade de fabrico e da velocidade de processamento pode ser altamente oportuna.

Em suma, os sistemas de laser azul estão a revelar-se muito populares com uma quantidade abundante de aplicações tangíveis. São robustos, fiáveis, eficientes em termos de tempo e económicos, sendo um exemplo disso a nossa cabeça laser PLH3D-XT-50 ou a cabeça laser PLH3D-6W-XF+ com µSpot Lens Upgrade:

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PLH3D-XT-50

Gravação de precisão

• 6 W de potência óptica
• Ultra HD 550 DPI – diâmetro do spot 45 μm
• Corte máximo em madeira (1 passagem): 3 mm (⅛")
• Ideal para microgravação e detalhes complexos
• Kit Plug & Play com manuais

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PLH3D-XT8

Corte e gravação de alta potência

• 45 W de potência óptica
• HD 125 DPI – diâmetro do spot 180 μm
• Corte máximo em madeira (1 passagem): 20 mm (¾")
• Ideal para gravação a alta velocidade e corte profundo
• Grava madeira a 350 mm/s (827 inch/min)
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• Kit Plug & Play com manuais

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PLH3D-XF+

Solução de entrada

• 6 W de potência óptica
• Standard 85 DPI – diâmetro do spot 300 μm
• Corte máximo em madeira com múltiplas passagens: 3 mm (⅛")
• Perfeito para hobby e pequenos projetos criativos
• Kit Plug & Play com manuais

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