In der Hierarchie der Halbleiterphotonik ist die Multimode-Laserdiode stellt die Spitze der rohen Energiedichte dar. Während Monomode-Emitter die Chirurgen der optischen Welt sind - sie werden für ihre spektrale Reinheit und beugungsbegrenzte Fokussierung geschätzt - sindMultimode-Laserdioden sind die Kraftpakete, die einen enormen Photonenfluss für die industrielle Verarbeitung, die medizinische Ästhetik und das Pumpen von Festkörperlasern liefern sollen. Der Übergang von Single-Mode-Geräten im Milliwatt-Bereich zu Multi-Watt-Lasern ist jedoch Hochleistungslaserdiode Systeme ist nicht nur eine Skalierungsübung, sondern erfordert eine grundlegende Veränderung der Ladungsträgerdynamik, der Wellenleiterphysik und des Wärmemanagements.

Für den OEM-Ingenieur oder Systemintegrator ist das Verständnis der “Broad-Area Emitter” (BAE) Architektur entscheidend. Im Gegensatz zu den schmalen 2-3 $mu$m-Kämmen von Singlemode-Dioden ist ein Multimode-Laserdiode weist eine Breite des aktiven Bereichs auf, die von 50 $mu$m bis zu über 200 $mu$m reicht. Diese größere Apertur verringert die optische Leistungsdichte an der Facette, so dass das Bauelement mit viel höheren Strömen betrieben werden kann, bevor es an die physikalischen Grenzen des Halbleitermaterials stößt. Diese Breite führt jedoch zu einer komplexen Modallandschaft, in der mehrere transversale Moden nebeneinander existieren und miteinander konkurrieren, was das räumliche Profil des Strahls und die endgültige Helligkeit des Systems bestimmt.

Seitliche Modendynamik und Filamentierung in Multimode-Lasern

Das entscheidende Merkmal von Multimode-Laser ist ihre Fähigkeit, transversale Moden höherer Ordnung zu unterstützen. In einem großflächigen Bereich Hochleistungslaserdiode, ist die laterale Dimension des Wellenleiters ein Vielfaches der Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts. Folglich ist das optische Feld kein einfacher Gaußscher Punkt, sondern eine Überlagerung vieler Moden. Die sich daraus ergebende Intensitätsverteilung entlang der “langsamen Achse” (parallel zur Verbindungsstelle) ist typischerweise hut- oder kamelrückenförmig.

Eine große Herausforderung bei der Entwicklung eines Multimode Laserdiode ist die “Filamentierung”. Wenn der Injektionsstrom ansteigt, führen lokale Schwankungen der Ladungsträgerdichte und der Temperatur zu Änderungen des Brechungsindex - ein Phänomen, das als Kerr-Effekt und thermische Linsenbildung bekannt ist. Diese Schwankungen können dazu führen, dass der breite Strahl in hochintensive “Filamente” aufbricht. Die Filamentbildung ist aus zwei Gründen nachteilig: Sie verschlechtert die Strahlqualität (Faktor $M^2$) und führt zu lokalen Hot Spots auf der Ausgangsfacette, was das Risiko katastrophaler optischer Schäden (COD) erheblich erhöht.

Um dies abzumildern, konzentrieren sich High-End-Hersteller auf das “Lateral Index Engineering”. Durch die präzise Steuerung des Dotierungsprofils und der Steggeometrie ist es möglich, die lateralen Moden zu stabilisieren und die Filamentierung zu minimieren. Für den Käufer ist die “Nahfeld”-Gleichmäßigkeit einer Hochleistungslaserdiode ist ein wichtiger Indikator für die interne Qualität des Chips. Ein ungleichmäßiges Nahfeldprofil deutet auf eine schlechte Ladungsträgerverteilung hin, was unweigerlich zu einer vorzeitigen Alterung und einer unvorhersehbaren Strahlenausrichtung im integrierten System führen wird.

Wärmestrom und der Engpass $R_{th}$

In einem Multimode-Laserdiode, Das Wärmemanagement ist die Grenze zwischen einem zuverlässigen Werkzeug und einem defekten Bauteil. Eine typische Hochleistungslaserdiode könnte mit einer Wall-Plug-Effizienz (WPE) von 50% bis 60% arbeiten. Dies ist zwar für einen Laser hoch, bedeutet aber, dass für jede 10 Watt erzeugten Lichts fast 8 bis 10 Watt in einem Volumen, das kleiner als ein Sandkorn ist, in Wärme umgewandelt werden.

Der Wärmewiderstand ($R_{th}$) des Gehäuses ist die kritischste Spezifikation für die OEM-Zuverlässigkeit. Die Wärme muss von den InGaN- oder AlGaAs-Quantentöpfen durch die Mantelschichten, die Lötschnittstelle (in der Regel Gold-Zinn) und schließlich in den Submount (C-Mount, F-Mount oder COS) gelangen. Wenn die $R_{th}$ auch nur geringfügig höher ist als die Entwurfsspezifikation - aufgrund von mikroskopischen Hohlräumen im Lot oder schlechtem Submount-Material -, steigt die Sperrschichttemperatur ($T_j$) in die Höhe.

Ein Anstieg von $T_j$ führt zu einer “Rotverschiebung” der Wellenlänge (typischerweise 0,3 nm/°C) und einer Abnahme der Steigungseffizienz. Noch gefährlicher ist, dass dadurch die Migration von Kristalldefekten in den aktiven Bereich beschleunigt wird. Bei der Bewertung einer Multimode-Laserdiode Für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit muss der “Thermal Rollover”-Punkt - der Strom, bei dem die Leistung aufgrund von Wärme nicht mehr ansteigt - deutlich höher sein als der vorgesehene Betriebsstrom. Dies bietet den für die Langzeitstabilität erforderlichen “thermischen Spielraum”.

Die Logik der Helligkeit: Vom Emitter zur Faser

In der Industrie und in der Medizin ist die Leistung oft eine der Helligkeit untergeordnete Messgröße. Die Helligkeit ist ein Maß für die Leistung pro Flächeneinheit und Raumwinkel. Für Multimode-Laserdioden, Die Helligkeit wird durch die Asymmetrie von “Fast Axis” und “Slow Axis” begrenzt. Die "Fast Axis" (senkrecht zur Verbindungsstelle) ist beugungsbegrenzt und divergiert schnell, während die "Slow Axis" (parallel zur Verbindungsstelle) stark multimodal ist und langsam divergiert.

Integration einer Multimode-Laserdiode in ein fasergekoppeltes System erfordert “Helligkeitserhaltung”. Um einen Faserlaser zu pumpen oder Energie durch eine medizinische Sonde zu übertragen, muss das Licht in einen kleinen Faserkern mit einer bestimmten numerischen Apertur (NA) fokussiert werden. Wenn eine Hochleistungslaserdiode eine schlechte langsame Achse $M^2$ hat, geht ein Großteil der Leistung “verloren”, weil sie nicht eng genug fokussiert werden kann, um in den Faserkern einzudringen.

An dieser Stelle wird die Logik der “Komponenten- vs. Systemkosten” deutlich. Eine billigere Multimode-Laserdiode könnte 10 W Rohleistung bieten, aber mit einem breiten 100$\mu$m-Emitter und schlechter Strahlqualität. Um diese Diode in eine 105$\mu$m-Faser einzukoppeln, benötigt der Integrator unter Umständen teure Mikrooptiken und eine aktive Ausrichtung. Umgekehrt kann eine Diode mit hoher Helligkeit und einem 50$\mu$m-Emitter auf Komponentenebene teurer sein, ermöglicht aber eine einfachere Optik und eine höhere Kopplungseffizienz, was letztlich die Gesamtkosten pro Bright-Watt“ für den Endnutzer reduziert.

Materialwissenschaft und Facettenpassivierung (COD-Prävention)

Der ultimative Ausfallmodus für jede Hochleistungslaserdiode ist die katastrophale optische Schädigung (COD). COD tritt auf, wenn die optische Leistungsdichte an der Facette hoch genug ist, um eine lokale Absorption zu verursachen, die zu einer Erwärmung führt, die die Bandlücke schrumpfen lässt, was wiederum zu mehr Absorption führt. Diese positive Rückkopplungsschleife läuft innerhalb von Nanosekunden ab und bringt die Kristallfacette zum Schmelzen.

Modern Multimode-Laser Non-Absorbing Mirrors“ (NAM) oder spezielle Facettenpassivierungstechniken verwenden. Durch die Schaffung einer Schicht an der Facette, die eine größere Bandlücke aufweist als der aktive Bereich, können die Hersteller sicherstellen, dass das Licht nicht an der Oberfläche absorbiert wird. Darüber hinaus schützt die Verwendung der E2-Passivierung oder ähnlicher proprietärer Beschichtungen das AlGaAs oder InGaN vor Oxidation. Für den OEM ist der COD-Grenzwert die Sicherheitsmarge seines Systems. Eine Diode, die für 10 W ausgelegt ist und einen COD-Schwellenwert von 25 W hat, ist unendlich zuverlässiger als eine Diode mit einem COD-Schwellenwert von 15 W, insbesondere bei gepulsten Anwendungen, bei denen Stromspitzen üblich sind.

Technische Leistungsdaten: Vergleich von Broad-Area Emitter-Architekturen

Die folgende Tabelle enthält einen technischen Vergleich der Standard Multimode-Laserdiode Konfigurationen, die die Kompromisse zwischen Emitterbreite, Leistung und Strahlqualität veranschaulichen.

Fallstudie: Hocheffizientes Pumpen für 2kW-Faserlasersysteme

Hintergrund des Kunden

Ein Hersteller von Hochleistungs-Faserlasern für das Schneiden von Blechen benötigte einen zuverlässigeren 976nm Hochleistungslaserdiode Quelle. Ihre vorherige Lieferkette litt unter “Wavelength Drift” und häufigen Modulausfällen, die sie auf eine uneinheitliche thermische Verbindung in den Diodenmodulen zurückführten.

Technische Herausforderungen

• Spektrale Verriegelung: 976nm ist ein schmaler Absorptionspeak für Ytterbium-dotierte Fasern. Selbst eine Abweichung von 2nm in der Multimode-Laser würde zu einem 40%-Verlust bei der Pumpleistung führen.
• Umweltstress: Die Schneidemaschinen arbeiten in nicht klimatisierten Fabrikhallen mit starken Vibrationen.
• Die Dichte: Der Kunde musste eine Pumpenleistung von 200 W in eine kompakte Kühlplatte einbauen.

Technische Parametereinstellungen

• Emitter-Typ: 100$\mu$m Multimode-Laserdiode auf COS (Chip-on-Submount).
• Betriebsstrom: 12,5A bei 976nm.
• Spektrale Kontrolle: Integriertes VBG (Volume Bragg Grating) zur Fixierung der Wellenlänge innerhalb von ±0,5 nm über einen Bereich von 20°C.
• Bindung: Hartlöten (AuSn) auf AlN (Aluminiumnitrid)-Bauteilen, um $R_{th}$ zu minimieren und das “Kriechen” des Lots zu verhindern.”
• Einbrennen: 100% von Dioden, die einem 168-stündigen beschleunigten Alterungstest bei 45°C unterzogen wurden.

Protokoll zur Qualitätskontrolle (QC)

Der Schwerpunkt der Qualitätskontrolle lag auf der “Slope Efficiency Consistency”. Wenn die Slope-Effizienz ($W/A$) innerhalb einer Charge um mehr als 3% variierte, deutete dies auf eine Schwankung in der Qualität der Epitaxieschicht hin. Darüber hinaus wurde ein “Near-Field Intensity Mapping” durchgeführt, um sicherzustellen, dass keine “Hot Filaments” vorhanden waren, die möglicherweise das VBG oder die Faserkopplungsoptik beschädigen könnten.

Schlussfolgerung

Durch den Wechsel zu einem VBG-gesperrten Multimode-Laserdiode Architektur mit einem niedrigeren $R_{th}$-Submount erreichte der Kunde eine “Set-and-Forget”-Pumpenquelle. Der Gesamtwirkungsgrad des Systems stieg um 15%, da die Dioden nicht mehr übersteuert werden mussten, um die spektrale Drift zu kompensieren. Noch wichtiger ist, dass die Ausfallrate der 2-kW-Systeme von 2,4% auf weniger als 0,1% pro Jahr sank. Diese Umstellung hat gezeigt, dass die wahren Kosten einer Hochleistungslaserdiode wird nicht in Dollar pro Watt gemessen, sondern in der Betriebszeit des Systems und dem wartungsfreien Betrieb.

Strategische Beschaffung: Die OEM-Bewertungs-Checkliste

Bei der Evaluierung Multimode-Laserdioden Für eine anspruchsvolle Integration sollten Ingenieure über die erste Seite des Datenblatts hinausschauen. Die folgenden technischen Metriken geben einen tieferen Einblick in die Integrität der Komponente:

1. Linearität der P-I-Kurve: Bleibt die Leistungs-Strom-Kurve bis zum 1,5-fachen des Nennbetriebsstroms linear? Jeder “Knick” in der Kurve deutet auf Mode-Hopping oder thermische Instabilität hin.
2. Spektrale Breite (FWHM): Für Multimode-Laser, Eine geringere spektrale Breite (typischerweise <3nm) deutet auf ein hochwertigeres Kristallgitter mit geringeren Schwankungen in der Zusammensetzung hin.
3. Schnelle Achsendivergenz (FAD): Der FAD ist zwar immer hoch, aber ein niedrigerer FAD (z. B. <35° gegenüber 40°) macht die Kollimationsoptik deutlich billiger und effizienter.
4. $dV/dI$ Differenzialwiderstand: Ein hoher Innenwiderstand ist ein Symptom für schlechte ohmsche Kontakte, die zu einer übermäßigen Joule-Erwärmung und einem geringeren WPE führen.

Unter Laserdiode-LD.com, liegt der Schwerpunkt auf der “Gesamteffizienz” des Photons. Durch die Optimierung des Epitaxiewachstums für niedrige interne Verluste und die Maximierung des Wärmeflusses durch fortschrittliche Submount-Technik ist das Ziel die Bereitstellung eines Multimode-Laserdiode die als robuster Motor für den industriellen und medizinischen Fortschritt dient.

FAQ: Fortgeschrittene Technik von Multimode-Systemen

Q1: Warum ist die Divergenz der “Slow Axis” so viel geringer als die der “Fast Axis” bei einer Multimode-Laserdiode?

A: Das liegt an der Physik der Beugung. Die schnelle Achse stammt aus einer 1$\mu$m-Blende, die aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation für den Photonenimpuls eine Divergenz von 30°-40° aufweist. Die langsame Achse stammt aus einer 100$\mu$m-Blende, so dass ihre “geometrische” Divergenz viel geringer ist, typischerweise 8°-10°, obwohl sie multimodal ist.

F2: Kann ich eine Hochleistungslaserdiode bei hohen Frequenzen modulieren?

A: Multimode-Laserdioden können mit mehreren Megahertz moduliert werden, aber ihre große Übergangskapazität macht Gigahertz-Geschwindigkeiten (wie in der Telekommunikation) unmöglich. Für gepulste Anwendungen wie LIDAR oder medizinische Ästhetik können sie problemlos Nanosekunden-Pulsbreiten verarbeiten.

F3: Wie wirkt sich der “Smile”-Effekt auf Multimode-Laserbarren aus?

A: “Smile” ist die mikroskopische Wölbung des Laserbarrens während des Lötvorgangs. Wenn ein Barren ein “Smile” von mehr als 1$\mu$m hat, wird es unmöglich, die schnelle Achse aller Emitter gleichzeitig zu kollimieren, was zu einem erheblichen Verlust an Helligkeit und Faserkopplungseffizienz führt.

F4: Welchen Vorteil hat eine 976nm-Diode gegenüber einer 915nm-Diode für das Pumpen von Fasern?

A: 976 nm entspricht einer viel höheren Absorptionsspitze in Ytterbium, was kürzere aktive Fasern und höhere nichtlineare Schwellenwerte ermöglicht. Allerdings ist dafür eine wesentlich stabilere Multimode-Laserdiode erforderlich, da der Peak sehr schmal ist; wenn die Laserwellenlänge abweicht, sinkt die Pumpeffizienz katastrophal.