蓝激光及其在工业和科学领域的应用

蓝光激光器是一种能发出波长范围在 400 纳米到 500 纳米之间的光束的设备，人眼可见的光束为紫色或蓝色。所产生的光束具有时间相干性，可以很好地准直，因此在工业和科学领域应用广泛。不同蓝光激光器的特性主要取决于不同的增益介质及其特性。蓝光激光器可指以下两种激光器之一：

1. 紧凑型高功率400-500 nm 波长激光头，是工业、科学和业余爱好应用的激光模块。除了尺寸方面的考虑外，与标准激光模块的另一个主要区别是，激光头的设计旨在实现聚焦光斑的最高功率密度，同时保持较长的使用寿命。
2. 波长为 400-500 nm 的激光模块比激光头的尺寸更大，但激光头有时也被简称为激光模块。
3. 波长为 400-500 nm 的激光二极管。最常用的蓝色激光二极管是波长为405 nm、445 nm、447 nm 和 450 nm 的二极管。

蓝光激光器最初是作为一种实验室奇观出现的，以氦-镉、氩或氪气体为基础。大约在 1992 年，蓝光激光器已经能够发出蓝光。1992 年，蓝激光只能发出 130 毫瓦的光功率，同时以热能的形式产生一千瓦的能量。然而，随着边缘发射蓝光半导体激光二极管带来的创新，情况发生了变化。不久之后（约 2000 年），蓝光激光器显然可以实现良好的电光功率转换。

蓝光技术和高功率投影仪的出现，使蓝光激光二极管诞生了第一个主要市场。这加速了新型和改进型蓝光激光二极管的开发。虽然各种类型的激光器（如离子激光器、染料激光器、半导体激光二极管和二极管泵浦固体激光器 [DPSS]）都能实现蓝色激光，但半导体蓝色激光二极管目前在市场上的地位日益重要。蓝光激光二极管具有一致的良好电光转换效率、体积小、工作温度高和寿命长等优点，因而吸引力大增。

蓝光激光二极管的电光效率约为 30%，室温下高达 39%。另一方面，用于泵浦工业用 Yb:YAG 薄盘激光器的 940 nm 激光二极管的电光转换效率通常在 46% 左右。随后的光-光转换过程，即 Yb:YAG 薄盘激光器泵浦，光-光转换效率可达 77%，但典型的光转换效率约为 41%。这样，基于 Yb-YAG 薄盘激光器的模块的整体电光转换效率为 18.8%（典型值）至 35.4%（实验室）。这还不如蓝光激光器。

掺镱钇钕石榴石（Yb:YAG）激光器的典型激光波长为 1030 纳米和 1050 纳米的红外波段，在光束质量高的情况下，衍射极限输出功率可达 1 千瓦以上，在光束质量无衍射极限的情况下，输出功率甚至更大。然而，与蓝光激光器不同，Yb:YAG 激光器相当笨重和昂贵。

在许多应用中，使用蓝光激光器代替某些红外激光器（如光纤激光器和 CO2 激光器）也很有优势。虽然光纤激光器由于光束参数积（BPP）较低，实际上可以聚焦到比多模蓝色二极管激光器更小的光斑尺寸，但它们需要更大的冷却系统。此外，它们不能有效地处理各种金属，例如铜。在室温下，铜对入射的 1.064 µm 红外光的吸收率为 5%，对入射的 10.6 µm 红外光的吸收率小于 1%，但对入射的 450 nm 蓝色激光束的吸收率却高达 65%。另一方面，尽管 CO2 激光器的价格与功率比很低，但铜对 CO2 激光的吸收率却小于 1%。CO2 激光器的电光功率转换率也非常低，约为 7.5%。因此，对于 30 W 光功率的 CO2 激光器来说，铜吸收的光功率只有 <0.3W（甚至无法对其进行处理）。与此同时，30 W 光功率的 CO2 激光设备需要消耗约 400 W 的电能，这就带来了更高电费的隐性成本。与 CO2 激光设备相比，蓝光激光的光束腰更小，因此用户可以获得更高的精度，加工更多的材料。Opt Lasers 的蓝光激光二极管模块和激光头通常是替代解决方案的上佳选择，因为它们可靠性高、功耗低，可以加工包括金属在内的多种材料。

现代蓝光激光二极管模块通常基于不同增益介质的蓝光半导体激光二极管。所选择的增益介质决定了所产生光束的特性。每个蓝光激光二极管都有不同的特性。这些特性包括功率、波长、寿命、工作温度、聚焦范围和效率。在设计时，其他技术考虑因素也很重要。

例如，Opt Lasers 的激光头中使用的氮化镓激光二极管（在 445 - 450 纳米波段发光）是一种非常有用的蓝光激光器。这是因为它们体积小巧、成本效益高、应用范围广、工作温度高达 85-90°C（蓝激光二极管全功率下的激光温度通常可达 60°C），而且性能不断提高。

氮化镓（GaN）是具有渥兹晶体结构的二元 III/V 直接带隙半导体，因其热容量大、热导率高而成为激光二极管的理想衬底。然而，由于氮化镓的温度敏感性、空穴迁移率和 3.42 V 的高带隙，基于氮化镓的激光二极管生产工艺可能会面临挑战。

目前（截至 2021 年 7 月），单个蓝光激光二极管可实现高达 6 W 的长寿命功率输出。Opt Lasers 目前的 6 W 激光二极管拥有20 000 小时的工作寿命，是市场上可持续使用的最高功率蓝光激光二极管。

蓝光激光二极管的工作温度很高，但不会明显影响其使用寿命。这部分归功于其允许的结温较高（约 130 摄氏度）；这使得脊更窄，亮度更高，光束聚焦更紧密。此外，与其他激光 二极管相比，高功率蓝色激光二极管在不过度驱动的情况下可达到的输出功率要高得多。此外，与近红外激光器和红外激光器相比，蓝光激光器可以聚焦到更小的光斑，这是因为蓝光激光束的波长更短。蓝光激光器能聚焦到较小光斑的另一个因素是其光束参数积（BPP），因为蓝光激光头的光束参数积比 CO2 激光器的光束参数积小2-20 倍。最后，由于蓝光、汽车和投影仪行业对蓝光激光二极管的热捧，最近几代蓝光激光二极管的价格已经变得非常低廉，成本效益也很高。因此，蓝光激光器以其坚固性、可靠性、 成本效益和高输出功率密度而著称。

值得注意的是，多模蓝光激光二极管的发射器在快轴（垂直）上具有单模特性，而在慢轴（水平）上具有多模特性。这导致焦点处的光束形状略微不对称，呈矩形椭圆形。此外，其中一个轴的发散度比另一个轴高几倍。因此，蓝光激光系统的工程设计可能是一项挑战，因为每个轴都需要单独分析和设计。此外，由于更复杂的系统需要选择正确的激光二极管和其他组件，我们的团队可以回答您的所有问题，甚至可以在短短 5 周内根据您的要求定制科学激光器或工业激光器。

归根结底，蓝光激光器的最大优势在于金属能够有效吸收蓝光激光束。这意味着您拥有了一种可以加工任何材料的通用激光器。此外，尽管总功率较低，但蓝光激光头的功率密度远高于 CO2 激光。此外，尽管蓝光激光束的一维尺寸比气体激光束小，但其使用效率却更高。这是由于蓝光激光束的高功率密度和高吸收率造成的。在许多雕刻应用中，这是一个显著的优势。根据轴的选择，如果将雕刻轮廓旋转 90 度，则可以获得更宽的雕刻范围或更深更窄的雕刻范围。蓝激光可以有效加工多种材料，如钛、铜或金，以及木材或皮革等其他材料。

如上图所示，445 nm（0.445 µm）蓝色激光束对金属的吸收率明显高于 Nd:YAG（1064 nm）、CO2（10600 nm）和光纤（通常为 1030 - 2050 nm）激光。同时，单模蓝光激光器的功率密度可提高 50%。这意味着与 CO2 和 Nd:YAG 激光器相比，在相同的功率水平下，蓝光激光器可向被照材料释放数倍至近20 倍的能量。

蓝光激光束的输出也可以耦合到光纤中，并在两者之间安装一个非球面透镜。这种系统被称为光纤耦合（或光纤集成）二极管激光器，与其他解决方案相比，它确实具有一些优势：

1. 光纤耦合二极管激光器具有良好的光束腰质量。蓝色激光的光束腰是对称、均匀和圆形的。
2. 光纤可以方便地安装在许多数控机床上。
3. 由于光纤重量轻，它不会影响数控机床的高速运行。

因此，光纤耦合蓝光激光系统成为激光切割和激光雕刻等材料加工技术的理想选择。