A Arquitetura da Fotónica Integrada: Para além da emissão de um único comprimento de onda

A transição de componentes de emissor único para componentes integrados módulo laser de díodo de alta potência representa a evolução natural da engenharia fotónica. No atual panorama industrial e médico, a procura de uma única saída ótica que forneça vários comprimentos de onda discretos já não é um luxo - é uma necessidade funcional. Quer se trate de bombagem de laser de fibra em várias fases ou de procedimentos dermatológicos complexos que requerem 808nm, 940nm e 1064nm em simultâneo, o módulo laser multi-comprimento de onda serve de motor principal para sistemas de elevado desempenho.

Do ponto de vista da física, o desafio de criar um sistema integrado de alta potência reside na conservação do brilho. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o brilho de um feixe laser (radiância) não pode ser aumentado por elementos ópticos passivos. Por conseguinte, quando combinamos vários díodos laser num único acoplado a fibra laser de díodo sistema, Para que isso aconteça, cada superfície ótica e elemento de combinação deve ser concebido para minimizar as perdas no produto de parâmetro de feixe (BPP). Para o conseguir, os engenheiros têm de dominar a interação entre a combinação de feixes espectrais, o empilhamento espacial e a gestão da interação térmica dentro de um invólucro hermético.

Princípios da combinação de feixes: Estratégias espectrais e espaciais

Para lançar a luz de vários chips semicondutores numa única fibra ótica, temos de utilizar os graus de liberdade fornecidos pelos fotões: a sua posição espacial, o seu comprimento de onda e o seu estado de polarização.

Combinação de feixes espectrais (SBC) e filtros de película fina

Em um multi-comprimento de onda módulo laser, A combinação espetral é o método mais eficiente para aumentar a potência sem degradar a qualidade do feixe. Esta técnica baseia-se na utilização de filtros de película fina (TFFs) ou espelhos dicróicos de elevado desempenho. Estes filtros são concebidos com camadas alternadas de materiais dieléctricos de alto e baixo índice de refração (como $TiO_2$ e $SiO_2$).

Por exemplo, para combinar um feixe de 808 nm e um feixe de 980 nm, é colocado um TFF num ângulo de 45 graus. O filtro é concebido para ser altamente refletor a 808 nm e altamente transmissivo a 980 nm. A precisão do revestimento dielétrico é primordial; qualquer “ondulação” no espetro de transmissão ou mudança no comprimento de onda “limite” devido a alterações de temperatura resultará numa perda catastrófica de energia e na geração de calor nos deflectores internos do módulo.

Combinação de polarização e empilhamento de feixes

Quando é necessário combinar vários emissores com o mesmo comprimento de onda, recorremos à polarização. Utilizando um Combinador de Feixes de Polarização (PBC), dois feixes com estados de polarização ortogonais (P-polarizado e S-polarizado) são fundidos. Isto duplica efetivamente a potência na fibra sem aumentar a abertura numérica (NA) da saída. No entanto, este método está limitado a dois emissores por comprimento de onda. Para aumentar a escala, é utilizado o “empilhamento” ou “multiplexagem” espacial, em que os emissores são colocados a diferentes alturas e os seus feixes são reflectidos num caminho comum utilizando matrizes de microprismas.

Engenharia Térmica: O desafio da integração densa

O principal modo de falha de um módulo laser de díodo de alta potência é a saturação térmica. Quando dez ou mais chips laser de alta potência são colocados num volume do tamanho de uma caixa de fósforos, a densidade de calor excede a do núcleo de um reator nuclear. A gestão térmica nestes sistemas é um problema de várias escalas.

Cruzamento térmico interno

O “cross-talk” térmico ocorre quando o calor residual do “Emissor A” aumenta a temperatura da junção do "Emissor B". Num sistema laser de díodo acoplado a fibra, Se o chip de 808 nm aquecer o chip de 940 nm, este facto é particularmente perigoso porque o comprimento de onda depende da temperatura. Se o chip de 808 nm aquecer o chip de 940 nm, o comprimento de onda de 940 nm deslocar-se-á, podendo sair da janela de transmissão da ótica de combinação interna.

Para atenuar este fenómeno, os módulos profissionais utilizam suportes de alta condutividade térmica (frequentemente nitreto de alumínio ou óxido de berílio) e placas de base “Macro-canal” ou “Micro-canal”. A escolha do material de interface térmica (TIM) entre o suporte e o chão do módulo é a diferença entre uma saída estável de 300 W e um sistema que “afunda” em potência após apenas 60 segundos de funcionamento.

Incompatibilidade CTE e estabilidade de alinhamento

Todos os componentes ópticos do módulo - o colimador de eixo rápido (FAC), o colimador de eixo lento (SAC) e as lentes de focagem - têm de permanecer estáveis com uma precisão de 100 nanómetros. Uma vez que o invólucro do módulo (normalmente Kovar ou aço inoxidável) e o banco ótico (normalmente cobre isento de oxigénio) têm coeficientes de expansão térmica (CTE) diferentes, o ciclo de temperatura pode causar “fluência ótica”. Um fabricante de alta qualidade resolve este problema utilizando subconjuntos com “CTE correspondente” e técnicas de ligação inorgânicas como a soldadura a laser ou a soldadura eutéctica em vez de epóxis curados por UV.

A lógica de engenharia do custo total: Porque é que o “Valor dos Componentes” ultrapassa o “Preço Unitário”

No contexto do módulo laser de díodo de alta potência, O preço de compra é frequentemente a parte menos significativa da equação económica. O verdadeiro custo de um motor ótico é percebido durante o seu terceiro ou quarto ano de funcionamento no terreno.

Considerar um laser médico utilizado para lesões vasculares. Se a lesão interna módulo laser multi-comprimento de onda Se o sistema de alinhamento baseado em adesivos de baixo custo for utilizado, as diferentes taxas de expansão dos adesivos acabarão por fazer com que os feixes de 1064 nm e 808 nm se “desacoplam” da fibra. Isto não se limita a reduzir a potência; altera a proporção dos comprimentos de onda que atingem a pele do doente, tornando o procedimento médico ineficaz ou perigoso. O custo de substituição do módulo, incluindo a mão de obra de um engenheiro de serviço no terreno e a perda de receitas da clínica, pode facilmente atingir cinco vezes a diferença de preço inicial de um módulo soldado a laser de engenharia de topo.

Estudo de caso: Motor de laser cirúrgico de comprimento de onda triplo

Antecedentes do cliente:

Um fabricante de equipamento cirúrgico minimamente invasivo para ablação por laser endovenoso (EVLA). O sistema exigia uma combinação de 980 nm (para absorção de água), 1470 nm (para redução do colagénio) e 635 nm (como feixe de mira vermelho).

Desafios técnicos:

O cliente estava a ter problemas com o “derretimento da fibra” na interface do conetor. O módulo do fornecedor anterior tinha um problema de elevada “potência de revestimento”, em que a luz do díodo de 1470 nm não estava a ser corretamente focada no núcleo da fibra, vazando para o revestimento e queimando o revestimento de polímero.

• Requisito: 30W a 980nm, 15W a 1470nm e 100mW a 635nm numa única fibra de 200um.
• Estabilidade: <2% de variação de potência durante 1 hora de utilização cirúrgica contínua.
• Tamanho: Deve caber num chassis standard de 1U para montagem em bastidor.

Parâmetros técnicos e configuração:

• Módulo: Personalizado módulo laser multi-comprimento de onda utilizando um banco ótico partilhado.
• Física de acoplamento: Utilizou uma lente de focagem asférica “tri-plexer” personalizada para lidar com a aberração cromática entre 635nm e 1470nm.
• Proteção: Integrou um filtro de entalhe de 1064 nm para evitar que as retro-reflexões do local da cirurgia (que utiliza frequentemente lasers Nd:YAG secundários) danifiquem a faceta do díodo de 980 nm.

Solução de Controlo de Qualidade (CQ):

Implementámos um teste de “Estabilidade do centro de feixe”. O módulo foi submetido a 50 ciclos térmicos de 15°C a 45°C, e a posição do feixe na faceta da fibra foi monitorizada utilizando uma câmara de alta resolução. Qualquer deslocamento superior a 2um resultou numa rejeição. Também efectuámos uma “Análise da potência do revestimento” para garantir que >98% da luz estava confinada dentro do núcleo de 200um.

Conclusão:

Ao implementar uma lente de correção cromática especializada e uma estratégia de montagem inorgânica, o problema da “fusão da fibra” foi completamente eliminado. A fiabilidade do sistema cirúrgico aumentou de uma taxa de falha de campo de 5% para 0,1% durante o primeiro ano. O sistema integrado de laser de díodo acoplado a fibra também permitiu ao cliente reduzir o espaço ocupado pelo dispositivo em 40%, uma vez que já não necessitava de três fontes de alimentação separadas e três trajectos de fibra separados.

Suporte de dados: Comparação de desempenho de módulos de comprimento de onda múltiplo

A tabela seguinte resume os indicadores de desempenho típicos de vários sistemas integrados módulo laser de díodo de alta potência configurações.

FAQ: Engenharia de sistemas laser com vários comprimentos de onda

Q1: Porque é que a eficiência do acoplamento é menor nos módulos de vários comprimentos de onda?

Num módulo laser com vários comprimentos de onda, a lente de focagem tem de lidar com luz com índices de refração muito diferentes (aberração cromática). Uma lente que foca 808 nm na perfeição ficará ligeiramente desfocada para 1064 nm. Embora os dupletos acromáticos ou asferas especializadas ajudem, existe sempre uma desvantagem em comparação com um sistema optimizado de comprimento de onda único.

Q2: Como é que se evita que um laser danifique outro dentro do módulo?

Utilizamos o “isolamento seletivo do comprimento de onda”. As TFFs utilizadas para a combinação também actuam como escudos. Por exemplo, o revestimento refletor de 1064nm que reflecte o feixe de 1064nm na fibra também impede que qualquer luz dispersa de 808nm entre na cavidade do díodo de 1064nm.

P3: Estes módulos podem ser reparados se um comprimento de onda falhar?

Geralmente, os módulos herméticos de alta potência não podem ser reparados no terreno. A abertura do módulo introduz humidade e partículas que destruiriam imediatamente as restantes facetas do laser durante o funcionamento. A fiabilidade tem de ser concebida “antecipadamente” através da redução de potência e do fornecimento de semicondutores de qualidade.

P4: O que é a “conversa cruzada térmica” e como afecta o feixe de mira vermelho?

Os díodos vermelhos (635nm-650nm) são extremamente sensíveis ao calor. Se os chips de 980 nm de alta potência estiverem a funcionar à potência máxima, o calor que geram pode aumentar a temperatura da placa de base, fazendo com que o díodo vermelho perca potência ou falhe. É por este motivo que os díodos vermelhos são frequentemente montados na extremidade mais “fria” do banco ótico.

Q5: Qual é a vantagem de uma “fibra destacável” num módulo de 100W?

Para aplicações médicas, um conetor SMA905 ou D80 destacável é padrão. No entanto, isto introduz um risco de “contaminação da extremidade”. Se houver um único grão de poeira na ponta da fibra, ele absorverá os 100W de energia do laser, derreterá a fibra e danificará potencialmente a janela de saída do módulo de laser de diodo de alta potência. São utilizados sensores integrados (como um NTC perto do conetor) para detetar este calor e desligar o laser.