Die technische Grenze: Skalierung der Leistung ohne Einbußen bei der Helligkeit

Im industriellen Lasersektor ist die Nachfrage nach höherer Leistung konstant, doch die Leistung allein ist eine trügerische Größe. Die wahre Herausforderung für einen Hersteller ist die Erhaltung der räumlichen Helligkeit bei der Skalierung von einem Einzelemitter zu einem Hochleistungslaser. Multimode-fasergekoppeltes Lasermodul. Wenn wir mehr Diodenchips in einer einzigen Faser zusammenfassen, stoßen wir unweigerlich auf die Beschränkungen des Strahlparameterprodukts (BPP). Wenn das BPP des integrierten Systems die Aufnahmekapazität der Lieferfaser übersteigt, wird die überschüssige Energie in Wärme umgewandelt, was zu einer schnellen Verschlechterung der optischen Beschichtungen und des Fasermantels führt.

Skalierung einer fasergekoppelter Laser erfordert mehr als nur die mechanische “Stapelung” von Strahlern. Dazu gehört ein deterministischer Ansatz für die Verwaltung der optischen Weglänge, die Steuerung des Polarisationszustands und die spektrale Dichte. In diesem Artikel werden die hochentwickelten Kombinationsverfahren - räumliche, polarisierende und spektrale - untersucht, die es modernen fasergekoppelter Diodenlaser Systeme können Kilowatt-Leistungen erreichen und gleichzeitig die für die präzise Materialbearbeitung erforderliche Fokussierbarkeit beibehalten.

Die räumliche Einschränkung: Stufenspiegel und BPP-Management

Jeder großflächige Laserdiode (BAL) weist eine charakteristische Asymmetrie auf. Die schnelle Achse (vertikal) ist nahezu beugungsbegrenzt, während die langsame Achse (horizontal) stark multimodal ist. In einem fasergekoppelte Laserdiode, Das Hauptziel der internen Mikrooptik besteht darin, diese divergenten Strahlen in ein symmetrisches Bündel umzuformen, das dem runden Kern der Faser entspricht.

Die Step Mirror Architektur

Um mehrere Einzelstrahler räumlich zu kombinieren, verwenden die Ingenieure eine “Treppenspiegel”- oder “Treppen”-Anordnung. Der Strahl jedes Emitters wird durch einen individuellen Fast-Axis Collimator (FAC) und Slow-Axis Collimator (SAC) kollimiert. Diese kollimierten Strahlen werden dann von einer Reihe von präzise abgewinkelten Spiegeln reflektiert, die die Strahlen vertikal “stapeln”.

Die Präzision dieser Stapelung ist entscheidend. Wenn es Lücken zwischen den gestapelten Strahlen gibt, wird der BPP verschwendet; wenn sie sich überlappen, geht die Helligkeit verloren. Hohe Qualität Multimode-fasergekoppeltes Lasermodul Die Konstruktionen verwenden eine aktive Roboterausrichtung, um sicherzustellen, dass der “tote Raum” zwischen den Strahlen auf weniger als 5 Mikrometer minimiert wird. Dank dieser Dichte kann ein 200-W-Modul in eine 105-Mikrometer-Faser mit einer NA von 0,15 eingekoppelt werden, was eine erhebliche Sicherheitsmarge gegenüber der NA-Grenze von 0,22 von Standard-Industriefasern darstellt.

Polarisation und Spektralkombination: Verdoppelung der Dichte

Wenn die räumliche Stapelung an die physikalischen Grenzen des Faserkerndurchmessers stößt, müssen sich die Hersteller mit den anderen Eigenschaften des Lichts befassen: Polarisation und Wellenlänge.

Polarisationsstrahlvereinigung (PBC)

Indem man sich die Tatsache zunutze macht, dass Laserdioden von Natur aus polarisiertes Licht aussenden (typischerweise im TE-Modus), kann man zwei identische Sätze von räumlich gestapelten Strahlen kombinieren. Ein Satz wird durch eine Halbwellenplatte geleitet, um seine Polarisation um 90 Grad zu drehen. Beide Strahlensätze werden dann in einen Polarizing Beam Splitter (PBS) geleitet. Dadurch kann das Modul die Ausgangsleistung eines fasergekoppelter Laser ohne den räumlichen Fußabdruck oder den BPP zu vergrößern.

Die PBC führt jedoch zu thermischer Empfindlichkeit. PBS und Waveplates müssen Beschichtungen mit extrem niedriger Absorption (< 5 ppm) aufweisen. Jede von diesen Komponenten absorbierte Wärme kann zu “thermischer Linsenbildung” führen, die den Brennpunkt der Strahlen verschiebt und die Kopplungseffizienz in die Faser verringert.

Spektrale Strahlvereinigung (SBC) und WDM

Bei der Spektralkombination werden die unterschiedlichen Absorptionsspitzen der Zielmaterialien oder der Verstärkungsmedien von Faserlasern ausgenutzt. Durch die Kombination einer 915nm-, 940nm- und 976nm-Quelle in einer einzigen Faser unter Verwendung dichroitischer Filter (Wellenlängenmultiplex) kann eine fasergekoppelter Diodenlaser eine noch nie dagewesene Leistung erreichen kann. Diese Technik ist für Hochleistungspumpen im Verteidigungssektor und in der Luft- und Raumfahrt unerlässlich, wo das Verhältnis zwischen Gewicht und Leistung streng geregelt ist.

Materialintegrität: Von der Wahl des Lötmittels bis zum Schutz vor optischen Rückkopplungen

Die Langlebigkeit einer Multimodus fasergekoppeltes Lasermodul wird oft schon im Reinraum der Montage entschieden, lange bevor der Laser zum ersten Mal gezündet wird. Der Übergang vom Halbleiterchip zur Wärmesenke ist die kritischste thermische Schnittstelle.

Die Überlegenheit des AuSn-Hartlots

Bei hoher Leistung fasergekoppelter Laser Modulen wird die Verwendung von Indium (Weichlot) zunehmend als Zuverlässigkeitsrisiko angesehen. Indium ist anfällig für “Kriechen” und thermische Ermüdung unter den für industrielles Schweißen typischen Hochstromzyklen. Im Laufe der Zeit führt dies zu einem “thermischen Grinsen” - einer Fehlstellung, bei der sich der Chip aufgrund der Lotmigration physisch neigt. Bei professionellen Modulen wird Gold-Zinn-Hartlot (AuSn) verwendet. Dies erfordert zwar komplexere Entlastungsstrukturen (aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Chip und Unterbau), gewährleistet aber, dass die optische Ausrichtung über 50.000 Stunden oder mehr stabil bleibt.

Management der Rückreflexion in der industriellen Verarbeitung

Wenn ein fasergekoppelter Diodenlaser zum Schweißen reflektierender Metalle wie Kupfer oder Gold verwendet wird, wird ein Teil der Laserenergie in die Faser zurückreflektiert. Ohne Schutz kann dieses reflektierte Licht auf die internen Linsen oder die Diodenfacetten treffen und einen sofortigen Ausfall verursachen.

Moderne Module enthalten “Rückreflexionsfilter” oder dichroitische Absorber. Diese Komponenten sind so konzipiert, dass sie die Pumpwellenlänge (z. B. 915 nm) durchlassen, während sie die Prozesswellenlänge (z. B. 1080 nm oder 450 nm) absorbieren oder ablenken. Für einen OEM ist dieser Schutz eine Art Versicherung; er verhindert, dass ein $5.000-Lasermodul durch eine einfache Fehlausrichtung des Werkstücks zerstört wird.

Technische Spezifikation Matrix: Wellenlängenspezifische Kopplungsdynamik

Die Anforderungen für eine fasergekoppelter Laser sind je nach Wellenlänge sehr unterschiedlich, was vor allem auf die Energie der Photonen und den Wirkungsgrad der Halbleitermaterialien zurückzuführen ist.

Fallstudie: Hocheffizientes Kupferschweißen für die Herstellung von EV-Batterien

Kundenhintergrund

Ein Tier-1-Zulieferer für die Elektrofahrzeugindustrie kämpfte mit Spritzern und Instabilität beim Schweißen dünner Kupferschienen mit einem herkömmlichen 1064nm-Infrarotlaser. Die Infrarotabsorption von Kupfer ist geringer als 5%, so dass eine extrem hohe Leistung erforderlich war, was häufig zu “Durchbrennen” oder schlechter mechanischer Festigkeit führte.

Technische Herausforderungen

Der Kunde musste auf eine 450nm (blaue) Laserquelle umsteigen, die eine Absorption von >65% in Kupfer aufweist. Blaue Diodenlaser sind jedoch aufgrund ihrer hohen Divergenz und der hohen Energie der blauen Photonen, die optische Standardbeschichtungen mit der Zeit “solarisieren” oder verdunkeln können, bekanntermaßen schwierig in kleine Fasern einzukoppeln. Das Ziel war es, 300 W blaues Licht durch eine 200-Mikrometer-Faser mit hoher Stabilität zu übertragen.

Technische Parameter und Einstellungen

• Laser Quelle: 450 nm Multimode-fasergekoppeltes Lasermodul.
• Interne Architektur: Räumliche Kombination von 24 Einzelstrahlern.
• Faserschnittstelle: 200/220 um, 0,22 NA, mit einem Cladding Mode Stripper.
• Betriebsart: Kontinuierliche Welle (CW) mit moduliertem Rampenverlauf.
• Beschichtung Tech: Ionenstrahl-gesputterte (IBS) Beschichtungen zur Verhinderung von UV-induzierter Degradation.

Qualitätskontrolle (QC) und Umsetzung

Um die Langzeitstabilität zu gewährleisten, wurde das Modul einem 500-stündigen “Accelerated Aging”-Test in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit unterzogen. Wir überwachten die “Spot Pointing Stability” - die Bewegung des Strahls innerhalb des Faserkerns. Durch die Verwendung einer 6-achsigen Invar-stabilisierten Halterung für die endgültige Fokussierlinse konnten wir die Punktdrift auf weniger als 2 Mikrometer begrenzen und sicherstellen, dass die Leistungsdichte an der Schweißstelle konstant blieb.

Schlussfolgerung

Durch die Implementierung des 450nm fasergekoppelter Diodenlaser, Der Kunde erzielte eine “Leitungsschweißung” anstelle der für IR-Laser typischen gewaltsamen “Schlüssellochschweißung”. Dadurch wurden die Spritzer um 95% reduziert und die elektrische Leitfähigkeit der Stromschienenverbindungen erhöht. Das System läuft nun seit 14 Monaten ohne Leistungsabfall und beweist, dass die fortschrittliche Kopplung mit blauer Wellenlänge eine praktikable industrielle Lösung ist, wenn die Optik für hohe Photonenenergie ausgelegt ist.

Das wirtschaftliche Vertrauen: Vom “Dollar pro Watt” zum “Dollar pro Teil”

In der Welt der OEM-Fertigung, in der viel auf dem Spiel steht, ist der Kauf eines fasergekoppelter Laser wird oft durch die falsche Brille betrachtet. Wenn ein Modul 20% billiger ist, aber eine 10% höhere Ausfallrate hat oder häufiger gewartet werden muss, ist die “Dollar pro Watt”-Metrik bedeutungslos.

Der Wert von diagnostischem Feedback

Hochentwickelte Module enthalten jetzt interne Sensoren für:

1. Luftfeuchtigkeit: Erkennen von möglicher Kondensation, die die interne Optik beschlagen könnte.
2. Intensität der Rückreflexion: Bereitstellung einer Echtzeit-“Gesundheitsbewertung” der Lieferfaser.
3. Gehäuse Temperatur: Sicherstellen, dass der Kühlkörper wie vorgesehen funktioniert.

Ein Hersteller, der dieses Maß an Transparenz bietet, verkauft nicht nur eine Lichtquelle, sondern auch “vorausschauende Betriebszeit”. Für einen Systemintegrator ist es wichtig, dass er seinen Kunden mitteilen kann, dass ein Lasermodul gewartet werden muss. vor ist der ultimative Wettbewerbsvorteil.

Zukunftsprognosen: 3D-Druck und Fortschritte bei Direktdioden

Die nächste Herausforderung für die Multimode-fasergekoppeltes Lasermodul ist die additive Fertigung (3D-Druck) von reaktiven Metallen. In dem Maße, wie wir die Helligkeit blauer und grüner fasergekoppelter Dioden steigern, werden wir eine Verlagerung weg von teuren Faserlasern hin zu “Direct Diode”-Systemen erleben. Diese Systeme bieten eine höhere Wall-Plug-Effizienz und einen geringeren Platzbedarf, vorausgesetzt, die Industrie kann die Grenzen des BPP-Managements und der thermischen Stabilität weiter verschieben.

FAQ: Professionelle technische Beratungen

Q1: Warum ist ein “Cladding Mode Stripper” (CMS) in einem Multimode-Modul notwendig?

A: Bei einem fasergekoppelten Hochleistungslaser gelangt falsch ausgerichtetes oder zurückreflektiertes Licht in den Mantel der Faser und nicht in den Kern. Das Mantellicht wird nicht wie das Kernlicht gelenkt, sondern entweicht durch den Schutzmantel, der normalerweise aus Kunststoff besteht. Ohne ein CMS zur sicheren Absorption und Ableitung dieses “unkontrollierten” Lichts in den Metallkühlkörper fängt das Faserpigtail Feuer.

F2: Wie wirkt sich das “Thermal Blooming” auf die Faserkopplung aus?

A: Thermal Blooming tritt auf, wenn sich die interne Optik oder die Laserdiode selbst erwärmt, wodurch sich der Brechungsindex ändert oder sich die mechanischen Halterungen leicht ausdehnen. Dies führt dazu, dass die Divergenz des Strahls zunimmt. Wenn die Divergenz zu stark zunimmt, “bläht” sich der Strahl über die Kanten des Faserkerns hinaus auf, was zu einem sofortigen Abfall der eingekoppelten Leistung führt.

F3: Ist es von Vorteil, einen größeren Faserkern als nötig zu verwenden?

A: Die Verwendung einer 200um-Faser für ein Modul, das in eine 105um-Faser passen könnte, reduziert die Leistungsdichte auf der Faserfacette, was die Lebensdauer des Steckers erhöhen kann. Allerdings verringert sich dadurch auch die Helligkeit. Wenn Ihre Anwendung einen sehr kleinen, intensiven Punkt erfordert (wie beim Schneiden), ist eine größere Faser von Nachteil. Wenn Sie nur eine großflächige Erwärmung oder Ummantelung vornehmen, ist eine größere Faser die sicherere und robustere Wahl.

F4: Wie wirkt sich das “wellenlängenstabilisierte” Pumpen aus?

A: Bei einem fasergekoppelten Diodenlaser, der zum Pumpen verwendet wird, stellt die Stabilisierung (über VBG) sicher, dass die Wellenlänge nicht driftet, wenn Sie die Leistung (Strom) ändern. Dies ist für Faserlaser entscheidend, da ihre Absorption nur bei einer ganz bestimmten Wellenlänge (z. B. 976 nm) effizient ist. Ohne Stabilisierung driftet die Wellenlänge beim Erhöhen der Pumpleistung ab, die Absorption sinkt, und das System wird instabil.

F5: Kann ich diese Module mit einer Einschaltdauer von 100% betreiben?

A: Industrietaugliche fasergekoppelte Multimode-Lasermodule sind für den 24/7-Betrieb bei einer Einschaltdauer von 100% ausgelegt, vorausgesetzt, das Kühlsystem (Kühler oder Kühlkörper) kann die Grundplattentemperatur innerhalb des spezifizierten Bereichs halten (typischerweise 20-30 Grad Celsius).