Синий лазер и его применение в промышленности и науке

Синий лазер - это устройство, излучающее световой пучок в диапазоне длин волн от 400 до 500 нм, видимый человеческим глазом как фиолетовый или синий. Создаваемый световой пучок когерентен во времени и может быть хорошо коллимирован, что позволяет ему находить многочисленные применения в промышленности и науке. Характеристики различных синих лазеров в основном определяются различными средами усиления и их свойствами. Термин "синий лазер" может относиться к одному из следующих:

1. Компактная мощная лазерная головка с длиной волны 400-500 нм, представляющая собой лазерный модуль для промышленных, научных и хобби-приложений. Помимо соображений размера, еще одно главное отличие от стандартных лазерных модулей заключается в том, что лазерные головки разработаны для достижения максимальной плотности мощности в точке фокусировки луча при сохранении длительного срока службы.
2. Лазерный модуль с длиной волны 400-500 нм, который больше по размеру, чем лазерная головка, хотя лазерные головки иногда называют просто лазерными модулями.
3. Лазерный диод с длиной волны 400-500 нм. Наиболее популярными синими лазерными диодами являются те, которые испускают лучи с длиной волны 405 нм, 445 нм, 447 нм и 450 нм.

Изначальносиние лазеры появились как лабораторная диковинка и были основаны на гелий-кадмиевом, аргоновом или криптоновом газе. На тот момент, примерно в 1992 году, синие лазеры были способны работать на гелии-кадмии. 1992 года синие лазеры были способны излучать всего 130 мВт оптической мощности, выделяя при этом киловатт энергии в виде тепла. Тем не менее ситуация изменилась с появлением инновационных синих полупроводниковых лазерных диодов с краевым излучением. Вскоре после этого (около 2000 года) стало очевидно, что синие лазеры могут обладать благоприятным преобразованием электрической энергии в оптическую.

Появление технологии Blu-Ray и мощных проекторов привело к рождению самого первого крупного рынка для синих лазерных диодов. Это ускорило разработку новых и улучшенных их разновидностей. Хотя синее свечение достижимо с помощью различных типов лазеров (таких как ионные лазеры, лазеры на красителях, полупроводниковые лазерные диоды и твердотельные лазеры с диодной накачкой [DPSS]), именно полупроводниковые синие лазерные диоды сегодня все больше завоевывают рынок. Этот всплеск популярности обусловлен одинаково хорошим соотношением электрической и оптической эффективности, малыми размерами, высокими рабочими температурами и сроком службы синих лазерных диодов.

Электрооптический коэффициент полезного действия синих лазерных диодов обычно составляет около 30 % и достигает 39 % при комнатной температуре. С другой стороны, 940 нм лазерные диоды, используемые для накачки промышленных тонких дисковых лазеров Yb:YAG, обычно имеют электрооптическую эффективность в диапазоне 46 %. Последующий процесс преобразования оптического излучения в оптическое, который представляет собой накачку тонкого дискового лазера Yb:YAG, достигает до 77% оптической эффективности, хотя типичное оптическое преобразование составляет около 41%. Таким образом, общая эффективность преобразования электрической энергии в оптическую для модулей на основе Yb-YAG тонких дисковых лазеров составляет от 18,8 % (обычно) до 35,4 % (в лаборатории). Это уступает тому, что можно достичь с помощью синих лазеров.

Yb:YAG-лазеры обычно лазят в ИК-диапазоне, на длинах волн 1030 нм и 1050 нм, с мощностью более 1 кВт с дифракционным ограничением при высоком качестве луча и даже с большей мощностью при недифракционном ограничении качества луча. Тем не менее, в отличие от синих лазеров, Yb:YAG-лазеры довольно громоздки и дорогостоящи.

Во многих приложениях также выгодно использовать синий лазер вместо некоторых ИК-лазеров, таких как волоконные лазеры и CO2-лазеры. Хотя волоконные лазеры практически могут быть сфокусированы на меньший размер пятна, чем многомодовые синие диодные лазеры, из-за более низкого BPP (Beam Parameter Product), они требуют более крупной системы охлаждения. Кроме того, они не могут эффективно обрабатывать различные металлы, такие как, например, медь. Медь поглощает 5% падающего ИК-излучения с длиной волны 1,064 мкм и <1% падающего ИК-излучения с длиной волны 10,6 мкм, но 65% падающего синего лазерного луча с длиной волны 450 нм при комнатной температуре. С другой стороны, несмотря на низкое соотношение цены и мощности CO2-лазеров, медь поглощает <1% света CO2-лазера. CO2-лазеры также страдают от очень плохого преобразования электрической мощности в оптическую, составляющего около 7,5%. Из-за этого на меди поглощается только <0,3 Вт оптической мощности для CO2-лазера мощностью 30 Вт (что даже не позволяет его обрабатывать). В то же время лазерная установка CO2 мощностью 30 Вт потребляет около 400 Вт электроэнергии, что влечет за собой скрытые расходы в виде более высоких счетов за электричество. По сравнению с CO2-лазерными установками синие лазеры обладают меньшей шириной луча, что позволяет пользователю достичь более высокой точности и обрабатывать более широкий спектр материалов. Модули синих лазерных диодов и лазерные головки Opt Lasers часто оказываются лучше альтернативных решений, поскольку они отличаются высокой надежностью, меньшим энергопотреблением и могут обрабатывать более широкий спектр материалов, в том числе металлы.

Современные модули синих лазерных диодов, как правило, основаны на синих полупроводниковых лазерных диодах с различными средствами усиления. Выбранная среда усиления определяет свойства генерируемого светового пучка. Каждый синий лазерный диод имеет свои характеристики. К ним относятся мощность, длина волны, срок службы, рабочие температуры, размер фокуса и эффективность. При проектировании диода важны и другие технические соображения.

Например, лазерные диоды InGaN с подложкой из галлия (светят в диапазоне 445 - 450 нм), используемые в лазерных головках Opt Lasers, являются очень полезным типом синих лазеров. Это объясняется их компактными размерами, высокой экономичностью, широким спектром применений, рабочими температурами до 85-90°C (синие лазерные диоды могут светить на полной мощности при температуре до 60°C) и постоянно улучшающейся производительностью.

Нитрид галлия (GaN), бинарный полупроводник III/V с прямой зоной пропускания и вюрцитовой кристаллической структурой, является отличной подложкой для лазерных диодов благодаря своей высокой теплоемкости и теплопроводности. Однако процесс производства лазерных диодов на основе GaN может оказаться сложным из-за его чувствительности к температуре, подвижности дырок и высокого значения полосы пропускания 3,42 В. В настоящее время в коммерческих синих лазерных диодах используется сапфировая поверхность, покрытая слоем GaN.

В настоящее время (по состоянию на июль 2021 года) мощность одного синего лазерного диода может достигать 6 Вт в течение длительного срока службы. Первым примером такого диода стал NUBM44 от Nichia. В последнее время еще несколько компаний разработали и выпустили в продажу синие лазерные диоды мощностью 5+ Вт. Текущий 6-ваттный лазерный диод компании Opt Lasers может похвастаться сроком службы 20 000 часов и является самым мощным устойчиво используемым синим лазерным диодом, доступным на рынке.

Синие лазерные диоды могут иметь высокую рабочую температуру без существенного влияния на срок службы. Отчасти это связано с высокой допустимой температурой спаев (~130C); это позволяет сделать более узкий гребень, что приводит к повышению яркости и более плотной фокусировке луча. Кроме того, выходная мощность, которую можно достичь с помощью мощных синих лазерных диодов без перегрузки, значительно выше по сравнению с другими лазерными диодами. Кроме того, синие лазеры могут быть сфокусированы в пятно меньшего размера, чем БИК- и ИК-лазеры, что обусловлено более короткой длиной волны синих лазерных лучей. Дополнительным фактором, позволяющим сфокусировать синий лазер на меньшее пятно, является произведение параметров луча (BPP), так как BPP синих лазерных головок в 2-20 раз меньше BPP CO2-лазеров. Наконец, благодаря буму на синие лазерные диоды в индустрии Blu-Ray, автомобильной промышленности и проекторов, последние поколения синих лазерных диодов стали удивительно дешевыми и экономичными. В результате синие лазеры стали хорошо известны благодаря своей прочности, надежности, экономичности и высокой плотности выходной мощности.

Стоит отметить, что эмиттер многомодового синего лазерного диода имеет одномодовые характеристики на быстрой (вертикальной) оси и многомодовые характеристики на медленной (горизонтальной) оси. Это приводит к слегка асимметричной, прямоугольно-эллиптической форме луча в фокусе. Кроме того, расходимость по одной из осей в несколько раз выше, чем по другой. Следовательно, проектирование системы синего лазера может оказаться сложной задачей, поскольку каждую ось необходимо анализировать и проектировать отдельно. Более того, поскольку более сложные системы требуют выбора правильных лазерных диодов, а также других компонентов, наша команда готова ответить на все ваши вопросы и даже может создать индивидуальный научный или промышленный лазер по вашему выбору всего за 5 недель.

В конечном счете, самое большое преимущество синих лазеров заключается в том, что металлы эффективно поглощают синие лазерные лучи. Это означает, что у вас есть универсальный лазер, который может обрабатывать любые материалы. Кроме того, несмотря на меньшую общую мощность, синие лазерные головки имеют гораздо более высокую плотность мощности, чем CO2-лазеры. Кроме того, несмотря на то, что лучи синего лазера в одном измерении меньше, чем в газовых лазерах, их можно использовать гораздо эффективнее. Это происходит благодаря высокой плотности мощности и высокой скорости поглощения синего лазерного луча. Это значительное преимущество для многих гравировальных приложений. В зависимости от выбора оси можно получить либо более широкую гравировку, либо более глубокую и узкую, если повернуть контур гравировки на 90 градусов. Синие лазеры могут эффективно обрабатывать широкий спектр материалов, таких как титан, медь или золото, а также другие материалы, например дерево или кожу.

Как показано на графике выше, луч синего лазера с длиной волны 445 нм (0,445 мкм) имеет значительно более высокий уровень поглощения металлов, чем лазеры Nd:YAG (1064 нм), CO2 (10600 нм) и Fiber (обычно 1030 - 2050 нм). В то же время одномодовые синие лазеры способны достичь на 50 % более высокой плотности мощности. Это означает, что синий лазер может излучать от нескольких до почти 20 раз больше энергии на освещаемый материал при том же уровне мощности по сравнению с CO2 и Nd:YAG лазерами.

Выходной луч синего лазера также может быть соединен с оптическим волокном с асферической линзой между ними. Такая система называется диодным лазером с волоконной связью (или интегрированным в волокно), и она имеет ряд преимуществ перед альтернативными решениями:

1. Диодные лазеры с волоконной связью имеют хорошее качество талии луча. Талия луча синего лазера симметрична, однородна и кругла.
2. Оптические волокна можно легко установить на многих станках с ЧПУ.
3. Оно не препятствует высокоскоростной работе станка с ЧПУ, так как волокно легкое.

Следовательно, это делает системы синего лазера с волоконной связью интересным вариантом для таких технологий обработки материалов, как лазерная резка и лазерная гравировка.

Применение в науке и промышленности

С точки зрения применения синих лазеров в фотонике, они являются очень удобными устройствами благодаря практическому диапазону выходной мощности и легкой модуляции высокочастотным управляющим током. Области применения синих лазеров включают, в частности, накачку твердотельных лазеров, квантовых точек или одиночных квантовых излучателей (SQE), лазерную микроскопию, спектроскопию, сканирование поверхности, лазерную печать, сенсоры и накачку источников RBG (например, люминофоров). Например, использование синих лазерных датчиков выгодно, так как они лучше работают на высокополированных и глянцевых поверхностях благодаря более короткой длине волны. Красный свет, напротив, искажается такими поверхностями, что приводит к эффекту "спекл". В результате детектор сталкивается с повышенным шумом сигнала, что приводит к снижению точности измерений. С другой стороны, датчик с синим лазером может работать чрезвычайно эффективно, при этом количество спеклов значительно меньше. Таким образом, использование синего лазера приводит к снижению уровня шума, обычно в два-три раза по сравнению с красными лазерными датчиками.

Кроме того, синие лазеры можно использовать в текстильной промышленности для быстрого раскроя, декорирования и персонализации таких тканей, как хлопок, полиэстер, вискоза, войлок, флис, кожа, обивочные ткани и стекловолокно, среди прочих возможностей. Более того, синие лазеры - отличный и увлекательный выбор для лазерных шоу.

Медицина также известна широким использованием синих лазеров. Большинство титановых элементов, помещаемых в человеческое тело во время операций, маркируется с помощью синих лазеров. Кроме того, синие лазеры используются в качестве источника освещения в флуоресцентной микроскопии.

Кроме того, промышленные приложения, такие как нагрев материалов, резка и сварка, выигрывают от хорошего поглощения энергии. Такие материалы, как титан, медь или золото, способны поглотить около 65-80 % энергии синего лазера. Это особенно полезно в случае сварки, поскольку низкое поглощение ИК-лазера (5 %) привело бы к повышенному количеству дефектов на обрабатываемых кусках металла. И наоборот, синие лазеры отлично подходят для ситуаций, когда необходимо быстро и надежно соединить тонкие металлы с минимальным количеством дефектов. Высокая скорость поглощения луча синего лазера также способна ускорить скорость сборки при аддитивном производстве как при лазерном осаждении металла, так и при методах выращивания в порошковом слое. Хотя это зависит от используемого материала, можно ожидать увеличения скорости в три-десять раз за счет применения синих лазеров. Кроме того, малый размер фокусного пятна синего лазера дает два дополнительных преимущества. Во-первых, для заданной оптической системы ширина пучка света длиной 450 нм в два раза меньше, чем ширина пучка света длиной 1080 нм. Таким образом, использование синего лазерного луча позволяет повысить способность масштабирования элементов, разрешение и точность готового изделия. Более того, если применяется то же разрешение, которое возможно при использовании ИК-луча, синий лазер может обеспечить такое же разрешение, но на площади в четыре раза большей. Очевидно, что выдающееся потенциальное улучшение качества изготовления и скорости обработки может оказаться весьма кстати.

В целом, синие лазерные системы оказываются очень популярными и находят множество реальных применений. Они прочны, надежны, экономичны и эффективны с точки зрения затрат. Примером тому может служить наша лазерная головка PLH3D-XT-50 или лазерная головка PLH3D-6W-XF+ с системой µSpot Lens Upgrade:

Сравните наши варианты модернизации лазеров и выберите решение, подходящее именно вам

PLH3D-XT-50

Точная гравировка

• Оптическая мощность 6 Вт
• Ultra HD 550 DPI – диаметр пятна 45 мкм
• Макс. резка древесины (1 проход): 3 мм (⅛")
• Оптимален для микро-гравировки и сложных деталей
• Простой комплект Plug & Play с руководствами

Перейти на страницу комплекта

★ Лучший выбор ★

PLH3D-XT8

Высокомощная резка и гравировка

• Оптическая мощность 45 Вт
• HD 125 DPI – диаметр пятна 180 мкм
• Макс. резка древесины (1 проход): 20 мм (¾")
• Наилучшее решение для высокоскоростной гравировки и глубокого реза
• Гравировка по дереву: 350 mm/s (827 inch/min)
• Резка фанеры: 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
• Простой комплект Plug & Play с руководствами

Перейти на страницу комплекта

PLH3D-XF+

Решение начального уровня

• Оптическая мощность 6 Вт
• Стандарт 85 DPI – диаметр пятна 300 мкм
• Макс. многопроходная резка древесины: 3 мм (⅛")
• Идеально для хобби и небольших творческих проектов
• Простой комплект Plug & Play с руководствами

Перейти на страницу комплекта

Если у вас есть вопросы или вы хотите обсудить идею создания лазерной головки или лазерного модуля на заказ, пожалуйста, обращайтесь к нам. Opt Lasers является гордым открытым производителем, который может превратить вашу идею в готовый продукт всего за 5 недель.