Zelené svetlo vzniká ako sekundárne, druhá harmonická pre lasery na vlnovej dĺžke 1064 nm. Tu je popísaný princíp diódami pumpovaného dvojfrekvenčného Nd:YAG a Nd:YVO4 laseru vo viditeľnom zelenom spektre 532 nm.
Prvý zelený laser v použiteľnom výkone bol vyrobený v roku 1996 (Spectra-Physics - v CW móde).
Zelené laserové moduly (vrátane tých v ukazovadlách) sú podstatne zložitejšie. Ako zdroj zeleného laseru je známy princíp pevnolátkového Nd:YAG laseru (Neodimium Doped Yttrium Aluminum Garnet), poprípade Nd:YVO4 (Yttrium Vanadate) laseru, ktorý je budený laserovými diódami. Vybudený lúč laseru má dve frekvencie s veľmi veľkým odstupom medzi sebou, hlavný o väčšom výkone je na frekvencii 1064 nm a druhá frekvencia laseru je o menšom výkone a je vo viditeľnom spektre zeleného svetla, na frekvencii 532 nm. Dvojfrekvenčné lasery sú známe dlhú dobu, príkladom je He-Ne laser. U zelených laserov sa väčšinou používa systém využívajúci druhú harmonickú, teda Second Harmonic Generator (SHG). Jednoducho povedané je to 1064 nm delené dvomi, teda 532 nm.
Diódovo pumpovaný laser s druhovu frekvenciou v zelenom spektre je v základe Nd:YAG laser. Vysoko výkonne na vlákne naparené laserové diódy sú tepelné a termoelektricky chladené a svojím žiarením v IR svetle na vlnovej dĺžke 808 nm budia absorpčnú skupinu Nd:YAG kryštálov alebo kryštál Neodymiom dotovaného Yttrium OrthoVanadatu (Nd:YVO4). V ňom dochádza k stimulovanej emisii (to je princíp už známeho klasického pevnolátkového laseru) na vlnovej dĺžke 1064 nm, a to s pomerne vysokou účinnosťou presahujúcou 60 %. Výstup lúča z vlákna laseru je privedený na kryštál za použitia špeciálnej optiky, výstup je opäť v infračervenej oblasti. Pumpovacia strana kryštálu je designovaná konvexne a dielektricky naparená vrstva pre vysoký prínos infra žiarenia na budiacich 808 nm a vysokú reflexiu na výstupe z kryštálu na 1064 nm a nereflexnou vrstvou pre 532 nm. Ďalší koniec kryštálovej tyčky je pokrytý antireflexnou vrstvou pre 1064 nm. Z toho sa vytvoria dve frekvencie, jedna je podporená pumpovaciou stranou na Nd:YAG laserovej tyčke (straight cavity) a druhá na odlišnej frekvencii (square cavity). Obe cavity majú rovnaký zdroj a sú ďalej vedené do polarizovaného rozdeľovača lúča (polarized beam spliter). V laseri je ešte piezo elektric transducer (PZT), s ktorým sa dá doladiť rezonančná frekvencia. Dá sa tak prepínať laser do p-polarizácie (1064 nm) a s-polarizačného módu (532 nm) pre jednu frekvenciu laserového lúča. Kombináciou dvoch jednofrekvenčných zelených laserov, použitím ďalšieho polarizačného rozdeľovača – polarized beam spliter (PBS), je možné lineárne polarizovať dvojitú frekvenciu laseru na 532 nm.
Teraz sa používa na rozdelenie lúča do dvoch frekvencii z jedného zdroja, „Birefringent Filter – BF“. Filter obsahuje polarizátor, obvykle „Birefringent Filter – BF“ a birefringent kryštál. Ďalej je v module za kryštálom zaradený ďalší kryštál KTP (z KTiOPO4), ktorým je frekvencia z časti výstupného žiarenia zdvojnásobená, a dostane sa tak do viditeľnej – zelenej oblasti spektra – 532 nm. KTP kryštál je často používaný na odfiltrovanie nelineárnej frekvencie. Celkovo sa tomuto optického ústroju hovorí BP - KTP filter. V tomto filtri je možné jednu frekvenciu potlačiť a tá nejde von a druhu frekvenciou odfiltrovať a tá ide von z laseru. Na konci je zaradený ešte jeden IR filter, ktorý u bezpečnostných dôvodov prepustí von z modulu iba zelené žiarenie, nie zvyšné IR, ktoré prevažuje.
Vhodnosť použitia na značenie elektroniky
Second Harmonic Generation (SHG) vo viditeľnom spektre na vlnovej dĺžke 532 nm (green - zelený), ktorá je polovicou základnej frekvencie na vlnovej dĺžke (1064 nm), sú schopné značiť do kremíkových doštičiek, tenkých pamäťových kariet, tenkých integrovaných obvodov, bez poškodenia vnútornej štruktúry. Ďalej zelené svetlo veľmi precízne a kontrastne značí do veľkého množstva plastov, medi a zlata. U zlata je zaujímavé, že sa ťažko značí s vlnovou dĺžkou 1064 nm, rovnako ako hliník, ale u vlnovej dĺžky 532 nm je značenie omnoho jednoduchšie. Ukazuje sa, že plasty, ktoré sú používané v automobilovom priemysle, sa dajú veľmi kontrastne značiť práve zeleným svetlom.
Vhodnosť použitia pre značenie kovov
Stopa lúča je omnoho menšia ako s YAG alebo YAVO4 lasermi, naviac lúč je studený, preto je možné značiť veľmi ostro. Vysoko flexibilné metalové materiály, ako sú zlato alebo meď, nie je možné značiť bežnými vlnovými dĺžkami. V číslach má napríklad meď odrazivosť až 90 % štandardných vlnových dĺžok 1064 nm (Nd:YAG) a veľmi nízku absorpciu. Veľmi zle sa využíva termo efekt pri značení na meď. Tepelný efekt zapríčiní pálenie materiálu a v oblasti aplikácie laserového lúča spôsobí opálenie. Preto sa s výhodou používa zelený laser na vlnovej dĺžke 532 nm. Polovičná vlnová dĺžka spôsobí jedno chudé značenie do medeného materiálu, pretože je absorbovaná meďou. Neopálené okreje pôsobením laserového lúča spôsobia veľmi ostré značenie. Naopak, keď chceme šrafovať veľkú časť oblasti zeleným laserom, napríklad výplň loga, grafiky, tak je zelený laser menej efektívny, pretože je pomalý - veľmi slabá hrúbka lúča spôsobí nutnosť použiť veľmi jemné šrafovanie, ktoré spomalí proces značenia. Preto je tu výhodnejší vláknový laser.
Cena za Green laser
Vcelku veľmi komplikované riešenie má za dôsledok zvýšenie ceny laserov so zeleným svetlom. Ich uplatnenie je hlavne v špeciálnych aplikáciách, kde Nd:YAG a Nd:YVO4 lasery nedosahujú predpokladané výsledky. Na skoro rovnakom princípe fungujú aj modré, fialové lasery. Nd:YAG kryštály sú používané vo všetkých typoch pevnolátkových laserov (solid-state lasers) ako sú frequency-doubled kontinuálne lasery, vysoko energetické Q-switched a ďalšie. Porovnaním s ďalšími laserovými kryštálmi je životnosť fluorescencie dvakrát väčšia ako Nd:YVO4, a tepelná vodivosť je tiež lepšia.
Lasery až na 266 nm - UV spektrum
Keď vezmeme až štvrtú harmonickú, tak sa dá mať aj tento laser. Používa sa nelineárny kryštál ako je BO (lithium triborate) a BBO (barium betaborate). Bežne sa tieto lasery nepoužívajú na značenie a tiež ich cena pre značiace lasery ich hneď vyradzuje.
To sme už ale v UV spektre, kde sa častejšie dodávajú lasery na vlnovej dĺžke 355 nm. Lasery pre značenie v UV spektre majú výkon od 0,5 W cez 5W do 20 W. Energia pulzu je 20 µJ (mikro Jaulov) pre 0,5 W laser a napriek tomu prekvapí svojimi vlastnosťami a studeným svetlom laseru. Laser na 5 W má energiu pulzu 100 µJ a pre 20 W laser je energia pulzu 200 µJ. Napriek tomu energia nie je rovnaká v celom rozsahu frekvencie spínania, ale napríklad pre 5 W laser je energia najvyššia 100 µJ práve pre 50 kHz. Dĺžka pulzu je 5 ns až 25 ns. Podlá konfigurácie optiky je možné mať laserový spot 23 µm (mikro metrov). Hĺbka značenia je pritom minimálna a preto sa laser hodí tiež pre značenie káblov, kedy nepoškodí izoláciu káblu.
Žiarenie tohto UV laseru sa pohybuje v ultrafialovej oblasti od 157 nm do 351 nm. Keďže sú tieto vlnové dĺžky veľmi dobre absorbované aj vo vzduchu, je nutné s touto vlnovou dĺžkou pracovať vo vákuu, inak sa znižuje účinnosť laseru. Pre zdroj UV laseru sa používajú aj excimerové lasery. Lúč excimerového laseru má vysokú kvalitu s nízkou divergenciou. Aktívne prostredie je zmesi plynov (xenón, xenón a argón), ktoré určuje vlnovú dĺžku žiarení. Vďaka budeniu elektrickým výbojom sa molekuly plynu dostanú do excitovaného stavu (excited dimers) - odtiaľ pramení názov excimerový laser. Najčastejšie využitie aplikácii s excimerovým laserom je pri jemnom opracovaní bez tepelného ovplyvnenia ( vŕtanie, mikroobrábanie) v miktoelektrike či medicíne. Dá sa vyvinúť veľmi krátky pulz o výkonoch v rade miliwattov po kilowatt. Nevýhodou je krátka životnosť aktívneho prostredia, preto prevládajú aplikácie s pevnolátkovými lasermi, kde sa oddeľuje štvrtá harmonická z laseru.