Niebieski laser - Blue laser
Niebieski laser jest laserem , który emituje promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali pomiędzy 360 a 480 nanometrów , których ludzkie oko postrzega jako niebieski albo fiolet .
Niebieskie wiązki są wytwarzane przez lasery gazowe helowo-kadmowe o długości fali 441,6 nm oraz lasery argonowo-jonowe o długości fali 458 i 488 nm. Lasery półprzewodnikowe z niebieską wiązką są zazwyczaj oparte na azotku galu(III) (GaN; kolor fioletowy) lub azotku indu galu (często w kolorze prawdziwie niebieskim, ale mogą również wytwarzać inne kolory). Zarówno niebieskie, jak i fioletowe lasery mogą być również skonstruowane przy użyciu podwojenia częstotliwości długości fal lasera podczerwonego z laserów diodowych lub pompowanych diodami laserów na ciele stałym .
Lasery diodowe, które emitują światło o długości 445 nm, stają się popularne jako lasery ręczne. Lasery emitujące fale o długości poniżej 445 nm wydają się fioletowe (ale czasami nazywane są niebieskimi laserami). Niektóre z najpopularniejszych na rynku niebieskich laserów to lasery diodowe stosowane w aplikacjach Blu-ray , które emitują „fioletowe” światło o długości 405 nm, które jest wystarczająco krótkie, aby wywołać fluorescencję w niektórych chemikaliach, w taki sam sposób, jak promieniowanie dalej w ultrafiolecie (" czarne światło "). Światło o długości fali krótszej niż 400 nm jest klasyfikowane jako ultrafioletowe.
Urządzenia wykorzystujące niebieskie światło lasera mają zastosowanie w wielu dziedzinach, od optoelektronicznego przechowywania danych o dużej gęstości po zastosowania medyczne.
Historia
Lasery półprzewodnikowe
Czerwone lasery można zbudować na półprzewodnikach z arsenku galu ( Ga As ), na których umieszcza się kilkanaście warstw atomów tworzących część lasera, która generuje światło ze studni kwantowych . Stosując metody podobne do tych opracowanych dla krzemu , można zbudować podłoże wolne od defektów zwanych dyslokacjami , a atomy ułożyć tak, aby odległość między budującymi grunt a tymi w studniach kwantowych była taka sama.
Jednak najlepszym półprzewodnikiem dla niebieskich laserów są kryształy azotku galu (GaN), które są znacznie trudniejsze do wyprodukowania, wymagają wyższych ciśnień i temperatur, podobnych do tych, w których wytwarza się syntetyczne diamenty, oraz stosowania azotu pod wysokim ciśnieniem. Problemy techniczne wydawały się nie do pokonania, więc badacze od lat 60. XX wieku starali się osadzić GaN na bazie łatwo dostępnego szafiru . Jednak niedopasowanie struktur szafiru i azotku galu spowodowało zbyt wiele defektów.
W 1992 roku japoński wynalazca Shuji Nakamura wynalazł pierwszą wydajną niebieską diodę LED, a cztery lata później pierwszy niebieski laser. Nakamura stosowane materiału osadzonego na podłożu z szafiru, chociaż ilość wad pozostaje zbyt wysokie (10 6 -10 10 / cm 2 ) w prosty sposób zbudować lasera dużej mocy.
Na początku 1990 Instytut Fizyki Wysokich Ciśnień przy Polskiej Akademii Nauk w Warszawie ( Polska ), pod kierownictwem dr Sylwester Porowski opracowała technologię do tworzenia kryształów azotku galu o wysokiej jakości konstrukcyjnej i mniej niż 100 wad na centymetr kwadratowy - co najmniej 10 000 razy lepszy niż najlepszy kryształ na bazie szafiru.
W 1999 roku Nakamura wypróbował polskie kryształy, produkując lasery z dwukrotnie większą wydajnością i dziesięciokrotnie dłuższą żywotnością — 3000 godzin przy 30 mW.
Dalszy rozwój technologii doprowadził do masowej produkcji urządzenia. Dziś niebieskie lasery wykorzystują powierzchnię szafirową pokrytą warstwą azotku galu (technologię tę stosuje japońska firma Nichia , która ma umowę z Sony ), a niebieskie lasery półprzewodnikowe wykorzystują monokrystaliczną powierzchnię azotku galu (polska firma TopGaN ). .
Po 10 latach japońscy producenci opanowali produkcję niebieskiego lasera o mocy 60 mW, dzięki czemu można je stosować w urządzeniach, które odczytują gęsty, szybki strumień danych z Blu-ray, BD-R i BD-RE. Polska technologia jest tańsza niż japońska, ale ma mniejszy udział w rynku. Jest jeszcze jedna polska firma high-tech, która tworzy kryształ azotku galu – Ammono , ale ta firma nie produkuje niebieskich laserów.
Za swoją pracę Nakamura otrzymał Nagrodę Technologii Milenijnych przyznaną w 2006 roku oraz Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznaną w 2014 roku.
Do późnych lat 90., kiedy opracowano niebieskie lasery półprzewodnikowe, niebieskie lasery były dużymi i drogimi instrumentami laserowymi , które opierały się na inwersji populacji w mieszaninach gazów rzadkich i wymagały wysokich prądów oraz silnego chłodzenia.
Dzięki wcześniejszemu rozwojowi wielu grup, w tym przede wszystkim grupy profesora Isamu Akasaki , Shuji Nakamura z Nichia Corporation i Sony Corporation w Anan (Tokushima-ken, Japonia) dokonali szeregu wynalazków i opracowali komercyjnie opłacalny niebieski i fioletowy półprzewodnik lasery . Aktywna warstwa urządzeń Nichia została utworzona ze studni kwantowych InGaN lub kropek kwantowych powstałych spontanicznie w wyniku samoorganizacji . Nowy wynalazek umożliwił opracowanie małych, wygodnych i niedrogich laserów niebieskich, fioletowych i ultrafioletowych ( UV ), które nie były wcześniej dostępne, i otworzył drogę do zastosowań takich jak przechowywanie danych HD DVD o dużej gęstości i Blu- dyski promieniowe . Krótsza długość fali pozwala na odczyt płyt zawierających znacznie więcej informacji.
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2014 r. „za wynalezienie wydajnych diod emitujących światło niebieskie, które umożliwiły uzyskanie jasnych i energooszczędnych źródeł białego światła”.
Lasery półprzewodnikowe o podwojonej częstotliwości
Lasery na podczerwień oparte na półprzewodnikach są łatwo dostępne od dziesięcioleci, na przykład jako źródło pomp dla laserów telekomunikacyjnych lub półprzewodnikowych. Można je podwoić częstotliwościowo do zakresu niebieskiego przy użyciu standardowych kryształów nieliniowych.
Jak już wspomniano, fioletowe lasery mogą być konstruowane bezpośrednio z półprzewodników GaN (azotek galu). Jednak dostępnych stało się kilka „fioletowych” wskaźników laserowych o większej mocy (120 mW) 404–405 nm, które nie są oparte na GaN, ale również wykorzystują technologię podwajania częstotliwości, zaczynając od 1 watowych laserów diodowych na podczerwień 808 nm z arsenku galu, które są bezpośrednio podwojony, bez lasera półprzewodnikowego pompowanego diodą o dłuższej fali, umieszczonego między laserem diodowym a podwójnym kryształem.
Najwyższe moce i przestrajanie długości fali można osiągnąć, gdy proces podwojenia częstotliwości jest wzmocniony rezonatorem, co powoduje, że źródła klasy Watt obejmują cały widzialny zakres długości fal. Na przykład w 2,6 W mocy wyjściowej zademonstrowano około 400 nm.
Pompowane diodowo lasery na ciele stałym
Niebieskie wskaźniki laserowe, które stały się dostępne około 2006 roku, mają taką samą podstawową konstrukcję jak zielone lasery DPSS . Najczęściej emitują światło o długości fali 473 nm, które jest wytwarzane przez podwojenie częstotliwości promieniowania laserowego 946 nm z pompowanego diodą kryształu Nd:YAG lub Nd:YVO4 . Kryształy domieszkowane neodymem zwykle wytwarzają główną długość fali 1064 nm, ale dzięki odpowiedniej powłoce odbijającej lustra mogą być również wykonane laserowo na innych niegłównych długościach fal neodymowych, takich jak przejście 946 nm stosowane w zastosowaniach niebieskiego lasera. Aby uzyskać wysoką moc wyjściową, kryształy BBO są używane jako podwajacze częstotliwości; dla niższych mocy stosuje się KTP . Dostępne moce wyjściowe wynoszą do 5000 mW. Wydajność konwersji przy wytwarzaniu promieniowania laserowego 473 nm jest nieefektywna, a niektóre z najlepszych wyników uzyskanych w laboratorium osiągają skuteczność 10-15% w konwersji promieniowania laserowego 946 nm na promieniowanie laserowe 473 nm. W zastosowaniach praktycznych można oczekiwać, że będzie to jeszcze mniej. Ze względu na tę niską sprawność konwersji, zastosowanie diody IR o mocy 1000 mW daje co najwyżej 150 mW widzialnego światła niebieskiego.
Niebieskie lasery można również wytwarzać bezpośrednio z półprzewodników InGaN, które wytwarzają niebieskie światło bez podwojenia częstotliwości. Niebieskie diody laserowe od 445 nm do 465 nm są obecnie dostępne na wolnym rynku. Urządzenia są znacznie jaśniejsze niż diody laserowe 405 nm, ponieważ dłuższa długość fali jest bliższa szczytowej czułości ludzkiego oka. Urządzenia komercyjne, takie jak projektory laserowe, obniżyły ceny tych diod.
Wygląd zewnętrzny
Fioletowy laser o długości fali 405 nm (zbudowany z diod laserowych GaN lub GaAs o podwojonej częstotliwości) nie jest w rzeczywistości niebieski, ale wydaje się okiem fioletowy, na który ludzkie oko ma bardzo ograniczoną czułość. Gdy skierowany na wielu białych przedmiotów (takich jak kartki papieru lub białych ubrań, które zostały umyte w określonych proszkach do prania) na wygląd zmian plamki lasera z fioletowego na niebieski, ze względu na fluorescencji z barwników rozjaśniające .
W przypadku zastosowań z wyświetlaczem, które muszą być „prawdziwe niebieskie”, wymagana jest długość fali 445–450 nm. Wraz z postępem w produkcji i komercyjną sprzedażą tanich projektorów laserowych, diody laserowe InGaN 445 nm spadły.
Aplikacje
Obszary zastosowania niebieskiego lasera to:
- Odtwarzacze Blu-ray o wysokiej rozdzielczości
- Projektory DLP i 3LCD
- Telekomunikacja
- Technologia informacyjna
- Monitoring środowiska
- Wyposażenie elektroniczne
- Diagnostyka medyczna
- Ręczne projektory i wyświetlacze