ダイレクト・ダイオード・レーザーと高出力励起システムへの産業界の移行は、フォトニクスの基本的な構成要素である光源にかつてない焦点を当てた。 半導体レーザーチップ. .総出力は、しばしば調達における主要な指標であるが、その真価は、そのような指標を上回るものである。 レーザーダイオードスタック は、スペクトルの安定性と、何万時間もの動作による劣化に耐える能力によって評価されます。高輝度ファイバーレーザーや医療用手術機器を製造するシステムインテグレーターにとって、チップレベルの物理学からスタックレベルのエンジニアリングへの移行を理解することは、長期的な運用コストを削減するために最も重要です。.

エピタキシャル・エクセレンス半導体レーザーチップのライフサイクル

のパフォーマンスである。 高輝度レーザーダイオード は、金メッキ工程や冷却マニホールドが取り付けられるずっと前に決定される。それはMOCVD（有機金属化学気相成長）リアクターで始まり、そこでエピタキシャル層が原子層の精度で成長する。.

活性領域の均一性

の活性領域がある。 半導体レーザーチップ 通常、歪んだInGaAs/AlGaAs量子井戸で構成されている。信頼性は、ウェハー全体にわたるこれらの層の均一性によって決まる。量子井戸の厚さに数オングストロームでもばらつきがあると、発光波長がシフトしてしまう。そのため マルチエミッターレーザーダイオード バーでは、10mm幅のエミッターの波長が変化すると、結果として生じる「スペクトル幅の広がり」によって、狭い吸収帯域を持つ固体レーザーやファイバーレーザー（976nmのYbドープファイバーなど）を効率よく励起することができなくなる。.

内部量子効率対熱負荷

高性能チップは、内部の量子効率を最大化し、注入された電子の大部分が熱ではなく光子に変換されるように設計されている。高い注入電流では、「キャリアリーク」が重要な問題となる。電子は量子井戸の閉じ込めから抜け出し、クラッド層で再結合する。これは効率を低下させるだけでなく、接合温度を上昇させ、ダークライン欠陥（DLD）の形成を加速させる。優れたキャリア閉じ込めを持つチップは、より積極的な冷却を必要としないため、最終製品の複雑さと重量に直接影響する。 レーザーダイオードスタック.

マルチエミッターレーザーダイオードの形状によるパワーのスケーリング

工業用金属の切断やクラッディングに必要なキロワットレベルのパワーを実現するため、単一のエミッターをバーにまとめ、これらのバーを マルチエミッター レーザーダイオード アセンブリー.

フィル・ファクターのジレンマ

フィル・ファクター」とは、レーザー・バーの全幅に対する発光面積の比率です。高いフィルファクター（例えば、50%以上）は、高出力を可能にしますが、冷却が困難な集中的な熱領域を作成します。レーザーの場合 高輝度レーザーダイオード アプリケーションでは、低いフィルファクター（20%～30%）が好まれることが多い。この間隔により、エミッタ間の熱放散が良くなり、ビームパラメータ積（BPP）の維持に不可欠な個々のエミッタのコリメーションにマイクロオプティクスを使用することが容易になります。.

機械的ストレスとピッチ精度

複数のエミッタをマウントする場合、「ピッチ」（エミッタ間の距離）の機械的精度が重要になります。ハイパワーアプリケーションでは、エミッタの位置が2ミクロンずれているだけでも、光が高速軸コリメータ（FAC）を通過した後、大きな「ポインティングエラー」を引き起こす可能性があります。システムビルダーにとってこれは、取り付け公差の悪い安価なスタックでは、光のかなりの部分がデリバリーファイバーに入射しないため、「使用可能な」パワーが大幅に低下することを意味します。.

レーザーダイオードスタックにおけるスペクトル工学

現代の産業用アプリケーションでは、パワーだけでは不十分であり、「分光輝度」が新たな基準となります。これは、ファイバーの吸収ピークが狭い（約1～2nm）ファイバー・レーザー励起に使用される976nmの波長に特に当てはまります。.

体積ブラッググレーティング（VBG）積分

波長を固定し、スペクトルを狭めるために、体積ブラッググレーティングはしばしば レーザーダイオードスタック. .しかし、VBGロッキングの成功は、下地となる「スペクトルの純度」に完全に依存する。 半導体レーザー チップ. .チップのナチュラル・ゲイン・プロファイルが広すぎたり、「スマイル」効果（メカニカル・ボーイング）がある場合、VBGは光の一部しかロックせず、「寄生」ピークが生じ、後方反射や局所的な加熱によってレーザー・システムにダメージを与える可能性がある。.

波長安定化と熱フィードバック

よく設計されたスタックは、電流が傾斜しても安定した波長を維持する。これには、スタック内のすべてのバーにわたってバランスのとれた熱インピーダンスが必要である。もし10本スタックの一番上のバーが一番下のバーより5度熱いと、それらの波長は発散し、全出力スペクトルを広げることになる。この熱的不均一性は、冷却マニホールドの設計がバー全体の流体力学と圧力損失を考慮していない低層スタックによく見られる故障点である。.

部品の品質から総所有コスト（TCO）まで

フォトニクス業界では、システムダウンタイムのコストが高いため、「安く買う」という論理はしばしば破綻する。A レーザーダイオードスタック それは消耗品ではなく、マシンの核となるエンジンなのだ。.

レーザー劣化におけるアレニウスの関係

ダイオードの寿命（$L$）は、接合部温度（$T_j$）と指数関数的に関係しています：

$L \exp(E_a / k T_j)$

ここで、$E_a$は劣化メカニズムの活性化エネルギー、$k$はボルツマン定数である。チップ効率の向上や優れたスタック冷却によって達成されるジャンクション温度のわずか10℃の低下は、デバイスの動作寿命を2倍にすることができる。財務的な観点からは、20%のコストがかかるが100%長持ちするスタックは、交換の労力と生産時間の損失を考慮すると、TCOをほぼ半分に削減する。.

ケーススタディ産業用ファイバーレーザーの高効率励起

1.クライアントの背景

ある産業用レーザーメーカーは、造船所の溶接用途向けに20kWのCWファイバーレーザーを開発していた。このシステムには、さまざまな周囲条件下で狭いスペクトル幅を維持できる信頼性の高い976nmの励起光源が必要でした。.

2.技術的課題

最初のプロトタイプは、標準的な マルチエミッターレーザーダイオード を積み重ねた。しかし、ポンプ出力が増加するにつれて、「波長シフト」によってポンプ光がイッテルビウム吸収ピークから離れるようになった。その結果、吸収されなかったポンプ光がファイバーレーザーのコンバイナーに到達し、光学部品の熱破壊を引き起こした。.

• ターゲット波長： 976nm（安定化）。.
• スペクトル幅： < 1.0 nm（FWHM）。.
• 動作環境： 10℃から40℃の温度変化のある工業用フロア。.

3.技術パラメータの設定と解決策

私たちは高密度を実現した。 レーザーダイオードスタック 高度な 半導体レーザーチップ 技術に特化した「ロック波長」アーキテクチャーを採用している。.

4.品質管理（QC）とバリデーション

• スペクトルマッピング： すべての マルチエミッターレーザーダイオード バーは、スタックに組み込まれる前に、波長の均一性のためにマッピングされた。.
• 高圧流体試験： マイクロチャンネルクーラーは10バールの圧力でテストされ、“ホットスポット ”の原因となる漏れや流量制限がないことが確認された。”
• 電気光学効率プロファイリング： スタックは、チップ上のNAM（非吸収ミラー）ファセットが極端なサージに対応できることを確認するため、定格電流の110%でテストされた。.

5.結論

熱伝導性に優れたスタックとVBG対応チップを採用することで、安定した20kW出力を実現した。狭いスペクトルにより、ポンプの吸収効率が75%から92%に向上し、ファイバーレーザーの冷却システムの熱負荷を大幅に低減し、全体的な設計をよりコンパクトにすることができた。.

技術性能データ：ダイオードスタックとスペクトル制御

この表は、さまざまなグレードを比較したものである。 レーザーダイオードスタック チップの整合性と実装技術に基づく構成。.

よくあるご質問

1.スマイル」効果はファイバーのカップリング効率にどのような影響を与えますか？

スマイル “効果とは、物理的なお辞儀のことである。 マルチエミッターレーザーダイオード バー。バーが完全に平らでない場合、エミッターは高速軸コリメーター（FAC）の焦点面に入らなくなる。このため、個々のビームが異なる方向を向くことになり、小さな光ファイバーに光を集光することができなくなる。高品質のスタックでは、0.5ミクロン以下の平坦度を維持するためにAuSnハンダが使用されている。.

2.なぜ工業用スタックにはインジウムよりもAuSnはんだが好まれるのですか？

インジウムは軟らかいはんだであり、熱応力下で「クリープ」する可能性があり、時間の経過とともにビーム品質の劣化につながります。AuSn（金-錫）は硬いはんだで、剛性が高く安定した接合を実現します。より複雑な製造とCTEに適合したサブマウントを必要としますが、その反面、ビーム品質の劣化を防ぐことができます。 半導体レーザーチップ 長年にわたって安定した性能を発揮します。.

3.チップの信頼性において「非吸収ミラー」（NAM）はどのような役割を果たしていますか？

NAMは、その小面積に特化した治療法である。 半導体レーザーチップ. .NAMは、破局的光損傷（COD）の主な原因である表面での光子の吸収を防ぐ。NAM技術なしには、チップを安全に高電流密度で動作させることはできません。 高輝度レーザーダイオード アプリケーションを使用する。.

4.冷却水の水質はレーザーダイオードスタックの寿命に影響しますか？

はい、特にマイクロチャンネル冷却のスタックの場合はそうです。水が適切に脱イオンまたはろ過されていない場合、鉱物の沈殿物や生物学的増殖が微細なチャネルを詰まらせる可能性があります。その結果、チップの接合部温度が即座に上昇し、寿命が著しく短くなります。.

5.スタックの波長が安定しているかどうかは、どのように判断できますか？

光スペクトラムアナライザー（OSA）を用いて、駆動電流を変化させながら出力スペクトラムをモニターする必要があります。安定したスタックであれば、電流の増加に伴うピーク波長のシフトはほとんど見られません。 高輝度レーザーダイオード.