Na hierarquia da fotónica de semicondutores, o Diodo laser multimodo representa o auge da densidade de energia bruta. Enquanto os emissores monomodo são os cirurgiões do mundo ótico - valorizados pela sua pureza espetral e focagem limitada pela difração -, os emissores de modo único são os melhores do mundo.díodos laser multimodo são os mais potentes, concebidos para fornecer um fluxo maciço de fotões para processamento industrial, estética médica e bombeamento de laser de estado sólido. No entanto, a transição de dispositivos monomodo de nível miliwatt para dispositivos multiwatt díodo laser de alta potência não é apenas um exercício de escalonamento; envolve uma mudança fundamental na dinâmica dos portadores, na física dos guias de ondas e na gestão térmica.

Para o engenheiro OEM ou integrador de sistemas, é crucial compreender a arquitetura do “Broad-Area Emitter” (BAE). Ao contrário das estreitas cristas 2-3 $mu$m dos díodos de modo único, um Diodo laser multimodo apresenta uma largura da região ativa que vai de 50 $mu$m a mais de 200 $mu$m. Esta maior abertura reduz a densidade de potência ótica na faceta, permitindo que o dispositivo seja conduzido a correntes muito mais elevadas antes de atingir os limites físicos do material semicondutor. No entanto, esta largura introduz uma paisagem modal complexa onde coexistem e competem vários modos transversais, definindo o perfil espacial do feixe e o brilho final do sistema.

Dinâmica dos modos laterais e filamentação em lasers multimodo

A caraterística que define a lasers multimodo é a sua capacidade de suportar modos transversais de ordem superior. Numa área alargada díodo laser de alta potência, A dimensão lateral da guia de ondas é muitas vezes superior ao comprimento de onda da luz emitida. Consequentemente, o campo ótico não é um simples ponto gaussiano, mas uma sobreposição de muitos modos. A distribuição de intensidade resultante ao longo do “eixo lento” (paralelo à junção) tem normalmente a forma de um chapéu ou de um “dorso de camelo”.

Um desafio significativo na engenharia de um Multimodo Diodo laser é a “filamentação”. À medida que a corrente de injeção aumenta, variações localizadas na densidade de portadores e na temperatura levam a alterações no índice de refração - um fenómeno conhecido como efeito Kerr e lente térmica. Estas variações podem fazer com que o feixe largo se divida em “filamentos” de alta intensidade. A filamentação é prejudicial por duas razões: degrada a qualidade do feixe (fator $M^2$) e cria pontos quentes localizados na face de saída, aumentando significativamente o risco de danos ópticos catastróficos (COD).

Para atenuar esta situação, os fabricantes de topo de gama concentram-se na “Engenharia do Índice Lateral”. Ao controlar com precisão o perfil de dopagem e a geometria da crista, é possível estabilizar os modos laterais e minimizar a filamentação. Para o comprador, a uniformidade do “campo próximo” de um díodo laser de alta potência é um indicador primário da qualidade interna da pastilha. Um perfil de campo próximo não uniforme sugere uma má distribuição dos portadores, o que conduzirá inevitavelmente a um envelhecimento prematuro e a uma orientação imprevisível do feixe no sistema integrado.

Fluxo térmico e o gargalo do $R_{th}$

Em um Diodo laser multimodo, A gestão térmica é a fronteira entre uma ferramenta fiável e um componente avariado. Um típico díodo laser de alta potência pode funcionar com uma eficiência de tomada de parede (WPE) de 50% a 60%. Embora este valor seja elevado para um laser, significa que por cada 10 watts de luz produzida, cerca de 8 a 10 watts são convertidos em calor num volume mais pequeno do que um grão de areia.

A resistência térmica ($R_{th}$) do pacote é a especificação mais crítica para a fiabilidade do OEM. O calor deve viajar dos poços quânticos de InGaN ou AlGaAs, através das camadas de revestimento, da interface de solda (geralmente ouro-estanho) e, finalmente, para a submontagem (C-Mount, F-Mount ou COS). Se o $R_{th}$ for mesmo ligeiramente superior à especificação de projeto - devido a vazios microscópicos na solda ou a um material de submontagem deficiente - a temperatura da junção ($T_j$) disparará.

Um aumento do $T_j$ provoca um “desvio para o vermelho” no comprimento de onda (normalmente 0,3 nm/°C) e uma diminuição da eficiência da inclinação. Mais perigosamente, acelera a migração de defeitos cristalinos para a região ativa. Ao avaliar um Diodo laser multimodo Para aplicações de elevada fiabilidade, o ponto de “Rollover térmico” - a corrente em que a potência deixa de aumentar devido ao calor - deve ser significativamente superior à corrente de funcionamento prevista. Isto proporciona o “espaço térmico” necessário para a estabilidade a longo prazo.

A lógica do brilho: Do emissor à fibra

Nos sectores industrial e médico, a potência é frequentemente uma métrica secundária em relação ao brilho. O brilho é uma medida de potência por unidade de área e unidade de ângulo sólido. Para díodos laser multimodo, O brilho é limitado pela assimetria do “eixo rápido” e do “eixo lento”. O eixo rápido (perpendicular à junção) é limitado pela difração e diverge rapidamente, enquanto o eixo lento (paralelo à junção) é altamente multimodo e diverge lentamente.

Integrar um Diodo laser multimodo num sistema acoplado a fibra requer “Conservação de brilho”. Para bombear um laser de fibra ou fornecer energia através de uma sonda médica, a luz deve ser focada num pequeno núcleo de fibra com uma abertura numérica (NA) específica. Se um díodo laser de alta potência tiver um $M^2$ de eixo lento deficiente, grande parte da potência será “perdida” porque não pode ser focada com força suficiente para entrar no núcleo da fibra.

É aqui que a lógica “custo do componente vs. custo do sistema” se torna evidente. Um componente mais barato Diodo laser multimodo pode oferecer 10 W de potência bruta, mas com um emissor largo de 100$\mu$m e uma fraca qualidade de feixe. Para acoplar isto a uma fibra 105$\mu$m, o integrador pode necessitar de micro-ópticas dispendiosas e de alinhamento ativo. Por outro lado, um díodo de alto brilho com um emissor 50$\mu$m pode ser mais dispendioso ao nível dos componentes, mas permite uma ótica mais simples e uma maior eficiência de acoplamento, reduzindo, em última análise, o “custo total por watt brilhante” para o utilizador final.

Ciência dos Materiais e Passivação de Facetas (Prevenção de CdM)

O último modo de falha de qualquer díodo laser de alta potência é o Dano Ótico Catastrófico (DCO). O DQO ocorre quando a densidade de potência ótica na faceta é suficientemente elevada para provocar uma absorção localizada, o que leva ao aquecimento, que encolhe o intervalo de banda, levando a uma maior absorção. Este ciclo de retroação positiva ocorre em nanossegundos, derretendo a faceta do cristal.

Moderno lasers multimodo utilizam “espelhos não absorventes” (NAM) ou técnicas especializadas de passivação de facetas. Ao criar uma camada na faceta que tem um intervalo de banda mais largo do que a região ativa, os fabricantes podem garantir que a luz não é absorvida na superfície. Além disso, a utilização de passivação E2 ou de revestimentos proprietários semelhantes protege o AlGaAs ou o InGaN da oxidação. Para o OEM, o limiar de CQO é a margem de segurança do seu sistema. Um díodo classificado para 10W que tenha um limiar de CQO de 25W é infinitamente mais fiável do que um com um limiar de CQO de 15W, especialmente em aplicações de modo pulsado em que os picos de corrente são comuns.

Dados técnicos de desempenho: Comparação de arquitecturas de emissores de área ampla

O quadro seguinte apresenta uma comparação técnica entre a norma Diodo laser multimodo ilustrando as soluções de compromisso entre a largura do emissor, a potência e a qualidade do feixe.

Estudo de caso: Bombeamento de alta eficiência para sistemas de laser de fibra de 2kW

Antecedentes do cliente

Um fabricante de lasers de fibra de alta potência utilizados para o corte de chapas metálicas necessitava de um laser de 976 nm mais fiável. díodo laser de alta potência fonte. A sua cadeia de fornecimento anterior sofria de “desvio do comprimento de onda” e de falhas frequentes dos módulos, que eram atribuídas a uma ligação térmica inconsistente nos módulos de díodos.

Desafios técnicos

• Bloqueio espetral: 976 nm é um pico de absorção estreito para fibras dopadas com itérbio. Mesmo um desvio de 2nm no lasers multimodo provocaria uma perda de eficiência de bombagem de 40%.
• Stress ambiental: As máquinas de corte operam em pisos de fábrica sem controlo climático e com elevada vibração.
• Densidade: O cliente precisava de colocar 200 W de potência da bomba numa placa arrefecida compacta.

Definições dos parâmetros técnicos

• Tipo de emissor: 100$\mu$m Diodo laser multimodo em COS (Chip-on-Submount).
• Corrente de funcionamento: 12,5A a 976nm.
• Controlo espetral: VBG (Volume Bragg Grating) integrado para bloquear o comprimento de onda em ±0,5nm numa gama de 20°C.
• Ligação: Solda dura (AuSn) em suportes de AlN (nitreto de alumínio) para minimizar o $R_{th}$ e eliminar a “fluência” da solda.”
• Queima: 100% de díodos submetidos a um ensaio de envelhecimento acelerado de 168 horas a 45°C.

Protocolo de Controlo de Qualidade (CQ)

O controlo de qualidade centrou-se na “consistência da eficiência de inclinação”. Se a eficiência da inclinação ($W/A$) variou mais de 3% num lote, isso indicou uma variação na qualidade da camada epitaxial. Além disso, foi efectuado um “Near-Field Intensity Mapping” (mapeamento da intensidade do campo próximo) para garantir que não existiam “Hot Filaments” (filamentos quentes), que poderiam danificar o VBG ou a fibra ótica de acoplamento.

Conclusão

Ao mudar para um VBG bloqueado Diodo laser multimodo com uma submontagem inferior de $R_{th}$, o cliente conseguiu uma fonte de bomba “Set-and-Forget”. A eficiência total do sistema aumentou em 15%, uma vez que já não era necessário sobrecarregar os díodos para compensar o desvio espetral. Mais importante ainda, a taxa de falha de campo dos seus sistemas de 2kW caiu de 2,4% para menos de 0,1% anualmente. Esta transição demonstrou que o verdadeiro custo de um díodo laser de alta potência não se mede em dólares por watt, mas no tempo de funcionamento do sistema e no funcionamento sem manutenção.

Fornecimento estratégico: A lista de verificação de avaliação de OEM

Ao avaliar díodos laser multimodo Para uma integração de alto risco, os engenheiros devem olhar para além da primeira página da folha de dados. As seguintes métricas de engenharia fornecem uma visão mais profunda da integridade do componente:

1. Linearidade da curva P-I: A curva potência-corrente mantém-se linear até 1,5x a corrente nominal de funcionamento? Quaisquer “dobras” na curva indicam saltos de modo ou instabilidade térmica.
2. Largura espetral (FWHM): Para lasers multimodo, Se a largura espetral for mais estreita (normalmente <3nm), isso indica uma rede cristalina de maior qualidade com menos flutuação de composição.
3. Divergência de eixo rápido (FAD): Embora o FAD seja sempre elevado, um FAD mais baixo (por exemplo, <35° vs 40°) torna a ótica de colimação significativamente mais barata e mais eficiente.
4. $dV/dI$ Resistência diferencial: Uma resistência interna elevada é um sintoma de maus contactos óhmicos, o que conduzirá a um aquecimento excessivo por efeito de Joule e a uma redução do WPE.

Em laserdiode-ld.com, O objetivo é a “eficiência total” do fotão. Ao otimizar o crescimento epitaxial para uma baixa perda interna e maximizar o fluxo térmico através de uma engenharia avançada de submontagem, o objetivo é fornecer um Diodo laser multimodo que serve como um motor robusto para o avanço industrial e médico.

FAQ: Engenharia avançada de sistemas multimodo

Q1: Porque é que a divergência do “eixo lento” é muito menor do que a do “eixo rápido” num díodo laser multimodo?

R: Deve-se à física da difração. O eixo rápido provém de uma abertura de 1$\mu$m, o que faz com que divirja 30°-40° devido ao princípio da incerteza de Heisenberg aplicado ao momento do fotão. O eixo lento provém de uma abertura de 100$\mu$m, pelo que a sua divergência “geométrica” é muito menor, tipicamente 8°-10°, apesar de ser multimodo.

Q2: Posso modular um díodo laser de alta potência a altas frequências?

R: Os díodos laser multimodo podem ser modulados a vários megahertz, mas a sua grande capacidade de junção impossibilita velocidades de gigahertz (como as das telecomunicações). Para aplicações com impulsos, como o LIDAR ou a estética médica, podem facilmente suportar impulsos de nanossegundos.

P3: Como é que o efeito “Smile” afecta as barras laser multimodo?

R: O “sorriso” é a curvatura microscópica da barra de laser durante o processo de soldadura. Se uma barra tiver um “sorriso” superior a 1$\mu$m, torna-se impossível colimar o eixo rápido de todos os emissores em simultâneo, o que leva a uma perda significativa de brilho e de eficiência de acoplamento da fibra.

Q4: Qual é a vantagem de um díodo de 976 nm em relação a um díodo de 915 nm para o bombeamento de fibras?

R: 976 nm corresponde a um pico de absorção muito mais elevado no itérbio, permitindo fibras activas mais curtas e limiares não lineares mais elevados. No entanto, requer um díodo laser multimodo muito mais estável porque o pico é muito estreito; se o comprimento de onda do laser se desviar, a eficiência de bombagem cai catastroficamente.