Modrý laser - Blue laser
Modrý laser je laser , který emituje elektromagnetické záření s vlnovou délkou mezi 360 a 480 nm , které je lidské oko vnímá jako modré nebo fialové .
Modré paprsky produkují helium-kadmiové plynové lasery při 441,6 nm a argon-iontové lasery při 458 a 488 nm. Polovodičové lasery s modrými paprsky jsou obvykle založeny na nitridu galia (III) (GaN; fialová barva) nebo nitridu india a galia (často skutečně modré barvy, ale také schopné produkovat jiné barvy). Modré i fialové lasery mohou být také konstruovány pomocí zdvojnásobení frekvence infračervených laserových vlnových délek z diodových laserů nebo diodami čerpaných polovodičových laserů .
Diodové lasery, které vyzařují světlo při 445 nm, se stávají populárními jako ruční lasery. Lasery vyzařující vlnové délky pod 445 nm vypadají fialově (někdy se jim ale říká modré lasery). Některé z komerčně nejběžnějších modrých laserů jsou diodové lasery používané v aplikacích Blu-ray, které vyzařují 405 nm „fialové“ světlo, což je dostatečně krátká vlnová délka, aby v některých chemikáliích způsobila fluorescenci , stejným způsobem jako záření dále do ultrafialového záření („ černé světlo “) ano. Světlo s kratší vlnovou délkou než 400 nm je klasifikováno jako ultrafialové.
Zařízení využívající modré laserové světlo mají aplikace v mnoha oblastech od optoelektronického ukládání dat s vysokou hustotou až po lékařské aplikace.
Dějiny
Polovodičové lasery
Červené lasery mohou být postaveny na polovodičích arzenidu galia ( Ga As ), na které je umístěno tucet vrstev atomů, které tvoří část laseru, který generuje světlo z kvantových jamek . Pomocí metod podobných těm, které byly vyvinuty pro křemík , lze substrát vybudovat bez defektů nazývaných dislokace a atomů stanovených tak, aby vzdálenost mezi těmi, které tvoří půdu, a těmi v kvantových jamkách byly stejné.
Nejlepším polovodičem pro modré lasery jsou však krystaly nitridu galia (GaN), jejichž výroba je mnohem těžší, vyžadují vyšší tlaky a teploty, podobné těm, které produkují syntetické diamanty, a použití vysokotlakého plynného dusíku. Technické problémy se zdály nepřekonatelné, a tak se vědci od 60. let 20. století snaží uložit GaN na bázi snadno dostupného safíru . Ale nesoulad mezi strukturami safíru a nitridu galia způsobil příliš mnoho defektů.
V roce 1992 vynalezl japonský vynálezce Shuji Nakamura první efektivní modrou LED a o čtyři roky později první modrý laser. Nakamura použil materiál uložený na safír substrátu, i když se počet vad zůstává příliš vysoká (10 6 -10 10 / cm 2 ) pro snadné vytvořit vysoce výkonný laser.
Na počátku devadesátých let vyvinul Ústav fyziky vysokého tlaku při Polské akademii věd ve Varšavě ( Polsko ) pod vedením Dr. Sylwestera Porowského technologii k vytváření krystalů nitridu galia s vysokou strukturní kvalitou a méně než 100 defekty na centimetr čtvereční - alespoň 10 000krát lepší než nejlepší krystal podporovaný safírem.
V roce 1999 Nakamura vyzkoušela polské krystaly a vyráběla lasery s dvojnásobným výtěžkem a desetkrát delší životností - 3 000 hodin při 30 mW.
Další vývoj technologie vedl k masové výrobě zařízení. Modré lasery dnes používají safírový povrch pokrytý vrstvou nitridu galia (tuto technologii používá japonská společnost Nichia , která má dohodu se Sony ), a modré polovodičové lasery používají monokrystalový povrch z nitridu galia (polská společnost TopGaN ) .
Po 10 letech zvládli japonští výrobci výrobu modrého laseru s výkonem 60 mW, díky čemuž jsou použitelné pro zařízení, která čtou hustý vysokorychlostní proud dat z disků Blu-ray, BD-R a BD-RE. Polská technologie je levnější než japonská, ale má menší podíl na trhu. Existuje ještě jedna polská high-tech společnost, která vyrábí krystal nitridu galia- Ammono , ale tato společnost nevyrábí modré lasery.
Za svou práci získal Nakamura v roce 2006 Millenium Technology Prize udělenou v roce 2006 a Nobelovu cenu za fyziku udělenou v roce 2014.
Až do konce devadesátých let, kdy byly vyvinuty modré polovodičové lasery, byly modré lasery velké a drahé plynové laserové přístroje, které se spoléhaly na inverzi populace ve směsích vzácných plynů a vyžadovaly vysoké proudy a silné chlazení.
Díky předchozímu vývoji mnoha skupin, zejména skupiny profesora Isamu Akasakiho , Shuji Nakamura ve společnosti Nichia Corporation a Sony Corporation v Ananu (Tokushima-ken, Japonsko) vytvořily řadu vynálezů a vyvinuly komerčně životaschopný modrý a fialový polovodič lasery . Aktivní vrstva zařízení Nichia byla vytvořena z kvantových jamek InGaN nebo kvantových teček spontánně vytvořených pomocí vlastní montáže . Nový vynález umožnil vývoj malých, pohodlných a levných modrých, fialových a ultrafialových ( UV ) laserů, které dosud nebyly k dispozici, a otevřel cestu aplikacím, jako je ukládání dat HD DVD s vysokou hustotou a Blu - ray paprskové disky. Kratší vlnová délka mu umožňuje číst disky obsahující mnohem více informací.
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano a Shuji Nakamura získali v roce 2014 Nobelovu cenu za fyziku „za vynález účinných diod emitujících modré světlo, které umožnily jasné a energeticky úsporné zdroje bílého světla“.
Polovodičové lasery s frekvencí zdvojnásobené
Infračervené lasery na bázi polovodičů jsou k dispozici po celá desetiletí, například jako čerpací zdroj pro telekomunikační nebo polovodičové lasery. Ty lze frekvenčně zdvojnásobit na modrý rozsah pomocí standardních nelineárních krystalů.
Fialové lasery mohou být konstruovány přímo s polovodiči GaN (nitridu galia), jak je uvedeno. Bylo však k dispozici několik „výkonnějších“ (120 mW) 404–405 nm „fialových“ laserových ukazatelů, které nejsou založeny na GaN, ale také využívají technologii zdvojovače frekvence, počínaje přímo infračervenými diodovými lasery 1 watt 808 nm arsenide arsenide galsen zdvojnásobil, bez polovodičového laseru čerpaného diodami napuštěného diodou vloženého mezi diodový laser a zdvojovací krystal.
Nejvyšších výkonů a laditelnosti vlnových délek lze dosáhnout, když je proces zdvojení frekvence vylepšen rezonátorem, což má za následek zdroje třídy Watt pokrývající celý rozsah viditelných vlnových délek. Například při 2,6 W bylo ukázáno výstupní výkon kolem 400 nm.
Polovodičové lasery čerpané diodami
Modrá laserová ukazovátka, která byla k dispozici kolem roku 2006, mají stejnou základní konstrukci jako zelené lasery DPSS . Nejčastěji vyzařují světlo při 473 nm, které vzniká zdvojnásobením frekvence laserového záření 946 nm z diodou čerpaného krystalu Nd: YAG nebo Nd: YVO4 . Neodymem dotované krystaly obvykle produkují hlavní vlnovou délku 1064 nm, ale se správným reflexním povlakem lze zrcadla také naklonit na jiné než hlavní neodymové vlnové délky, jako je například přechod 946 nm používaný v aplikacích s modrým laserem. Pro vysoký výstupní výkon se jako zdvojovače frekvence používají krystaly BBO ; pro nižší síly se používá KTP . Dostupné výstupní výkony jsou až 5 000 mW. Účinnost přeměny na produkci 473 nm laserového záření je neúčinná, přičemž některé z nejlepších laboratorně produkovaných výsledků dosahují 10-15% účinnosti při převodu 946 nm laserového záření na 473 nm laserové záření. V praktických aplikacích lze očekávat, že bude ještě nižší. Díky této nízké účinnosti převodu má použití 1 000 mW infračervené diody za následek maximálně 150 mW viditelného modrého světla.
Modré lasery lze také vyrobit přímo s polovodiči InGaN, které produkují modré světlo bez zdvojnásobení frekvence. Modré laserové diody 445 nm až 465 nm jsou v současné době k dispozici na volném trhu. Zařízení jsou výrazně jasnější než 405 nm laserové diody, protože delší vlnová délka se blíží špičkové citlivosti lidského oka. Komerční zařízení, jako jsou laserové projektory, snížily ceny těchto diod.
Vzhled
Fialový 405 nm laser (ať už zkonstruovaný z GaN nebo frekvenčně zdvojených laserových diod GaAs) není ve skutečnosti modrý, ale jeví se oku jako fialový, což je barva, na kterou má lidské oko velmi omezenou citlivost. Když se ukázal na mnoha bílé předměty (jako bílého papíru nebo bílé oblečení, které bylo vyprané v některých pracích prášků) vizuální vzhled změn laserový bod od fialové až modré, v důsledku fluorescence z zjasňování barev .
U zobrazovacích aplikací, které musí vypadat „skutečně modře“, je vyžadována vlnová délka 445–450 nm. S pokrokem ve výrobě a komerčním prodejem levných laserových projektorů klesla cena laserových diod 445 nm InGaN .
Aplikace
Oblasti použití modrého laseru zahrnují:
- S vysokým rozlišením Blu-ray přehrávače
- DLP a 3LCD projektory
- Telekomunikace
- Informační technologie
- Monitorování životního prostředí
- Elektronické vybavení
- Lékařská diagnostika
- Ruční projektory a displeje