Nella gerarchia della fotonica a semiconduttori, la Diodo laser multimodale rappresenta l'apice della densità di energia grezza. Mentre gli emettitori monomodali sono i chirurghi del mondo ottico, apprezzati per la loro purezza spettrale e la messa a fuoco limitata dalla diffrazione.diodi laser multimodali sono le centrali elettriche, progettate per fornire un flusso massiccio di fotoni per la lavorazione industriale, l'estetica medica e il pompaggio dei laser a stato solido. Tuttavia, il passaggio da dispositivi monomodali a livello di milliwatt a dispositivi multi-watt è stato molto difficile. diodo laser ad alta potenza non è un semplice esercizio di scalatura, ma comporta un cambiamento fondamentale nella dinamica dei portatori, nella fisica delle guide d'onda e nella gestione termica.

Per gli ingegneri OEM o gli integratori di sistemi, la comprensione dell'architettura del “Broad-Area Emitter” (BAE) è fondamentale. A differenza delle strette creste di 2-3 $mu$m dei diodi monomodali, un Diodo laser multimodale è caratterizzato da un'ampiezza della regione attiva che va da 50 $mu$m a oltre 200 $mu$m. Questa maggiore apertura riduce la densità di potenza ottica in corrispondenza della sfaccettatura, consentendo al dispositivo di essere pilotato a correnti molto più elevate prima di incontrare i limiti fisici del materiale semiconduttore. Tuttavia, questa larghezza introduce un complesso paesaggio modale in cui coesistono e competono più modi trasversali, che definiscono il profilo spaziale del fascio e la luminosità finale del sistema.

Dinamica dei modi laterali e filmazione nei laser multimodali

La caratteristica distintiva di laser multimodali è la loro capacità di supportare modi trasversali di ordine superiore. In un'area ampia diodo laser ad alta potenza, La dimensione laterale della guida d'onda è molte volte la lunghezza d'onda della luce emessa. Di conseguenza, il campo ottico non è un semplice punto gaussiano, ma una sovrapposizione di molti modi. La distribuzione dell'intensità risultante attraverso l“”asse lento“ (parallelo alla giunzione) è tipicamente a cappello o a ”schiena di cammello".

Una sfida significativa nella progettazione di un Multimodale Diodo laser è la “filamentazione”. Con l'aumento della corrente di iniezione, le variazioni localizzate della densità dei portatori e della temperatura portano a cambiamenti nell'indice di rifrazione, un fenomeno noto come effetto Kerr e lensing termico. Queste variazioni possono causare la rottura del fascio largo in “filamenti” ad alta intensità. La filmazione è dannosa per due motivi: degrada la qualità del fascio (fattore $M^2$) e crea punti caldi localizzati sulla superficie di uscita, aumentando significativamente il rischio di danni ottici catastrofici (COD).

Per attenuare questo problema, i produttori di fascia alta si concentrano sulla “Lateral Index Engineering”. Controllando con precisione il profilo di drogaggio e la geometria della cresta, è possibile stabilizzare i modi laterali e ridurre al minimo la filamentazione. Per l'acquirente, l'uniformità del “campo vicino” di un diodo laser ad alta potenza è un indicatore primario della qualità interna del chip. Un profilo di campo vicino non uniforme suggerisce una cattiva distribuzione dei portatori, che porterà inevitabilmente a un invecchiamento prematuro e a un puntamento imprevedibile del fascio nel sistema integrato.

Flusso termico e collo di bottiglia $R_{th}$

In un Diodo laser multimodale, La gestione termica è il confine tra un utensile affidabile e un componente difettoso. Un tipico diodo laser ad alta potenza potrebbe funzionare con un'efficienza Wall-Plug (WPE) compresa tra 50% e 60%. Sebbene si tratti di un valore elevato per un laser, significa che per ogni 10 watt di luce prodotta, quasi 8-10 watt vengono convertiti in calore in un volume più piccolo di un granello di sabbia.

La resistenza termica ($R_{th}$) del contenitore è la specifica più critica per l'affidabilità degli OEM. Il calore deve passare dai pozzi quantici InGaN o AlGaAs, attraverso gli strati di rivestimento, l'interfaccia di saldatura (di solito oro-stagno) e infine nel sottomontante (C-Mount, F-Mount o COS). Se l'$R_{th}$ è anche solo leggermente superiore alle specifiche di progetto, a causa di microscopici vuoti nella saldatura o di un materiale scadente del submount, la temperatura di giunzione ($T_j$) salirà alle stelle.

Un aumento di $T_j$ provoca uno “spostamento verso il rosso” della lunghezza d'onda (tipicamente 0,3nm/°C) e una diminuzione dell'efficienza della pendenza. Inoltre, accelera la migrazione dei difetti del cristallo nella regione attiva. Quando si valuta un Diodo laser multimodale Per le applicazioni ad alta affidabilità, il punto di “Thermal Rollover” - la corrente in cui la potenza cessa di aumentare a causa del calore - deve essere significativamente più alto della corrente di funzionamento prevista. In questo modo si ottiene il “margine termico” necessario per la stabilità a lungo termine.

La logica della luminosità: Dall'emettitore alla fibra

Nei settori industriale e medico, la potenza è spesso una metrica secondaria rispetto alla luminosità. La luminosità è una misura della potenza per unità di superficie e unità di angolo solido. Per diodi laser multimodali, La luminosità è limitata dall'asimmetria dell“”asse veloce“ e dell”"asse lento". L'asse veloce (perpendicolare alla giunzione) è limitato dalla diffrazione e diverge rapidamente, mentre l'asse lento (parallelo alla giunzione) è altamente multimodale e diverge lentamente.

Integrazione di un Diodo laser multimodale in un sistema accoppiato in fibra richiede la “conservazione della luminosità”. Per pompare un laser a fibra o fornire energia attraverso una sonda medica, la luce deve essere focalizzata in un piccolo nucleo di fibra con una specifica apertura numerica (NA). Se un diodo laser ad alta potenza ha un asse lento $M^2$ scadente, gran parte della potenza andrà “persa” perché non può essere focalizzata in modo sufficientemente stretto da entrare nel nucleo della fibra.

È qui che la logica del “costo del componente rispetto a quello del sistema” diventa evidente. Un componente più economico Diodo laser multimodale potrebbe offrire una potenza grezza di 10W, ma con un emettitore largo 100$\mu$m e una scarsa qualità del fascio. Per accoppiarlo a una fibra da 105$\mu$m, l'integratore potrebbe aver bisogno di costose micro-ottiche e di un allineamento attivo. Al contrario, un diodo ad alta luminosità con un emettitore 50$\mu$m potrebbe essere più costoso a livello di componenti, ma consente un'ottica più semplice e un'efficienza di accoppiamento più elevata, riducendo in definitiva il “Costo per Watt luminoso” totale per l'utente finale.

Scienza dei materiali e passivazione delle faccette (prevenzione del COD)

La modalità di fallimento definitiva per qualsiasi diodo laser ad alta potenza è il danno ottico catastrofico (COD). Il COD si verifica quando la densità di potenza ottica in corrispondenza della sfaccettatura è sufficientemente elevata da provocare un assorbimento localizzato, che porta al riscaldamento, il quale restringe il bandgap, determinando un maggiore assorbimento. Questo ciclo di feedback positivo avviene in nanosecondi, fondendo la sfaccettatura del cristallo.

Moderno laser multimodali impiegano “specchi non assorbenti” (NAM) o tecniche specializzate di passivazione delle facce. Creando uno strato sulla faccia con un bandgap più ampio rispetto alla regione attiva, i produttori possono garantire che la luce non venga assorbita in superficie. Inoltre, l'uso della passivazione E2 o di rivestimenti proprietari simili protegge l'AlGaAs o l'InGaN dall'ossidazione. Per gli OEM, la soglia COD rappresenta il margine di sicurezza del sistema. Un diodo da 10W con una soglia di COD di 25W è infinitamente più affidabile di uno con una soglia di COD di 15W, soprattutto nelle applicazioni a modalità pulsata in cui i picchi di corrente sono frequenti.

Dati tecnici sulle prestazioni: Confronto tra architetture di emettitori ad ampio raggio

La tabella seguente fornisce un confronto tecnico tra gli standard Diodo laser multimodale configurazioni, illustrando i compromessi tra larghezza dell'emettitore, potenza e qualità del fascio.

Caso di studio: Pompaggio ad alta efficienza per sistemi laser in fibra da 2 kW

Background del cliente

Un produttore di laser in fibra ad alta potenza utilizzati per il taglio di lamiere richiedeva un laser a 976 nm più affidabile. diodo laser ad alta potenza fonte. La loro precedente catena di fornitura soffriva di “Wavelength Drift” (deriva della lunghezza d'onda) e di frequenti guasti ai moduli, riconducibili a un incollaggio termico incoerente nei moduli dei diodi.

Sfide tecniche

• Blocco spettrale: 976 nm è un picco di assorbimento stretto per le fibre drogate con itterbio. Anche una deriva di 2 nm nel laser multimodali causerebbe una perdita di efficienza di pompaggio pari a 40%.
• Stress ambientale: Le macchine da taglio operano in stabilimenti non climatizzati e con elevate vibrazioni.
• Densità: Il cliente aveva bisogno di inserire 200 W di potenza della pompa in una piastra raffreddata compatta.

Impostazioni dei parametri tecnici

• Tipo di emettitore: 100$\mu$m Diodo laser multimodale su COS (Chip-on-Submount).
• Corrente di esercizio: 12,5A a 976nm.
• Controllo spettrale: VBG (Volume Bragg Grating) integrato per bloccare la lunghezza d'onda entro ±0,5 nm in un intervallo di 20 °C.
• Legame: Saldatura dura (AuSn) su supporti in AlN (nitruro di alluminio) per ridurre al minimo $R_{th}$ ed eliminare lo “scorrimento” della saldatura.”
• Burn-in: 100% dei diodi sottoposti a un test di invecchiamento accelerato di 168 ore a 45°C.

Protocollo di controllo qualità (CQ)

Il controllo qualità si è concentrato sulla “consistenza dell'efficienza della pendenza”. Se l'efficienza della pendenza ($W/A$) variava di oltre 3% in un lotto, indicava una variazione nella qualità dello strato epitassiale. Inoltre, è stata eseguita una “mappatura dell'intensità del campo vicino” per garantire l'assenza di “filamenti caldi”, che potrebbero danneggiare il VBG o le fibre ottiche di accoppiamento.

Conclusione

Passando a un sistema di blocco VBG Diodo laser multimodale Con un'architettura più bassa, $R_{th}$, il cliente ha ottenuto una sorgente di pompa “Set-and-Forget”. L'efficienza totale del sistema è aumentata di 15%, poiché non era più necessario sovradrizionare i diodi per compensare la deriva spettrale. Inoltre, il tasso di guasti sul campo dei sistemi da 2 kW è sceso da 2,4% a meno di 0,1% all'anno. Questa transizione ha dimostrato che il costo reale di un diodo laser ad alta potenza non si misura in dollari per watt, ma in tempo di funzionamento del sistema e assenza di manutenzione.

Sourcing strategico: La lista di controllo per la valutazione degli OEM

Quando si valuta diodi laser multimodali Per un'integrazione ad alto rischio, gli ingegneri dovrebbero guardare oltre la prima pagina della scheda tecnica. Le seguenti metriche ingegneristiche forniscono una visione più approfondita dell'integrità del componente:

1. Linearità della curva P-I: La curva potenza-corrente rimane lineare fino a 1,5 volte la corrente nominale di funzionamento? Eventuali “pieghe” nella curva indicano un salto di modalità o un'instabilità termica.
2. Larghezza spettrale (FWHM): Per laser multimodali, Una larghezza spettrale più ridotta (in genere <3nm) indica un reticolo cristallino di qualità superiore con minori fluttuazioni compositive.
3. Divergenza dell'asse veloce (FAD): Sebbene il FAD sia sempre elevato, un FAD più basso (ad esempio, <35° rispetto a 40°) rende l'ottica di collimazione significativamente più economica ed efficiente.
4. $dV/dI$ Resistenza differenziale: Una resistenza interna elevata è sintomo di contatti ohmici scadenti, che causano un eccesso di riscaldamento Joule e una riduzione del WPE.

A diodelaser-ld.com, L'attenzione è rivolta all“”efficienza totale" del fotone. Ottimizzando la crescita epitassiale per ottenere una bassa perdita interna e massimizzando il flusso termico grazie a un'avanzata ingegneria di montaggio, l'obiettivo è quello di fornire un'efficienza totale del fotone. Diodo laser multimodale che funge da robusto motore per il progresso industriale e medico.

FAQ: Ingegneria avanzata dei sistemi multimodali

D1: Perché la divergenza dell“”asse lento“ è molto più bassa di quella dell”"asse veloce" in un diodo laser multimodale?

R: È dovuto alla fisica della diffrazione. L'asse veloce proviene da un'apertura di 1$\mu$m, che lo fa divergere di 30°-40° a causa del principio di indeterminazione di Heisenberg applicato al momento dei fotoni. L'asse lento proviene da un'apertura di 100$\mu$m, quindi la sua divergenza “geometrica” è molto più bassa, in genere 8°-10°, nonostante sia multimodale.

D2: È possibile modulare un diodo laser ad alta potenza ad alte frequenze?

R: I diodi laser multimodali possono essere modulati a diversi megahertz, ma la loro grande capacità di giunzione rende impossibile la velocità di gigahertz (come quella delle telecomunicazioni). Per le applicazioni a impulsi, come il LIDAR o l'estetica medica, possono gestire facilmente larghezze d'impulso di nanosecondi.

D3: Come influisce l'effetto “Smile” sulle barre laser multimodali?

R: Lo “smile” è il microscopico inarcamento della barra laser durante il processo di saldatura. Se una barra presenta un “sorriso” superiore a 1$\mu$m, diventa impossibile collimare l'asse veloce di tutti gli emettitori simultaneamente, con conseguente perdita significativa di luminosità e di efficienza di accoppiamento della fibra.

D4: Qual è il vantaggio di un diodo a 976 nm rispetto a un diodo a 915 nm per il pompaggio della fibra?

R: I 976 nm corrispondono a un picco di assorbimento molto più elevato nell'itterbio, consentendo fibre attive più corte e soglie non lineari più elevate. Tuttavia, richiede un diodo laser multimodale molto più stabile perché il picco è molto stretto; se la lunghezza d'onda del laser si sposta, l'efficienza di pompaggio si riduce in modo catastrofico.