Dans la hiérarchie de la photonique des semi-conducteurs, la Diode laser multimode représente le summum de la densité d'énergie brute. Alors que les émetteurs monomodes sont les chirurgiens du monde optique - appréciés pour leur pureté spectrale et leur focalisation limitée par la diffraction -, les émetteurs monomodes ne sont pas toujours bien placés.diodes laser multimodes sont les centrales électriques, conçues pour fournir un flux massif de photons pour le traitement industriel, l'esthétique médicale et le pompage laser à l'état solide. Cependant, la transition des dispositifs monomodes de l'ordre du milliwatt vers les lasers multimodes de l'ordre du multiwatt est en train de s'opérer. diode laser haute puissance n'est pas simplement un exercice de mise à l'échelle ; il implique un changement fondamental dans la dynamique des porteurs, la physique des guides d'ondes et la gestion thermique.

Pour l'ingénieur OEM ou l'intégrateur de systèmes, il est essentiel de comprendre l'architecture de l'émetteur à large surface (BAE). Contrairement aux crêtes étroites de 2-3 $mu$m des diodes monomodes, un émetteur à large surface (BAE) est un émetteur à large surface. Diode laser multimode se caractérise par une largeur de région active allant de 50 $mu$m à plus de 200 $mu$m. Cette ouverture accrue réduit la densité de puissance optique au niveau de la facette, ce qui permet au dispositif d'être alimenté par des courants beaucoup plus élevés avant de rencontrer les limites physiques du matériau semi-conducteur. Cependant, cette largeur introduit un paysage modal complexe où de multiples modes transversaux coexistent et se concurrencent, définissant le profil spatial du faisceau et la luminosité finale du système.

Dynamique des modes latéraux et filamentation dans les lasers multimodes

La caractéristique principale de la lasers multimodes est leur capacité à supporter des modes transversaux d'ordre supérieur. Dans un diode laser haute puissance, la dimension latérale du guide d'ondes est plusieurs fois supérieure à la longueur d'onde de la lumière émise. Par conséquent, le champ optique n'est pas une simple tache gaussienne, mais une superposition de nombreux modes. La distribution d'intensité qui en résulte sur l“”axe lent“ (parallèle à la jonction) est typiquement en forme de chapeau ou de ”dos de chameau".

Un défi important dans l'ingénierie d'un Multimode Diode laser est la “filamentation”. À mesure que le courant d'injection augmente, des variations localisées de la densité des porteurs et de la température entraînent des modifications de l'indice de réfraction, un phénomène connu sous le nom d'effet Kerr et de lentille thermique. Ces variations peuvent entraîner l'éclatement du faisceau large en “filaments” de haute intensité. La filamentation est préjudiciable pour deux raisons : elle dégrade la qualité du faisceau (facteur $M^2$) et crée des points chauds localisés sur la facette de sortie, ce qui augmente considérablement le risque de dommages optiques catastrophiques (COD).

Pour atténuer ce phénomène, les fabricants haut de gamme se concentrent sur l“”ingénierie de l'indice latéral“. En contrôlant précisément le profil de dopage et la géométrie des crêtes, il est possible de stabiliser les modes latéraux et de minimiser la filamentation. Pour l'acheteur, l'uniformité du ”champ proche" d'un diode laser haute puissance est un indicateur essentiel de la qualité interne de la puce. Un profil de champ proche non uniforme suggère une mauvaise distribution des porteurs, ce qui entraînera inévitablement un vieillissement prématuré et un pointage imprévisible des faisceaux dans le système intégré.

Flux thermique et goulot d'étranglement du $R_{th}$

Dans un Diode laser multimode, La gestion thermique est la frontière entre un outil fiable et un composant défectueux. Un système de gestion thermique typique de l diode laser haute puissance peuvent fonctionner avec un rendement de prise murale (WPE) de 50% à 60%. Bien que ce chiffre soit élevé pour un laser, il signifie que pour 10 watts de lumière produite, près de 8 à 10 watts sont convertis en chaleur dans un volume plus petit qu'un grain de sable.

La résistance thermique ($R_{th}$) du boîtier est la spécification la plus critique pour la fiabilité OEM. La chaleur doit voyager depuis les puits quantiques InGaN ou AlGaAs, à travers les couches de revêtement, l'interface de soudure (généralement or-étain), et enfin dans le sous-montage (C-Mount, F-Mount, ou COS). Si le $R_{th}$ est même légèrement supérieur aux spécifications de conception - en raison de vides microscopiques dans la soudure ou d'un matériau de sous-montage de mauvaise qualité - la température de jonction ($T_j$) montera en flèche.

Une augmentation de $T_j$ entraîne un “décalage vers le rouge” de la longueur d'onde (typiquement 0,3 nm/°C) et une diminution de l'efficacité de la pente. Plus dangereux encore, elle accélère la migration des défauts cristallins dans la région active. Lors de l'évaluation d'un Diode laser multimode Pour les applications à haute fiabilité, le point de “basculement thermique” - le courant auquel la puissance cesse d'augmenter sous l'effet de la chaleur - doit être nettement plus élevé que le courant de fonctionnement prévu. Cela permet d'obtenir la “marge thermique” nécessaire à la stabilité à long terme.

La logique de la luminosité : De l'émetteur à la fibre

Dans les secteurs industriel et médical, la puissance est souvent une mesure secondaire par rapport à la luminosité. La luminosité est une mesure de la puissance par unité de surface et par unité d'angle solide. Pour les diodes laser multimodes, La luminosité est limitée par l'asymétrie entre l'axe rapide et l'axe lent. L'axe rapide (perpendiculaire à la jonction) est limité par la diffraction et diverge rapidement, tandis que l'axe lent (parallèle à la jonction) est fortement multimodal et diverge lentement.

Intégrer un Diode laser multimode L'intégration de la lumière dans un système couplé à une fibre nécessite la “conservation de la luminosité”. Pour pomper un laser à fibre ou fournir de l'énergie par l'intermédiaire d'une sonde médicale, la lumière doit être concentrée dans un petit noyau de fibre avec une ouverture numérique (NA) spécifique. Si une diode laser haute puissance a un mauvais axe lent $M^2$, une grande partie de la puissance sera “perdue” parce qu'elle ne peut pas être focalisée assez étroitement pour entrer dans le cœur de la fibre.

C'est là que la logique du “coût des composants par rapport au coût du système” devient évidente. Un composant moins cher Diode laser multimode peut offrir 10 W de puissance brute, mais avec un émetteur large de 100$\mu$m et une qualité de faisceau médiocre. Pour coupler cette diode à une fibre de 105$\mu$m, l'intégrateur peut avoir besoin de micro-optiques coûteuses et d'un alignement actif. À l'inverse, une diode à haute luminosité avec un émetteur 50$\mu$m peut être plus chère au niveau des composants, mais permet une optique plus simple et une efficacité de couplage plus élevée, ce qui réduit en fin de compte le “coût total par watt lumineux” pour l'utilisateur final.

Science des matériaux et passivation des facettes (prévention de la corrosion)

Le mode de défaillance ultime de tout diode laser haute puissance est le dommage optique catastrophique (COD). Le DCO se produit lorsque la densité de puissance optique au niveau de la facette est suffisamment élevée pour provoquer une absorption localisée, ce qui conduit à un échauffement, qui rétrécit la bande interdite, entraînant une plus grande absorption. Cette boucle de rétroaction positive se produit en quelques nanosecondes et fait fondre la facette du cristal.

Moderne lasers multimodes utilisent des “miroirs non absorbants” (NAM) ou des techniques spécialisées de passivation de la facette. En créant sur la facette une couche dont la bande interdite est plus large que celle de la région active, les fabricants peuvent s'assurer que la lumière n'est pas absorbée à la surface. En outre, l'utilisation de la passivation E2 ou de revêtements propriétaires similaires protège l'AlGaAs ou l'InGaN de l'oxydation. Pour l'équipementier, le seuil de DCO constitue la marge de sécurité de son système. Une diode de 10 W dont le seuil de DCO est de 25 W est infiniment plus fiable qu'une diode dont le seuil de DCO est de 15 W, en particulier dans les applications à mode pulsé où les pics de courant sont fréquents.

Données techniques de performance : Comparaison des architectures d'émetteurs à large surface

Le tableau suivant présente une comparaison technique des normes Diode laser multimode illustrant les compromis entre la largeur de l'émetteur, la puissance et la qualité du faisceau.

Étude de cas : Pompage à haut rendement pour les systèmes laser à fibre de 2 kW

Historique du client

Un fabricant de lasers à fibre de haute puissance utilisés pour la découpe de tôles avait besoin d'un laser à 976nm plus fiable. diode laser haute puissance source. Leur ancienne chaîne d'approvisionnement souffrait d'une “dérive de la longueur d'onde” et de défaillances fréquentes des modules, qu'ils attribuaient à une liaison thermique incohérente dans les modules de diodes.

Défis techniques

• Verrouillage spectral : 976nm est un pic d'absorption étroit pour les fibres dopées à l'Ytterbium. Même une dérive de 2nm dans le lasers multimodes entraînerait une perte d'efficacité de pompage de 40%.
• Stress environnemental : Les machines de découpe fonctionnent dans des ateliers non climatisés et soumis à de fortes vibrations.
• Densité : Le client devait intégrer une puissance de pompe de 200 W dans une plaque refroidie compacte.

Paramètres techniques

• Type d'émetteur : 100$\mu$m Diode laser multimode sur COS (Chip-on-Submount).
• Courant de fonctionnement : 12,5A à 976nm.
• Contrôle spectral : VBG (Volume Bragg Grating) intégré pour verrouiller la longueur d'onde à ±0,5nm sur une plage de 20°C.
• Collage : Soudure dure (AuSn) sur les supports en AlN (nitrure d'aluminium) pour minimiser $R_{th}$ et éliminer le “fluage” de la soudure.”
• Brûlure : 100% de diodes soumises à un test de vieillissement accéléré de 168 heures à 45°C.

Protocole de contrôle de la qualité (CQ)

L'accent a été mis sur la “cohérence de l'efficacité de la pente”. Si l'efficacité de la pente ($W/A$) variait de plus de 3% dans un lot, cela indiquait une variation de la qualité de la couche épitaxiale. En outre, une “cartographie de l'intensité en champ proche” a été réalisée pour s'assurer qu'il n'y avait pas de “filaments chauds” susceptibles d'endommager le VBG ou les fibres optiques de couplage.

Conclusion

En passant à un système de verrouillage de la VBG Diode laser multimode Le client a obtenu une source de pompage “prête à l'emploi” grâce à l'utilisation d'un sous-montage inférieur de $R_{th}$ dans l'architecture du système. L'efficacité totale du système a augmenté de 15%, car il n'était plus nécessaire de suralimenter les diodes pour compenser la dérive spectrale. Plus important encore, le taux de défaillance sur le terrain de leurs systèmes de 2 kW est passé de 2,41 TTP3T à moins de 0,11 TTP3T par an. Cette transition a démontré que le coût réel d'un diode laser haute puissance ne se mesure pas en dollars par watt, mais en temps de fonctionnement du système et en absence de maintenance.

Approvisionnement stratégique : Liste de contrôle pour l'évaluation des équipementiers

Lors de l'évaluation diodes laser multimodes Pour une intégration à fort enjeu, les ingénieurs doivent regarder au-delà de la première page de la fiche technique. Les mesures d'ingénierie suivantes permettent de mieux comprendre l'intégrité du composant :

1. Linéarité de la courbe P-I : La courbe puissance-courant reste-t-elle linéaire jusqu'à 1,5 fois le courant de fonctionnement nominal ? Tout “pli” dans la courbe indique un saut de mode ou une instabilité thermique.
2. Largeur spectrale (FWHM) : Pour lasers multimodes, une largeur spectrale plus étroite (typiquement <3nm) indique un réseau cristallin de meilleure qualité avec moins de fluctuations de composition.
3. Divergence rapide de l'axe (FAD) : Bien que le DCP soit toujours élevé, un DCP plus faible (par exemple, <35° contre 40°) rend l'optique de collimation nettement moins chère et plus efficace.
4. $dV/dI$ Résistance différentielle : Une résistance interne élevée est le symptôme de mauvais contacts ohmiques, ce qui entraîne un échauffement par effet Joule excessif et une réduction de l'EPP.

Au laserdiode-ld.com, L'accent est mis sur le “rendement total” du photon. En optimisant la croissance épitaxiale pour une faible perte interne et en maximisant le flux thermique grâce à une ingénierie de sous-montage avancée, l'objectif est de fournir un "rendement total". Diode laser multimode qui constitue un solide moteur pour le progrès industriel et médical.

FAQ : Ingénierie avancée des systèmes multimodes

Q1 : Pourquoi la divergence de l“”axe lent“ est-elle beaucoup plus faible que celle de l”"axe rapide" dans une diode laser multimode ?

R : C'est dû à la physique de la diffraction. L'axe rapide provient d'une ouverture de 1$\mu$m, ce qui entraîne une divergence de 30 à 40° en raison du principe d'incertitude d'Heisenberg appliqué à la quantité de mouvement des photons. L'axe lent provient d'une ouverture de 100$\mu$m, de sorte que sa divergence “géométrique” est beaucoup plus faible, typiquement de 8° à 10°, bien qu'il soit multimode.

Q2 : Puis-je moduler une diode laser de forte puissance à des fréquences élevées ?

R : Les diodes laser multimodes peuvent être modulées à plusieurs mégahertz, mais leur grande capacité de jonction rend impossible les vitesses de l'ordre du gigahertz (comme celles des télécommunications). Pour les applications pulsées telles que le LIDAR ou l'esthétique médicale, elles peuvent facilement gérer des largeurs d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde.

Q3 : Comment l'effet “Smile” affecte-t-il les barres laser multimodes ?

R : Le “sourire” est la courbure microscopique de la barre laser pendant le processus de soudure. Si une barre présente un “sourire” de plus de 1$\mu$m, il devient impossible de collimater l'axe rapide de tous les émetteurs simultanément, ce qui entraîne une perte significative de luminosité et d'efficacité du couplage des fibres.

Q4 : Quel est l'avantage d'une diode 976nm par rapport à une diode 915nm pour le pompage des fibres ?

R : 976nm correspond à un pic d'absorption beaucoup plus élevé dans l'Ytterbium, ce qui permet d'utiliser des fibres actives plus courtes et des seuils non linéaires plus élevés. Cependant, elle nécessite une diode laser multimode beaucoup plus stable car le pic est très étroit ; si la longueur d'onde du laser dérive, l'efficacité de pompage chute de manière catastrophique.