{"id":4198,"date":"2026-02-09T15:09:56","date_gmt":"2026-02-09T07:09:56","guid":{"rendered":"https:\/\/laserdiode-ld.com\/?p=4198"},"modified":"2026-01-26T13:22:40","modified_gmt":"2026-01-26T05:22:40","slug":"konstruktion-von-hochleistungs-multimode-faserlaserdioden-mit-hoher-helligkeit","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/laserdiode-ld.com\/de\/technik-fur-hohe-helligkeit-von-hochleistungs-multimode-faserlaserdioden-html","title":{"rendered":"Entwicklung von Multimode-Laserdioden mit hoher Helligkeit und hoher Leistung"},"content":{"rendered":"

Die Entwicklung der Strahlkraft: Leistung in Hochleistungsdiodensystemen definieren<\/h2>\n\n\n\n

Im Bereich der industriellen Photonik ist die Entwicklung hin zu einer h\u00f6heren Leistungsdichte die entscheidende Herausforderung des Jahrzehnts. W\u00e4hrend Monomode-Dioden sich durch r\u00e4umliche Koh\u00e4renz auszeichnen, ist die fasergekoppelte Laserdiode hoher Leistung<\/strong> ist der Motor der Branche und treibt Anwendungen vom Faserlaserpumpen bis zur direkten Materialbearbeitung und hochenergetischen medizinischen \u00c4sthetik an. Wenn wir \u00fcber Wellenl\u00e4ngen wie 808nm, 915nm oder 940nm sprechen, bewegen wir uns in einem Bereich, in dem die Rohleistung mit der \u201cHelligkeit\u201d abgeglichen werden muss - dem Ma\u00df daf\u00fcr, wie viel Leistung in einen bestimmten Faserkerndurchmesser und eine numerische Apertur (NA) gepresst werden kann.<\/p>\n\n\n\n

Helligkeit ist technisch definiert als die Leistung pro Fl\u00e4cheneinheit pro Raumwinkel. F\u00fcr einen Hersteller bedeutet die Erh\u00f6hung der Leistung einer 915 nm fasergekoppelter Laser<\/a><\/strong> ist relativ einfach; man kann weitere Emitter hinzuf\u00fcgen. Die Beibehaltung der Helligkeit, damit das Licht f\u00fcr einen nachgeschalteten Faserlaser n\u00fctzlich bleibt, ist jedoch eine \u00dcbung in optischer Konservierung. Jede optische Oberfl\u00e4che, jede Linsenausrichtung und jeder thermische Gradient droht den Strahl zu \u201cverwischen\u201d, wodurch sich sein Strahlparameterprodukt (BPP) erh\u00f6ht und sein Nutzen verringert. Um das Preis-Leistungs-Verh\u00e4ltnis dieser Module zu verstehen, m\u00fcssen wir \u00fcber die Wattzahl auf dem Datenblatt hinausgehen und die Technik des optischen Pfads und der Halbleiterfacette untersuchen.<\/p>\n\n\n\n

Halbleiterphysik: Der thermische Engpass und der Facettenschutz<\/h2>\n\n\n\n

Die Reise eines Hochleistungsphotons beginnt in der aktiven Region eines Breitstreifenlaserchips (BAL). F\u00fcr eine 808nm Laserdiode<\/strong> oder eine 940nm Laserdiode<\/a><\/strong>, wird in der Regel das Materialsystem AlGaAs\/GaAs verwendet. Die prim\u00e4re Grenze f\u00fcr die Leistungsskalierung bei diesen Chips ist nicht der Injektionsstrom selbst, sondern die am p-n-\u00dcbergang erzeugte W\u00e4rme und die Anf\u00e4lligkeit der Ausgangsfacette.<\/p>\n\n\n

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\"\"<\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Katastrophische optische Spiegelsch\u00e4den (COMD) und Passivierung<\/h3>\n\n\n\n

Wenn die Leistungsdichte an der Laserfacette mehrere Megawatt pro Quadratzentimeter erreicht, beginnt das Halbleitermaterial, sein eigenes Licht zu absorbieren. Diese Absorption f\u00fchrt zu einer lokalen Erw\u00e4rmung, die die Bandl\u00fccke schrumpfen l\u00e4sst, was zu weiterer Absorption f\u00fchrt. Dieses thermische Durchgehen f\u00fchrt zu COMD - dem physikalischen Schmelzen des Laserspiegels. Professionelle Hochleistungsdioden verwenden die Non-Absorbing Mirror (NAM)-Technologie oder spezielle Facettenpassivierungsschichten (wie AlN oder SiN), die im Ultrahochvakuum abgeschieden werden. Indem wir die Rekombination von Ladungstr\u00e4gern von der Oberfl\u00e4che wegbewegen, k\u00f6nnen wir eine 940 nm Laserdiode<\/a><\/strong> zu h\u00f6heren Stromdichten ohne das Risiko eines pl\u00f6tzlichen Todes.<\/p>\n\n\n\n

W\u00e4rmewiderstand und Einbaumaterialien<\/h3>\n\n\n\n

W\u00e4rme ist der Hauptfaktor f\u00fcr die Wellenl\u00e4ngendrift und die Leistungsverschlechterung. Ein Standard-Hochleistungschip kann 50% bis 60% elektrische Energie in Licht umwandeln; die verbleibenden 40% sind W\u00e4rme, die von einer Grundfl\u00e4che abgef\u00fchrt werden muss, die kleiner als ein Salzkorn ist. Der W\u00e4rmewiderstand ($R_{th}$) des Submounts ist entscheidend. Ingenieure w\u00e4hlen oft Aluminiumnitrid (AlN) oder sogar synthetischen Diamant f\u00fcr Submounts, da diese eine hohe W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit haben und der W\u00e4rmeausdehnungskoeffizient (WAK) mit GaAs \u00fcbereinstimmt. Wenn der WAK nicht \u00fcbereinstimmt, f\u00fchren thermische Zyklen w\u00e4hrend des Betriebs zu einer mechanischen Belastung des Kristallgitters, wodurch \u201cDark Line Defects\u201d (DLDs) entstehen, die den Laser \u00fcber Tausende von Stunden langsam dimmen.<\/p>\n\n\n\n

Optische Architektur: Multi-Single-Emitter vs. Laserbarren<\/h2>\n\n\n\n

Bei der Gestaltung eines hohe Leistung fasergekoppelte Laserdiode<\/a><\/strong> Modul gibt es zwei Hauptrichtungen: die \u201cDiode Bar\u201d und die \u201cMulti-Single Emitter\u201d (MSE) Architektur.<\/p>\n\n\n\n

Das Problem mit dem \u201cL\u00e4cheln\u201d in Laserbars<\/h3>\n\n\n\n

Ein Laserbarren besteht aus mehreren Emittern, die auf einem einzigen Substrat gewachsen sind. Sie bieten zwar eine hohe Leistung in einem kompakten Geh\u00e4use, leiden aber unter einem mechanischen Ph\u00e4nomen, das als \u201cSmile\u201d bekannt ist. W\u00e4hrend des L\u00f6tvorgangs kann sich der Barren leicht verbiegen (oft nur um 1-2 Mikrometer). Diese Kr\u00fcmmung macht es unm\u00f6glich, alle Emitter gleichzeitig in einer einzigen Faser zu kollimieren, da sich die schnelle Achse jedes Emitters auf einer leicht unterschiedlichen H\u00f6he befindet. Dies f\u00fchrt zu einem verschlechterten BPP und einer geringeren Kopplungseffizienz.<\/p>\n\n\n\n

Multi-Single-Emitter (MSE)-Kombination<\/h3>\n\n\n\n

Die meisten modernen 915nm fasergekoppelter Laser<\/strong> Module f\u00fcr das Pumpen von Faserlasern verwenden jetzt die MSE-Architektur. Dabei werden die einzelnen Laserchips auf separaten W\u00e4rmesenken montiert und ihre Strahlen r\u00e4umlich oder durch Polarisation kombiniert.<\/p>\n\n\n\n

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  1. Fast-Axis Collimation (FAC):<\/strong> Jeder Chip erh\u00e4lt seine eigene Mikrolinse. Da jeder Chip unabh\u00e4ngig ausgerichtet ist, wird der \u201cSmile\u201d-Effekt eliminiert.<\/li>\n\n\n\n
  2. Strahltransformationssysteme (BTS):<\/strong> Da die Emitter \u201cbreit\u201d sind (z. B. 100-200 Mikrometer), ist ihre Strahlqualit\u00e4t in der langsamen Achse schlecht. Eine BTS-Linse dreht die einzelnen Strahlen um 90 Grad, so dass die \u201cgute\u201d Strahlqualit\u00e4t der schnellen Achse mit der \u201cschlechten\u201d Qualit\u00e4t der langsamen Achse ausgeglichen werden kann, was zu einem symmetrischeren Strahl f\u00fchrt, der leichter in einen runden Faserkern passt.<\/li>\n\n\n\n
  3. R\u00e4umliches Kombinieren:<\/strong> Die Strahlen werden mit Hilfe von Mikroprismen oder Spiegeln \u201cgestuft\u201d oder \u201cgestapelt\u201d, bevor sie in die Faser fokussiert werden.<\/li>\n<\/ol>\n\n\n\n

    Faserkopplung: Das Gesetz von Etendue und NA-Management<\/h2>\n\n\n\n

    Die Einkopplung einer Leistung von 200 W in eine 105-Mikrometer-Faser mit einer NA von 0,22 erfordert die strikte Einhaltung des Etendue-Gesetzes. Das Produkt aus der Gr\u00f6\u00dfe der Quelle und ihrem Divergenzwinkel kann durch kein passives optisches System verringert werden. Daher ist der \u201cFlaschenhals\u201d immer der Eingangspunkt der Faser.<\/p>\n\n\n\n

    Numerische Apertur (NA) F\u00fcllung<\/h3>\n\n\n\n

    Ein h\u00e4ufiger Fehler bei billigeren Modulen ist die \u00dcberf\u00fcllung der NA der Faser. Ein Modul kann zwar behaupten, 0,22 NA zu haben, aber wenn 95% der Leistung in 0,15 NA konzentriert sind, handelt es sich um eine viel hochwertigere \u201chelle\u201d Quelle als eine, bei der das Licht bis an den Rand der 0,22-Grenze gestreut ist. Licht am Rande der NA kann eher aus dem Kern austreten und in den Mantel eindringen, insbesondere wenn die Faser gebogen ist. Diese \u201cCladding Power\u201d kann den Fasermantel schmelzen oder das nachgeschaltete Lasersystem zerst\u00f6ren. High-End fasergekoppelte Laserdiode hoher Leistung<\/strong> Module verf\u00fcgen \u00fcber \u201cCladding Power Stripper\u201d oder interne Blenden, die sicherstellen, dass nur das Licht innerhalb des sicheren NA-Bereichs das Modul verl\u00e4sst.<\/p>\n\n\n\n

    Zuverl\u00e4ssigkeit und Technik f\u00fcr den langen Atem<\/h2>\n\n\n\n

    Der wahre Wert einer 808nm Laserdiode<\/strong> liegt in der Leistung der \u201cBadewannenkurve\u201d - die Minimierung der Kindersterblichkeit durch Einbrennen und die Verl\u00e4ngerung der \u201cAbnutzungsphase\u201d durch Materialwissenschaft.<\/p>\n\n\n\n

    AuSn-Hartlot vs. Indium-Weichlot<\/h3>\n\n\n\n

    Fr\u00fcher wurde Indium-Lot wegen seiner Flexibilit\u00e4t verwendet, aber es neigt zur \u201cIndium-Migration\u201d, bei der sich das Lot physikalisch bewegt und die Diode mit der Zeit kurzschlie\u00dft. Moderne hochzuverl\u00e4ssige Module verwenden Gold-Zinn-Hartlot (AuSn). AuSn ist zwar schwieriger zu verarbeiten, bietet aber eine wesentlich stabilere thermische und mechanische Schnittstelle, die f\u00fcr die in industriellen Fertigungsumgebungen geforderte Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden unerl\u00e4sslich ist.<\/p>\n\n\n\n

    Fallstudie: 915nm-Pumpen f\u00fcr einen 2kW CW-Faserlaser<\/h2>\n\n\n\n

    Kundenhintergrund:<\/p>\n\n\n\n

    Ein industrieller Laserhersteller, der sich auf Systeme zum Schneiden von Blechen spezialisiert hat. Das Unternehmen entwickelte einen 2 kW-Faserlaser mit kontinuierlicher Welle (CW) und ben\u00f6tigte zuverl\u00e4ssige Pumpquellen.<\/p>\n\n\n\n

    Technische Herausforderungen:<\/p>\n\n\n\n

    Bei den Prototypen des Kunden kam es zu \u201cPumpenausf\u00e4llen\u201d. Die Untersuchung ergab, dass die R\u00fcckreflexionen vom aktiven Kern des Faserlasers wieder in die Pumpdioden eindrangen, wodurch die 915-nm-Chips \u00fcberhitzten und ausfielen. Au\u00dferdem war der BPP der bisherigen Pumpen zu hoch, so dass sie gezwungen waren, 200um-Fasern zu verwenden, was die Gesamteffizienz des Faserlasers verringerte.<\/p>\n\n\n\n

    Technische Parameter und Einrichtung:<\/strong><\/p>\n\n\n\n