Mavi Lazer ve Endüstri ve Bilimdeki Uygulamaları

Mavi lazer, 400 nm ile 500 nm arasındaki dalga boyu aralığında, insan gözüyle mor veya mavi olarak görülebilen bir ışık demeti yayan bir cihazdır. Üretilen ışık demeti zamansal olarak uyumludur ve iyi eşlenik olabilir, bu da endüstri ve bilimde çok sayıda uygulamaya sahip olmasını sağlar. Farklı mavi lazerlerin özellikleri ağırlıklı olarak farklı kazanç ortamları ve bunların özellikleri tarafından belirlenir. Mavi lazer terimi aşağıdakilerden birini ifade edebilir:

1. Endüstriyel, bilimsel ve hobi uygulamaları için bir lazer modülü olan kompakt, yüksek güçlü 400-500 nm dalga boylu bir lazer kafası. Boyutla ilgili hususların yanı sıra, standart lazer modüllerinden bir diğer temel farkı, lazer kafalarının uzun bir kullanım ömrünü korurken odaklanmış ışın noktasında en yüksek güç yoğunluğunu elde etmek için tasarlanmış olmasıdır.
2. Lazer kafaları bazen basitçe lazer modülleri olarak adlandırılsa da, 400-500 nm dalga boylu bir lazer modülü, boyut olarak bir lazer kafasından daha büyüktür.
3. 400-500 nm dalga boyunda bir lazer diyot. En popüler mavi lazer diyotlar 405 nm, 445 nm, 447 nm ve 450 nm dalga boylarında ışın yayanlardır.

Mavi lazerler başlangıçta bir laboratuvar merakı olarak ortaya çıktı ve Helyum-Kadmiyum, Argon veya Kripton gazına dayanıyordu. Bu noktada yaklaşık 1992, mavi lazerler sadece 130 mW optik güç yayabilirken, ısı şeklinde bir kilowatt enerji üretebiliyordu. Bununla birlikte, kenar yayan mavi yarı iletken lazer diyotların getirdiği yenilikle durum değişti. Kısa bir süre sonra (yaklaşık 2000), mavi lazerlerin uygun elektrik-optik güç dönüşümüne sahip olabileceği ortaya çıktı.

Blu-Ray teknolojisinin ve yüksek güçlü projektörlerin ortaya çıkması, mavi lazer diyotlar için ilk büyük pazarın doğmasına neden oldu. Bu, yeni ve geliştirilmiş çeşitlerinin geliştirilmesini hızlandırdı. Çeşitli lazer türleriyle (iyon lazerler, boya lazerler, yarı iletken lazer diyotlar ve diyot pompalı katı hal lazerler [DPSS] gibi) mavi ışık elde edilebilmesine rağmen, şu anda piyasada giderek daha fazla ilgi gören yarı iletken mavi lazer diyotlardır. Bu cazibe artışı, mavi lazer diyotların eşit derecede iyi elektrik-optik verimliliklerinden, küçük boyutlarından, yüksek çalışma sıcaklıklarından ve ömürlerinden kaynaklanmaktadır.

Mavi lazer diyotların elektrik-optik verimlilikleri oda sıcaklığında yaklaşık %30 ve %39'a kadar çıkmaktadır. Öte yandan, endüstriyel Yb:YAG ince disk lazerlerini pompalamak için kullanılan 940 nm lazer diyotları tipik olarak %46 elektrik-optik verimlilik aralığındadır. Yb:YAG ince disk lazer pompalaması olan sonraki optik-optik dönüşüm süreci, tipik bir optik dönüşüm %41 civarında olmasına rağmen, %77'ye kadar optik-optik verimliliğe ulaşır. Bu da Yb-YAG ince disk lazer tabanlı modüller için %18,8'den (tipik) %35,4'e (laboratuvarda) kadar genel bir elektrik-optik dönüşüm verimliliği sağlar. Bu, mavi lazerlerle elde edilebilecek olanın altındadır.

Yb:YAG lazerler tipik olarak IR'de, 1030 nm ve 1050 nm'de, yüksek ışın kalitesiyle 1 kW'ın üzerinde kırınım sınırlı çıkışla ve hatta ışının kırınım sınırlı olmayan kalitesiyle daha büyük güçlerle lase olur. Bununla birlikte, mavi lazerlerin aksine, Yb:YAG lazerler oldukça hacimli ve maliyetlidir.

Birçok uygulamada, fiber lazerler ve CO2 lazerler gibi belirli IR lazerler yerine mavi lazer kullanmak da avantajlıdır. Fiber lazerler, daha düşük BPP (Işın Parametresi Ürünü) nedeniyle pratik olarak çok modlu mavi diyot lazerlerden daha küçük bir nokta boyutuna odaklanabilirken, daha büyük bir soğutma sistemi gerektirirler. Ayrıca, örneğin Bakır gibi çeşitli metalleri verimli bir şekilde işleyemezler. Bakır, gelen 1.064 µm IR ışığının %5'ini ve gelen 10.6 µm IR ışığının <%1'ini, ancak gelen 450 nm mavi lazer ışınının oda sıcaklığında %65'ini emer. Öte yandan, CO2 lazerlerin düşük fiyat-güç oranına rağmen, bakır CO2 lazer ışığının <%1'ini emer. CO2 lazerler ayrıca yaklaşık %7,5'lik çok zayıf elektrik-optik güç dönüşümünden muzdariptir. Bu nedenle, 30 W optik güce sahip bir CO2 Lazer için Bakır üzerinde yalnızca <0,3 W optik güç emilir (bu da işlenmesine bile izin vermez). Aynı zamanda 30 W optik güce sahip bir CO2 lazer ünitesi yaklaşık 400 W elektrik gücü tüketir ve bu da daha yüksek elektrik faturası gibi gizli bir maliyet getirir. CO2 lazer üniteleriyle karşılaştırıldığında mavi lazerler, kullanıcının daha yüksek hassasiyet elde etmesini ve daha geniş bir malzeme yelpazesini işlemesini sağlayan daha küçük bir ışın beli sunar. Opt Lasers'ın mavi lazer diyot modülleri ve lazer kafaları , yüksek güvenilirlik , daha düşük güç tüketimi sundukları ve metaller dahil olmak üzere daha geniş bir malzeme yelpazesini işleyebildikleri için genellikle alternatif çözümlere göre daha üstün bir seçimdir.

Modern mavi lazer diyot modülleri tipik olarak farklı kazanç ortamlarına sahip mavi yarı iletken lazer diyotlara dayanmaktadır. Seçilen kazanç ortamı, üretilen ışık demetinin özelliklerini belirler. Her mavi lazer diyot farklı özelliklere sahiptir. Bunlar arasında güç, dalga boyu, kullanım ömrü, çalışma sıcaklıkları, ne kadar küçük odaklanabileceği ve verimlilik yer alır. Bir lazer diyotu tasarlarken diğer teknik hususlar da önemlidir.

Örneğin, Opt Lasers'ın Lazer Kafalarında kullanılan GaN substratlı InGaN lazer diyotları (445 - 450 nm bandında lasing) son derece kullanışlı bir mavi lazer türüdür. Bunun nedeni, kompakt boyutları, yüksek maliyet verimliliği, geniş uygulama yelpazesi, 85-90°C'ye kadar yüksek çalışma sıcaklıkları (mavi lazer diyotları tipik olarak 60°C'ye kadar tam güçte lase edebilir) ve sürekli gelişen performanslarıdır.

Wurtzite kristal yapısına sahip ikili III/V doğrudan bant aralıklı yarı iletken olan Galyum Nitrür (GaN), yüksek ısı kapasitesi ve termal iletkenliğinin bir sonucu olarak mükemmel bir lazer diyot substratıdır. Ancak GaN tabanlı lazer diyot üretim süreci, sıcaklık hassasiyetleri, delik hareketlilikleri ve 3,42 V'luk yüksek bant aralığı nedeniyle zorlayıcı olabilir. Günümüzde ticari olarak üretilen mavi lazer diyotlar, GaN katmanıyla kaplanmış safir yüzeyler kullanmaktadır.

Tek bir mavi lazer diyotu şu anda (Temmuz 2021 itibariyle) 6 W'a kadar uzun ömürlü bir güç çıkışına ulaşabilmektedir. Son zamanlarda, birkaç şirket daha 5+ W gücünde mavi lazer diyotlar geliştirdi ve ticarileştirdi. Opt Lasers'ın mevcut 6 W lazer diyotu 20.000 saatlik çalışma ömrüne sahiptir ve piyasada bulunan sürdürülebilir şekilde kullanılan en yüksek güçlü mavi lazer diyottur.

Mavi lazer diyotlar, kullanım ömürlerini önemli ölçüde etkilemeden yüksek çalışma sıcaklıklarına sahip olabilir. Bu kısmen izin verilen yüksek bağlantı sıcaklıklarından (~130C) kaynaklanmaktadır; bu daha dar bir çıkıntıya izin vererek daha yüksek parlaklık ve daha sıkı odaklanmış bir ışın sağlar. Dahası, yüksek güçlü mavi lazer diyotlarla aşırı yüklenme olmadan elde edilebilen çıkış gücü, diğer lazer diyotlara kıyasla önemli ölçüde daha yüksektir. Buna ek olarak, mavi lazerler NIR ve IR lazerlere göre daha küçük bir nokta boyutuna odaklanabilir, bu da mavi lazer ışınlarının daha kısa dalga boylarından kaynaklanır. Mavi lazerin daha küçük bir noktaya odaklanmasını sağlayan ek bir faktör de ışın parametresi ürünüdür (BPP), çünkü mavi lazer kafalarının BPP 'si CO2 lazerlerinin BPP'lerinden 2-20 kat daha küçüktür. Son olarak, Blu-Ray, otomotiv ve projektör endüstrisindeki mavi lazer diyot patlaması sayesinde, son nesil mavi lazer diyotlar oldukça ucuz ve uygun maliyetli hale gelmiştir. Sonuç olarak, mavi lazerler sağlamlıkları, güvenilirlikleri, maliyet verimlilikleri ve yüksek çıkış gücü yoğunluklarıyla tanınır hale gelmiştir.

Çok modlu bir mavi lazer diyotun yayıcısının hızlı (dikey) eksende tek modlu özelliklere ve yavaş (yatay) eksende çok modlu özelliklere sahip olduğunu belirtmek gerekir. Bu da odakta ışının hafif asimetrik, dikdörtgen-eliptik bir şekil almasına neden olur. Ayrıca, eksenlerden birindeki sapma diğerinden birkaç kat daha yüksektir. Sonuç olarak, bir mavi lazer sisteminin mühendisliği, her eksenin ayrı ayrı analiz edilmesi ve tasarlanması gerektiğinden zor olabilir. Ayrıca, daha karmaşık sistemler doğru lazer diyotlarının yanı sıra diğer bileşenlerin seçilmesini gerektirdiğinden, ekibimiz tüm sorularınızı yanıtlamak için buradadır ve hatta 5 hafta gibi kısa bir sürede seçtiğiniz özel bir bilimsel lazer veya endüstriyel lazer oluşturabilir.

Sonuç olarak, mavi lazerlerin en büyük avantajı, metallerin mavi lazer ışınlarını verimli bir şekilde emmesidir. Bu, her türlü malzemeyi işleyebilen evrensel bir lazere sahip olduğunuz anlamına gelir. Bunun da ötesinde, daha düşük toplam güce rağmen, mavi lazer kafaları CO2 lazerlerden çok daha yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Ayrıca, mavi lazer ışınları gaz lazerlere göre bir boyutta daha küçük olsa da, ışın çok daha etkili bir şekilde kullanılabilir. Bu, mavi lazer ışınının yüksek güç yoğunluğu ve yüksek emilim oranının bir sonucu olarak ortaya çıkar. Birçok gravür uygulamasında bu önemli bir avantajdır. Eksenlerin seçimine bağlı olarak, gravür için ana hat 90 derece döndürülürse daha geniş bir gravür veya daha derin ve daha dar bir gravür elde edebilirsiniz. Mavi lazerler Titanyum, Bakır veya Altın gibi çok çeşitli malzemelerin yanı sıra ahşap veya deri gibi diğer malzemeleri de etkili bir şekilde işleyebilir.

Yukarıdaki grafikte gösterildiği gibi, 445 nm (0,445 µm) mavi lazer ışını, metaller için Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) ve Fiber (tipik olarak 1030 - 2050 nm) lazerlerden önemli ölçüde daha yüksek bir emilim oranına sahiptir. Aynı zamanda, tek modlu mavi lazerler %50 daha yüksek güç yoğunluğuna ulaşabilmektedir. Bu, mavi bir lazerin CO2 ve Nd: YAG lazerlere kıyasla aynı güç seviyesinde aydınlatılan malzemeye birkaç ila neredeyse 20 kat daha fazla enerji boşaltabileceği anlamına gelir.

Mavi lazer ışınının çıkışı, aralarında asferik bir lens bulunan bir optik fibere de bağlanabilir. Bu tür bir sisteme fiber bağlı (veya fibere entegre) diyot lazer denir ve alternatif çözümlere göre çeşitli avantajları vardır:

1. Fiber bağlı diyot lazerler iyi bir ışın beli kalitesine sahiptir. Mavi lazer ışını beli simetrik, homojen ve daireseldir.
2. Optik fiberler birçok CNC makinesine kolayca monte edilebilir.
3. Fiber hafif olduğu için CNC makinesinin yüksek hızda çalışmasını engellemez.

Sonuç olarak, bu durum fiber bağlı mavi lazer sistemlerini lazer kesim ve lazer kazıma gibi malzeme işleme teknikleri için ilginç bir seçenek haline getirmektedir.

Bilim ve Endüstrideki Uygulamalar

Mavi lazerlerin fotonikteki uygulamaları açısından bakıldığında, çıkış güçlerinin pratik kapsamı ve yüksek frekanslı kontrol akımı ile kolay modülasyonları nedeniyle son derece kullanışlı cihazlardır. Mavi lazerlerin uygulamaları arasında katı hal lazerleri, kuantum noktaları veya tek kuantum yayıcılar (SQE'ler), lazer mikroskopisi, spektroskopi, yüzey tarama, lazer baskı, sensörler ve RBG kaynaklarının (fosfor gibi) pompalanması yer almaktadır. Örneğin, mavi lazer sensörlerin kullanılması, daha kısa dalga boyları sayesinde yüksek cilalı ve parlak yüzeylerde daha iyi performans gösterdikleri için avantajlıdır. Buna karşılık, kırmızı ışık bu tür yüzeyler tarafından bozulur ve bu da bir 'benek' etkisine neden olur. Bu da dedektörün yüksek sinyal gürültüsüyle karşılaşmasına neden olur ve bu da ölçüm doğruluğunun azalması anlamına gelir. Öte yandan, mavi lazer sensörü çok daha düşük miktarda beneklenme ile olağanüstü verimli bir performans sergileyebilir. Bu nedenle, mavi lazer kullanımı, kırmızı lazer sensörlere kıyasla normalde iki ila üç kat daha düşük gürültü seviyeleri ile sonuçlanır.

Ayrıca mavi lazerler tekstil endüstrisinde pamuk, polyester, viskon, keçe, polar, deri, döşemelik ve fiberglas kumaşlar gibi kumaşların hızlı kesimi, dekorasyonu ve kişiselleştirilmesi için de kullanılabilir. Dahası, mavi lazerler lazer gösterileri için mükemmel ve büyüleyici bir seçimdir.

Tıp alanında da mavi lazerlerin yoğun bir şekilde kullanıldığı bilinmektedir. Ameliyatlar sırasında insan vücuduna yerleştirilen titanyum elementlerin çoğu mavi lazerlerle işaretlenir. Ayrıca, mavi lazerler floresan mikroskobunda aydınlatma kaynağı olarak kullanılır.

Bunun da ötesinde, malzemelerin ısıtılması, kesme ve kaynak gibi endüstriyel uygulamalar iyi bir güç emiliminden faydalanır. Titanyum, Bakır veya Altın gibi malzemeler mavi bir lazerden yaklaşık %65-80 oranında enerji emebilir. Bir IR lazerin düşük emilimi (%5), işlenen metal parçalarında yüksek miktarda kusurlara yol açacağından, bu özellikle kaynak durumunda yararlıdır. Buna karşılık mavi lazerler, ince metallerin çok az kusurla veya hiç kusur olmadan hızlı ve güvenilir bir şekilde birleştirilmesi gereken durumlar için oldukça uygundur. Yüksek mavi lazer ışını emilim oranı, hem lazer metal biriktirme hem de toz yatağı büyütme yöntemleri için eklemeli üretimde montaj hızını da artırabilir. Bu, kullanılan malzemeye bağlı olmakla birlikte, mavi lazerlerin benimsenmesiyle üç ila on kat arasında bir hız artışı beklenebilir. Bunun yanı sıra, mavi lazerin küçük odak noktası boyutu iki ek fayda sağlar. Öncelikle, belirli bir optik sistem için 450 nm'lik bir ışık demetinin ışın beli, 1080 nm'lik bir ışının karşılık gelen ışın belinin yarısından daha azdır. Bu nedenle, mavi lazer ışını kullanmak bitmiş ürünün özellik ölçekleme kabiliyetini, çözünürlüğünü ve hassasiyetini artırabilir. Dahası, bir IR ışını ile mümkün olan aynı çözünürlük uygulanırsa, mavi lazer aynı çözünürlüğü sağlayabilir, ancak dört kat daha büyük bir alan için. Açıkçası, üretim kalitesi ve işleme hızındaki olağanüstü potansiyel iyileşme son derece elverişli olabilir.

Sonuç olarak, mavi lazer sistemleri çok sayıda somut uygulama ile çok popüler olduğunu kanıtlıyor. Sağlam, güvenilir, zaman açısından verimli ve uygun maliyetlidirler; PLH3D-XT-50 lazer kafamız veya µSpot Lens Yükseltmeli PLH3D-6W-XF+ lazer kafamız buna bir örnektir:

Lazer yükseltmelerimizi karşılaştırın ve size en uygun çözümü seçin

PLH3D-XT-50

Hassas gravür

• 6 W optik güç
• Ultra HD 550 DPI – 45 μm spot
• Maks. ahşap kesim (1 geçiş): 3 mm (⅛")
• Mikro gravür ve karmaşık detaylar için ideal
• Kılavuzlu kolay Plug & Play kit

Kit sayfasına git

★ En iyi seçim ★

PLH3D-XT8

Yüksek güçlü kesim ve gravür

• 45 W optik güç
• HD 125 DPI – 180 μm spot
• Maks. ahşap kesim (1 geçiş): 20 mm (¾")
• Yüksek hızlı gravür ve derin kesim için en uygun
• Ahşap gravürü 350 mm/s (827 inch/min)
• Kontrplak kesimi 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
• Kılavuzlu kolay Plug & Play kit

Kit sayfasına git

PLH3D-XF+

Giriş seviyesi çözüm

• 6 W optik güç
• Standart 85 DPI – 300 μm spot
• Maks. çok geçişli ahşap kesimi: 3 mm (⅛")
• Hobi kullanımı ve küçük ölçekli yaratıcı projeler için ideal
• Kılavuzlu kolay Plug & Play kit

Kit sayfasına git

Herhangi bir sorunuz varsa veya özel bir lazer kafası veya özel bir lazer modülü için bir fikri tartışmak istiyorsanız, lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin. Opt Lasers, fikrinizi 5 hafta gibi kısa bir sürede hazır bir ürüne dönüştürebilen gururlu bir Açık Uç Üreticisidir.