Промышленный переход к прямым диодным лазерам и мощным системам накачки привел к беспрецедентному вниманию к фундаментальному структурному элементу фотоники:... полупроводниковый лазерный чип. Хотя общая выходная мощность часто является основным показателем при закупках, истинная ценность стопка лазерных диодов измеряется спектральной стабильностью и способностью противостоять деградации в течение десятков тысяч часов работы. Для системных интеграторов, создающих волоконные лазеры высокой яркости или медицинское хирургическое оборудование, понимание перехода от физики на уровне чипа к проектированию на уровне стека имеет первостепенное значение для снижения долгосрочных эксплуатационных расходов.

Эпитаксиальное совершенство: Жизненный цикл полупроводникового лазерного чипа

Производительность лазерный диод высокой яркости определяется задолго до начала процесса золочения или установки охлаждающего коллектора. Все начинается в реакторе MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), где эпитаксиальные слои выращиваются с атомно-слоевой точностью.

Равномерность активной области

Активная область полупроводниковый лазерный чип обычно состоит из напряженных квантовых ям InGaAs/AlGaAs. Надежность диктуется однородностью этих слоев по всей пластине. Любое изменение толщины квантового колодца даже на несколько ангстрем приводит к смещению длины волны излучения. В многоэмиттерный лазерный диод Если излучатели шириной 10 мм имеют разную длину волны, то возникающее “спектральное уширение” делает невозможной эффективную накачку твердотельных или волоконных лазеров с узкой полосой поглощения (например, Yb-допированных волокон на длине волны 976 нм).

Внутренняя квантовая эффективность в зависимости от тепловой нагрузки

Высокопроизводительные микросхемы разрабатываются с целью максимизации внутренней квантовой эффективности, гарантирующей, что большая часть инжектированных электронов будет преобразована в фотоны, а не в тепло. При больших токах инжекции “утечка носителей” становится серьезной проблемой. Электроны покидают ограничение квантового колодца и рекомбинируют в плакирующих слоях. Это не только снижает эффективность, но и повышает температуру спая, ускоряя образование дефектов темной линии (DLD). Чип с превосходным удержанием носителей требует менее агрессивного охлаждения, что напрямую влияет на сложность и вес конечного устройства. стопка лазерных диодов.

Масштабирование мощности за счет геометрии многоэмиттерного лазерного диода

Для достижения киловаттной мощности, необходимой для промышленной резки металла или наплавки, отдельные излучатели группируются в полосы, а эти полосы интегрируются в мультиизлучатель лазерный диод сборка.

Дилемма коэффициента заполнения

Коэффициент заполнения“ - это отношение площади излучения к общей ширине лазерной полосы. Высокий коэффициент заполнения (например, 50% или выше) позволяет получить большую мощность, но создает концентрированную зону нагрева, которую трудно охладить. Для лазерный диод высокой яркости Для применения в различных областях часто предпочитают более низкий коэффициент заполнения (20% - 30%). Такое расстояние позволяет лучше отводить тепло между эмиттерами и облегчает использование микрооптики для коллимации отдельных эмиттеров, что необходимо для сохранения произведения параметров пучка (ППП).

Механическое напряжение и точность шага

При установке нескольких эмиттеров механическая точность “шага” (расстояния между эмиттерами) имеет решающее значение. В мощных приложениях даже 2-микронное отклонение в положении эмиттеров может привести к значительным “ошибкам наведения” после прохождения света через коллиматор с быстрой осью (FAC). Для разработчика системы это означает, что дешевый стек с плохими допусками на крепление будет иметь гораздо меньшую “полезную” мощность, так как значительная часть света не попадет в волокно доставки.

Спектральная инженерия в стеке лазерного диода

В современных промышленных приложениях одной мощности недостаточно; новым критерием становится “спектральная яркость”. Это особенно актуально для длины волны 976 нм, используемой для накачки волоконных лазеров, где пик поглощения волокна узкий (около 1-2 нм).

Интеграция объемной брэгговской решетки (VBG)

Чтобы зафиксировать длину волны и сузить спектр, перед прибором часто устанавливают объемную брэгговскую решетку. стопка лазерных диодов. Однако успех VBG-блокировки полностью зависит от “спектральной чистоты” базового полупроводниковый лазер чип. Если естественный профиль усиления чипа слишком широк или присутствует эффект “улыбки” (механический изгиб), VBG будет фиксировать только часть света, что приведет к появлению “паразитных” пиков, которые могут повредить лазерную систему за счет обратного отражения или локального нагрева.

Стабилизация длины волны и тепловая обратная связь

Хорошо спроектированный стек сохраняет стабильную длину волны даже при изменении силы тока. Для этого необходимо сбалансированное тепловое сопротивление всех стержней в штабеле. Если верхняя планка 10-лучевого стека на 5 градусов горячее нижней, их длины волн будут расходиться, расширяя общий спектр выходного сигнала. Такая тепловая неравномерность является распространенной причиной сбоев в штабелях нижнего уровня, где конструкция охлаждающего коллектора не учитывает динамику жидкости и перепады давления между планками.

От качества компонентов до совокупной стоимости владения (TCO)

Логика “купить дешево” часто не работает в фотонной промышленности из-за высокой стоимости простоя системы. A стопка лазерных диодов это не расходный материал, а основной двигатель машины.

Зависимость Аррениуса при лазерной деградации

Срок службы ($L$) диода экспоненциально зависит от температуры спая ($T_j$):

$L \propto \exp(E_a / k T_j)$

Где $E_a$ - энергия активации механизма деградации, а $k$ - постоянная Больцмана. Снижение температуры спая всего на 10 °C, достигнутое за счет повышения эффективности чипа или лучшего охлаждения стека, может удвоить срок службы устройства. С финансовой точки зрения, стек, который стоит на 20% дороже, но служит на 100% дольше, снижает совокупную стоимость владения почти вдвое, если учесть трудозатраты на замену и потерянное производственное время.

Тематическое исследование: Высокоэффективная накачка для промышленных волоконных лазеров

1. История клиента

Производитель промышленных лазеров разрабатывал 20-киловаттный волоконный лазер CW для сварки на верфи. Для системы требовался надежный источник накачки 976 нм, способный поддерживать узкую ширину спектра при изменяющихся условиях окружающей среды.

2. Техническая задача

В первоначальном прототипе использовались стандартные многоэмиттерный лазерный диод стеки. Однако при увеличении мощности накачки “сдвиг длины волны” привел к тому, что свет накачки стал отклоняться от пика поглощения иттербия. В результате непоглощенный свет накачки попадал в комбинаторы волоконного лазера, вызывая катастрофический тепловой отказ оптических компонентов.

• Целевая длина волны: 976 нм (стабилизированный).
• Спектральная ширина: < 1,0 нм (FWHM).
• Рабочая среда: Промышленный пол с колебаниями температуры от 10°C до 40°C.

3. Настройки технических параметров и решение

Мы реализовали высокоплотную стопка лазерных диодов использование передовых технологий полупроводниковый лазерный чип Технология со специализированной архитектурой “Locked-Wavelength”.

4. Контроль качества (КК) и валидация

• Спектральное картирование: Каждый многоэмиттерный лазерный диод Перед встраиванием в штабель полоса была отображена для обеспечения однородности длины волны.
• Испытание жидкостей под высоким давлением: Микроканальные охладители были протестированы под давлением 10 бар, чтобы убедиться в отсутствии утечек или ограничений потока, которые могли бы вызвать “горячие точки”.”
• Электрооптическое профилирование эффективности: Стеки были протестированы при номинальном токе 110%, чтобы гарантировать, что грани NAM (Non-Absorbing Mirror) на чипах смогут выдержать экстремальные скачки напряжения.

5. Заключение

Благодаря использованию стека с превосходной теплопроводностью и чипов, совместимых с VBG, клиент добился стабильной мощности в 20 кВт. Узкий спектр увеличил эффективность поглощения насоса с 75% до 92%, значительно снизив тепловую нагрузку на систему охлаждения волоконного лазера и обеспечив более компактную общую конструкцию.

Технические характеристики: Диодные стеки и спектральный контроль

В этой таблице сравниваются различные сорта стопка лазерных диодов Конфигурации зависят от целостности чипа и технологии монтажа.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как эффект “улыбки” влияет на эффективность соединения волокон?

Эффект “улыбки” - это физическое изгибание многоэмиттерный лазерный диод бар. Если полоса не идеально ровная, излучатели больше не находятся в фокальной плоскости коллиматора Fast-Axis Collimator (FAC). Это приводит к тому, что отдельные лучи направлены в разные стороны, что делает невозможным фокусировку света в маленькое оптическое волокно. В высококачественных стеках используется припой AuSn для поддержания плоскостности менее 0,5 мкм.

2. Почему припой AuSn предпочтительнее индиевого для промышленных стеков?

Индий - мягкий припой, который может “сползать” под воздействием термического напряжения, что со временем приводит к ухудшению качества пучка. AuSn (золото-олово) - твердый припой, обеспечивающий жесткое, стабильное соединение. Хотя он требует более сложного производства и подгонки подложки по CTE, он предотвращает полупроводниковый лазерный чип не двигаются, обеспечивая стабильную работу в течение многих лет.

3. Какую роль в надежности микросхем играет “непоглощающее зеркало” (NAM)?

NAM - это специализированный метод лечения на грани полупроводниковый лазерный чип. Она предотвращает поглощение фотонов на поверхности, что является основной причиной катастрофического оптического повреждения (COD). Без технологии NAM чип не может безопасно работать при высоких плотностях тока, необходимых для лазерный диод высокой яркости приложения.

4. Может ли качество охлаждающей воды повлиять на срок службы лазерного диодного стека?

Да, особенно для стеков с микроканальным охлаждением. Если вода не была должным образом деионизирована или отфильтрована, минеральные отложения или биологический рост могут засорить микроскопические каналы. Это приводит к немедленному повышению температуры спаев микросхем, что значительно сокращает срок их службы.

5. Как определить, является ли длина волны стека стабильной?

Необходимо следить за спектром выходного сигнала с помощью оптического анализатора спектра (OSA) при изменении тока питания. Стабильный стек будет показывать очень незначительное смещение пиковой длины волны при увеличении тока, особенно если это VBG-блокировка лазерный диод высокой яркости.