Laserul albastru și aplicațiile sale în industrie și știință

Laserul albastru este un dispozitiv care emite o rază de lumină cu lungimea de undă cuprinsă între 400 nm și 500 nm, vizibilă ca violet sau albastru pentru ochiul uman. Fasciculul de lumină produs este coerent temporal și poate fi bine colimat, ceea ce îi permite să aibă numeroase aplicații în industrie și știință. Caracteristicile diferitelor lasere albastre sunt determinate în principal de diferitele medii de câștig și de proprietățile acestora. Termenul de laser albastru se poate referi la oricare dintre următoarele:

1. Un cap laser compact, de mare putere, cu lungimea de undă de 400-500 nm, care este un modul laser pentru aplicații industriale, științifice și hobby. În afară de considerentele legate de dimensiuni, o altă diferență principală față de modulele laser standard este că capetele laser sunt concepute pentru a obține cea mai mare densitate de putere la locul focalizat al fasciculului, păstrând în același timp o durată lungă de viață.
2. Un modul laser cu lungimea de undă de 400-500 nm, care are dimensiuni mai mari decât un cap laser, deși capetele laser sunt uneori denumite simplu module laser.
3. O diodă laser cu lungimea de undă de 400-500 nm. Cele mai populare diode laser albastre sunt cele care emit fascicule la lungimile de undă de 405 nm, 445 nm, 447 nm și 450 nm.

Inițial,laserele albastre au apărut ca o curiozitate de laborator și erau bazate pe gazul heliu-cadmiu, argon sau kripton. La acel moment, cca. 1992, laserele albastre erau capabile să emită doar 130 mW de putere optică, generând în același timp un kilowatt de energie sub formă de căldură. Cu toate acestea, situația s-a schimbat odată cu inovațiile aduse de diodele laser semiconductoare albastre cu emisie marginală. La scurt timp după aceea (cca. 2000), a devenit evident că laserele albastre puteau prezenta o conversie favorabilă a puterii electrice în putere optică.

Apariția tehnologiei Blu-Ray și a proiectoarelor de mare putere a dus la apariția primei piețe importante pentru diodele laser albastre. Acest lucru a accelerat dezvoltarea unor varietăți noi și îmbunătățite ale acestora. Deși laserul albastru poate fi obținut cu diverse tipuri de lasere (cum ar fi laserele cu ioni, laserele cu coloranți, diodele laser semiconductoare și laserele în stare solidă pompate prin diode [DPSS]), diodele laser albastre semiconductoare sunt cele care câștigă acum tot mai mult teren pe piață. Această creștere a atractivității se datorează randamentelor electrice-optice uniform bune, dimensiunilor mici, temperaturilor de funcționare și duratei de viață ridicate ale diodelor laser albastre.

Randamentul electric/optic al diodelor laser albastre tinde să fie de aproximativ 30% și poate ajunge până la 39% la temperatura camerei. Pe de altă parte, diodele laser de 940 nm care sunt utilizate pentru pomparea laserelor industriale cu disc subțire Yb:YAG au în general o eficiență electrică-optică de 46%. Procesul ulterior de conversie optică-optică, care constă în pomparea laserului cu disc subțire Yb:YAG, atinge o eficiență optică-optică de până la 77%, deși o conversie optică tipică este de aproximativ 41%. Rezultă astfel o eficiență globală a conversiei electric-optic, pentru modulele bazate pe laser cu disc subțire Yb-YAG, de 18,8% (tipic) până la 35,4% (în laborator). Aceasta este inferioară celei care poate fi obținută cu laserele albastre.

De obicei, laserele Yb:YAG produc laser în infraroșu, la 1030 nm și 1050 nm, cu o putere limitată prin difracție de peste 1 kW, cu o calitate ridicată a fasciculului, și puteri chiar mai mari, cu o calitate a fasciculului care nu este limitată prin difracție. Cu toate acestea, spre deosebire de laserele albastre, laserele Yb:YAG sunt destul de voluminoase și costisitoare.

În multe aplicații, este, de asemenea, avantajos să se includă un laser albastru în locul anumitor lasere IR, cum ar fi laserele cu fibră și laserele CO2. În timp ce laserele cu fibră pot fi practic focalizate la o dimensiune mai mică a spotului decât laserele cu diode albastre multimodale datorită BPP (Beam Parameter Product) mai mic, acestea necesită un sistem de răcire mai mare. În plus, acestea nu pot prelucra eficient diverse metale, cum ar fi, de exemplu, cuprul. Cuprul absoarbe 5% din lumina IR incidentă de 1,064 µm și <1% din lumina IR incidentă de 10,6 µm, dar 65% din raza laser albastră incidentă de 450 nm la temperatura camerei. Pe de altă parte, în ciuda raportului preț-putere scăzut al laserelor CO2, cuprul absoarbe <1% din lumina laserului CO2. De asemenea, laserele CO2 suferă de o conversie foarte slabă a puterii electrice în putere optică de aproximativ 7,5%. Din această cauză, doar <0,3 W de putere optică este absorbită pe cupru pentru un laser CO2 cu putere optică de 30 W (ceea ce nu permite nici măcar procesarea acestuia). În același timp, o unitate laser CO2 cu putere optică de 30 W consumă aproximativ 400 W de energie electrică, ceea ce implică un cost ascuns de factură electrică mai mare. Comparativ cu unitățile laser CO2, laserele albastre oferă o talie mai mică a fasciculului, ceea ce permite utilizatorului să obțină o precizie mai mare și să prelucreze o gamă mai largă de materiale. Modulele cu diode laser albastre și capetele laser Opt Lasers sunt adesea o alegere superioară față de soluțiile alternative, deoarece oferă fiabilitate ridicată, consum redus de energie și pot prelucra o gamă mai largă de materiale, inclusiv metale.

Modulele moderne cu diode laser albastre se bazează de obicei pe diode laser semiconductoare albastre cu diferite medii de câștig implicate. Mediul de câștig ales determină proprietățile fasciculului de lumină produs. Fiecare diodă laser albastră are caracteristici diferite. Acestea includ puterea, lungimea de undă, durata de viață, temperaturile de funcționare, cât de mică poate fi focalizată și eficiența. Alte considerente tehnice sunt, de asemenea, importante atunci când se proiectează una.

De exemplu, diodele laser InGaN cu substrat GaN (cu laser în banda 445 - 450 nm), utilizate în capetele laser Opt Lasers, sunt un tip de lasere albastre extrem de utile. Acest lucru se datorează dimensiunilor lor compacte, rentabilității mari, gamei largi de aplicații, temperaturilor de funcționare de până la 85-90°C (diodele laser albastre pot emite laser la putere maximă până la 60°C) și performanței în continuă îmbunătățire.

Nitrură de galiu (GaN), semiconductor binar III/V cu bandă de dispersie directă cu o structură cristalină Wurtzite, este un substrat excelent pentru diodele laser datorită capacității sale termice și conductivității termice ridicate. Cu toate acestea, procesul de producție a diodei laser pe bază de GaN s-ar putea dovedi o provocare din cauza sensibilității sale la temperatură, a mobilității găurilor și a intervalului de bandă ridicat de 3,42 V. În prezent, diodele laser albastre produse în comerț utilizează suprafețe de safir care sunt acoperite cu un strat de GaN.

O singură diodă laser albastră poate atinge în prezent (începând cu iulie 2021) o putere de ieșire pe termen lung de până la 6 W. Primul exemplu al unei astfel de diode a fost NUBM44 de la Nichia. Recent, mai multe companii au dezvoltat și comercializat diode laser albastre cu o putere de peste 5 W. Dioda laser actuală de 6 W de la Opt Lasers se mândrește cu o durată de funcționare de 20 000 de ore și este dioda laser albastră cu cea mai mare putere utilizată în mod durabil disponibilă pe piață.

Diodele laser albastre pot avea temperaturi de funcționare ridicate fără a le afecta semnificativ durata de viață. Acest lucru se datorează în parte temperaturilor de joncțiune admisibile ridicate (~130C); acest lucru permite o creastă mai îngustă, rezultând o luminozitate mai mare și un fascicul mai bine focalizat. În plus, puterea de ieșire care poate fi obținută de diodele laser albastre de mare putere fără a le suprasolicita este semnificativ mai mare comparativ cu alte diode laser. În plus, laserele albastre pot fi focalizate la o dimensiune mai mică a spotului decât laserele NIR și IR, ceea ce rezultă din lungimile de undă mai scurte ale fasciculelor laser albastre. Un factor suplimentar care permite ca un laser albastru să fie focalizat la un spot mai mic este produsul parametrului fasciculului (BPP), deoarece BPP al capetelor laser albastre este de 2-20 de ori mai mic decât BPP al laserelor CO2. În cele din urmă, datorită boom-ului înregistrat de diodele laser albastre în industria Blu-Ray, a automobilelor și a proiectoarelor, generațiile recente de diode laser albastre au devenit extrem de ieftine și rentabile. Ca urmare, laserele albastre au devenit cunoscute pentru robustețea, fiabilitatea, rentabilitatea și densitatea mare a puterii de ieșire.

Este demn de remarcat faptul că emițătorul unei diode laser albastre multimodale are caracteristici monomodale pe axa rapidă (verticală) și caracteristici multimodale pe axa lentă (orizontală). Acest lucru duce la o formă ușor asimetrică, dreptunghiular-eliptică a fasciculului la focalizare. De asemenea, divergența în una dintre axe este de câteva ori mai mare decât în cealaltă. În consecință, ingineria unui sistem laser albastru s-ar putea dovedi o provocare, deoarece fiecare axă trebuie analizată și proiectată separat. În plus, deoarece sistemele mai complexe necesită selectarea diodelor laser potrivite, precum și a altor componente, echipa noastră este aici pentru a vă răspunde la toate întrebările și poate chiar construi un laser științific personalizat sau un laser industrial la alegerea dvs. în doar 5 săptămâni.

În cele din urmă, cel mai mare avantaj al laserelor albastre este că metalele absorb eficient razele laser albastre. Acest lucru înseamnă că aveți un laser universal care poate prelucra orice material. În plus, în ciuda puterii totale mai mici, capetele laserului albastru prezintă o densitate de putere mult mai mare decât laserele CO2. În plus, chiar dacă fasciculele laser albastre sunt mai mici într-o dimensiune decât în cazul laserelor cu gaz, fasciculul poate fi utilizat mult mai eficient. Acest lucru apare ca o consecință a densității ridicate de putere și a ratei ridicate de absorbție a fasciculului laser albastru. Acesta este un avantaj semnificativ în cazul multor aplicații de gravură. În funcție de alegerea axelor, puteți obține fie o gravură mai largă, fie una mai adâncă și mai îngustă dacă conturul pentru gravură este rotit cu 90 de grade. Laserele albastre pot prelucra eficient o gamă largă de materiale, cum ar fi titanul, cuprul sau aurul, precum și alte materiale precum lemnul sau pielea.

După cum se arată în graficul de mai sus, fasciculul laser albastru de 445 nm (0,445 µm) prezintă o rată de absorbție semnificativ mai mare pentru metale decât laserele Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) și Fiber (de obicei 1030 - 2050 nm). În același timp, laserele albastre monomod sunt capabile să atingă o densitate de putere cu 50% mai mare. Acest lucru înseamnă că un laser albastru poate descărca între câteva și aproape 20 de ori mai multă energie în materialul iluminat la același nivel de putere în comparație cu laserele CO2 și Nd:YAG.

Ieșirea unui fascicul laser albastru poate fi, de asemenea, cuplată într-o fibră optică cu o lentilă asferică între ele. Acest tip de sistem se numește laser cu diodă cuplat la fibră (sau integrat în fibră) și are câteva avantaje față de soluțiile alternative:

1. Laserele cu diode cuplate la fibră au o calitate bună a taliei fasciculului. Talia fasciculului laser albastru este simetrică, omogenă și circulară.
2. Fibrele optice pot fi instalate cu ușurință pe multe mașini CNC.
3. Nu inhibă funcționarea la viteză mare a mașinii CNC, deoarece fibra este ușoară.

În consecință, acest lucru face ca sistemele cu laser albastru cuplat la fibră să fie o opțiune interesantă pentru tehnicile de prelucrare a materialelor, cum ar fi tăierea cu laser și gravarea cu laser.

Aplicații în știință și industrie

Din punctul de vedere al aplicațiilor laserelor albastre în fotonică, acestea sunt dispozitive extrem de convenabile datorită domeniului lor practic de puteri de ieșire și modulației ușoare cu curent de control de înaltă frecvență. Aplicațiile laserelor albastre includ, printre altele, pomparea laserelor solide, a punctelor cuantice sau a emițătorilor cuantici unici (SQE), microscopia laser, spectroscopia, scanarea suprafețelor, imprimarea laser, senzorii și pomparea surselor RBG (cum ar fi fosforul). De exemplu, utilizarea senzorilor cu laser albastru este avantajoasă, deoarece aceștia funcționează mai bine pe suprafețe foarte lustruite și lucioase datorită lungimii de undă mai scurte. În schimb, lumina roșie este distorsionată de astfel de suprafețe, ceea ce duce la un efect de "speckle". Acest lucru face ca un detector să se confrunte cu un zgomot de semnal ridicat, ceea ce se traduce prin scăderea preciziei măsurătorilor. Pe de altă parte, un senzor cu laser albastru poate funcționa extraordinar de eficient cu o cantitate mult mai mică de speckling. Ca atare, utilizarea unui laser albastru duce la scăderea nivelului de zgomot, în mod normal cu un factor de două până la trei față de senzorii cu laser roșu.

În plus, laserele albastre pot fi utilizate și în industria textilă pentru tăierea rapidă, decorarea și personalizarea țesăturilor precum bumbacul, poliesterul, viscoza, pâsla, fleece-ul, pielea, tapițeria și țesăturile din fibră de sticlă, printre alte posibilități. Mai mult, laserele albastre reprezintă o alegere excelentă și captivantă pentru spectacolele cu laser.

Medicina este, de asemenea, cunoscută pentru utilizarea extensivă a laserelor albastre. Majoritatea elementelor din titan plasate în corpul uman în timpul intervențiilor chirurgicale sunt marcate cu lasere albastre. În plus, laserele albastre sunt utilizate ca sursă de iluminare în microscopia cu fluorescență.

În plus, aplicațiile industriale precum încălzirea materialelor, tăierea și sudarea beneficiază de o bună absorbție a puterii. Materiale precum titanul, cuprul sau aurul sunt capabile să absoarbă aproximativ 65-80% din energia unui laser albastru. Acest lucru este deosebit de util în cazul sudării, deoarece absorbția scăzută a unui laser IR (5%) ar duce la o cantitate crescută de defecte pe bucățile de metal prelucrate. Dimpotrivă, laserele albastre sunt foarte potrivite pentru situațiile în care metalele subțiri trebuie să fie unite rapid și fiabil, cu defecte mici sau inexistente. Rata ridicată de absorbție a fasciculului laser albastru este, de asemenea, capabilă să accelereze rata de asamblare pentru fabricarea aditivă, atât pentru metodele de depunere laser a metalelor, cât și pentru cele de creștere pe pat de pulbere. Deși acest lucru depinde de materialul utilizat, se poate aștepta o creștere a vitezei de trei până la zece ori prin adoptarea laserului albastru. Pe lângă aceasta, dimensiunea mică a spotului de focalizare a unui laser albastru conduce la două beneficii suplimentare. În primul rând, pentru un sistem optic stabilit, talia fasciculului unui fascicul de lumină de 450 nm este mai mică de jumătate din talia fasciculului corespunzător unui fascicul de 1080 nm. Astfel, utilizarea unui fascicul laser albastru poate îmbunătăți capacitatea de scalare, rezoluția și precizia produsului finit. În plus, dacă se aplică aceeași rezoluție care este posibilă cu un fascicul IR, un laser albastru poate furniza aceeași rezoluție, dar pentru o suprafață de patru ori mai mare. În mod clar, potențialul remarcabil de îmbunătățire a calității producției și a vitezei de prelucrare poate fi extrem de oportun.

În concluzie, sistemele cu laser albastru se dovedesc foarte populare, având o mulțime de aplicații tangibile. Acestea sunt robuste, fiabile, eficiente din punct de vedere al timpului și rentabile, un exemplu în acest sens fiind capul nostru laser PLH3D-XT-50 sau capul laser PLH3D-6W-XF+ cu µSpot Lens Upgrade:

Comparați upgrade-urile noastre laser și alegeți soluția care vi se potrivește cel mai bine

PLH3D-XT-50

Gravare de precizie

• Putere optică 6 W
• Ultra HD 550 DPI – spot 45 μm
• Tăiere maximă în lemn (1 trecere): 3 mm (⅛")
• Ideal pentru microgravare și detalii complexe
• Kit Plug & Play cu manuale

Accesați pagina kitului

★ Cea mai bună alegere ★

PLH3D-XT8

Tăiere și gravare de înaltă putere

• Putere optică 45 W
• HD 125 DPI – spot 180 μm
• Tăiere maximă în lemn (1 trecere): 20 mm (¾")
• Optim pentru gravare la viteză ridicată și tăiere profundă
• Gravează lemn la 350 mm/s (827 inch/min)
• Taie placaj la 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
• Kit Plug & Play cu manuale

Accesați pagina kitului

PLH3D-XF+

Soluție entry-level

• Putere optică 6 W
• Standard 85 DPI – spot 300 μm
• Tăiere maximă în lemn cu mai multe treceri: 3 mm (⅛")
• Perfect pentru utilizare hobby și proiecte creative de mici dimensiuni
• Kit Plug & Play cu manuale

Accesați pagina kitului

Dacă aveți întrebări sau doriți să discutați o idee pentru un cap laser personalizat sau un modul laser personalizat, nu ezitați să ne contactați. Opt Lasers este un mândru producător final deschis care vă poate transforma ideea într-un produs gata în doar 5 săptămâni.