L'evoluzione della radianza: Definizione della potenza nei sistemi a diodi ad alta potenza

Nel settore della fotonica industriale, il passaggio a una maggiore densità di potenza è la sfida più importante del decennio. Mentre i diodi monomodali eccellono per la coerenza spaziale, il diodo laser accoppiato a fibra ad alta potenza è il motore dell'industria, che spinge le applicazioni dal pompaggio dei laser a fibra alla lavorazione diretta dei materiali e all'estetica medica ad alta energia. Quando parliamo di lunghezze d'onda come 808nm, 915nm o 940nm, operiamo in un regime in cui il wattaggio grezzo deve essere bilanciato con la “luminosità”, ovvero la misura di quanta potenza può essere spremuta in uno specifico diametro del nucleo della fibra e in una specifica apertura numerica (NA).

La luminosità è tecnicamente definita come la potenza per unità di superficie per unità di angolo solido. Per un produttore, aumentare la potenza di un 915 nm laser accoppiato a fibra è relativamente semplice; si possono aggiungere altri emettitori. Tuttavia, mantenere la luminosità in modo che la luce rimanga utile per un laser a fibra a valle è un esercizio di conservazione ottica. Ogni superficie ottica, ogni allineamento delle lenti e ogni gradiente termico minacciano di “offuscare” il fascio, aumentando il suo Beam Parameter Product (BPP) e riducendone l'utilità. Per comprendere il rapporto costo-prestazioni di questi moduli, dobbiamo guardare oltre il wattaggio riportato sulla scheda tecnica ed esaminare la progettazione del percorso ottico e del semiconduttore.

Fisica dei semiconduttori: Il collo di bottiglia termico e la protezione delle faccette

Il viaggio di un fotone ad alta potenza inizia nella regione attiva di un chip laser ad ampio raggio (BAL). Per un Diodo laser 808nm o un Diodo laser 940nm, Il sistema di materiali utilizzato è tipicamente AlGaAs/GaAs. Il limite principale alla scalabilità della potenza in questi chip non è la corrente di iniezione in sé, ma il calore generato alla giunzione p-n e la fragilità della faccia di uscita.

Danno ottico catastrofico dello specchio (COMD) e passivazione

Quando la densità di potenza sulla faccia del laser raggiunge diversi megawatt per centimetro quadrato, il materiale semiconduttore inizia ad assorbire la propria luce. Questo assorbimento porta a un riscaldamento localizzato, che restringe il bandgap e porta a un maggiore assorbimento. Questa fuga termica provoca la COMD, ovvero la fusione fisica dello specchio del laser. I diodi professionali ad alta potenza utilizzano la tecnologia NAM (Non-Absorbing Mirror) o strati di passivazione delle facce (come AlN o SiN) depositati in ambienti ad altissimo vuoto. Allontanando la ricombinazione dei portatori dalla superficie, è possibile pilotare un 940 nm diodo laser a densità di corrente più elevate senza il rischio di morte improvvisa.

Resistenza termica e materiali di montaggio

Il calore è il fattore principale della deriva della lunghezza d'onda e della degradazione della potenza. Un chip standard ad alta potenza può convertire da 50% a 60% di energia elettrica in luce; le restanti 40% sono calore che deve essere rimosso da un ingombro inferiore a un granello di sale. La resistenza termica ($R_{th}$) del submount è fondamentale. Gli ingegneri scelgono spesso il nitruro di alluminio (AlN) o addirittura il diamante sintetico per i submount, grazie alla loro elevata conduttività termica e al coefficiente di espansione termica (CTE) che si adatta al GaAs. Se il CTE non è compatibile, i cicli termici durante il funzionamento introdurranno una deformazione meccanica nel reticolo cristallino, creando “difetti della linea scura” (DLD) che oscurano lentamente il laser per migliaia di ore.

Architettura ottica: Emettitore singolo multiplo vs. barre laser

Nella progettazione di un alta potenza diodo laser accoppiato a fibra Esistono due scuole di pensiero principali: l'architettura “Diode Bar” e quella “Multi-Single Emitter” (MSE).

Il problema del “sorriso” nelle barre laser

Una barra laser è costituita da più emettitori cresciuti su un unico substrato. Sebbene offrano un'elevata potenza in un pacchetto compatto, soffrono di un fenomeno meccanico noto come “Smile”. Durante il processo di saldatura, la barra può incurvarsi leggermente (spesso di soli 1-2 micrometri). Questa curvatura rende impossibile la collimazione simultanea di tutti gli emettitori in una singola fibra, poiché l'asse veloce di ciascun emettitore si trova a un'altezza leggermente diversa. Ciò comporta un BPP degradato e una minore efficienza di accoppiamento.

Combinazione di emettitori multipli e singoli (MSE)

La maggior parte dei moderni Laser accoppiato a fibra da 915 nm I moduli per il pompaggio dei laser a fibra utilizzano oggi l'architettura MSE. In questa configurazione, i singoli chip laser sono montati su dissipatori di calore separati e i loro fasci sono combinati spazialmente o attraverso la polarizzazione.

1. Collimazione ad asse veloce (FAC): Ogni chip ha la sua microlente dedicata. Poiché ogni chip è allineato in modo indipendente, l'effetto “sorriso” è eliminato.
2. Sistemi di trasformazione del fascio (BTS): Poiché gli emettitori sono “larghi” (ad esempio, 100-200 micrometri), la qualità del loro fascio sull'asse lento è scarsa. Una lente BTS ruota i singoli fasci di 90 gradi, consentendo di bilanciare la “buona” qualità del fascio sull'asse veloce con la “scarsa” qualità dell'asse lento, ottenendo un fascio più simmetrico che si adatta più facilmente a un nucleo circolare della fibra.
3. Combinazione spaziale: Prima di essere focalizzati nella fibra, i fasci vengono “scalati” o “impilati” con microprismi o specchi.

Accoppiamento delle fibre: La legge di Etendue e la gestione di NA

L'accoppiamento di 200 W di potenza in una fibra di 105 micrometri con una NA di 0,22 richiede una stretta osservanza della legge di Etendue. Il prodotto delle dimensioni della sorgente e del suo angolo di divergenza non può essere ridotto da alcun sistema ottico passivo. Pertanto, il “collo di bottiglia” è sempre il punto di ingresso della fibra.

Apertura numerica (NA) Riempimento

Un errore comune nei moduli più economici è quello di riempire eccessivamente la NA della fibra. Anche se un modulo può dichiarare di avere un NA di 0,22, se 95% della potenza è concentrata in 0,15 NA, si tratta di una sorgente “luminosa” di qualità molto superiore rispetto a una sorgente in cui la luce è diffusa fino al limite di 0,22. È più probabile che la luce al limite della NA sfugga al nucleo ed entri nel rivestimento, soprattutto se la fibra è piegata. Questa “potenza di rivestimento” può fondere il rivestimento della fibra o distruggere il sistema laser a valle. Di fascia alta diodo laser accoppiato a fibra ad alta potenza I moduli incorporano “Cladding Power Stripper” o deflettori interni per garantire che solo la luce all'interno della gamma NA sicura lasci il modulo.

Affidabilità e ingegneria per la coda lunga

Il valore reale di un Diodo laser 808nm La “Curva della Vasca da bagno”, che riduce la mortalità infantile grazie al burn-in e prolunga la fase di “usura” grazie alla scienza dei materiali.

Saldatura dura AuSn vs. Saldatura morbida di indio

Storicamente, la saldatura all'indio veniva utilizzata per la sua flessibilità, ma è soggetta alla “migrazione dell'indio”, in cui la saldatura si sposta fisicamente e manda in cortocircuito il diodo nel tempo. I moderni moduli ad alta affidabilità utilizzano una saldatura dura a base di oro e stagno (AuSn). Sebbene sia più difficile da lavorare, l'AuSn offre un'interfaccia termica e meccanica molto più stabile, fondamentale per le durate di oltre 50.000 ore richieste negli ambienti di produzione industriale.

Caso di studio: Pompaggio a 915 nm per un laser in fibra CW da 2 kW

Il contesto del cliente:

Un produttore di laser industriali specializzato in sistemi di taglio della lamiera. Stava sviluppando un laser in fibra a onda continua (CW) da 2 kW e aveva bisogno di fonti di pompaggio affidabili.

Sfide tecniche:

Il cliente stava riscontrando un “guasto alla pompa” nei suoi prototipi. Le indagini hanno rivelato che i riflessi posteriori del nucleo attivo del laser a fibra rientravano nei diodi della pompa, causando il surriscaldamento e il guasto dei chip da 915 nm. Inoltre, il BPP delle pompe precedenti era troppo elevato e li costringeva a utilizzare fibre da 200um, riducendo l'efficienza complessiva del laser a fibra.

Parametri tecnici e configurazione:

• Requisiti: 200W in uscita da una fibra da 135um (NA 0,22).
• Lunghezza d'onda: 915 nm ± 3 nm, per corrispondere al picco di assorbimento della fibra drogata con itterbio.
• Protezione: Filtro dicroico 1064nm integrato per bloccare i riflessi posteriori del raggio laser principale.
• Architettura: Combinazione spaziale a 20 emettitori con chip a legame AuSn.

Soluzione per il controllo qualità (CQ):

Ogni modulo è stato testato utilizzando un “Fiber Beam Profiler” per garantire che 95% della potenza fosse contenuta in una NA di 0,18, fornendo un margine di sicurezza per il sistema da 0,22 NA del cliente. Abbiamo anche implementato un “test di retro-riflessione ad alta potenza” in cui abbiamo sparato intenzionalmente un Laser 1064nm nella fibra di uscita della pompa per verificare l'efficacia del rivestimento dicroico interno.

Conclusione:

Passando a un laser accoppiato in fibra da 915 nm ad alta luminosità con protezione integrata dalla riflessione, il cliente ha aumentato l'efficienza ottico-ottica del suo laser in fibra da 65% a 72%. L'uso di moduli a saldature rigide ha eliminato i problemi di degradazione riscontrati con i concorrenti a base di indio e il BPP più stretto ha permesso di utilizzare un combinatore di pompa a nucleo più piccolo, migliorando ulteriormente la qualità del fascio dell'uscita finale da 2 kW.

Tabella delle specifiche tecniche: Moduli multimodali ad alta potenza

FAQ professionali: Richieste di informazioni sul diodo laser ad alta potenza

Q1: Perché i 915nm e i 940nm sono più popolari dei 976nm per il pompaggio dei laser a fibra?

Sebbene i 976 nm presentino una sezione d'urto di assorbimento più elevata nell'itterbio, si tratta di un picco molto stretto. Ciò richiede che il diodo di pompa sia stabilizzato sulla lunghezza d'onda (utilizzando VBG) e che il sistema di raffreddamento sia estremamente preciso. I 915 nm e i 940 nm presentano bande di assorbimento molto più ampie, rendendo il sistema più “indulgente” alle fluttuazioni di temperatura e alla deriva della lunghezza d'onda.

D2: In che modo la “potenza di rivestimento” influisce sulla durata di un sistema laser?

La potenza del rivestimento è la luce che non è più confinata nel nucleo della fibra. Questa luce viene assorbita dal rivestimento polimerico della fibra, causandone la combustione o la carbonizzazione. Nei sistemi ad alta potenza, la potenza di rivestimento è la causa #1 del “Fiber Burn-back”. I moduli professionali riducono al minimo questo fenomeno garantendo un'elevata qualità del fascio (basso BPP) alla sorgente.

D3: Qual è il vantaggio di una “fibra staccabile” rispetto a un “pigtail permanente”?

Un pigtail permanente (fibra fissa) offre la perdita più bassa possibile e la massima affidabilità, perché non c'è air-gap o interfaccia con il connettore. Le fibre staccabili (SMA905 o FC/PC) offrono maggiore flessibilità per le applicazioni mediche in cui le fibre sono considerate materiali di consumo, ma sono soggette a contaminazione e hanno soglie di potenza inferiori.

D4: Questi diodi possono essere utilizzati in modalità “pulsata”?

Sì, ma con cautela. Anche se il diodo può essere commutato rapidamente, lo stress termico del ciclo “On/Off” è molto più elevato rispetto al funzionamento in CW. Se è necessario un funzionamento a impulsi, è importante assicurarsi che l'alimentatore non abbia un'eccedenza di corrente, poiché un singolo microsecondo di sovracorrente può causare la COMD.

D5: Qual è il ruolo di un “termistore” in un modulo da 300W?

In un modulo ad alta potenza, il termistore non serve solo per il monitoraggio, ma è un blocco di sicurezza. Se l'acqua di raffreddamento viene meno o il dissipatore si stacca, il termistore rileva il rapido aumento della temperatura e segnala al driver di spegnersi prima che i chip del laser si fondano.