在半导体光子学的层次结构中， 多模激光二极管 代表了原始能量密度的顶峰。单模发射器是光学世界的外科医生--因其光谱纯度和衍射限制聚焦而备受推崇。多模激光二极管 这些设备是动力装置，可为工业加工、医疗美容和固态激光泵浦提供巨大的光通量。然而，从毫瓦级单模设备向多瓦特 高功率激光二极管 该系统不仅仅是一个扩展过程，还涉及载流子动力学、波导物理学和热管理方面的根本性转变。.

对于 OEM 工程师或系统集成商来说，了解 “宽域发射器”（BAE）结构至关重要。与单模二极管窄窄的 2-3 $mu$m 脊不同，BAE 发射器是一种 "宽域发射器 "结构。 多模激光二极管 该器件的有源区宽度从 50 $mu$m 到 200 多 $mu$m。这种增大的孔径降低了面上的光功率密度，使器件在遇到半导体材料的物理极限之前可以驱动更高的电流。然而，这种宽度带来了复杂的模态景观，多种横向模态共存并相互竞争，决定了光束的空间轮廓和系统的最终亮度。.

多模激光器的侧模动力学和丝状化

的决定性特征 多模激光器 是它们支持高阶横向模式的能力。在广域 高功率激光二极管, 因此，波导的横向尺寸是发射光波长的许多倍。因此，光场不是一个简单的高斯光斑，而是许多模式的叠加。由此产生的 “慢轴”（平行于交界处）上的光强分布通常呈帽状或 “驼背 ”状。.

工程设计中的一个重大挑战是 多模式 激光二极管 即 “灯丝化”。随着注入电流的增加，载流子密度和温度的局部变化会导致折射率的变化--这种现象被称为克尔效应和热透镜效应。这些变化会导致宽光束分解成高强度的 “灯丝”。丝状分裂有害的原因有两个：一是降低光束质量（$M^2$ 因子），二是在输出面上产生局部热点，大大增加了灾难性光损伤 (COD) 的风险。.

为了缓解这一问题，高端制造商将重点放在了 “横向指数工程 ”上。通过精确控制掺杂剖面和脊的几何形状，可以稳定横向模式并最大限度地减少丝状现象。对于购买者来说，“近场 ”均匀性的关键在于 高功率激光二极管 是衡量芯片内部质量的主要指标。不均匀的近场剖面表明载流子分布不良，这将不可避免地导致集成系统过早老化和光束指向不可预测。.

热通量和 $R_{th}$ 瓶颈

在 多模激光二极管, 因此，热管理是可靠工具与故障部件之间的分界线。一个典型的 高功率激光二极管 激光器的壁插效率（WPE）可能在 50% 到 60% 之间。虽然这对激光器来说很高，但这意味着每产生 10 瓦的光，就有近 8 到 10 瓦在比一粒沙子还小的体积内转化为热量。.

封装的热阻（$R_{th}$）是 OEM 可靠性的最关键指标。热量必须从 InGaN 或 AlGaAs 量子阱出发，经过包层、焊接界面（通常是金锡），最后进入次级封装（C-Mount、F-Mount 或 COS）。如果 $R_{th}$ 甚至略高于设计规格--由于焊料中的微小空隙或不良的次级安装材料，结温（$T_j$）就会飙升。.

$T_j$ 的升高会导致波长的 “红移”（通常为 0.3nm/°C）和斜率效率的降低。更危险的是，它会加速晶体缺陷向有源区迁移。在评估 多模激光二极管 对于高可靠性应用，“热翻转 ”点--即功率因发热而停止增长的电流--必须大大高于预期工作电流。这为长期稳定性提供了必要的 “热裕度”。.

亮度的逻辑：从发射器到光纤

在工业和医疗领域，功率通常是亮度的次要指标。亮度是单位面积和单位固角的功率度量。对于 多模激光二极管, 此外，亮度还受到 “快轴 ”和 “慢轴 ”不对称的限制。快轴（垂直于交界处）受衍射限制，发散迅速，而慢轴（平行于交界处）具有高度多模性，发散缓慢。.

集成一个 多模激光二极管 光纤耦合系统需要 “亮度保护”。要通过光纤激光器泵浦或医疗探头输送能量，必须将光聚焦到具有特定数值孔径（NA）的小型光纤纤芯中。如果 高功率激光二极管 如果慢轴 $M^2$ 的性能较差，则大部分功率会 “丢失”，因为功率无法集中到足以进入纤芯的程度。.

这就是 “组件与系统成本 ”的逻辑所在。便宜的 多模激光二极管 它可能提供 10W 的原始功率，但 100$\mu$m 发射器较宽，光束质量较差。要将其连接到 105$\mu$m 光纤中，集成商可能需要昂贵的微光学器件和主动对准。相反，带有 50$\mu$m 发射器的高亮度二极管的元件成本可能会更高，但却可以实现更简单的光学器件和更高的耦合效率，最终降低最终用户的总 “单位亮瓦成本”。.

材料科学与表面钝化（化学需氧量预防）

任何 高功率激光二极管 即灾难性光损伤 (COD)。当刻面的光功率密度高到足以引起局部吸收时，就会发生灾难性光损伤，从而导致加热，使带隙缩小，产生更多的吸收。这种正反馈循环会在纳秒级时间内发生，从而熔化晶体刻面。.

现代 多模激光器 采用 “非吸收镜”（NAM）或专门的刻面钝化技术。通过在刻面形成带隙比有源区更宽的层，制造商可以确保光在表面不被吸收。此外，使用 E2 钝化或类似的专有涂层还能保护 AlGaAs 或 InGaN 免受氧化。对于原始设备制造商而言，COD 临界值是其系统的安全系数。额定功率为 10W 而 COD 阈值为 25W 的二极管要比 COD 阈值为 15W 的二极管可靠得多，尤其是在脉冲模式应用中，电流尖峰很常见。.

技术性能数据：广域发射器结构比较

下表提供了标准 多模激光二极管 配置，说明发射器宽度、功率和光束质量之间的权衡。.

案例研究：用于 2 千瓦光纤激光系统的高效抽运系统

客户背景

一家用于金属板切割的大功率光纤激光器制造商需要一种更可靠的 976nm 高功率激光二极管 源。他们以前的供应链存在 “波长漂移 ”和频繁的模块故障问题，其根源在于二极管模块的热粘合不一致。.

技术挑战

• 光谱锁定 976nm 是掺镱光纤的窄吸收峰。即使是 2nm 的漂移 多模激光器 将导致抽水效率损失 40%。.
• 环境压力： 切割机在非气候控制的工厂车间内运行，振动较大。.
• 密度： 客户需要在紧凑的冷却板中安装 200 瓦的泵功率。.

技术参数设置

• 发射器类型： 100$\mu$m 多模激光二极管 COS（贴片芯片）。.
• 工作电流： 波长 976nm 时电流为 12.5A。.
• 光谱控制 集成 VBG（体布拉格光栅），可在 20°C 范围内将波长锁定在 ±0.5nm 以内。.
• 粘合： 在 AlN（氮化铝）底座上硬焊（AuSn），以尽量减少 $R_{th}$ 并消除焊接 “蠕变”。”
• 预烧： 100% 的二极管在 45°C 下进行了 168 小时加速老化试验。.

质量控制 (QC) 规程

质量控制的重点是 “斜率效率一致性”。如果一个批次的斜率效率（$W/A$）相差超过 3%，则表明外延层质量有变化。此外，还进行了 “近场强度绘图”，以确保不存在 “热丝”，因为 "热丝 "可能会损坏 VBG 或光纤耦合光学器件。.

结论

通过切换到锁定 VBG 的 多模激光二极管 通过采用较低的 $R_{th}$ 子安装结构，客户实现了 “设置-遗忘 ”泵浦源。由于不再需要过驱动二极管来补偿光谱漂移，系统总效率提高了 15%。更重要的是，他们 2 千瓦系统的现场故障率从每年 2.4% 下降到每年不到 0.1%。这一转变证明了 高功率激光二极管 其衡量标准不是每瓦多少钱，而是系统正常运行时间和免维护操作。.

战略采购：原始设备制造商评估清单

评估时 多模激光二极管 对于高风险的集成，工程师的眼光不应局限于数据表的第一页。通过以下工程指标，可以更深入地了解元件的完整性：

1. P-I 曲线线性 功率-电流曲线在达到 1.5 倍额定工作电流时是否保持线性？曲线上的任何 “扭结 ”都表示跳模或热不稳定性。.
2. 光谱宽度（FWHM）： 对于 多模激光器, 如果光谱宽度较窄（通常 <3nm），则表明晶格质量较高，成分波动较小。.
3. 快轴发散 (FAD)： 虽然 FAD 总是很高，但较低的 FAD（如 <35° 与 40°）可使准直光学元件的成本和效率大大提高。.
4. $dV/dI$ 差分电阻： 高内阻是欧姆接触不良的表现，会导致焦耳热过量和 WPE 下降。.

在 激光二极管-LD.com, 因此，重点在于光子的 “总效率”。通过优化外延生长以降低内部损耗，并通过先进的子安装工程技术最大限度地提高热通量，我们的目标是提供一个 多模激光二极管 它是工业和医学进步的强大引擎。.

常见问题：多模系统高级工程

问 1： 为什么多模激光二极管的 “慢轴 ”发散比 “快轴 ”小得多？

答：这是衍射物理学原理造成的。快轴来自一个 1$\mu$m 的光圈，由于海森堡不确定性原理应用于光子动量，导致其偏离 30°-40°。慢轴来自 100$\mu$m 光圈，因此尽管它是多模的，但其 “几何 ”发散度要低得多，通常为 8°-10°。.

问 2：我能以高频率调制高功率激光二极管吗？

答：多模激光二极管的调制频率可达几兆赫，但由于其结电容较大，因此不可能达到千兆赫的速度（如电信中的速度）。对于激光雷达或医疗美容等脉冲应用，它们可以轻松处理纳秒级的脉冲宽度。.

问题 3：“微笑 ”效应对多模激光棒有什么影响？

答：“微笑 ”是指激光条在焊接过程中出现的微小弯曲。如果激光条的 “微笑 ”超过 1$/mu$m，就不可能同时准直所有发射器的快轴，从而导致亮度和光纤耦合效率的显著降低。.

问题 4： 用于光纤泵浦的 976nm 二极管比 915nm 二极管有何优势？

答：976nm 波长与镱中更高的吸收峰值相匹配，可实现更短的有源光纤和更高的非线性阈值。不过，由于峰值非常窄，因此需要更稳定的多模激光二极管；如果激光波长偏移，泵浦效率就会严重下降。.