Инженерный рубеж: масштабирование мощности без снижения яркости

В секторе промышленных лазеров спрос на более высокую мощность постоянен, однако сама по себе мощность - обманчивая метрика. Настоящей проблемой для производителя является сохранение пространственной яркости при переходе от одноэмиттерного к мощному лазеру. многомодовый лазерный модуль с волоконной связью. При объединении большего количества диодных чипов в одном волокне мы неизбежно сталкиваемся с ограничениями, связанными с продуктом параметров луча (BPP). Если BPP интегрированной системы превышает приемную способность волокна доставки, избыточная энергия преобразуется в тепло, что приводит к быстрой деградации оптических покрытий и оболочки волокна.

Масштабирование волоконно-связанный лазер требует не просто механического “укладывания” излучателей. Она включает в себя детерминированный подход к управлению длиной оптического пути, управлению состоянием поляризации и спектральной плотностью. В этой статье рассматриваются сложные методы комбинирования - пространственного, поляризационного и спектрального, - которые позволяют современным волоконно-связанный диодный лазер Системы достигают киловаттных мощностей, сохраняя при этом фокусировку, необходимую для прецизионной обработки материалов.

Пространственное ограничение: Ступенчатые зеркала и управление BPP

Каждая широкая зона лазерный диод (BAL) обладает характерной асимметрией. Быстрая ось (вертикальная) почти дифракционно ограничена, в то время как медленная ось (горизонтальная) является многомодовой. В волоконно-связанный лазерный диод, Основная задача внутренней микрооптики - перестроить эти расходящиеся лучи в симметричный пучок, соответствующий круглой сердцевине волокна.

Архитектура ступенчатого зеркала

Для пространственного объединения нескольких одиночных излучателей инженеры используют схему “ступенчатого зеркала” или “лестницы”. Луч каждого излучателя коллимируется отдельным коллиматором с быстрой осью (FAC) и коллиматором с медленной осью (SAC). Затем эти коллимированные лучи отражаются от серии зеркал с точным углом наклона, которые “складывают” лучи по вертикали.

Точность укладки очень важна. Если между сложенными лучами есть зазоры, то BPP расходуется впустую; если они перекрываются, то теряется яркость. Высококачественный многомодовый лазерный модуль с волоконной связью В конструкции используется роботизированное активное выравнивание, обеспечивающее минимизацию “мертвого пространства” между лучами до менее чем 5 микрометров. Такая плотность позволяет подключить 200-ваттный модуль к 105-микрометровому волокну с NA 0,15, обеспечивая значительный запас прочности по сравнению с 0,22 NA стандартных промышленных волокон.

Поляризация и спектральное объединение: Удвоение плотности

Когда пространственная укладка достигает физических пределов диаметра сердцевины волокна, производители вынуждены обратиться к другим свойствам света: поляризации и длине волны.

Объединение поляризационных лучей (PBC)

Используя тот факт, что лазерные диоды излучают естественно поляризованный свет (обычно в режиме TE), можно объединить два идентичных набора пространственно сложенных лучей. Один пучок пропускается через полуволновую пластину, чтобы повернуть его поляризацию на 90 градусов. Затем оба набора направляются в поляризационный делитель пучка (PBS). Это позволяет модулю удвоить выходную мощность волоконно-связанный лазер без увеличения пространственной площади или BPP.

Однако при использовании PBC появляется тепловая чувствительность. PBS и волновые пластины должны иметь покрытия с ультранизким поглощением (< 5 ppm). Любое тепло, поглощаемое этими компонентами, может вызвать “тепловое линзирование”, которое смещает фокусную точку пучков и снижает эффективность связи в волокне.

Объединение спектральных лучей (SBC) и WDM

Спектральное объединение использует преимущества различных пиков поглощения целевых материалов или сред усиления волоконных лазеров. Объединив источники 915, 940 и 976 нм в одном волокне с помощью дихроичных фильтров (мультиплексирование с разделением по длине волны), можно получить волоконно-связанный диодный лазер можно достичь беспрецедентных уровней мощности. Эта технология необходима для мощной накачки в оборонном и аэрокосмическом секторах, где соотношение веса и мощности строго регламентировано.

Целостность материала: От выбора припоя до защиты оптической обратной связи

Долговечность многорежимный волоконно-связанный лазерный модуль часто решается в чистом помещении при сборке, задолго до первого запуска лазера. Переход от полупроводникового чипа к теплоотводу является наиболее критичным тепловым интерфейсом.

Превосходство твердого припоя AuSn

В мощных волоконно-связанный лазер модулей, использование индиевых (мягких) припоев все чаще рассматривается как риск для надежности. Индий склонен к “ползучести” и термической усталости при циклическом воздействии высоких токов, характерном для промышленной сварки. Со временем это приводит к “тепловой ухмылке” - смещению, когда чип физически наклоняется из-за миграции припоя. В модулях профессионального класса используется твердый припой Gold-Tin (AuSn). Хотя для этого требуются более сложные конструкции для снятия напряжения (из-за разницы в тепловом расширении между чипом и субмонтажом), они обеспечивают стабильность оптической центровки в течение 50 000 часов и более.

Управление обратным отражением при промышленной обработке

Когда волоконно-связанный диодный лазер используется для сварки отражающих металлов, таких как медь или золото, часть лазерной энергии отражается обратно в волокно. Без защиты этот отраженный свет может попасть на внутренние линзы или грани диода, что приведет к мгновенному выходу из строя.

В современные модули интегрированы “фильтры обратного отражения” или дихроичные поглотители. Эти компоненты предназначены для пропускания длины волны накачки (например, 915 нм) и поглощения или отклонения длины волны процесса (например, 1080 нм или 450 нм). Для OEM-производителя включение этой защиты является формой страховки; она предотвращает разрушение лазерного модуля $5,000 из-за простой несоосности заготовки.

Матрица технических характеристик: Динамика связи в зависимости от длины волны

Требования к волоконно-связанный лазер значительно варьируется в зависимости от длины волны, в первую очередь из-за энергии фотонов и эффективности полупроводниковых материалов.

Тематическое исследование: Высокоэффективная сварка меди для производства батарей для электромобилей

История клиента

Поставщик первого уровня для отрасли электромобилей (EV) боролся с “брызгами” и нестабильностью сварки тонких медных шин с помощью традиционного инфракрасного лазера с длиной волны 1064 нм. Поглощение инфракрасного излучения медью составляет менее 5%, что требовало чрезвычайно высокой мощности, которая часто приводила к “прожогам” или низкой механической прочности.

Технические проблемы

Заказчику требовалось перейти на 450-нм (синий) лазерный источник, который имеет поглощение в меди >65%. Однако синие диодные лазеры, как известно, трудно встраивать в небольшие волокна из-за их высокой расходимости и высокой энергии синих фотонов, которые со временем могут “соляризировать” или затемнять стандартные оптические покрытия. Цель заключалась в том, чтобы обеспечить 300 Вт синего света через 200-микрометровое волокно с высокой стабильностью.

Технические параметры и настройки

• Источник лазерного излучения: 450 нм многомодовый лазерный модуль с волоконной связью.
• Внутренняя архитектура: Пространственное объединение 24 одиночных излучателей.
• Оптоволоконный интерфейс: 200/220 мкм, 0,22 NA, с отделителем плакирующего режима.
• Режим работы: Непрерывная волна (CW) с модулируемым темпом.
• Технология нанесения покрытия: Покрытия, нанесенные методом ионно-лучевого напыления (IBS), предотвращают деградацию под воздействием ультрафиолета.

Контроль качества (КК) и внедрение

Для обеспечения долгосрочной стабильности модуль был подвергнут 500-часовому испытанию “Ускоренное старение” в условиях повышенной влажности. Мы контролировали “стабильность наведения пятна” - движение луча внутри сердцевины волокна. Благодаря использованию 6-осевого инварного стабилизированного крепления для конечной фокусирующей линзы мы обеспечили дрейф наведения менее 2 микрометров, гарантируя постоянство плотности мощности в месте сварки.

Заключение

Благодаря применению 450 нм волоконно-связанный диодный лазер, Заказчик добился сварки в режиме “проводимости”, а не агрессивной сварки “замочной скважины”, характерной для ИК-лазеров. Это позволило уменьшить количество брызг на 95% и повысить электропроводность соединений шин. Система работает уже 14 месяцев с нулевой деградацией мощности, доказывая, что усовершенствованное соединение синих длин волн является жизнеспособным промышленным решением, когда оптика рассчитана на высокую энергию фотонов.

Экономический трест: От “доллара за ватт” к “доллару за деталь”

В мире OEM-производства, где ставки высоки, покупка волоконно-связанный лазер часто оценивается через неправильную призму. Если модуль на 20% дешевле, но имеет на 10% более высокий процент отказов или требует более частого обслуживания, показатель “доллар на ватт” теряет смысл.

Ценность диагностической обратной связи

Сложные модули теперь оснащены внутренними датчиками для:

1. Влажность: Обнаружение возможного конденсата, который может затуманить внутреннюю оптику.
2. Интенсивность обратного отражения: Предоставление в режиме реального времени “оценки здоровья” волокна доставки.
3. Температура корпуса: Убедитесь, что теплоотвод работает так, как нужно.

Производитель, обеспечивающий такой уровень прозрачности, продает не просто источник света, он продает “прогнозируемое время безотказной работы”. Для системного интегратора возможность сообщить клиенту, что лазерный модуль нуждается в обслуживании до не удается - это главное конкурентное преимущество.

Прогнозы на будущее: 3D-печать и прямые диоды

Следующая граница для многомодовый лазерный модуль с волоконной связью это аддитивное производство (3D-печать) реактивных металлов. По мере увеличения яркости синих и зеленых диодов с волоконной связью мы увидим переход от дорогостоящих волоконных лазеров к системам “прямого диода”. Эти системы обеспечивают более высокую эффективность при подключении к стене и меньшую занимаемую площадь при условии, что промышленность продолжит расширять границы управления BPP и термостабильности.

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ: Профессиональные технические консультации

Вопрос 1: Почему в многомодовом модуле необходимо использовать устройство для снятия плакировки (CMS)?

О: В мощном лазере с волоконной связью любой свет, который смещен или отражен назад, попадает в оболочку волокна, а не в сердцевину. Свет оболочки не направляется, как свет сердцевины; он просачивается сквозь защитную оболочку, которая обычно пластиковая. Без системы CMS для безопасного поглощения и рассеивания этого “неконтролируемого” света в металлическом теплоотводе оптоволоконный пигтейл загорится.

Вопрос 2: Как “тепловое цветение” влияет на соединение волокон?

О: Тепловой блуминг возникает, когда внутренняя оптика или сам лазерный диод нагреваются, что приводит к изменению коэффициента преломления или небольшому расширению механических креплений. Это приводит к увеличению расходимости луча. Если расходимость увеличивается слишком сильно, луч “расплывается” за края сердцевины волокна, что приводит к немедленному падению связанной мощности.

Вопрос 3: Есть ли польза от использования большего количества волоконного сердечника, чем необходимо?

О: Использование волокна 200um для модуля, который может поместиться в 105um, снижает плотность мощности на грани волокна, что может увеличить срок службы коннектора. Однако это также снижает яркость. Если в вашем случае требуется очень маленькое интенсивное пятно (например, при резке), более крупное волокно будет недостатком. Если же вы просто выполняете нагрев или наплавку на широкой площади, более крупное волокно - это более безопасный и надежный выбор.

Вопрос 4: Каково влияние “стабилизированной по длине волны” накачки?

О: В диодном лазере с волоконной связью, используемом для накачки, стабилизация (с помощью VBG) гарантирует, что длина волны не будет дрейфовать при изменении мощности (тока). Это очень важно для волоконных лазеров, поскольку их поглощение эффективно только на очень определенной длине волны (например, 976 нм). Без стабилизации, когда вы увеличиваете мощность накачки, длина волны дрейфует, поглощение падает, и система становится нестабильной.

Q5: Можно ли использовать эти модули при рабочем цикле 100%?

О: Многомодовые лазерные модули с волоконной связью промышленного класса рассчитаны на круглосуточную работу при рабочем цикле 100% при условии, что система охлаждения (чиллер или теплоотвод) может поддерживать температуру основания в заданном диапазоне (обычно 20-30 градусов Цельсия).