В иерархии полупроводниковой фотоники Многорежимный лазерный диод представляет собой вершину плотности энергии. В то время как одномодовые излучатели являются хирургами оптического мира - они ценятся за свою спектральную чистоту и дифракционную ограниченность фокуса.многорежимные лазерные диоды это мощные устройства, созданные для обеспечения огромного потока фотонов в промышленных процессах, медицинской эстетике и для накачки твердотельных лазеров. Однако переход от милливаттных одномодовых устройств к многоваттным лазерный диод высокой мощности Системы не просто масштабируются, они требуют фундаментальных изменений в динамике носителей, физике волноводов и терморегулировании.

Для OEM-инженера или системного интегратора понимание архитектуры “широкозонного излучателя” (Broad-Area Emitter, BAE) имеет решающее значение. В отличие от узких 2-3 гребней $mu$m одномодовых диодов Многорежимный лазерный диод Ширина активной области варьируется от 50 $mu$m до более 200 $mu$m. Такая увеличенная апертура снижает плотность оптической мощности на грани, позволяя разогнать устройство до гораздо больших токов, прежде чем оно столкнется с физическими ограничениями полупроводникового материала. Однако такая ширина создает сложный модовый ландшафт, в котором сосуществуют и конкурируют многочисленные поперечные моды, определяя пространственный профиль луча и конечную яркость системы.

Динамика боковых мод и филаментация в многомодовых лазерах

Определяющая характеристика многомодовые лазеры это их способность поддерживать поперечные моды более высокого порядка. В широкой области лазерный диод высокой мощности, Поперечный размер волновода во много раз превышает длину волны излучаемого света. Следовательно, оптическое поле представляет собой не просто гауссово пятно, а суперпозицию многих мод. Результирующее распределение интенсивности по “медленной оси” (параллельно переходу) обычно имеет форму “шапочки” или "верблюжьей спинки".

Значительная сложность в проектировании Многорежимный Лазерный диод это “филаментация”. При увеличении тока инжекции локальные изменения плотности носителей и температуры приводят к изменению показателя преломления - явление, известное как эффект Керра и тепловое линзирование. Эти изменения могут привести к тому, что широкий пучок распадется на высокоинтенсивные “филаменты”. Филаментация вредна по двум причинам: она ухудшает качество пучка (коэффициент $M^2$) и создает локальные горячие точки на выходной грани, значительно повышая риск катастрофического оптического повреждения (КОД).

Чтобы смягчить эту проблему, производители высокого класса уделяют особое внимание “Lateral Index Engineering”. Точно контролируя профиль легирования и геометрию гребня, можно стабилизировать боковые моды и минимизировать филаментацию. Для покупателя равномерность “ближнего поля” лазерный диод высокой мощности является основным показателем внутреннего качества чипа. Неоднородный профиль ближнего поля свидетельствует о плохом распределении носителей, что неизбежно приведет к преждевременному старению и непредсказуемому наведению лучей в интегрированной системе.

Тепловой поток и узкое место $R_{th}$

В Многорежимный лазерный диод, Терморегулирование - это граница между надежным инструментом и неисправным компонентом. Типичный лазерный диод высокой мощности может работать с коэффициентом полезного действия (WPE) от 50% до 60%. Хотя для лазера это высокий показатель, он означает, что на каждые 10 ватт произведенного света почти 8-10 ватт преобразуются в тепло в объеме, меньшем, чем песчинка.

Тепловое сопротивление ($R_{th}$) корпуса является наиболее критичным параметром для надежности OEM-производителя. Тепло должно проходить от квантовых ям InGaN или AlGaAs, через облицовочные слои, интерфейс пайки (обычно золото-олово) и, наконец, в субмонтаж (C-Mount, F-Mount или COS). Если $R_{th}$ даже немного выше проектного значения из-за микроскопических пустот в припое или плохого материала субмаунта, температура спая ($T_j$) резко возрастет.

Увеличение $T_j$ приводит к “красному сдвигу” длины волны (обычно 0,3 нм/°C) и снижению эффективности наклона. Что еще более опасно, это ускоряет миграцию дефектов кристалла в активную область. При оценке Многорежимный лазерный диод Для высоконадежных приложений точка “теплового срабатывания” - ток, при котором мощность перестает расти из-за нагрева, - должна быть значительно выше, чем предполагаемый рабочий ток. Это обеспечивает “тепловой запас”, необходимый для долгосрочной стабильности.

Логика яркости: От излучателя к волокну

В промышленном и медицинском секторах мощность часто является вторичной метрикой по сравнению с яркостью. Яркость - это мера мощности на единицу площади и единицу телесного угла. Для многорежимные лазерные диоды, Яркость ограничена асимметрией “быстрой оси” и “медленной оси”. Быстрая ось (перпендикулярная переходу) ограничена дифракцией и быстро расходится, в то время как медленная ось (параллельная переходу) сильно многомодовая и расходится медленно.

Интеграция Многорежимный лазерный диод в системе с волоконно-оптическими связями требует “сохранения яркости”. Чтобы накачать волоконный лазер или передать энергию через медицинский зонд, свет должен быть сфокусирован в маленькой сердцевине волокна с определенной числовой апертурой (NA). Если лазерный диод высокой мощности имеет плохую медленную ось $M^2$, большая часть мощности будет “потеряна”, поскольку она не может быть сфокусирована достаточно плотно, чтобы войти в сердцевину волокна.

Именно здесь проявляется логика “стоимость компонента против стоимости системы”. Более дешевый Многорежимный лазерный диод может предложить 10 Вт сырой мощности, но с широким 100$\mu$m эмиттером и плохим качеством луча. Чтобы установить его в волокно с длиной волны 105$\mu$m, интегратору может потребоваться дорогостоящая микрооптика и активное выравнивание. И наоборот, диод высокой яркости с эмиттером 50$\mu$m может быть более дорогим на уровне компонентов, но позволяет использовать более простую оптику и более высокую эффективность сопряжения, что в конечном итоге снижает общую “стоимость одного яркого ватта” для конечного пользователя.

Материаловедение и пассивация граней (предотвращение КОД)

Конечная причина отказа любого лазерный диод высокой мощности это катастрофическое оптическое повреждение (КОД). КОД возникает, когда плотность оптической мощности на грани достаточно высока, чтобы вызвать локальное поглощение, что приводит к нагреву, который сужает полосу пропускания, приводя к еще большему поглощению. Эта петля положительной обратной связи происходит за наносекунды, расплавляя грань кристалла.

Современный многомодовые лазеры Используются “непоглощающие зеркала” (NAM) или специализированные технологии пассивации граней. Создавая на грани слой, имеющий более широкую полосу пропускания, чем активная область, производители могут гарантировать, что свет не будет поглощаться на поверхности. Кроме того, использование пассивации E2 или аналогичных фирменных покрытий защищает AlGaAs или InGaN от окисления. Для OEM-производителей порог COD является запасом прочности их системы. Диод мощностью 10 Вт с порогом COD 25 Вт бесконечно более надежен, чем диод с порогом COD 15 Вт, особенно в импульсных режимах, где часто происходят скачки тока.

Технические характеристики: Сравнение архитектур излучателей с широкой зоной действия

В следующей таблице представлено техническое сравнение стандартных Многорежимный лазерный диод конфигурации, иллюстрирующие компромисс между шириной эмиттера, мощностью и качеством луча.

Тематическое исследование: Высокоэффективная накачка для волоконных лазерных систем мощностью 2 кВт

История клиента

Производителю мощных волоконных лазеров, используемых для резки листового металла, требовалось более надежное устройство с длиной волны 976 нм. лазерный диод высокой мощности источник. Их предыдущая цепочка поставок страдала от “дрейфа длины волны” и частых отказов модулей, которые они связывали с несовместимым термическим соединением в диодных модулях.

Технические проблемы

• Спектральная блокировка: 976 нм - узкий пик поглощения для волокон, легированных иттербием. Даже смещение на 2 нм в многомодовые лазеры приведет к снижению эффективности перекачки на 40%.
• Экологический стресс: Отрезные станки работают в заводских цехах с неклиматическим режимом и высокой вибрацией.
• Плотность: Клиенту требовалось уместить 200 Вт мощности насоса в компактную охлаждаемую пластину.

Настройки технических параметров

• Тип излучателя: 100$\mu$m Многорежимный лазерный диод на COS (Chip-on-Submount).
• Рабочий ток: 12,5 А при 976 нм.
• Спектральный контроль: Встроенная объемная брэгговская решетка (VBG) позволяет фиксировать длину волны в пределах ±0,5 нм в диапазоне 20°C.
• Связывание: Твердый припой (AuSn) на подложках из нитрида алюминия (AlN) минимизирует $R_{th}$ и устраняет “ползучесть” припоя.”
• Сгорание: 100% диодов, подвергнутых 168-часовому испытанию на ускоренное старение при 45°C.

Протокол контроля качества (КК)

При контроле качества основное внимание уделялось “согласованности эффективности наклона”. Если эффективность наклона ($W/A$) изменялась более чем на 3% в партии, это свидетельствовало об изменении качества эпитаксиального слоя. Кроме того, проводилось “картирование интенсивности ближнего поля”, чтобы убедиться в отсутствии “горячих нитей”, которые могли бы повредить VBG или оптическую систему соединения волокон.

Заключение

Переключившись на VBG-блокировку Многорежимный лазерный диод Благодаря архитектуре с более низким субмонтажом $R_{th}$ клиент получил источник накачки по принципу “установил и забыл”. Общая эффективность системы увеличилась на 15%, поскольку больше не нужно было перегружать диоды для компенсации спектрального дрейфа. Что еще более важно, частота отказов в полевых условиях их систем мощностью 2 кВт снизилась с 2,4% до менее чем 0,1% в год. Этот переход продемонстрировал, что истинная стоимость лазерный диод высокой мощности измеряется не в долларах за ватт, а в времени безотказной работы системы и отсутствии необходимости в обслуживании.

Стратегический сорсинг: Контрольный список для оценки поставщиков комплектующих

При оценке многорежимные лазерные диоды При интеграции, требующей больших затрат, инженеры должны смотреть не только на первую страницу технического паспорта. Следующие инженерные показатели дают более глубокое представление о целостности компонента:

1. Линейность кривой P-I: Остается ли кривая “мощность-ток” линейной до 1,5-кратного превышения номинального рабочего тока? Любые "перегибы" на кривой указывают на скачкообразное изменение режима или тепловую нестабильность.
2. Ширина спектра (FWHM): Для многомодовые лазеры, Более узкая ширина спектра (обычно <3 нм) указывает на более высокое качество кристаллической решетки с меньшими колебаниями состава.
3. Быстрое расхождение осей (FAD): Хотя FAD всегда высок, более низкий FAD (например, <35° против 40°) делает коллимационную оптику значительно дешевле и эффективнее.
4. $dV/dI$ Дифференциальное сопротивление: Высокое внутреннее сопротивление является признаком плохого омического контакта, что приводит к избыточному нагреву по Джоулю и снижению WPE.

На сайте лазерный диод-ld.com, При этом основное внимание уделяется “общей эффективности” фотона. Оптимизируя эпитаксиальный рост для обеспечения низких внутренних потерь и максимизируя тепловой поток с помощью передовых технологий подсоединения, мы стремимся обеспечить Многорежимный лазерный диод которая служит мощным двигателем промышленного и медицинского прогресса.

FAQ: Продвинутая инженерия многомодовых систем

Вопрос 1: Почему в многомодовом лазерном диоде расходимость по “медленной оси” намного меньше, чем по “быстрой оси”?

О: Это связано с физикой дифракции. Быстрая ось исходит из апертуры 1$\mu$m, в результате чего она расходится на 30°-40° из-за принципа неопределенности Гейзенберга, применяемого к импульсу фотона. Медленная ось исходит из апертуры 100$\mu$m, поэтому ее “геометрическая” расходимость гораздо меньше, обычно 8°-10°, несмотря на то, что она многомодовая.

Вопрос 2: Можно ли модулировать мощный лазерный диод на высоких частотах?

О: Многомодовые лазерные диоды можно модулировать на частоте в несколько мегагерц, но из-за большой емкости их спаев гигагерцовые скорости (как в телекоммуникациях) невозможны. Для импульсных приложений, таких как LIDAR или медицинская эстетика, они легко справляются с импульсами наносекундной длительности.

Q3: Как эффект “улыбки” влияет на многомодовые лазерные линейки?

О: “Улыбка” - это микроскопическое искривление лазерного стержня в процессе пайки. Если полоса имеет “улыбку” более 1$\mu$m, становится невозможной одновременная коллимация быстрой оси всех излучателей, что приводит к значительной потере яркости и эффективности соединения с волокном.

Вопрос 4: В чем преимущество диода 976 нм перед диодом 915 нм для накачки оптоволокна?

О: 976 нм соответствует гораздо более высокому пику поглощения в иттербии, что позволяет использовать более короткие активные волокна и более высокие нелинейные пороги. Однако для этого требуется гораздо более стабильный многомодовый лазерный диод, поскольку пик очень узкий; если длина волны лазера дрейфует, эффективность накачки катастрофически падает.