Синий лазер
Синий синее лазер излучает электромагнитное излучение с длиной волны от 400 до 500 нанометров которое человеческий глаз видит в видимом спектре как . или фиолетовое , [1]
Синие лазеры могут быть получены:
- прямые неорганические диодные полупроводниковые лазеры на основе квантовых ям нитрида галлия (III) на длине волны 380-417 нм [2] [3] или нитрид индия-галлия при 450 нм
- твердотельные инфракрасные лазеры с диодной накачкой и удвоением частоты до 408 нм
- повышение конверсии прямых диодных полупроводниковых лазеров через волокна, легированные тулием или празеодимом, на длине волны 480 нм [4]
- лазеры на парах металлов, ионизированные газовые лазеры гелий-кадмий на длине волны 442 нм и мощности 10–200 мВт [5]
- аргон-ионные лазеры на длине волны 458 и 488 нм [6]
Лазеры, излучающие длины волн ниже 445 нм, кажутся фиолетовыми, но, тем не менее, их также называют синими лазерами. Короткая длина волны фиолетового света (405 нм) в видимом спектре вызывает флуоресценцию некоторых химических веществ, например, излучение в ультрафиолетовом (« черном свете ») спектре (длины волн менее 400 нм).
История
[ редактировать ]
До 1960-х и до конца 1990-х годов газовые и аргоно-ионные лазеры были обычным явлением и имели низкий КПД (0,01%) и большие размеры. [7]
В 1960-х годах достижения в области создания сапфиров [8] позволило исследователям наносить GaN на сапфировую основу для создания синих лазеров, но несоответствие решеток между структурами нитрида галлия и сапфира создало множество дефектов или дислокаций , что привело к короткому времени жизни (<10 часов) и низкой эффективности (<1%).
Кроме того, конструкция кристаллического слоя нитрида галлия (GaN) оказалась трудной в производстве, поскольку материал требует высокого давления и температуры газообразного азота, аналогичных среде для создания синтетических алмазов .
В 1992 году японский изобретатель Сюдзи Накамура , работая в Nichia Chemicals , изобрел первый синий полупроводниковый светодиод с использованием активной области InGaN, оптического проводника GaN и оболочки AlGaN, а четыре года спустя — первый маломощный синий лазер; в конечном итоге получил Премию тысячелетия в области технологий, присужденную в 2006 году, и Нобелевскую премию по физике вместе с профессором Исаму Акасаки и Хироши Амано. [9] [10] [3] [11] в 2014 году за это изобретение. [12] Дефекты среды усиления по-прежнему оставались слишком высокими (10 6 –10 10 дефекты/см 2 ), что привело к созданию лазера малой мощности с коротким сроком службы < 300 часов при импульсном возбуждении . [13] [14]
В конце 1990-х годов доктор Сильвестр Поровски в Институте физики высокого давления Польской академии наук в Варшаве ( Польша ) разработал технологию создания монокристаллов нитрида галлия с высоким структурным качеством с использованием легирования магнием для создания менее 100 дефекты/см 2 — как минимум в 10 000 раз лучше, чем предыдущие попытки. [15] В 1999 году Накамура использовал кристаллы GaN польского производства, создав лазеры с вдвое большей выходной мощностью и в десять раз более длительным сроком службы по сравнению с его первоначальными разработками; 3000 часов при 30 мВт.
В 2000-х годах японские производители освоили производство синего лазера мощностью 60 мВт и длительным сроком службы, что сделало его применимым для устройств, считывающих плотный (из-за короткой длины волны синего цвета) высокоскоростной поток данных с Blu-ray, BD. -R и BD-RE. Полупроводниковые лазеры позволили разработать небольшие, удобные и недорогие синие, фиолетовые и ультрафиолетовые ( УФ ) лазеры, которые ранее были недоступны, что открыло двери для многих приложений.
Сегодня синие полупроводниковые лазеры используют либо сапфировую подложку (в основном используемую компанией Nichia , которая использует контрактного производителя: Sony ), либо монокристаллическую подложку GaN (в основном используемую TopGaN). [16] ), оба покрыты слоями нитрида галлия. Оптический направляющий слой GaN устройств Nichia формируется из InGaN квантовых ям или квантовых точек активной области спонтанно посредством самосборки .
Польская техника считается менее дорогой, чем японская, но занимает меньшую долю рынка. Другая польская компания создает кристаллы GaN для использования в синих диодах — Ammono. [17] [18] но не производит синие лазеры.
Типы
[ редактировать ]Прямые диодные полупроводниковые лазеры
[ редактировать ]Синие диодные полупроводниковые лазеры прямого действия могут быть построены с использованием неорганического нитрида галлия (GaN) или усиливающей среды InGaN , на которую помещается множество (десятки или более) слоев атомов, образующих активную часть лазера, генерирующую фотоны из квантовых ям . Инфракрасные лазеры, построенные на полупроводниках арсенида галлия ( Ga As ), используют аналогичные технологии производства. Для удержания фотонов в усиливающей среде создается оболочка AlGaN. Используя методы, аналогичные тем, которые разработаны для кремниевых полупроводников, такие как включение легирующих материалов (таких как магний), подложку можно построить без дефектов, известных как дислокации , и с равномерным распределением носителей, что позволяет наслаивать атомы усиливающей среды. так, что расстояния между атомами, составляющими основу, и атомами в квантовых ямах одинаково одинаковы.
Синие диодные лазеры прямого действия также могут быть изготовлены из полупроводников InGaN (от 445 до 465 нм). [19] Устройства InGaN воспринимаются значительно ярче, чем прямые диодные лазеры GaN (405) нм, поскольку более длинные волны ближе к пиковой чувствительности человеческого глаза. [20]
Использование фосфоресцентных синих органических светодиодов с прямым диодом для лазеров непрактично из-за малого срока службы (<200 часов). [21]
Стабилитроны могут быть включены в схему, чтобы минимизировать отказы от электростатического разряда . [22]
Полупроводниковые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. [23]
Излучение от поверхности кромки или вертикальной полости
[ редактировать ]Полупроводниковые лазеры могут быть сконфигурированы для излучения фотонов перпендикулярно или горизонтально слоям лазерной среды в зависимости от конечного использования.
Твердотельные лазеры с прямой диодной накачкой (DPSS) и удвоенной частотой
[ редактировать ]Полупроводниковые диодные инфракрасные лазеры прямого действия, доступные с 1960-х годов, обычно в качестве источника накачки для телекоммуникационных лазеров, могут быть удвоены по частоте до синего диапазона с помощью обычных нелинейных кристаллов ( BBO или KTP ). [24] Мощность более 1 Вт может быть достигнута, если удвоение частоты усиливается резонатором, что приводит к источникам ватт-класса, охватывающим весь видимый спектр, включая синий лазер с длиной волны 400 нм и выходной мощностью 2,6 Вт. [25]
В фиолетовых лазерных указках DPSS (120 мВт при 405 нм) используются прямые диодные инфракрасные лазеры на арсениде галлия (1 Вт @ 808 нм), которые напрямую дублируются, без более длинноволнового твердотельного лазера с диодной накачкой, вставленного между диодным лазером и результатами с удвоенным кристаллом. в высшей мощности.
Синие лазерные указки DPSS , первоначально появившиеся примерно в 2006 году, имеют ту же базовую конструкцию, что и DPSS зеленые лазеры . Чаще всего они излучают свет с длиной волны 473 нм, который создается за счет удвоения частоты лазерного излучения с длиной волны 946 нм от кристалла Nd: YAG или Nd: YVO4 с диодной накачкой . [26] Кристаллы, легированные неодимом, обычно производят основную длину волны 1064 нм, но при наличии надлежащего отражающего покрытия зеркала также могут быть созданы для генерации лазера на других неосновных длинах волн неодима, таких как переход 946 нм, используемый в приложениях синего лазера. Для обеспечения высокой выходной мощности кристаллы BBO используются в качестве удвоителей частоты; для меньших мощностей КТП используется . Доступная выходная мощность составляет до 5000 мВт. Эффективность преобразования для производства лазерного излучения с длиной волны 473 нм неэффективна: некоторые из лучших результатов, полученных в лаборатории, обеспечивают эффективность преобразования лазерного излучения с длиной волны 946 нм в лазерное излучение с длиной волны 473 нм на 10–15%. [27] Из-за низкой эффективности преобразования использование ИК-диода мощностью 1000 мВт дает максимум 150 мВт видимого синего лазерного света DPSS, но на практике - 120 мВт.
Газовые или ионные лазеры
[ редактировать ]Лазеры на синем газе — это большие и дорогие инструменты, основанные на инверсии населенностей в смесях редких газов, которые используют большие токи и сильное охлаждение из-за низкой эффективности: 0,01%. [28] Синие лучи можно получать с помощью газовых гелий-кадмиевых лазеров с длиной волны 441,6 нм или аргон-ионных лазеров с длиной волны 458 и 488 нм.
Синий внешний вид
[ редактировать ]Фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм (независимо от того, сконструирован ли он непосредственно из лазерных диодов GaN или GaAs с удвоенной частотой) на самом деле не является синим, а кажется глазу фиолетовым, цветом, к которому человеческий глаз имеет очень ограниченную чувствительность. При наведении на многие белые предметы (например, на белую бумагу или белую одежду, выстиранную в определенных стиральных порошках) внешний вид лазерной точки меняется с фиолетового на синий из-за флуоресценции осветляющих красителей .
Для дисплеев, которые должны выглядеть «настоящими синими», требуется длина волны 445–450 нм. С развитием массового производства лазерные диоды InGaN с длиной волны 445 нм упали в цене, став оптимальным решением для лазерно-люминофорных проекторов. [29]
Приложения
[ редактировать ]К областям применения синего лазера относятся:
- Связь с подводными лодками [30]
- DLP и 3LCD проекторы
- Электронное оборудование
- Экологический мониторинг
- Портативные проекторы и дисплеи
- высокой четкости Blu-ray Проигрыватели
- Информационные технологии
- Лазерные граверы и резаки [31] [32]
- Лазерные проекторы
- Медицинская диагностика
- Медицинские процедуры [34]
- Ларингология
- Фонохирургия
- Отология
- Ринология
- Оптоэлектронное хранение данных с высокой плотностью
- Телекоммуникации
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Синий лазер и его применение в промышленности и науке» . Выбрать лазеры . Проверено 23 июня 2023 г.
- ^ «Лазеры на нанопроволоке GaN» (PDF) .
- ^ Перейти обратно: а б Кучибхатла, Шридхар. «Магистерская диссертация «Диоды на основе GaN Blue» .
- ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Голубые лазеры» . www.rp-photonics.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ «СтекПуть» . www.laserfocusworld.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ «СтекПуть» . www.laserfocusworld.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Голубые лазеры» . www.rp-photonics.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ «Серия сапфиров, часть 3: Современные применения синтетического сапфира | Исследования и новости» . www.gia.eduhttps . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Пресс-релиз NobelPrize.org (7 октября 2014 г.): Шведская королевская академия наук решила присудить Нобелевскую премию по физике за 2014 год Исаму Акасаки (Университет Мейдзё, Нагоя, Япония и Университет Нагоя, Япония), Хироши Амано (Нагоя). Университет, Япония) и Сюдзи Накамура (Калифорнийский университет, Санта-Барбара, Калифорния, США) «за изобретение эффективных синих светодиодов, которые позволили создать яркие и энергосберегающие источники белого света»
- ^ «Пресс-релиз Нобелевской премии» (PDF) .
- ^ «Его синие светодиоды изменили то, как мы освещаем наш мир — спектр IEEE» . ИИЭЭ . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Сюдзи Накамура выигрывает Премию тысячелетия в области технологий 2006 года . Gizmag.com (17 мая 2006 г.). Проверено 26 октября 2010 г.
- ^ Хоган, Мелинда Роуз и Хэнк. «История лазера: 1960–2019» . www.photonics.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Импульсные лазеры» . www.rp-photonics.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Поровски, С. (январь 1999 г.). «Почти бездефектные подложки GaN» . Интернет-журнал Общества исследования материалов по исследованиям нитридов-полупроводников . 4 (С1): 27–37. дои : 10.1557/S1092578300002210 . ISSN 1092-5783 .
- ^ «ТГЛ» . topganlasers.com (на польском языке) . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Стивенсон, Ричард. «Лучший в мире нитрид галлия — спектр IEEE» . ИИЭЭ . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ "Дом" . www.ammono.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ «Выбор продукта — ams-osram — ams» . амс-осрам . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ «Пиковая чувствительность — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Ли, Джесан; Чон, Чангён; Батагода, Тилини; Коберн, Калеб; Томпсон, Марк Э.; Форрест, Стивен Р. (31 мая 2017 г.). «Управление горячим возбужденным состоянием долгоживущих синих фосфоресцирующих органических светодиодов» . Природные коммуникации . 8 (1): 15566. doi : 10.1038/ncomms15566 . ISSN 2041-1723 . ПМК 5460033 . ПМИД 28561028 .
- ^ «Спецификация лазерного диода Nichia» (PDF) .
- ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Работа в непрерывном режиме» . www.rp-photonics.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Нелинейные кристаллические материалы» . www.rp-photonics.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ У. Эйсманн и др., Активная и пассивная стабилизация мощного фиолетового диодного лазера с удвоенной частотой, CLEO: Applications and Technology, страницы JTu5A-65 (2016).
- ^ Лазеры — прямая диодная и твердотельная диодная накачка (DPSS) , получено 24 июня 2023 г.
- ^ «Синий лазер и его применение в промышленности и науке» . Выбрать лазеры . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Голубые лазеры» . www.rp-photonics.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ «В чем разница между лазерным люминофором и лазером RGB?» . www.barco.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ «Стратегический план Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов» (PDF) . Май 2009. с. 18. Архивировано (PDF) из оригинала 21 января 2022 года . Проверено 25 октября 2021 г.
- ^ «Синий лазер и его применение в промышленности и науке» . Выбрать лазеры . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ «Лазеры класса Киловатт» .
- ^ «Лазеры и красители для многоцветной проточной цитометрии» . www.bdbiosciences.com . Проверено 24 июня 2023 г.
- ^ "Диодный лазер WOLF CO2 Laser - Синий лазер ЛОР" . www.arclaser.com . Проверено 23 июня 2023 г.
