Синий лазер излучает электромагнитное излучение с длиной волны от 400 до 500 нанометров , которое человеческий глаз видит в видимом спектре как синее или фиолетовое . [1]
Синие лазеры могут быть получены:
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).
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 создании сапфира [8] позволили 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 эффективностью (<1%).
Кроме того, конструкция кристаллического слоя нитрида галлия (GaN) оказалась сложной 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 усиливающей среды по-прежнему оставались слишком высокими (10 6 –10 10 дефектов/см 2 ), что приводило к созданию маломощного лазера с коротким сроком службы < 300 часов при использовании импульсного возбуждения . [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 дефектов/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 оригинальными 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] ), обе покрыты слоями нитрида галлия. Оптический направляющий слой GaN в устройствах Nichia формируется из квантовых ям или квантовых точек InGaN 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.
Синие диодные полупроводниковые лазеры прямого действия могут быть построены с использованием неорганического нитрида галлия (GaN) или усиливающей среды InGaN , на которую помещается множество (десятков 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 как 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]
Полупроводниковые лазеры могут быть сконфигурированы для излучения фотонов перпендикулярно или горизонтально слоям лазерной среды в зависимости от конечного использования.
Полупроводниковые диодные инфракрасные лазеры прямого действия, доступные с 1960-х годов и обычно используемые 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 зеленые лазеры DPSS . 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 правильном отражающем покрытии 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 используется КТП . Доступная выходная мощность составляет до 5000 мВт. Эффективность преобразования для получения лазерного излучения с длиной волны 473 нм неэффективна: некоторые из лучших результатов, полученных в лаборатории, достигают эффективности 10–15% при преобразовании лазерного излучения с длиной волны 946 нм в лазерное излучение с длиной волны 473 нм. [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.
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.
Фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм (сконструированный 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]
К областям применения синего лазера относятся: