Дун Ху1, Цзинвэй Ван1, Сяонин Ли1, Лэй Гао1, Ваньшао Цай1, Хуню Чжан1, Чэньян Ма1, Ибо Шан1, Хаоюй Чжан1,
Инминь Фан1, Сюэцзе Лян1, Синшэн Лю1,2;
1 Focuslight Technologies Inc., 56 Чжанба 6-Роуд, Технологическая Зона, Сиань, Шэньси, 710077, КНР
2 Государственная ключевая лаборатория пере- ходной оптики и фотоники, Институт оптики и точной
механики Сианя, Китайская академия наук, № 17 Синьси-Роуд, Новый индустриальный парк, Сиань Зона
технологического развития, Сиань, Шэньси, 710119, КНР
Во второй части статьи* представлены последние достижения в области компоновки решеток высокомощных диодных лазеров, рассмотрены такие ключевые факторы разработки процессов компоновки лазерных решеток, как контроль температуры, анализ отказов и оценка надежности. Результаты показывают, что созданные лазерные устройства с высокой мощностью, узким спектром, высокой электрооптической эффективностью и высокой надежностью подходят для использования в качестве твердотельной лазерной накачки.
Усовершенствование высокомощных диодных лазеров киловаттного уровня
Благодаря достижениям технологий создания диодных лазерных баров и развитию технологий их компоновки, значительно улучшились характеристики источников накачки высокомощных диодных лазеров. Эволюция выходной мощности линейки лазерных диодов постоянно демонстрировала ее увеличение (рис.13, 14).
В массовом производстве из коммерческих материалов выпускаются диодные линейки с выходной мощностью до 200 Вт с одного бара, излучающего на длине волны 808 нм в непрерывном режиме, а выходная мощность одного бара, излучающего в импульсном режиме, достигает 500 Вт [24]. На уровне инженерных исследований достигнуты значения выходной мощности 250 Вт в непрерывном режиме и 600 Вт в импульсном режиме. Для дальнейшего увеличения выходной мощности диодных лазеров необходимо разрабатывать новые технологии компоновки диодных решеток и применять их для достижения мощности на уровне киловатт и даже десятков киловатт. Они включают в себя горизонтальную решетку, стек диодного лазера с жидкостным охлаждением, стек с охлаждением за счет теплопроводности и т. д.
Focuslight Technologies Inc (Focuslight) (Китай) – это быстроразвивающаяся высокотехнологичная компания, основанная в 2007 году и занимающаяся исследованием, разработкой и производством лазерных диодных систем и высокомощных диодных модулей. Представлены линейки одиночных лазерных диодов для диапазона 808–940 нм и матрицы, построенные на них, работающие при высоких температурах до 74 °C с мощностью до 300 Вт на линейку. Благодаря инженерному опыту разработок в области термодинамики, оптики и механики, Focuslight обеспечивает качественное выполнение таких производственных процессов, как монтаж кристаллов, сборка с коллимацией быстрой оси, оптоволоконное соединение и системная интеграция.
Компания ОЭС «Спецпоставка» представляет весь спектр продукции Focuslight на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также предоставление образцов.
Структура компоновки с одним баром
Взяв за основу микроканальный жидкостный охладитель, можно собрать упаковку диодного лазера, в конструкцию которой входят четыре важных компонента: микроканальный охладитель (МКО), лазерный чип, катодная пластина и изолятор (см.рис.15 из работы [13]). Тепло в основном рассеивается через охладитель МКО. Чтобы улучшить производительность лазерной решетки с МКО, крайне важно оптимизировать конструкцию сложной структуры МКО.
На рис.16 показаны стандартные PVI-характеристики и спектры излучения упаковки лазерного диода в виде одного бара с жидкостным охлаждением. Упаковка излучает в непрерывном и импульсном режиме и содержит усовершенствованную структуру МКО. На рис.16(а) показано, что в непрерывном режиме выходная мощность 200 Вт получена при токе 199,8 А. Для импульсного режима максимальная выходная пиковая мощность 500 Вт была достигнута при токе 407 А, при условии 8% рабочего цикла: 200 мкс, 400 Гц (см. рис.16(b).
Максимальная выходная мощность диодного лазерного стержня с МКО ограничена либо тепловым загибом, либо катастрофическим повреждением оптического зеркала (КПОЗ) [25]. Надежная работа лазерного устройства в значительной степени зависит от величины теплового загиба и значения КПОЗ. Максимальная мощность диодного лазера с МКО, излучающего в импульсном режиме, тестировалась на пластине толщиной 940 нм при температуре 20 °С (рис.17). Выходная мощность достигает 1 088 Вт/ бар до появления теплового загиба в условиях испытаний: 600 мкс, 133 Гц, 1000 А. Максимальная степень преобразования электрической энергии в оптическую составляет приблизительно 75% при токе 130 А. Степень преобразования электрической энергии в оптическую незначительно уменьшается с 75% до 58% при увеличении тока от 130 А до 1 000 А.
Также в ходе испытаний были получены данные о сроке службы стандартных диодных лазерных линеек (λ = 808 нм) мощностью 500 Вт, паянных твердым припоем (рис.18). Демонстрируется отсутствие снижения мощности для МКО-одностержневого лазера мощностью 500 Вт, паянного твердым припоем, после выполнения 1,38 × 109 импульсов. Технические характеристики МКО-одностержневого лазера, паянного твердым AuSn-припоем, проявили стабильность и надежность.
Нелинейность ближнего поля излучателей (или так называемая "дуга") в решетке диодного лазера создает значительные проблемы при формировании луча и использовании его в оптической связи. Этот эффект превратился в одно из основных препятствий в расширении применений лазерных решеток. Если линейность ближнего поля лазерной решетки недостаточная, то эффективность связи лазерной решетки с волоконной матрицей или микрооптикой (например с коллимационной линзой с быстрой осью) очень мала. Увеличение линейности ближнего поля лазерного диода позволяет производителю лазерной системы повысить компактность лазерной системы, эффективность оптической связи, мощность и качество луча. Одновременно с этим увеличение линейности позволяет снизить затраты на производство лазерной системы, например твердотельных лазеров с диодной накачкой и оптоволоконных лазеров. Поэтому линейность ближнего поля лазерного стержня – одна из ключевых характеристик лазерных решеток. Улучшение характеристики ближнего поля особенно важно для увеличения выхода годной продукции, это снижает ее стоимость и повышает конкурентоспособность [26].
Увеличенные изображения "дуги" стандартной упаковки диодной лазерной решетки показаны на рис.19. Было обнаружено, что если достичь лучшей совместимости коэффициентов теплового расширения (CTE) между подставкой и лазером, то "дуга" значительно уменьшается. Был проведен статистический анализ результатов наблюдений "дуги" для 898 образцов решеток высокомощных диодных лазеров, скомпонованных с МКО. Обнаружено, что среднее значение "дуги" составляет 0,52 мкм. Результат показывает, что влияние эффекта "дуги" приемлемо у решеток высокомощных диодных лазеров, скомпонованных с МКО с помощью твердого припоя.
Горизонтальные решетки
Для некоторых конструкций, например используемых в случаях, когда требуется более высокая оптическая мощность (боковая накачка твердотельного лазера), решетка лазерных стержней компонуется горизонтально. В этих случаях для охлаждения можно непосредственно использовать промышленную воду, так как решетки диодных лазеров электрически изолированы от охлаждающей пластины. Для горизонтальной решетки в конфигурации 3 × 10 баров (рис.20) диодный лазер генерирует в импульсном режиме. Эта решетка состоит из десяти 3-барных модулей, припаянных на микроканальном охладителе, ожидаемая выходная оптическая мощность 6 000 Вт. CTE-совместимые подставки применяются для пайки диодного лазерного стержня твердым припоем для обеспечения большей надежности [27].
Числовое моделирование горизонтальной решетки из 30 барных диодных лазерных стеков проводилось с использованием анализа методом конечных элементов (FEA), результаты представлены на рис.21.
Результаты моделирования показали, что горизонтальная решетка работает в условии 6,6% от рабочего цикла (200 мкс, 330 Гц) в импульсном режиме с выходной мощностью 6 000 Вт. Температура охлаждающей воды составляет 25 °С, расход воды составляет 2 л/мин. На рис.22 показано распределение температуры 3-барных стеков вдоль охлаждающей пластины от входа до выхода. Видно, что температура распределяется неравномерно.
Рассеянные волны разных стеков приводят к возникновению широкого спектра (рис.23а), а концентрированные волны приводят к получению узкого спектра (рис.23b).
Для получения узкого спектра и точно заданной центральной длины волны излучения от горизонтальной решетки требуется точное управление спектром стеков, состоящих из трех диодных линеек, в десяти положениях. Как правило, для устройств с диодным лазером (λ = 808 нм) на основе GaAs коэффициент смещения длины волны от температуры составляет 0,28 нм/К. То есть при колебании температуры на 1K длина волны смещается на 0,28 нм. Распределение выбранной и выходной длины волны трехстержневых стеков показано на рис.22. Равномерная длина волны излучения наблюдается вдоль охлаждаемой пластины. Как показывают результаты моделирования, центральная длина волны хорошо контролируется до 800 нм.
На рис.24 показан пример изготовленных горизонтальных решеток из лазерных линеек. Кривые LIV могут быть получены путем измерения мощности или напряжения выходного света в зависимости от движущегося тока. Графики мощности по сравнению с входным током и соответствующим спектром излучения стека диодного лазера проиллюстрированы на рис.25. Опираясь на технологию твердотельной пайки и на метод управления спектром, можно получить в импульсном режиме выходную оптическую мощность 6 000 Вт. Значение ширины спектра на полувысоте максимума (FWHM) и полной ширины на уровне 90% энергии (FW90%E) составляет 2,36 нм и 3,37 нм, соответственно. Это довольно мало для 30-стержневой горизонтальной решетки диодных лазерных стеков. Как правило, значение FWHM составляет около 3 нм, а 90% энергии составляет около 5 нм.
Вертикальные стеки с жидкостным охлаждением
Можно масштабировать мощность вертикальных стеков путем объединения многочисленных стержней по вертикали. Качество луча вертикальных стеков лазеров вдоль медленной оси остается таким же, как у одиночной лазерной линейки*. По мере совершенствования технологии компоновки, количество лазерных стержней в вертикальном стеке лазера может составлять до 70–80 бар, а максимальная выходная мощность вертикального стека лазера составляет от нескольких сотен ватт до десятков тысяч ватт [13].
Диодный лазер в конфигурации вертикального стека (V-стек) с жидкостным охлаждением может быть скомпонован с диодными лазерами с МКО. На рис.26(а) показаны структуры компоновки V-стека с 15 диодными лазерами с МКО. Важные составные части – катод, анод, подача и отвод хладагента и скомпонованные стержни – отмечены на чертежах. Благодаря хорошей теплоотдаче точно спроектированного МКО, лазер в конфигурации V-стека способен работать в непрерывном и импульсном режиме с высоким рабочим циклом.
Рис.26(b) демонстрирует стандартный вертикальный стек с жидкостным охлаждением МКО с коллимационной линзой для работы в импульсном режиме. Этот коммерческий продукт может генерировать мощность всего 18 кВт с 60 стержнями, скомпонованными в вертикальном стеке, как показано на рис.27(a). Каждый диодный лазерный бар демонстрирует выходную мощность более 300 Вт. На рис.27(b) показан результат испытаний другой сложной структуры компоновки V-стека. Этот продукт способен выдавать в общей выходной мощности 13 кВт с 26 диодными лазерными стеками с МКО. Каждый стержень может обеспечивать выходную мощность 506 Вт.
Проблемы контроля спектра и управления лучом осложняют сборку вертикальных стеков. Хотя лазерные бары в вертикальном стеке охлаждаются при компоновке с жидкостным микроканальным охладителем, между стержнями наблюдается постоянная температурная неоднородность из-за термических перекрестных помех и/или неравномерности потока жидкости. Для достижения определенной длины волны и однородного спектра требуется экранировать диодные лазеры.
Стеки с охлаждением за счет теплопроводности
Структура компоновки диодного лазера с охлаждением за счет теплопроводности (G-стек) пока зана на рис.28. На рисунке три диодных лазерных стержня скомпонованы в один лазер в виде G-стека, а катод и анод лазерного стека находятся слева и справа [5]. Охладитель за счет теплопроводности находится под лазерными линейками, а слой, расположенный между лазерными линейками и охладителем за счет теплопроводности, – это слой изолятора. Для разделения катода и охладителя, анода и охладителя используются два слоя изолятора. В стеке имеется четыре крепежных отверстия. Их функция заключается в креплении стека и подсоединения анода и катода лазера стека к усилителю мощности.
Для структуры G-стека с охлаждением за счет теплопроводности диодные лазерные стержни крепятся в CTE-совместимых подставках (рис.29a) [14]. Дан пример числового моделирования характеристик теплового поведения 5-стержневого диодного лазерного стека с различными высотами (рис.29b). Лазерный стек моделировался для условий: длительность импульса 30 мс, частота 3 Гц, оптическая выходная мощность 100 Вт/бар, импульсный режим. Высота лазерного стека составляет от 0,4 мм до 4,0 мм при температуре теплоотвода 20 °С. Результаты моделирования показывают, что пиковая температура быстро уменьшается в начале по мере того, как увеличивается высота стека диодного лазера. Высота может быть выбрана в качестве как параметра оптимизации для надлежащей тепловой диссипации, так и параметра компактности структуры устройства.
Выходная мощность диодного лазерного стека, изготовленного из нескольких лазерных стержней, может достигать нескольких тысяч ватт в непрерывном режиме и десятки ваии в импульсном режиме. На рис.30 (а) и (b) показан стандартный модуль G-стека с охлаждением за счет теплопроводности с коллимационной линзой в конфигурации 30 стержней и 5-стержневой модуль без коллимационной линзы. Диодные стержни электрически соединены последовательно и изолированы от теплоотвода теплопроводным и электрически изолирующим материалом. Для G-стека его можно использовать только в импульсном режиме из-за недостаточного подхода к охлаждению. Верхний предел рабочего цикла связан с высотой стержней.
Как показано на рис.31, модуль из 30 диодных линеек может обеспечивать выходную мощность 4800 Вт в условиях испытания 250 мкс, 40 Гц и температуры 60 °С. Модуль с пятью стержнями разработан с использованием таких передовых технологий компоновки и материалов, как нанесение CuC с высокой теплопроводностью и CTE-совместимостью [12, 28]. Модуль с пятью стержнями способен работать в режиме высокой нагрузки (200 мкс, 400 Гц, 8% рабочего цикла) и обеспечивает общую выходную мощность 2 736 Вт, при этом каждый стержень обеспечивает выходную мощность 557 Вт.
Максимальная выходная мощность 5-стерж- невого модуля достигает значения 3 655 Вт, при этом каждый стержень обеспечивает 731 Вт (рис.32). Обычный модуль G-стека с одинаковым размером конструкции и условиями испытания может достигать мощности 400 Вт на один бар. Применение новых упаковочных материалов и передовых технологий компоновки значительно улучшают технические характеристики G-стека.
Диодный лазер в конфигурации массива лазерных решеток (МЛР) скомпонован из модулей G-стека, который масштабирует выходную мощность диодных лазеров с киловаттного уровня до уровня десятков киловатт. Сложное охлаждение с равномерными охлаждающими туннелями и низким перепадом давления воды от входа до выхода предназначено для случая компоновки модулей G-стека в конфигурацию массива решеток. На рис.33 представлен массив лазерных решеток из 96 баров, график зависимости мощности от входного тока и спектр излучения. Основываясь на технологии твердой пайки и экранировании длины волны диодного лазерного бара, оптическая выходная мощность достигает 19 кВт в импульсном режиме в условиях испытания 5% рабочего цикла. Значение спектра полной ширины на полувысоте максимума (FWHM) и полной ширины 90% энергии (FW90%E) составляет 2,44 нм и 4,14 нм, соответственно. Это довольно узкая ширина спектра, мало достижимая для массива лазерных решеток из 96 линеек лазерных диодов. Как правило, значение FWHM и 90% энергии составляет около 4 нм и 6 нм, соответственно. Результаты испытаний подтвердили, что смещение центральной длины волны спектра излучения этого лазерного устройства очень мало.
Резюме и выводы
Подводя итоги данной работы, в которой рассмотрены и обсуждены технологии компоновки высокомощных диодных лазерных баров, отметим основные моменты. При разработке диодных лазеров киловаттного уровня ключевыми факторами являются контроль температуры, анализ влияния распределения температуры, разработка процессов компоновки, анализ отказов и оценка надежности.
Доминирующая технология пайки высокомощных диодных лазеров, используемая в коммерческих продуктах, по-прежнему связана с пайкой индием и AuSn. Для повышения надежности и увеличения срока службы, особенно в сложных условиях и при длительных импульсных подачах мощности, тенденция развития технологии соединения пайкой заключается в том, что соединение пайкой индием заменяется соединением AuSn-пайкой. Применение передовых компоновочных материалов (например CuC) и сложная конструкция охлаждающей пластины (например МКО) могут значительно улучшить технические характеристики стека диодного лазера. Точный контроль длины волны диодных лазеров значительно улучшает спектр с точно заданной центральной волной и узким спектром.
Были разработаны и испытаны различные решетки высокомощных диодных лазеров, в том числе диодные лазерные стеки с охлаждением за счет теплопроводности, диодные лазерные стеки с микроканальным водяным охлаждением и горизонтальные решетки диодных лазе- ров. Максимальная мощность стека диодного лазера, скомпонованного с микроканальным охладителем, достигает значений более 1000 Вт на один бар, в то время как стек диодного лазера в конфигурации G-стека достигает значения 731 Вт на один бар.
Массивы решеток диодных лазеров масштабируют выходную мощность диодных лазерных стеков с киловаттного уровня до уровня десятков киловатт с выходным значением 19 кВт. Наряду с усовершенствованием стержня диодного лазера необходимо разработать новый компоновочный материал, современную и новую технологию компоновки, чтобы повысить производительность устройства высокомощного диодного лазера, обеспечивая высокую мощность, большую яркость и высокую надежность.
*Примечание редактора: у структур с торцевым излучением расходимость пучка лазерного диода в плоскости эмиттера (так называемая "slow axis" – медленная ось) и в плоскости, перпендикулярной плоскости эмиттера ("fast axis" – быстрая ось), различны.
Литература
- http://www.focuslight.com.cn.
- Y.Zhang, J.Wang, Ch.Peng, X.Li, L.Xiong, X.Liu. A New Package Structure for High Power Single Emitter Semiconductor Lasers. – 2010 11th International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging, 978–1–4244–8142–2/10 IEEE (2010).
- J.Wang, Z.Yuan, L.Kang, K.Yang, Y.Zhang, X.Liul. Study of the mechanism of "smile" in high power diode laser arrays and strategies in improving near-field linearity. – IEEE Proceedings of 59th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 837–842 (2009).
- D.Hou, J.Wang, L.Gao, X.Liu. Horizontal Array of High Power Diode Laser Stack Development using Spectrum Control Technology and Hard Solder Bonding Technology. – SPIE Proceedings of Components and Packaging for LaserSystems, Proc. Of SPIE, v. 9730–9, 2016.
- P.Zhalefar, A.Dadoo, M.Nazerian, A.Parniabaran, A.G.Mahani, M.Akhlaghifar, P.Abbasi, M.S.Zabhi, J.Sabbaghzadeh. Study on effects of solder fluxes on catastrophic mirror damages during laser diode packaging. – IEEE transactions on components, packaging and manufacturing technology, 2013, 3(1), p.46–51.
