La transizione industriale verso i laser a diodi diretti e i sistemi di pompaggio ad alta potenza ha posto un'attenzione senza precedenti sull'elemento costitutivo fondamentale della fotonica: la chip laser a semiconduttore. Sebbene la potenza totale in uscita sia spesso il parametro principale per l'approvvigionamento, il vero valore di un prodotto è la potenza di uscita. pila di diodi laser si misura in base alla sua stabilità spettrale e alla sua capacità di resistere al degrado per decine di migliaia di ore operative. Per gli integratori di sistemi che costruiscono laser in fibra ad alta luminosità o apparecchiature medico-chirurgiche, la comprensione della transizione dalla fisica a livello di chip all'ingegneria a livello di stack è fondamentale per ridurre i costi operativi a lungo termine.

Eccellenza epitassiale: Il ciclo di vita di un chip laser a semiconduttore

Le prestazioni di un diodo laser ad alta luminosità è determinato molto prima del processo di doratura o del montaggio del collettore di raffreddamento. Il processo inizia nel reattore MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), dove gli strati epitassiali vengono cresciuti con precisione atomica.

Uniformità della regione attiva

La regione attiva di un chip laser a semiconduttore è tipicamente costituito da pozzi quantici di InGaAs/AlGaAs sottoposti a tensione. L'affidabilità è dettata dall'uniformità di questi strati sull'intero wafer. Qualsiasi variazione dello spessore del pozzo quantico, anche di pochi angstrom, comporta uno spostamento della lunghezza d'onda di emissione. In un diodo laser multiemettitore Se gli emettitori su una larghezza di 10 mm hanno lunghezze d'onda variabili, il conseguente “allargamento spettrale” rende impossibile pompare in modo efficiente laser a stato solido o a fibra che hanno bande di assorbimento strette (come le fibre drogate con Yb a 976 nm).

Efficienza quantica interna rispetto al carico termico

I chip ad alte prestazioni sono progettati per massimizzare l'efficienza quantistica interna, garantendo che la maggior parte degli elettroni iniettati venga convertita in fotoni anziché in calore. A correnti di iniezione elevate, la “perdita di portatori” diventa un problema significativo. Gli elettroni sfuggono al confinamento del pozzo quantico e si ricombinano negli strati di rivestimento. Ciò non solo riduce l'efficienza, ma aumenta anche la temperatura di giunzione, accelerando la formazione di difetti della linea scura (DLD). Un chip con un confinamento dei portatori superiore richiede un raffreddamento meno aggressivo, con un impatto diretto sulla complessità e sul peso del prodotto finale. pila di diodi laser.

Scalare la potenza attraverso la geometria del diodo laser multiemettitore

Per ottenere la potenza di kilowatt richiesta per il taglio o il rivestimento industriale dei metalli, i singoli emettitori vengono raggruppati in barre, che vengono integrate in un multiemettitore diodo laser montaggio.

Il dilemma del fattore di riempimento

Il “fattore di riempimento” è il rapporto tra l'area di emissione e la larghezza totale della barra laser. Un fattore di riempimento elevato (ad esempio, 50% o superiore) consente di ottenere una potenza massiccia, ma crea una zona di calore concentrato difficile da raffreddare. Per diodo laser ad alta luminosità applicazioni, spesso si preferisce un fattore di riempimento inferiore (da 20% a 30%). Questa spaziatura consente una migliore dissipazione del calore tra gli emettitori e facilita l'uso di micro-ottica per la collimazione dei singoli emettitori, essenziale per preservare il prodotto dei parametri del fascio (BPP).

Sollecitazioni meccaniche e precisione del passo

Quando si montano più emettitori, la precisione meccanica del “passo” (la distanza tra gli emettitori) è fondamentale. Nelle applicazioni ad alta potenza, anche una deviazione di 2 micron nella posizione degli emettitori può comportare “errori di puntamento” significativi dopo che la luce passa attraverso un collimatore ad asse veloce (FAC). Per il costruttore del sistema, ciò significa che uno stack economico con scarse tolleranze di montaggio avrà una potenza “utilizzabile” molto più bassa, poiché una parte significativa della luce non riuscirà a entrare nella fibra di trasmissione.

Ingegneria spettrale nello stack di diodi laser

Nelle moderne applicazioni industriali, la potenza da sola non è sufficiente; la “luminosità spettrale” è il nuovo punto di riferimento. Ciò è particolarmente vero per la lunghezza d'onda di 976 nm utilizzata nel pompaggio dei laser a fibra, dove il picco di assorbimento della fibra è stretto (circa 1-2 nm).

Integrazione del reticolo di Bragg di volume (VBG)

Per bloccare la lunghezza d'onda e restringere lo spettro, spesso viene posizionato un reticolo di Bragg di volume davanti al sensore. pila di diodi laser. Tuttavia, il successo del bloccaggio VBG dipende interamente dalla “purezza spettrale” della sorgente sottostante. laser a semiconduttore chip. Se il profilo di guadagno naturale del chip è troppo ampio o se è presente l'effetto “sorriso” (bowing meccanico), il VBG blocca solo una parte della luce, provocando picchi “parassiti” che possono danneggiare il sistema laser attraverso la retro-riflessione o il riscaldamento localizzato.

Stabilizzazione della lunghezza d'onda e feedback termico

Uno stack ben progettato mantiene una lunghezza d'onda stabile anche quando la corrente viene incrementata. Ciò richiede un'impedenza termica bilanciata tra tutte le barre dello stack. Se la barra superiore di uno stack a 10 barre è più calda di 5 gradi rispetto alla barra inferiore, le loro lunghezze d'onda divergeranno, ampliando lo spettro di uscita totale. Questa disuniformità termica è un punto debole comune negli stack di livello inferiore, dove il progetto del collettore di raffreddamento non tiene conto della dinamica dei fluidi e delle perdite di carico tra le barre.

Dalla qualità dei componenti al costo totale di proprietà (TCO)

La logica del “comprare a basso costo” spesso fallisce nel settore della fotonica a causa dell'elevato costo dei tempi di inattività dei sistemi. A pila di diodi laser non è un materiale di consumo, ma il motore centrale della macchina.

La relazione di Arrhenius nella degradazione laser

La durata ($L$) di un diodo è esponenzialmente correlata alla sua temperatura di giunzione ($T_j$):

$L \propto \exp(E_a / k T_j)$

Dove $E_a$ è l'energia di attivazione del meccanismo di degradazione e $k$ è la costante di Boltzmann. Una riduzione di soli 10°C della temperatura di giunzione, ottenuta grazie a una migliore efficienza del chip o a un migliore raffreddamento dello stack, può raddoppiare la durata operativa del dispositivo. Da un punto di vista finanziario, uno stack che costa 20% in più ma dura 100% in più riduce il TCO di quasi la metà, se si tiene conto della manodopera di sostituzione e del tempo di produzione perso.

Caso di studio: Pompaggio ad alta efficienza per i laser a fibra industriali

1. Contesto del cliente

Un produttore di laser industriali stava sviluppando un laser in fibra CW da 20 kW per applicazioni di saldatura nei cantieri navali. Il sistema richiedeva una sorgente di pompa affidabile da 976 nm in grado di mantenere una larghezza spettrale ridotta in condizioni ambientali variabili.

2. La sfida tecnica

Il prototipo iniziale utilizzava un sistema standard di diodo laser multiemettitore pile. Tuttavia, con l'aumento della potenza di pompaggio, lo “spostamento di lunghezza d'onda” ha fatto sì che la luce di pompaggio si allontanasse dal picco di assorbimento dell'itterbio. Questo ha fatto sì che la luce di pompa non assorbita raggiungesse i combinatori del laser a fibra, causando un guasto termico catastrofico dei componenti ottici.

• Lunghezza d'onda target: 976nm (stabilizzato).
• Larghezza spettrale: < 1,0 nm (FWHM).
• Ambiente operativo: Pavimento industriale con oscillazioni di temperatura da 10°C a 40°C.

3. Impostazioni dei parametri tecnici e soluzione

Abbiamo implementato un sistema ad alta densità pila di diodi laser utilizzando un sistema avanzato di chip laser a semiconduttore con un'architettura specializzata “Locked-Wavelength”.

4. Controllo qualità (CQ) e convalida

• Mappatura spettrale: Ogni diodo laser multiemettitore è stata mappata per garantire l'uniformità della lunghezza d'onda prima di essere integrata nello stack.
• Test sui fluidi ad alta pressione: I raffreddatori a microcanali sono stati testati a 10 bar di pressione per garantire che non vi fossero perdite o restrizioni di flusso che potessero causare “punti caldi”.”
• Profilazione dell'efficienza elettro-ottica: Gli stack sono stati testati a 110% di corrente nominale per garantire che le sfaccettature NAM (Non-Absorbing Mirror) dei chip fossero in grado di gestire picchi estremi.

5. Conclusione

Utilizzando uno stack con una conduttività termica superiore e chip compatibili con VBG, il cliente ha ottenuto una potenza stabile di 20kW. Lo spettro ristretto ha aumentato l'efficienza di assorbimento della pompa da 75% a 92%, riducendo in modo significativo il carico termico sul sistema di raffreddamento del laser a fibra e consentendo un design complessivo più compatto.

Dati tecnici sulle prestazioni: Pile di diodi e controllo spettrale

Questa tabella mette a confronto diversi gradi di pila di diodi laser configurazioni basate sull'integrità del chip e sulla tecnologia di montaggio.

FAQ

1. In che modo l'effetto “sorriso” influisce sull'efficienza di accoppiamento delle fibre?

L'effetto “sorriso” è un inarcamento fisico del corpo. diodo laser multiemettitore barra. Se la barra non è perfettamente piatta, gli emettitori non si trovano più sul piano focale del collimatore ad asse veloce (FAC). Questo fa sì che i singoli fasci puntino in direzioni diverse, rendendo impossibile la focalizzazione della luce in una piccola fibra ottica. Le pile di alta qualità utilizzano la saldatura AuSn per mantenere la planarità al di sotto di 0,5 micron.

2. Perché la saldatura AuSn è preferita all'indio per le pile industriali?

L'indio è una saldatura morbida che può “strisciare” sotto stress termico, con conseguente degrado della qualità del fascio nel tempo. L'AuSn (oro-stagno) è una saldatura dura che fornisce un legame rigido e stabile. Sebbene richieda una produzione più complessa e sottomontaggi CTE-matchati, impedisce il deterioramento della qualità del fascio. chip laser a semiconduttore di muoversi, assicurando prestazioni costanti per anni di funzionamento.

3. Che ruolo svolge lo “specchio non assorbente” (NAM) nell'affidabilità del chip?

Il NAM è un trattamento specializzato alla faccia del chip laser a semiconduttore. Impedisce l'assorbimento di fotoni sulla superficie, che è la causa principale del danno ottico catastrofico (COD). Senza la tecnologia NAM, un chip non può funzionare in modo sicuro alle alte densità di corrente richieste per diodo laser ad alta luminosità applicazioni.

4. La qualità dell'acqua di raffreddamento può influire sulla durata di una pila di diodi laser?

Sì, soprattutto per gli stack con raffreddamento a microcanali. Se l'acqua non è adeguatamente deionizzata o filtrata, i depositi minerali o la crescita biologica possono intasare i canali microscopici. Ciò comporta un immediato aumento della temperatura di giunzione dei chip, riducendone significativamente la durata.

5. Come si può determinare se la lunghezza d'onda di una pila è stabile?

È necessario monitorare lo spettro di uscita con un analizzatore di spettro ottico (OSA) variando la corrente di pilotaggio. Una pila stabile mostrerà uno spostamento minimo della lunghezza d'onda di picco all'aumentare della corrente, in particolare se si tratta di una pila con blocco VBG. diodo laser ad alta luminosità.