En la jerarquía de la fotónica de semiconductores, el Diodo láser multimodo representa la cumbre de la densidad de energía bruta. Mientras que los emisores monomodo son los cirujanos del mundo óptico -valorados por su pureza espectral y su enfoque limitado por difracción-, los emisores monomodo son los mejores.diodos láser multimodo son las centrales eléctricas, diseñadas para proporcionar un flujo masivo de fotones para el procesamiento industrial, la estética médica y el bombeo de láseres de estado sólido. Sin embargo, la transición de los dispositivos monomodo de milivatios a los láseres de varios vatios no ha sido fácil. diodo láser de alta potencia no es un mero ejercicio de escalado, sino que implica un cambio fundamental en la dinámica de los portadores, la física de las guías de ondas y la gestión térmica.

Para el ingeniero OEM o el integrador de sistemas, es crucial comprender la arquitectura del “emisor de área amplia” (BAE). A diferencia de las estrechas crestas de 2-3 $mu$m de los diodos monomodo, un Diodo láser multimodo presenta una anchura de región activa que oscila entre 50 $mu$m y más de 200 $mu$m. Esta mayor apertura reduce la densidad de potencia óptica en la faceta, lo que permite llevar el dispositivo a corrientes mucho más altas antes de encontrar los límites físicos del material semiconductor. Sin embargo, esta anchura introduce un complejo paisaje modal en el que coexisten y compiten múltiples modos transversales, que definen el perfil espacial del haz y el brillo final del sistema.

Dinámica de modos laterales y filamentación en láseres multimodo

La característica definitoria de láseres multimodo es su capacidad para soportar modos transversales de orden superior. En una zona amplia diodo láser de alta potencia, la dimensión lateral de la guía de ondas es varias veces la longitud de onda de la luz emitida. Por consiguiente, el campo óptico no es un simple punto gaussiano, sino una superposición de muchos modos. La distribución de intensidad resultante en el “eje lento” (paralelo a la unión) suele tener forma de sombrero de copa o de “espalda de camello”.

Un reto importante en la ingeniería de un Multimodo Diodo láser es la “filamentación”. A medida que aumenta la corriente de inyección, las variaciones localizadas en la densidad de portadores y la temperatura provocan cambios en el índice de refracción, un fenómeno conocido como efecto Kerr y lente térmica. Estas variaciones pueden hacer que el haz ancho se rompa en “filamentos” de alta intensidad. La filamentación es perjudicial por dos razones: degrada la calidad del haz (factor $M^2$) y crea puntos calientes localizados en la faceta de salida, aumentando significativamente el riesgo de Daño Óptico Catastrófico (COD).

Para mitigarlo, los fabricantes de gama alta se centran en la “ingeniería de índices laterales”. Controlando con precisión el perfil de dopaje y la geometría de la cresta, es posible estabilizar los modos laterales y minimizar la filamentación. Para el comprador, la uniformidad del “campo cercano” de un diodo láser de alta potencia es un indicador primario de la calidad interna del chip. Un perfil de campo cercano no uniforme sugiere una mala distribución del portador, lo que inevitablemente provocará un envejecimiento prematuro y un apuntamiento impredecible del haz en el sistema integrado.

El flujo térmico y el cuello de botella $R_{th}$

En un Diodo láser multimodo, La gestión térmica es la frontera entre una herramienta fiable y un componente defectuoso. Una diodo láser de alta potencia pueden funcionar con una eficiencia de conexión a la pared (WPE) de 50% a 60%. Aunque se trata de un valor elevado para un láser, significa que por cada 10 vatios de luz producidos, cerca de 8 a 10 vatios se convierten en calor en un volumen menor que un grano de arena.

La resistencia térmica ($R_{th}$) del encapsulado es la especificación más crítica para la fiabilidad del OEM. El calor debe desplazarse desde los pozos cuánticos de InGaN o AlGaAs, a través de las capas de revestimiento, la interfaz de soldadura (normalmente Oro-Estaño) y, por último, el subconjunto (C-Mount, F-Mount o COS). Si la $R_{th}$ es incluso ligeramente superior a la especificación de diseño -debido a huecos microscópicos en la soldadura o a un material de submontaje deficiente- la temperatura de unión ($T_j$) se disparará.

Un aumento de $T_j$ provoca un “desplazamiento al rojo” de la longitud de onda (normalmente 0,3 nm/°C) y una disminución de la eficacia de la pendiente. Y lo que es más peligroso, acelera la migración de defectos cristalinos a la región activa. Al evaluar un Diodo láser multimodo Para aplicaciones de alta fiabilidad, el punto de “rollover térmico” -la corriente a la que la potencia deja de aumentar debido al calor- debe ser significativamente superior a la corriente de funcionamiento prevista. Esto proporciona el “margen térmico” necesario para la estabilidad a largo plazo.

La lógica del brillo: Del emisor a la fibra

En los sectores industrial y médico, la potencia suele ser una medida secundaria a la luminosidad. La luminosidad es una medida de la potencia por unidad de superficie y unidad de ángulo sólido. En diodos láser multimodo, El brillo está limitado por la asimetría del “eje rápido” y el “eje lento”. El eje rápido (perpendicular a la unión) está limitado por la difracción y diverge rápidamente, mientras que el eje lento (paralelo a la unión) es altamente multimodo y diverge lentamente.

Integrar un Diodo láser multimodo en un sistema de fibra acoplada requiere “Conservación del brillo”. Para bombear un láser de fibra o suministrar energía a través de una sonda médica, la luz debe enfocarse en un pequeño núcleo de fibra con una apertura numérica (NA) específica. Si una diodo láser de alta potencia tiene un eje lento deficiente $M^2$, gran parte de la potencia se “perderá” porque no puede enfocarse con la suficiente fuerza para entrar en el núcleo de la fibra.

Aquí es donde se pone de manifiesto la lógica del “coste del componente frente al coste del sistema”. Más barato Diodo láser multimodo puede ofrecer 10 W de potencia bruta, pero con un emisor 100$\mu$m ancho y una mala calidad del haz. Para acoplarlo a una fibra de 105$\mu$m, el integrador puede necesitar una microóptica cara y una alineación activa. Por el contrario, un diodo de alta luminosidad con un emisor 50$\mu$m puede ser más caro a nivel de componentes, pero permite una óptica más sencilla y una mayor eficacia de acoplamiento, reduciendo en última instancia el “Coste por vatio luminoso” total para el usuario final.

Ciencia de los materiales y pasivación de facetas (prevención de la DQO)

El último modo de fallo de cualquier diodo láser de alta potencia es el Daño Óptico Catastrófico (DCO). El COD se produce cuando la densidad de potencia óptica en la faceta es lo suficientemente alta como para causar una absorción localizada, lo que conduce a un calentamiento, que reduce la brecha de banda, dando lugar a una mayor absorción. Este bucle de retroalimentación positiva se produce en nanosegundos, fundiendo la faceta del cristal.

Moderno láseres multimodo emplean “espejos no absorbentes” (NAM) o técnicas especializadas de pasivación de las facetas. Al crear una capa en la faceta que tiene una banda prohibida más ancha que la región activa, los fabricantes pueden garantizar que la luz no se absorba en la superficie. Además, el uso de la pasivación E2 o de recubrimientos patentados similares protege el AlGaAs o el InGaN de la oxidación. Para el OEM, el umbral de DQO es el margen de seguridad de su sistema. Un diodo de 10 W con un umbral de DQO de 25 W es infinitamente más fiable que uno con un umbral de DQO de 15 W, especialmente en aplicaciones de modo pulsado en las que los picos de corriente son frecuentes.

Datos técnicos de rendimiento: Comparación de arquitecturas de emisores de área extensa

El cuadro siguiente ofrece una comparación técnica de las normas Diodo láser multimodo que ilustran las compensaciones entre la anchura del emisor, la potencia y la calidad del haz.

Caso práctico: Bombeo de alta eficacia para sistemas láser de fibra de 2 kW

Antecedentes del cliente

Un fabricante de láseres de fibra de alta potencia utilizados para el corte de chapa metálica necesitaba un láser de 976 nm más fiable. diodo láser de alta potencia fuente. Su anterior cadena de suministro sufría de “deriva de longitud de onda” y frecuentes fallos en los módulos, que achacaban a la inconsistencia de la unión térmica en los módulos de diodos.

Retos técnicos

• Bloqueo espectral: 976 nm es un pico de absorción estrecho para las fibras dopadas con iterbio. Incluso una desviación de 2nm en el láseres multimodo causaría una pérdida 40% en la eficiencia de bombeo.
• Estrés medioambiental: Las máquinas de corte funcionan en fábricas no climatizadas con fuertes vibraciones.
• Densidad: El cliente necesitaba encajar 200 W de potencia de bomba en una placa refrigerada compacta.

Configuración de los parámetros técnicos

• Tipo de emisor: 100$\mu$m Diodo láser multimodo en COS (Chip-on-Submount).
• Corriente de funcionamiento: 12,5 A a 976 nm.
• Control espectral: VBG (Volume Bragg Grating) integrado para bloquear la longitud de onda dentro de ±0,5 nm en un rango de 20 °C.
• Vinculación: Soldadura dura (AuSn) en soportes de AlN (nitruro de aluminio) para minimizar el $R_{th}$ y eliminar la “fluencia” de la soldadura.”
• Quemado: 100% de diodos sometidos a un ensayo de envejecimiento acelerado de 168 horas a 45°C.

Protocolo de control de calidad

El control de calidad se centró en la “Consistencia de la eficiencia de la pendiente”. Si la eficiencia de la pendiente ($W/A$) variaba en más de 3% en un lote, indicaba una variación en la calidad de la capa epitaxial. Además, se realizó un “mapeo de intensidad de campo cercano” para garantizar que no hubiera “filamentos calientes”, que podrían dañar el VBG o la óptica de acoplamiento de la fibra.

Conclusión

Al cambiar a un VBG bloqueado Diodo láser multimodo con un submontaje inferior de $R_{th}$, el cliente consiguió una fuente de bombeo “Set-and-Forget”. La eficiencia total del sistema aumentó en 15%, pues ya no necesitaban sobrealimentar los diodos para compensar la deriva espectral. Y lo que es más importante, la tasa de fallos de campo de sus sistemas de 2 kW se redujo de 2,4% a menos de 0,1% anuales. Esta transición demostró que el coste real de un diodo láser de alta potencia no se mide en dólares por vatio, sino en tiempo de actividad del sistema y funcionamiento sin mantenimiento.

Contratación estratégica: Lista de comprobación para la evaluación de OEM

Al evaluar diodos láser multimodo para una integración de alto riesgo, los ingenieros deben mirar más allá de la primera página de la hoja de datos. Las siguientes métricas de ingeniería proporcionan una visión más profunda de la integridad del componente:

1. Linealidad de la curva P-I: ¿La curva Potencia-Corriente se mantiene lineal hasta 1,5 veces la corriente nominal de funcionamiento? Cualquier “pliegue” en la curva indica salto de modo o inestabilidad térmica.
2. Anchura espectral (FWHM): Para láseres multimodo, una anchura espectral menor (normalmente <3 nm) indica una red cristalina de mayor calidad con menos fluctuación composicional.
3. Divergencia rápida del eje (FAD): Aunque el FAD siempre es alto, un FAD más bajo (por ejemplo, <35° frente a 40°) hace que la óptica de colimación sea significativamente más barata y eficiente.
4. $dV/dI$ Resistencia diferencial: Una resistencia interna elevada es síntoma de contactos óhmicos deficientes, lo que provocará un exceso de calentamiento Joule y una reducción del WPE.

En diodo láser-ld.com, La atención se centra en la “eficiencia total” del fotón. Al optimizar el crecimiento epitaxial para reducir las pérdidas internas y maximizar el flujo térmico mediante una ingeniería de submontaje avanzada, el objetivo es proporcionar una Diodo láser multimodo que sirve de sólido motor para el avance industrial y médico.

FAQ: Ingeniería avanzada de sistemas multimodo

P1: ¿Por qué la divergencia del “eje lento” es mucho menor que la del “eje rápido” en un diodo láser multimodo?

R: Se debe a la física de la difracción. El eje rápido procede de una abertura de 1$\mu$m, por lo que su divergencia es de 30°-40° debido al principio de incertidumbre de Heisenberg aplicado al momento fotónico. El eje lento procede de una abertura de 100$\mu$m, por lo que su divergencia “geométrica” es mucho menor, normalmente de 8°-10°, a pesar de ser multimodo.

P2: ¿Puedo modular un diodo láser de alta potencia a altas frecuencias?

R: Los diodos láser multimodo pueden modularse a varios megahercios, pero su gran capacitancia de unión imposibilita velocidades de gigahercios (como las de las telecomunicaciones). Para aplicaciones pulsadas como LIDAR o estética médica, pueden manejar fácilmente anchos de pulso de nanosegundos.

P3: ¿Cómo afecta el efecto “Smile” a las barras láser multimodo?

R: La “sonrisa” es la curvatura microscópica de la barra láser durante el proceso de soldadura. Si una barra tiene una “sonrisa” de más de 1$\mu$m, resulta imposible colimar el eje rápido de todos los emisores simultáneamente, lo que provoca una pérdida significativa de brillo y eficiencia de acoplamiento de la fibra.

P4: ¿Cuál es la ventaja de un diodo de 976 nm sobre uno de 915 nm para el bombeo de fibra?

R: 976 nm coincide con un pico de absorción mucho mayor en el iterbio, lo que permite fibras activas más cortas y umbrales no lineales más altos. Sin embargo, requiere un diodo láser multimodo mucho más estable porque el pico es muy estrecho; si la longitud de onda del láser se desvía, la eficiencia de bombeo cae catastróficamente.