Niebieski laser i jego zastosowania w przemyśle i nauce

Co to jest laser niebieski?

Niebieskilaser to urządzenie emitujące wiązkę światła o długości fali w zakresie od 400 do 500 nm, widoczną dla ludzkiego oka jako fioletowa lub niebieska. Wytwarzana wiązka światła jest spójna czasowo i może być dobrze kolimowana, co umożliwia jej liczne zastosowania w przemyśle i nauce. Charakterystyki różnych laserów niebieskich zależą głównie od różnych nośników wzmocnienia i ich właściwości. Termin "niebieski laser" może odnosić się do jednego z poniższych urządzeń:

1. A Głowica lasera o długości fali 400-500 nmto kompaktowy moduł laserowy dużej mocy do zastosowań przemysłowych, naukowych i hobbystycznych. Oprócz wymiarów, od standardowych modułów laserowych różni się tym, że głowice laserowe są zaprojektowane w taki sposób, aby uzyskać najwyższą gęstość mocy w punkcie skupienia wiązki przy jednoczesnym zachowaniu długiego okresu eksploatacji.
2. A moduł laserowy o długości fali 400-500 nmktóra ma większe rozmiary niż głowica laserowa, chociaż głowice laserowe są czasami nazywane po prostu modułami laserowymi.
3. A dioda laserowa o długości fali 400-500 nm.. Najpopularniejsze niebieskie diody laserowe to takie, które emitują wiązki o długości fali 405 nm, 445 nm, 447 nm i 450nm.

Niebieskie lasery powstały początkowo jako ciekawostka laboratoryjna i były oparte na gazie hel-kadm, argon lub krypton. W tym momencie, ok. 1992 r. lasery niebieskie były w stanie emitować zaledwie 130 mW mocy optycznej, wytwarzając przy tym kilowat energii w postaci ciepła. Sytuacja uległa jednak zmianie wraz z wprowadzeniem innowacji w postaci niebieskich półprzewodnikowych diod laserowych o emisji krawędziowej. Wkrótce potem (ok. 2000 r.) stało się jasne, że niebieskie lasery mogą charakteryzować się korzystną konwersją mocy elektrycznej na optyczną.

Pojawienie się technologii Blu-Ray i projektorów dużej mocy spowodowało powstanie pierwszego dużego rynku dla niebieskich diod laserowych. Przyspieszyło to rozwój nowych i ulepszonych ich odmian. Chociaż niebieskie światło można uzyskać za pomocą różnych typów laserów (takich jak lasery jonowe, barwnikowe, półprzewodnikowe diody laserowe i pompowane diodą lasery na ciele stałym [DPSS]), to właśnie półprzewodnikowe niebieskie diody laserowe zdobywają obecnie coraz większą popularność na rynku. Atrakcyjność ta wynika z jednakowo dobrego współczynnika sprawności elektrycznej do optycznej, małych rozmiarów, wysokich temperatur pracy i czasów życia niebieskich diod laserowych.

Sprawność elektryczno-optyczna niebieskich diod laserowych wynosi zwykle około 30% i sięga nawet 39% w temperaturze pokojowej. Z drugiej strony, diody laserowe 940 nm stosowane do pompowania przemysłowych laserów cienkowarstwowych Yb:YAG mają zwykle sprawność elektryczną 46%. Późniejszy proces konwersji optycznej na optyczną, czyli pompowanie lasera cienkowarstwowego Yb:YAG, osiąga sprawność optyczną do 77%, chociaż typowa konwersja optyczna wynosi około 41%. Daje to całkowitą sprawność konwersji elektryczno-optycznej dla modułów opartych na laserach cienkowarstwowych Yb-YAG od 18,8% (typowo) do 35,4% (w laboratorium). Jest to wartość gorsza od tej, jaką można uzyskać przy użyciu laserów niebieskich.

Lasery Yb:YAG zwykle świecą w podczerwieni, na długości fali 1030 nm i 1050 nm, osiągając moc powyżej 1 kW z ograniczeniem dyfrakcyjnym przy wysokiej jakości wiązki, a nawet większe moce przy jakości wiązki bez ograniczenia dyfrakcyjnego. Niemniej jednak, w przeciwieństwie do laserów niebieskich, lasery Yb:YAG są dość nieporęczne i kosztowne.

W wielu zastosowaniach korzystne jest także zastosowanie lasera niebieskiego zamiast niektórych laserów na podczerwień, takich jak lasery włóknowe i lasery CO2. Chociaż lasery światłowodowe można praktycznie ogniskować na plamce o mniejszym rozmiarze niż wielomodowe niebieskie lasery diodowe ze względu na niższy BPP (Beam Parameter Product), wymagają one większego systemu chłodzenia. Ponadto nie mogą one efektywnie przetwarzać różnych metali, takich jak na przykład miedź. Miedź absorbuje 5% padającego światła podczerwonego o długości fali 1,064 µm i <1% padającego światła podczerwonego o długości fali 10,6 µm, ale 65% padającej niebieskiej wiązki laserowej o długości fali 450 nm w temperaturze pokojowej. Z drugiej strony, pomimo niskiego stosunku ceny do mocy lasera CO2, miedź absorbuje <1% światła lasera CO2. Lasery CO2 cierpią również z powodu bardzo słabej konwersji mocy elektrycznej na optyczną, wynoszącej około 7,5%. Z tego powodu w przypadku lasera CO2 o mocy optycznej 30 W na miedzi pochłaniane jest tylko <0,3 W mocy optycznej (co nie pozwala nawet na jej przetworzenie). Jednocześnie zespół lasera CO2 o mocy optycznej 30 W zużywa około 400 W energii elektrycznej, co wiąże się z ukrytymi kosztami wyższego rachunku za prąd. W porównaniu z laserami CO2, lasery niebieskie oferują mniejszą wiązkę, co pozwala użytkownikowi na osiągnięcie większej precyzji i obróbkę szerszego zakresu materiałów. Moduły diodowe laserów niebieskich i głowice laserowe firmy Opt Lasers są często lepszym wyborem niż alternatywne rozwiązania, ponieważ oferują wysoką niezawodność, niższe zużycie energii i mogą obrabiać szerszy zakres materiałów, w tym metale.

Przewaga konkurencyjna głowicdo laserów niebieskich firmy Opt Lasers

Nowoczesne moduły z niebieskimi diodami laser owymi są zwykle oparte na niebieskich półprzewodnikowych diodach laserowych z różnymi nośnikami wzmocnienia. Wybrany środek wzmocnienia określa właściwości wytwarzanej wiązki światła. Każda niebieska dioda laserowa ma inną charakterystykę. Należą do nich moc, długość fali, czas życia, temperatura pracy, możliwość ogniskowania wiązki na jak najmniejszym obszarze oraz wydajność. Przy konstruowaniu diody ważne są także inne czynniki techniczne.

Na przykład diody laserowe InGaN z podłożem GaN (świecące w paśmie 445 - 450 nm), stosowane w głowicach laserowych firmy Opt Lasers, są bardzo użytecznym typem niebieskich laserów. Wynika to z ich niewielkich rozmiarów, wysokiej efektywności kosztowej, szerokiego zakresu zastosowań, temperatur pracy sięgających 85-90°C (niebieskie diody laserowe mogą świecić z pełną mocą w temperaturze do 60°C) oraz coraz lepszej wydajności.

Azotek galu (GaN), binarny półprzewodnik o bezpośredniej przerwie pasmowej III/V i strukturze Wurtzite'a, jest doskonałym podłożem dla diod laserowych ze względu na dużą pojemność cieplną i przewodnictwo cieplne. Proces produkcji diod laserowych na bazie GaN może jednak stanowić wyzwanie ze względu na wrażliwość na temperaturę, ruch dziur i wysoką przerwę pasmową wynoszącą 3,42 V. Obecnie w komercyjnie produkowanych niebieskich diodach laserowych wykorzystuje się powierzchnie szafirowe pokryte warstwą GaN.

Pojedyncza niebieska dioda laserowa może obecnie (stan na lipiec 2021 r.) osiągnąć długotrwałą moc wyjściową do 6 W. Pierwszym przykładem takiej diody była NUBM44 firmy Nichia. Niedawno kilka innych firm opracowało i wprowadziło na rynek niebieskie diody laserowe o mocy 5+ W. Obecna 6-watowa dioda laserowa firmy Opt Lasers może pochwalić się czasem pracy wynoszącym 20 000 godzin i jest dostępną na rynku niebieską diodą laserową o największej mocy do długotrwałego użytku.

Niebieskie diody laserowe mogą pracować w wysokich temperaturach bez znaczącego wpływu na ich żywotność. Wynika to częściowo z ich wysokiej dopuszczalnej temperatury złącza (~130C); umożliwia to uzyskanie węższego grzbietu, co przekłada się na większą jasność i bardziej skupioną wiązkę. Ponadto moc wyjściowa, jaką można uzyskać przy użyciu niebieskich diod laserowych o dużej mocy bez przesterowania, jest znacznie wyższa w porównaniu z innymi diodami laserowymi. Ponadto lasery niebieskie mogą być ogniskowane w plamkach o mniejszym rozmiarze niż lasery NIR i IR, co wynika z krótszej długości fali wiązki lasera niebieskiego. Dodatkowym czynnikiem, który pozwala skupić wiązkę lasera niebieskiego na mniejszej plamce, jest iloczyn parametrów wiązki (BPP), ponieważ BPP głowic laserów niebieskich jest 2-20 razy mniejsze niż BPP laserów CO2. Wreszcie, dzięki boomowi na niebieskie diody laserowe w branży Blu-Ray, motoryzacyjnej i projektorów, ostatnie generacje niebieskich diod laserowych stały się niezwykle tanie i opłacalne. W rezultacie niebieskie lasery stały się znane ze swojej solidności, niezawodności, opłacalności i wysokiej gęstości mocy wyjściowej.

Warto zauważyć, że emiter wielomodowej niebieskiej diody laser owej ma charakterystykę jednomodową na osi szybkiej (pionowej) i wielomodową na osi wolnej (poziomej). Powoduje to nieco asymetryczny, prostokątno-eliptyczny kształt wiązki w ognisku. Ponadto, rozbieżność w jednej z osi jest kilkakrotnie większa niż w drugiej. W związku z tym konstrukcja systemu niebieskiego lasera może stanowić wyzwanie, ponieważ każda oś musi być analizowana i projektowana osobno. Ponadto, ponieważ bardziej złożone systemy wymagają doboru odpowiednich diod laserowych oraz innych komponentów, nasz zespół jest gotowy odpowiedzieć na wszystkie pytania i może nawet zbudować wybrany laser naukowy lub przemysłowy w ciągu zaledwie 5 tygodni.

Lasery niebieskie a lasery IR i CO2

Ostatecznie, największą zaletą niebieskich laserów jest to, że metale skutecznie pochłaniają wiązki niebieskich laserów. Oznacza to, że mamy do czynienia z uniwersalnym laser em, który może przetwarzać dowolny materiał. Ponadto, pomimo niższej mocy całkowitej, głowice laserów niebieskich charakteryzują się znacznie większą gęstością mocy niż lasery CO2. Ponadto, mimo że wiązki lasera niebieskiego są mniejsze w jednym wymiarze niż w przypadku laserów gazowych, można je wykorzystać znacznie bardziej efektywnie. Wynika to z dużej gęstości mocy i wysokiego współczynnika absorpcji wiązki lasera niebieskiego. Jest to istotna zaleta w przypadku wielu zastosowań grawerskich. W zależności od wyboru osi, można uzyskać szersze grawerowanie lub głębsze i węższe, jeśli kontur grawerowania zostanie obrócony o 90 stopni. Lasery niebieskie mogą efektywnie obrabiać szeroki zakres materiałów, takich jak tytan, miedź czy złoto, a także inne materiały, takie jak drewno czy skóra.

Jak widać na powyższym wykresie, wiązka niebieskiego lasera o długości fali 445 nm (0,445 µm) charakteryzuje się znacznie wyższym współczynnikiem absorpcji dla metali niż lasery Nd:YAG (1064 nm), CO2 (10600 nm) i Fiber (zwykle 1030-2050 nm). Jednocześnie jednomodowe lasery niebieskie są w stanie osiągnąć o 50% wyższą gęstość mocy. Oznacza to, że laser niebieski może wyładować od kilku do prawie 20 razy więcej energii na oświetlanym materiale przy tym samym poziomie mocy w porównaniu z laserami CO2 i Nd:YAG.

Moduły sprzężone z włóknami światłowodowymi

Wyjście niebieskiej wiązki laserowej może być również sprzężone ze światłowodem, a pomiędzy nimi znajduje się soczewka asferyczna. Tego rodzaju system jest nazywany laserem diodowym sprzężonym z włóknem (lub zintegrowanym z włóknem) i ma kilka zalet w porównaniu z rozwiązaniami alternatywnymi:

1. Lasery diodowe sprzężone z włóknami mają dobrą jakość pasa wiązki. Pas wiązki niebieskiego lasera jest symetryczny, jednorodny i okrągły.
2. Światłowody można łatwo zainstalować w wielu maszynach CNC.
3. Włókno światłowodowe jest lekkie i nie ogranicza szybkiej pracy maszyny CNC.

W związku z tym systemy niebieskiego lasera sprzężonego ze światłowodem stanowią interesującą opcję dla technik obróbki materiałów, takich jak cięcie i grawerowanie laserowe.

Zastosowania w nauce i przemyśle

Z punktu widzenia zastosowań laserów niebieskich w fotonice są one bardzo wygodnymi urządzeniami ze względu na praktyczny zakres mocy wyjściowych i łatwość modulacji za pomocą prądu sterującego o wysokiej częstotliwości. Zastosowania niebieskich laserów obejmują m.in. pompowanie laserów na ciele stałym, kropek kwantowych lub pojedynczych emiterów kwantowych (SQE), mikroskopię laserową, spektroskopię, skanowanie powierzchni, druk laserowy, czujniki i pompowanie źródeł RBG (takich jak luminofory). Na przykład, Stosowanie czujników z niebieskim laserem jest korzystne, ponieważ dzięki krótszej długości fali lepiej sprawdzają się one na powierzchniach polerowanych i błyszczących. Natomiast światło czerwone jest zniekształcane przez takie powierzchnie, co powoduje efekt "plamki". Powoduje to, że detektor napotyka na podwyższone szumy sygnału, co przekłada się na obniżenie dokładności pomiaru. Z drugiej strony, czujnik z niebieskim laserem może działać wyjątkowo wydajnie przy znacznie mniejszej ilości plamek. W związku z tym użycie niebieskiego lasera powoduje obniżenie poziomu szumów, zwykle dwu- lub trzykrotnie w porównaniu z czujnikami z laserem czerwonym.

Co więcej, niebieskie lasery mogą być również wykorzystywane w przemyśle tekstylnym do szybkiego cięcia, dekorowania i personalizowania tkanin, takich jak bawełna, poliester, wiskoza, filc, polar, skóra, tkaniny tapicerskie i z włókna szklanego. Co więcej, niebieskie lasery stanowią doskonały i porywający wybór do pokazów laserowych.

Medycyna jest również znana z szerokiego wykorzystania niebieskich laserów. Większość elementów tytanowych umieszczanych w ludzkim ciele podczas operacji jest znakowana za pomocą niebieskich laserów. Ponadto niebieskie lasery są wykorzystywane jako źródło oświetlenia w mikroskopii fluorescencyjnej.

Ponadto, zastosowania przemysłowe, takie jak podgrzewanie materiałów, cięcie i spawanie, korzystają z dobrego pochłaniania energii. Materiały takie jak tytan, miedź czy złoto są w stanie zaabsorbować około 65-80% energii z lasera niebieskiego. Jest to szczególnie przydatne w przypadku spawania, ponieważ niska absorpcja lasera na podczerwień (5%) prowadziłaby do powstawania dużej ilości defektów w obrabianych kawałkach metalu. I odwrotnie, lasery niebieskie doskonale sprawdzają się w sytuacjach, gdy cienkie metale mają być szybko i niezawodnie łączone z niewielką ilością defektów. Wysoki współczynnik absorpcji wiązki lasera niebieskiego może także przyspieszyć szybkość montażu w produkcji addytywnej, zarówno w przypadku metod laserowego osadzania metalu, jak i wytwarzania w złożu proszkowym. Zależy to od używanego materiału, ale można oczekiwać zwiększenia szybkości od trzech do dziesięciu razy dzięki zastosowaniu niebieskich laserów. Ponadto, mały rozmiar plamki ogniskowej lasera niebieskiego prowadzi do dwóch dodatkowych korzyści. Po pierwsze, w przypadku ustawionego systemu optycznego pas wiązki światła o długości fali 450 nm jest mniejszy o połowę od pasa wiązki o długości fali 1080 nm. Dlatego użycie niebieskiej wiązki laserowej może poprawić zdolność skalowania elementów, rozdzielczość i precyzję produktu końcowego. Ponadto, jeśli zastosuje się taką samą rozdzielczość, jaka jest możliwa do uzyskania przy użyciu wiązki podczerwieni, laser niebieski może zapewnić taką samą rozdzielczość, ale dla obszaru czterokrotnie większego. Wyraźnie widać, że potencjalna poprawa jakości produkcji i szybkości przetwarzania może być bardzo korzystna.

Podsumowując, systemy niebieskiego lasera cieszą się dużą popularnością i mają wiele konkretnych zastosowań. Są one wytrzymałe, niezawodne, wydajne czasowo i ekonomiczne, czego przykładem jest nasza głowica laserowa PLH3D-XT-50 lub PLH3D-6W-XF+ z modernizacją soczewki µSpot:

{produkt:509}

Jeśli wymagana jest wyższa moc robocza, zdecydowanie sugerujemy zapoznanie się z naszą głowicą laserową PLH3D-15W. Jednakże, jeśli chcesz zakupić swoją pierwszą głowicę do grawerowania, możesz wypróbować naszą głowicę laserową 2W.

{produkty:402,239}

Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub chcesz przedyskutować pomysł na niestandardową głow icę laserową lub niestandardowy moduł laserowy, skontaktuj się z nami. Opt Lasers jest dumnym producentem typu Open End, który może przekształcić Twój pomysł w gotowy produkt w ciągu zaledwie 5 tygodni.