Физика яркости: Почему волоконно-оптические соединения являются передовым инженерным направлением

В иерархии фотонных систем волоконно-связанный лазер является связующим звеном между полупроводниковой эмиссией и точным применением. Хотя основное преимущество волоконно-связанный диодный лазер часто ссылаются на его гибкость или возможность удаленной доставки, настоящая техническая проблема заключается в сохранении яркости. Яркость, определяемая как мощность на единицу площади на единицу телесного угла, регулируется законом сохранения этензии. Для инженера цель состоит в том, чтобы втиснуть максимальное количество света в минимально возможную сердцевину волокна с наименьшей числовой апертурой (NA).

A многомодовый лазерный модуль с волоконной связью обычно строится на мощных широкозонных лазерных диодах (ШЗД). Эти излучатели имеют сильно асимметричный выход: быстрая ось, которая ограничена дифракцией, и медленная ось, которая очень многомодовая. Процесс сопряжения - это не просто фокусировка, а сложное геометрическое преобразование. Медленная ось“ диодного эмиттера может быть шириной 100 микрометров с расходимостью 10 градусов, в то время как ”быстрая ось“ составляет всего 1 микрометр с расходимостью 40 градусов. Согласование этих двух измерений в круглой сердцевине волокна требует сложного набора микрооптики, включая коллиматоры с быстрой осью (FAC) и коллиматоры с медленной осью (SAC), а также архитектуры пространственного или поляризационного совмещения.

Выбор волокна является основным ограничением. Для промышленной накачки или медицинской хирургии эталоном является волокно 105/125 микрометров (сердцевина 105 микрометров, оболочка 125 микрометров) с NA 0,22. Чтобы вместить 100 или 200 Вт мощности в такую маленькую сердцевину, производитель должен управлять параметрами луча (BPP). Если BPP объединенных лазерных пучков превысит BPP волокна, свет попадет в оболочку, что приведет к катастрофическому тепловому разрушению пигтейла или самого модуля.

Архитектура диодного лазера с волоконной связью: Мультиодноэмиттерный лазер и лазер на основе полоски

Существуют две основные школы в построении мощных волоконно-связанный лазерный диодЛазерная линейка и многоодноэмиттерный подход (MSE). С точки зрения надежности и “стоимости ватта на протяжении всего срока службы” в отрасли наблюдается решительный сдвиг в сторону технологии MSE для высоконадежных приложений.

Преимущество нескольких одиночных излучателей (MSE)

В MSE многорежимный волоконно-связанный лазерный модуль, Несколько независимых чипов лазерных диодов устанавливаются на отдельные субмонстры, а их лучи объединяются с помощью ступенчатых зеркал или призменных решеток. Преимуществом такой архитектуры является тепловая изоляция. Каждый чип имеет свой собственный тепловой путь. Если одна микросхема выходит из строя или деградирует, она не “отравляет” термически соседние микросхемы, что является распространенной проблемой в конструкциях на основе полос, где излучатели используют одну полупроводниковую подложку.

Кроме того, конструкции MSE позволяют создавать модули со стабилизацией длины волны с помощью объемных брэгговских решеток (VBG). Фиксируя длину волны каждого отдельного излучателя, производитель может создать модуль с шириной спектра менее 0,5 нм, что очень важно для накачки волоконных лазеров (таких как лазеры на иттербиевом легировании), где пик поглощения очень узкий.

Объединение лучей и поляризация

Чтобы удвоить мощность без увеличения BPP, инженеры используют объединение поляризации. Используя полуволновую пластину для поворота поляризации одного набора излучателей и объединяя его с другим набором с помощью поляризационного разветвителя луча (PBS), модуль может передавать в два раза большую мощность в одну и ту же сердцевину волокна. Это отличительная особенность высокоярких волоконно-связанный лазер дизайн. Однако это требует абсолютной точности оптико-механической сборки; смещение положения линзы даже на несколько микрометров приведет к рассогласованию лучей, что приведет к появлению “облачного света” и локальному нагреву.

Терморегулирование: Безмолвный убийца модулей с волоконно-оптическими соединениями

Надежность волоконно-связанный диодный лазер обратно пропорциональна температуре спая. Распространенной ошибкой при покупке таких модулей является ориентация исключительно на выходную мощность при игнорировании теплового сопротивления (Rth) корпуса.

Твердый припой против мягкого припоя

В высокопроизводительных модулях используется твердый припой AuSn (золото-олово) для соединения микросхем на подложке (CoS). Хотя индий (мягкий припой) дешевле и проще в обработке, он подвержен “термической усталости” и “электромиграции индия”, что может привести к внезапному выходу из строя уже через несколько тысяч часов работы. Припой AuSn, несмотря на более высокую сложность производства из-за более высокой температуры плавления и управления напряжением, обеспечивает стабильный интерфейс, который выдерживает десятки тысяч циклов включения-выключения.

Волоконный блок и режим стриппинга оболочки

Когда свет попадает в волокно, не весь он попадает в сердцевину. Моды в оболочке могут нести значительную энергию. В мощном волоконно-связанный лазер, В конечном итоге свет от плакирования попадет на покрытие волокна или на разъем, что приведет к возгоранию. Модули промышленного класса включают в себя “устройство снятия режима плакирования” (CMS) рядом с выходным пигтейлом. Этот компонент поглощает нежелательный свет и рассеивает его в теплоотводе модуля. Модуль, в котором отсутствует CMS, значительно дешевле в производстве, но представляет собой серьезный риск для последующей оптической системы.

Данные о производительности: Сравнительные показатели размера волоконного сердечника и плотности мощности

Следующая таблица иллюстрирует технические пределы современных технологий соединения. Эти значения представляют собой “безопасные” рабочие зоны, в которых плотность мощности не превышает порог повреждения грани волокна или предел BPP волокна.

Подробное описание примера: Накачка высокой яркости для промышленных волоконных лазеров

История клиента

Производитель волоконных лазеров CW (непрерывной волны) мощностью 2 кВт столкнулся с проблемой преждевременного выхода из строя модулей накачки. В их системе использовалось стандартное волокно 105/125 микрометров. Отказ постоянно идентифицировался как “сгорание волокна” на выходном пигтейле, что происходило примерно через 1 200 часов работы.

Технические проблемы

Заказчик использовал недорогой блок питания мощностью 140 Вт. волокнистое соединение диодный лазер модуль. При техническом анализе были обнаружены две проблемы:

1. Нестабильность BPP: По мере нагрева модуля расходимость диодов по медленным осям увеличивалась (явление, известное как “тепловой блуминг”), в результате чего BPP превышал угол приема волокна.
2. Урон от отражения назад: Свет 1080 нм от волоконного лазера просачивался обратно в модули накачки. Поскольку в модулях отсутствовал внутренний дихроичный фильтр 1080 нм, обратное отражение приводило к распайке внутренней оптики.

Технические параметры и настройки

Чтобы решить эту проблему, был создан новый многомодовый лазерный модуль с волоконной связью был разработан со следующими характеристиками:

• Рабочая длина волны: 976 нм +/- 0,5 нм (VBG Locked).
• Выходная мощность: 200 Вт CW в волокно 105/125um.
• NA (энергия 95%): < 0,18 (оставляя запас прочности 20% для волокна 0,22 NA).
• Защита от обратной связи: Встроенный дихроичный фильтр 1030-1100 нм с изоляцией > 30 дБ.
• Охлаждение: Микроканальная пластина для охлаждения жидкости при температуре 25 градусов Цельсия.

Контроль качества (КК) и внедрение

Было проведено жесткое испытание “Step-Stress Test”. Модули работали при номинальном токе 120% в течение 168 часов. В течение этого времени “Far-Field Pattern” (FFP) оптоволоконного выхода контролировался с помощью профилометра луча. Если NA луча увеличивалась более чем на 0,01, модуль отбраковывался как имеющий плохой тепловой контакт. Кроме того, фильтр обратной связи был протестирован путем подачи 100-ваттного 1080-нм лазера непосредственно в выходное волокно насоса, чтобы убедиться в отсутствии повреждений диодов.

Заключение

Перейдя на модуль со встроенной защитой обратной связи и строго контролируемым BPP, заказчик устранил сбои в работе пигтейлов. Эффективность волоконного лазера на стене также повысилась, потому что длина волны 976 нм с блокировкой VBG оставалась в пике поглощения иттербиевого волокна даже при изменении температуры окружающей среды. Этот случай доказывает, что “цена за ватт” волоконно-связанный лазер не имеет значения, если “доступность системы” поставлена под угрозу из-за плохого оптического проектирования.

От качества компонентов к стоимости машины: Дилемма интегратора

Когда OEM-производитель медицинского или промышленного оборудования оценивает волоконно-связанный лазерный диод, Но они часто попадают в “товарную ловушку”. Заманчиво рассматривать эти модули как сменные лампочки. Однако с точки зрения производителя модуль - это самая сложная подсистема в машине.

Стоимость оптической несоосности

Рассмотрим модуль, в котором линзы закреплены эпоксидным клеем с низкой температурой стеклования (Tg). В системе с воздушным охлаждением внутренняя температура может достигать 50 или 60 градусов Цельсия. Когда эпоксидная смола размягчается, линза смещается на 5 микрометров. Это приводит к снижению эффективности связи на 10%. Чтобы поддерживать мощность 200 Вт, система управления станка увеличивает ток диода. Это создает больше тепла, что приводит к дальнейшему размягчению эпоксидной смолы - классический цикл теплового разгона. В итоге станок выходит из строя, а стоимость простоя и визита техника значительно превышает $200, сэкономленные на более дешевом лазерном модуле.

Изоляция обратной связи как страховка

Во многих промышленных процессах, таких как лазерная сварка меди или алюминия, обратное отражение неизбежно. A волоконно-связанный лазер без внутренней защиты - это ответственность. В высококачественных модулях используется комбинация AR-покрытий, оптимизированных для длины волны накачки, и HR-покрытий для отражения длины волны процесса. Эта внутренняя “оптическая броня” позволяет лазерной установке работать без обслуживания в течение 5 лет.

Будущее технологии многомодовых волоконно-оптических соединений

Дорожная карта для многомодовый лазерный модуль с волоконной связью Развитие идет по двум направлениям: увеличение мощности и расширение длины волны. Сейчас мы наблюдаем появление синих диодных лазеров (450 нм), подключенных к 100-миллиметровым волокнам для обработки цветных металлов. Инженерные задачи здесь еще более актуальны, поскольку энергия фотонов выше, а деградация оптических покрытий происходит быстрее.

Кроме того, ускоряется тенденция к созданию “интеллектуальных” модулей. Будущее волоконно-связанный диодный лазер В модули будут встроены внутренние датчики влажности, температуры и обратного отражения, которые будут передавать данные в режиме реального времени “цифровому двойнику” станка. Этот переход от реактивного обслуживания к предиктивному мониторингу здоровья станет следующим стандартом для производителей лазеров высокого класса.

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ: Профессиональные технические запросы

Вопрос 1: Какое значение имеет “95% Power NA” в лазере с волоконной связью?

О: Большинство производителей указывают NA на уровне интенсивности 5% или 10%. Однако для мощных приложений более важен NA “95% энергии”. Если 5% из 200 Вт мощности выходит за пределы NA волокна, вы сбрасываете 10 Вт в оболочку. Этого достаточно, чтобы расплавить оптоволоконный разъем за несколько секунд. Всегда спрашивайте об измерении NA с учетом мощности.

Q2: Могу ли я использовать волокно 200um с модулем, рассчитанным на 105um?

О: Да, вы всегда можете перейти на более крупный сердечник волокна, так как BPP волокна будет намного больше, чем BPP лазера. Однако при этом вы потеряете в яркости. Плотность мощности ($W/см^2$) значительно снизится, что может уменьшить эффективность вашего процесса (например, снизить скорость резки или уменьшить глубину хирургического проникновения).

Вопрос 3: Почему мощность лазера, соединенного с волокном, падает, когда я изгибаю волокно?

О: Это связано с “потерями при макроизгибе”. Когда вы изгибаете многомодовое волокно, угол падения на границе сердцевина-оболочка меняется. Моды, которые раньше сдерживались полным внутренним отражением (TIR), теперь уходят в оболочку. Лазеры с волоконной связью высокой яркости более чувствительны к этому, потому что они используют больше доступной NA.

Q4: Что такое “блокировка VBG” и нужна ли она мне?

О: Для блокировки объемной брэгговской решетки (VBG) используется специализированный оптический элемент, заставляющий лазерный диод излучать на очень определенной длине волны. Она нужна, если ваше приложение чувствительно к длине волны, например, накачка твердотельных лазеров или некоторые виды спектроскопии. Если вы выполняете простую термическую обработку, например закалку или наплавку, обычно достаточно стандартного “разблокированного” диодного лазера с волоконной связью, и он более экономичен.

Q5: Как определить неисправный оптоволоконный пигтейл до того, как он сгорит?

О: Следите за температурой оптоволоконного разъема. Температура здорового разъема должна быть всего на несколько градусов выше температуры окружающей среды. Если температура разъема начинает повышаться со временем при работе на той же мощности, это указывает на то, что “стриппер режима плакирования” перегружен или что внутренняя юстировка лазера с волоконной связью сместилась.