L'architecture de la photonique intégrée : Au-delà de l'émission à longueur d'onde unique

Le passage des composants à émetteur unique aux composants intégrés module laser à diode de haute puissance représente l'évolution naturelle de l'ingénierie photonique. Dans le paysage industriel et médical actuel, la demande d'une sortie optique unique délivrant plusieurs longueurs d'onde discrètes n'est plus un luxe, c'est une nécessité fonctionnelle. Qu'il s'agisse de pompage laser à fibre à plusieurs niveaux ou de procédures dermatologiques complexes nécessitant simultanément 808 nm, 940 nm et 1064 nm, les systèmes de pompage laser à fibre sont indispensables. module laser à longueurs d'onde multiples sert de moteur principal pour les systèmes à haute performance.

Du point de vue de la physique, le défi de la création d'un système intégré de haute puissance réside dans la conservation de la luminosité. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la luminosité d'un faisceau laser (radiance) ne peut pas être augmentée par des éléments optiques passifs. Par conséquent, lorsque nous combinons plusieurs diodes laser en une seule couplé par fibre laser à diode système, Dans ce contexte, chaque surface optique et chaque élément de combinaison doit être conçu pour minimiser les pertes dans le produit des paramètres du faisceau (BPP). Pour y parvenir, les ingénieurs doivent maîtriser l'interaction entre la combinaison spectrale des faisceaux, l'empilement spatial et la gestion de la diaphonie thermique dans un boîtier hermétique.

Principes de la combinaison de faisceaux : Stratégies spectrales et spatiales

Pour envoyer la lumière de plusieurs puces semi-conductrices dans une seule fibre optique, nous devons utiliser les degrés de liberté offerts par les photons : leur position spatiale, leur longueur d'onde et leur état de polarisation.

Combinaison de faisceaux spectraux (SBC) et filtres à couche mince

Dans un multi-longueur d'onde module laser, La combinaison spectrale est la méthode la plus efficace pour augmenter la puissance sans dégrader la qualité du faisceau. Cette technique repose sur l'utilisation de filtres à couches minces (TFF) ou de miroirs dichroïques très performants. Ces filtres sont conçus avec des couches alternées de matériaux diélectriques à indice de réfraction élevé et faible (tels que $TiO_2$ et $SiO_2$).

Par exemple, pour combiner un faisceau de 808 nm et un faisceau de 980 nm, un TFF est placé à un angle de 45 degrés. Le filtre est conçu pour être hautement réfléchissant à 808 nm et hautement transmissif à 980 nm. La précision du revêtement diélectrique est primordiale ; toute “ondulation” dans le spectre de transmission ou tout déplacement de la longueur d'onde “de bordure” dû à des changements de température entraînera une perte de puissance catastrophique et une production de chaleur dans les baffles internes du module.

Combinaison de polarisations et empilement de faisceaux

Lorsque plusieurs émetteurs de la même longueur d'onde doivent être combinés, nous nous tournons vers la polarisation. En utilisant un combineur de faisceaux de polarisation (PBC), deux faisceaux avec des états de polarisation orthogonaux (polarisation P et polarisation S) sont fusionnés. Cela permet de doubler la puissance dans la fibre sans augmenter l'ouverture numérique (NA) de la sortie. Toutefois, cette méthode est limitée à deux émetteurs par longueur d'onde. Pour aller plus loin, on utilise l“”empilement“ ou le ”multiplexage" spatial, où les émetteurs sont placés à différentes hauteurs et leurs faisceaux sont réfléchis dans une trajectoire commune à l'aide de réseaux de microprismes.

Ingénierie thermique : Le défi de l'intégration dense

Le principal mode de défaillance d'un module laser à diode de haute puissance est la saturation thermique. Lorsque dix puces laser de haute puissance ou plus sont placées dans un volume de la taille d'une boîte d'allumettes, la densité thermique dépasse celle du cœur d'un réacteur nucléaire. La gestion thermique de ces systèmes est un problème à plusieurs échelles.

Diaphonie thermique interne

La diaphonie thermique se produit lorsque la chaleur résiduelle de l“”émetteur A“ augmente la température de jonction de l”"émetteur B". Dans un système laser à diode couplé à une fibre, Cette situation est particulièrement dangereuse car la longueur d'onde dépend de la température. Si la puce de 808 nm chauffe la puce de 940 nm, la longueur d'onde de 940 nm dérive, ce qui peut la faire sortir de la fenêtre de transmission de l'optique de combinaison interne.

Pour atténuer ce phénomène, les modules professionnels utilisent des supports à haute conductivité thermique (souvent en nitrure d'aluminium ou en oxyde de béryllium) et des plaques de base à “macro-canaux” ou à “micro-canaux”. Le choix du matériau d'interface thermique (TIM) entre le sous-montage et le plancher du module fait la différence entre une puissance stable de 300 W et un système qui perd de la puissance après seulement 60 secondes de fonctionnement.

Désadaptation de la CET et stabilité de l'alignement

Chaque composant optique du module - le collimateur à axe rapide (FAC), le collimateur à axe lent (SAC) et les lentilles de focalisation - doit rester stable à 100 nanomètres près. Comme le boîtier du module (généralement en Kovar ou en acier inoxydable) et le banc optique (généralement en cuivre sans oxygène) ont des coefficients de dilatation thermique (CTE) différents, les cycles de température peuvent provoquer un “fluage optique”. Un fabricant de haute qualité résout ce problème en utilisant des sous-ensembles à CTE adapté et des techniques de collage inorganiques telles que le soudage au laser ou la soudure eutectique au lieu d'époxy durcie aux UV.

La logique d'ingénierie du coût total : Pourquoi la “valeur des composants” l'emporte sur le “prix unitaire” ?”

Dans le cadre de la module laser à diode de haute puissance, Le prix d'achat est souvent la partie la moins importante de l'équation économique. Le coût réel d'un moteur optique est réalisé au cours de sa troisième ou quatrième année de fonctionnement sur le terrain.

Envisager un laser médical utilisé pour les lésions vasculaires. Si l'on considère que la partie interne de la module laser à longueurs d'onde multiples Si l'on utilise un alignement à base d'adhésifs bon marché, les différents taux d'expansion des adhésifs finiront par découpler les faisceaux de 1064 nm et de 808 nm de la fibre. Cela ne réduit pas seulement la puissance, mais modifie le rapport des longueurs d'onde qui touchent la peau du patient, ce qui rend la procédure médicale inefficace ou dangereuse. Le coût de remplacement du module, y compris la main-d'œuvre d'un ingénieur de service sur le terrain et le manque à gagner pour la clinique, peut facilement atteindre cinq fois la différence de prix initiale d'un module soudé au laser de première qualité.

Étude de cas : Moteur laser chirurgical à triple longueur d'onde

Historique de la clientèle :

Un fabricant de matériel chirurgical peu invasif pour l'ablation par laser endoveineux (EVLA). Le système nécessite une combinaison de 980nm (pour l'absorption de l'eau), 1470nm (pour la contraction du collagène) et 635nm (comme faisceau de visée rouge).

Défis techniques :

Le client était confronté à un problème de “fusion de la fibre” au niveau de l'interface du connecteur. Le module de son fournisseur précédent présentait un problème de “puissance de gaine” élevée, où la lumière de la diode 1470nm n'était pas correctement focalisée dans le cœur de la fibre, mais s'échappait dans la gaine et brûlait le revêtement polymère.

• Exigence : 30W à 980nm, 15W à 1470nm, et 100mW à 635nm dans une seule fibre de 200um.
• Stabilité : <2% variation de puissance sur 1 heure d'utilisation chirurgicale continue.
• Taille : Doit s'intégrer dans un châssis de montage en rack 1U standard.

Paramètres techniques et configuration :

• Module : Sur mesure module laser à longueurs d'onde multiples en utilisant un banc optique partagé.
• Couplage de la physique : Utilisation d'une lentille de mise au point asphérique “tri-plexer” personnalisée pour gérer l'aberration chromatique entre 635nm et 1470nm.
• Protection : Intégration d'un filtre coupe-bande 1064nm pour éviter que les réflexions du site chirurgical (qui utilise souvent des lasers Nd:YAG secondaires) n'endommagent la facette de la diode 980nm.

Solution de contrôle de la qualité (QC) :

Nous avons mis en œuvre un test de “stabilité du centroïde du faisceau”. Le module a été soumis à 50 cycles thermiques de 15°C à 45°C, et la position du faisceau sur la facette de la fibre a été suivie à l'aide d'une caméra à haute résolution. Tout déplacement supérieur à 2um a entraîné un rejet. Nous avons également effectué une “analyse de la puissance de la gaine” pour nous assurer que >98% de la lumière était confinée à l'intérieur du cœur de 200um.

Conclusion :

La mise en œuvre d'une lentille de correction chromatique spécialisée et d'une stratégie de montage inorganique a permis d'éliminer complètement le problème de la “fusion des fibres”. La fiabilité du système chirurgical est passée d'un taux de défaillance de 5% à 0,1% au cours de la première année. Le système intégré de laser à diode couplé à une fibre a également permis au client de réduire l'empreinte de son dispositif de 40%, car il n'avait plus besoin de trois alimentations électriques distinctes et de trois chemins de fibre séparés.

Support de données : Comparaison des performances des modules à longueurs d'onde multiples

Le tableau suivant résume les mesures de performance typiques pour divers systèmes intégrés de gestion de l'information. module laser à diode de haute puissance configurations.

FAQ : Ingénierie des systèmes laser à longueurs d'onde multiples

Q1 : Pourquoi l'efficacité du couplage est-elle plus faible pour les modules à plusieurs longueurs d'onde ?

Dans un module laser à longueurs d'onde multiples, la lentille de focalisation doit traiter la lumière avec des indices de réfraction très différents (aberration chromatique). Une lentille qui fait parfaitement la mise au point à 808 nm sera légèrement floue à 1064 nm. Bien que les doublets achromatiques ou les asphères spécialisées soient utiles, il y a toujours un compromis par rapport à un système optimisé à longueur d'onde unique.

Q2 : Comment éviter qu'un laser n'en endommage un autre à l'intérieur du module ?

Nous utilisons l“”isolation sélective en longueur d'onde". Les TFF utilisées pour la combinaison agissent également comme des boucliers. Par exemple, le revêtement réfléchissant 1064nm qui reflète le faisceau 1064nm dans la fibre empêche également toute lumière 808nm parasite de pénétrer dans la cavité de la diode 1064nm.

Q3 : Ces modules peuvent-ils être réparés en cas de défaillance d'une longueur d'onde ?

En général, les modules hermétiques de haute puissance ne sont pas réparables sur le terrain. L'ouverture du module introduit de l'humidité et des particules qui détruiraient immédiatement les facettes laser restantes en cours de fonctionnement. La fiabilité doit être conçue “en amont” par le biais d'un déclassement et d'un approvisionnement en semi-conducteurs de qualité.

Q4 : Qu'est-ce que la “diaphonie thermique” et comment affecte-t-elle le faisceau de visée rouge ?

Les diodes rouges (635 nm-650 nm) sont extrêmement sensibles à la chaleur. Si les puces 980 nm à haute puissance fonctionnent à plein régime, la chaleur qu'elles génèrent peut augmenter la température de la plaque de base, entraînant une perte de puissance ou une défaillance de la diode rouge. C'est pourquoi les diodes rouges sont souvent montées sur le bord le plus froid du banc optique.

Q5 : Quel est l'avantage d'une “fibre détachable” sur un module de 100W ?

Pour les applications médicales, un connecteur SMA905 ou D80 détachable est standard. Cependant, cela introduit un risque de “contamination de l'extrémité”. Si un seul grain de poussière se trouve sur l'extrémité de la fibre, il absorbe l'énergie laser de 100 W, fait fondre la fibre et risque d'endommager la fenêtre de sortie du module laser à diode de haute puissance. Des capteurs intégrés (comme un NTC près du connecteur) sont utilisés pour détecter cette chaleur et arrêter le laser.