Introducción al principio, historia del desarrollo y aplicación de los láseres azules de 450 nm.

Introduction to the principle, development history and application of 450nm blue lasers

El desarrollo de la tecnología láser industrial siempre ha seguido la hoja de ruta de la tecnología de producción y las nuevas exigencias sociales. Durante los últimos 60 años, la tecnología láser ha hecho grandes contribuciones para resolver tareas importantes en el futuro de la humanidad, desde la economía y la sociedad digitales hasta la energía sostenible y la vida saludable. Entre ellos, el láser de luz azul se refiere a un láser con una longitud de onda en el rango de aproximadamente 400 nm-500 nm. El láser de luz azul de grado industrial es generalmente un láser semiconductor.


Los láseres semiconductores, también conocidos como diodos láser, son láseres que utilizan materiales semiconductores como material de trabajo. Los láseres semiconductores toman como ejemplo los láseres semiconductores de inyección eléctrica. Generalmente se añaden GaN, GaAS y otros materiales al material semiconductor para fabricar un diodo de unión semiconductor.

Cuando se inyecta una corriente lo suficientemente grande en el diodo, los electrones (cargados negativamente) en la región activa media se recombinarán espontáneamente con agujeros (cargados positivamente) y liberarán el exceso de energía en forma de fotones, que luego serán amplificados por múltiples reflexiones en la cavidad resonante para formar un láser.

Estructura básica del láser semiconductor.

Estructura básica del láser semiconductor.

Entre ellos, además de las características comunes de los láseres, los láseres semiconductores también tienen las ventajas de tamaño pequeño, baja potencia de conducción, alta eficiencia, larga vida útil, fácil integración optoelectrónica con varios dispositivos optoelectrónicos y compatibilidad con la tecnología de fabricación de semiconductores para producción en masa. . Se ven favorecidos por una amplia atención e investigación de varios países. Se ha convertido en el láser de mayor crecimiento, el más utilizado, el primero en comercializarse fuera del laboratorio y el de mayor valor de producción.


En términos de discos ópticos de almacenamiento óptico, debido a que la posible capacidad de grabación y reproducción es inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda de la fuente de luz, por ejemplo, un disco óptico preparado con un láser semiconductor de luz roja de 650 nm puede grabar 4,7 GB, mientras que uno azul de 430 nm puede grabar. La luz puede almacenar 4,7 GB. La capacidad se ha aumentado a 15 GB, por lo que para lograr una alta densidad de almacenamiento óptico, es necesario acortar la longitud de onda de la fuente de luz láser. Además, el láser de rayos azules tiene las características de longitud de onda corta, pequeño efecto de difracción y alta energía. Tiene amplias perspectivas de aplicación en procesamiento de materiales, almacenamiento de información óptica, tecnología de visualización, tecnología de comunicación, tratamiento médico con láser, etc. La longitud de onda de radiación del láser semiconductor está determinada por el ancho de banda prohibida del material del área activa.

Por lo tanto, para satisfacer las necesidades de miniaturización, bajo consumo de energía, alta confiabilidad y bajo costo, el uso de materiales semiconductores de GaN se ha convertido en la mejor opción para preparar láseres azules.


Por lo tanto, en la Conferencia Internacional GaN de 1997 celebrada en Japón, Nichia anunció que la vida útil del láser azul continuo a temperatura ambiente había superado las 10.000 H. Grandes empresas y poderosas universidades y unidades de investigación del mundo han invertido en investigación y han logrado sucesivamente importantes logros. descubrimiento. En octubre de 1999, se comercializó el láser GaN con características de salida de 5 mW, longitud de onda de 400 nm, corriente operativa de 40 mA, voltaje operativo de 5 V y una vida útil de 10 000 h a temperatura ambiente, convirtiéndose en un hito en el desarrollo de GaN. En 2001, Nichia preparó un láser de 150 mW.


Los primeros láseres azules eran de baja potencia y no recibieron mucha atención. Hasta hace poco, con la comercialización de los paquetes TO azules de un solo tubo, los precios se han reducido, la potencia ha aumentado y se han enriquecido continuamente diversas tecnologías de fabricación industrial y acoplamiento de fibras. La gente se ha dado cuenta de la viabilidad de desarrollar láseres azules de alta potencia.

Diodo láser azul Nichia NUBM44
Diodo láser azul Nichia NUBM44
Con la obtención del Premio Nobel de Física en 2014 y la creciente conciencia sobre la protección del medio ambiente a nivel mundial, los dispositivos emisores de luz de GaN han recibido una amplia atención, especialmente en el campo de la iluminación. Al mejorar continuamente el alto brillo y el alto rendimiento de los dispositivos semiconductores de luz azul, los láseres semiconductores de luz azul han entrado en la era de la producción en masa. Pero para el procesamiento con láser, se requiere una potencia mayor que la del láser azul utilizado para estas iluminaciones. Dado que los láseres de luz azul tienen muchas ventajas, como se mencionó anteriormente, la gente ha estado trabajando arduamente para desarrollar láseres de luz azul de alta potencia para el procesamiento láser.

Hasta ahora, la potencia real de cada chip de un láser semiconductor azul es de aproximadamente 5 W en una sola longitud de onda, por lo que la tecnología de combinación de haces que combina la salida de múltiples chips es esencial para obtener una mayor potencia de salida.

El primer método consiste en utilizar la tecnología de barra láser, que consiste en generar sistemáticamente un único chip láser (Single Emitter) sobre una oblea de material semiconductor. En primer lugar, se integran de forma eficiente varios chips láser individuales en una llamada barra láser. Cada barra láser puede producir al menos 50 W de luz azul. Luego, a través de conexiones eléctricas apropiadas, enfriamiento y disipación de calor, y el uso de dispositivos ópticos especiales, se instalan y combinan múltiples barras láser semiconductores en una pila de láser semiconductor (Stack). Todo el láser semiconductor puede estar compuesto por una o varias pilas de láseres semiconductores. Actualmente, la tecnología de barra láser puede alcanzar una potencia de luz azul de 2 kW.
Síntesis de haz mediante tecnología de barra láser semiconductora
Síntesis de haz mediante tecnología de barra láser semiconductora
El segundo método consiste en utilizar la tecnología de tubo único de láser semiconductor (emisor único), es decir, cada tubo único de láser se colima con su propia lente dedicada, de modo que la divergencia del haz combinado se pueda mantener lo más inalterada posible y la divergencia del haz se pueda reducir. minimizado. , aumentando así el brillo del láser. La tecnología actual de láser de tubo único produce la mejor calidad de haz, capaz actualmente de alcanzar una potencia de salida de 1,5 kW, que puede utilizarse en la fabricación de baterías, vehículos eléctricos y productos electrónicos de consumo.
Síntesis de haz de tecnología de tubo único láser semiconductor
Síntesis de haz de tecnología de tubo único láser semiconductor
Al beneficiarse de la alta eficiencia y tasa de absorción de la luz azul con una variedad de materiales, los grabadores láser de consumo, como las series LONGER RAY5 y B1, se han utilizado ampliamente en el procesamiento de madera, metal, alimentos, acrílico, cerámica y otros materiales.

Grabadores láser en madera: Para madera y materiales a base de madera, el grabador láser azul ofrece el mejor rendimiento. El grabador láser azul tiene una eficiencia del 20 al 25 % y, según los trabajos de investigación disponibles, la longitud de onda azul de 445 a 450 nm tiene una tasa de absorción del 68 % y 73 % en madera de pino y haya, respectivamente. Un grabador láser de CO2 tiene una eficiencia energética general del 5% y su longitud de onda tiene una tasa de absorción del 85% y 88% en los mismos dos materiales. Por tanto, un grabador láser azul es aproximadamente 3,4 veces más eficiente que un láser de CO2 con el mismo consumo de energía.

Grabado láser en cuero: investigaciones académicas han demostrado que la tasa de absorción de la longitud de onda del láser azul es del 88% para un rayo láser azul y aproximadamente del 38% para un rayo láser de fibra infrarroja de 1,06 µm. Por lo tanto, un grabador láser azul es aproximadamente 2,3 veces más eficiente que un láser infrarrojo de 1,06 μm con la misma potencia, lo que garantiza que un grabador láser azul funcionará mejor en el grabado de cuero.

Grabado láser en alimentos y materiales orgánicos: Los láseres de fibra y CO2 tienen dificultades para grabar alimentos y la gran mayoría de materiales orgánicos. Esto se debe a que los alimentos y los materiales orgánicos tienen un alto contenido de agua, a menudo hasta el 70%. El agua absorbe la mayor parte del espectro láser, sin embargo, transmite rayos láser azules casi completos ya que el coeficiente de absorción del agua es 3*10^-4 cm-1 para un láser de 450 nm. Para una longitud de onda de 1,06 µm, la tasa de absorción es de 6000 cm-1, mientras que para un rayo láser de CO2 de 10,6 µm la absorción es aún mayor, ya que es de 7000000 cm-1. Esto significa que prácticamente toda la potencia de los rayos láser de fibra y CO2 se gasta en evaporar el agua, mientras que un láser azul ignora el contenido de agua y graba en el material orgánico real que debe grabarse, lo que hace que el proceso sea mucho más rápido. Además, las especies de plantas son muy absorbentes para los rayos láser azules.

Datos relevantes provienen del proyecto "Desarrollo de una tecnología de fuente láser multidiodo basada en diodos con longitudes de onda en el rango de 350-550 nm, que permite modificar los parámetros del rayo láser para optimizar los procesos de corte, grabado y sinterización de materiales utilizados en la industria". .", que está cofinanciado por la Unión Europea con fondos del Fondo Europeo de Desarrollo Regional en el marco del Programa Operativo de Desarrollo Inteligente 2014-2020.