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激光前沿 | 高均勻性、高峰值功率808nm準連續波激光二極管陣列

來源: 發布時間:2024-03-04 瀏覽量:
摘要】
808nm準連續波(QCW)激光二極管陣列(LDAs)在醫學、科學研究、國防以及固態激光泵浦、印刷等領域具備廣泛應用。因此,關于此類產品的設計及升級已成為當前關注的焦點。
借助緊湊的結構設計和每個巴條獨立的光學整形,我們成功實現了高功率、高功率密度、較窄的光譜寬度、卓越的均勻性和一致的脈沖激光輸出。整個產品系列,包括G-stack和C-stack,均可根據客戶需求定制頻率、巴條的數量和類型、輸出功率、波長范圍、整體尺寸和光束形貌。此類產品采用可靠的金錫封裝,確保激光系統的穩定性和可靠性。在占空比為20%的工作條件下,這些產品仍能保持可靠運行。
本文主要采用三明治結構作為封裝的基礎元件。8個間距為1.7毫米的三明治結構垂直排列成一個單元,使用3個單元垂直排布,構成一個3×8的24巴陣列。在3%的占空條件下,通過巴條的選擇,輸出波長控制在808nm±1nm范圍內,半高全寬(FWHM)小于3.5nm,峰值功率超過11 kW。此外,該設計具有出色的可靠性,累積可靠性測試數據超過7000小時,適應各種應用場景。在光學方面,可以通過光纖或者非球面鏡對每個巴條的快軸進行準直,實現了95%的光束均勻性。
這種高功率、高均勻性巴條陣列產品在科學研究領域具有重要作用,均勻的激光輸出在晶體吸收和泵浦效率方面具有顯著優勢。此外,此類設計在脫毛領域亦具有巨大潛力與優勢,隨著激光脫毛需求不斷增加且廣泛接受,其應用前景廣闊。
1. 前言
高功率半導體激光器在諸多領域展現出廣泛的應用前景。在工業領域,其卓越的性能得到了廣泛認可;醫學美學領域可以實現激光脫毛、嫩膚等治療。此外,其在固態激光泵浦、激光退火、打印等場景中也發揮著關鍵作用??傊?,高功率半導體激光器在各個領域中的應用極具價值,為各類場景提供了高效、可靠的解決方案。
近年來,激光二極管陣列憑借其廣泛的波長范圍和高轉換效率,迅速在醫療美學市場占據一席之地,成為主流脫毛設備的光源。值得注意的是,可見光和1μm以上的激光器由于單點芯片功率低,巴條疊陣類產品在醫療市場也同時占據了主要地位。此外,因其高峰值功率、體積小、重量輕、發光均勻性可調控,光斑尺寸可定制,逐漸代替光纖輸出類激光光源應用科學研究、軍事安防等重要領域。
各種應用場景往往對半導體激光器提出小型化、輕量化的要求。為實現激光系統整體能耗、體積和重量的降低,最切實有效的技術途徑包括提升電光轉換效率、優化封裝結構以及改進散熱。本篇著重闡述了一種脈沖半導體激光器巴條疊陣產品,其具備高均勻性、功率、可靠性和結構緊湊的特點,充分滿足應用需求。
2. 實驗和設計
本文主要闡述了一種由24個巴條組成的高功率、高均勻性的疊陣產品。8個巴條為一個單元,封裝成三明治結構(SBS)。SBS的設計理念是將一個巴條連接在兩個銅鎢散熱器之間,形成一種三明治式的結構。值得注意的是,鎢銅的熱膨脹系數與砷化鎵激光棒具有極高的匹配度,且具有較大的熱導熱系數。
八個SBS單元通過軟焊錫合金固定在氮化鋁陶瓷散熱器上。1.7毫米的巴條間距構成了標準結構,三個小單元均勻間隔,形成一種垂直堆疊的結構。這種結構安裝在宏觀通道水冷底座上,有助于通過疊陣的背板進行散熱。
對8個巴條小單元的測試顯示,波長一致性在±1nm內,功率分布一致,證明了封裝一致性良好。然后,用光纖作為快軸準直鏡,實現中心能量均勻性95%,輸出功率超過11000W。
本論文探討的宏觀通道產品可進行定制化,其間距可從0.4mm至1.7mm進行調整,實現產品微型化、緊湊尺寸及高輸出功率,旨在滿足各類應用場景。
3. 實驗結果
考慮成本和尺寸等因素,光纖被用于快軸準直鏡。為實現一定距離下光斑分布的均勻性需求,采用了離焦方案,模擬結果如圖1所示。光纖在焦點和離焦狀態下的準直效果。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? (a) 準直 ?????????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??(b) 離焦
圖1 ?快軸準直模擬結果
如圖2所示,針對不同快軸角度進行模擬以實現光斑均勻。經分析,快軸半角為20°的時候,所產生的光斑均勻性符合規格要求。
(a) 快軸半角30°
(b) 快軸半角?25°
(c) 快軸半角?20°
圖2??不同快軸半角仿真結果
在本研究中,我們選取了腔長為1.5mm、快軸半角為20°、填充系數為75%的巴條。如圖1所示,我們采用8巴結構封裝了8根1.5mm的808nm巴條,巴條與巴條之間的間距為1.7mm。為了確保焊接質量和一致性,多個8巴堆棧單元(如圖3所示)在400A、3%占空比和20℃的條件下進行了測試和老化。測試數據如圖4所示,整體波長數據呈正態分布。在400A電流下,8巴單元的輸出功率超過3800W,如圖5所示。
圖3??8巴單元
圖4??測試結果
圖5??8巴單元的LIV曲線
此外,8巴單位在60攝氏度的加速老化100小時后,表現正常,如圖6所示。
圖6 ?8bar單元加速老化測試
根據上述數據,將三個8巴單元封裝于一個宏觀通道底座上,進行整體性能測試,輸出功率達到11592W,測試結果如圖7所示。
圖7??24巴產品測試結果
利用光纖進行快速軸離焦準直(參見圖8中的產品圖像),整個過程的損耗低于2%,輸出功率達到11360W以上(如圖9所示)。光斑均勻度達到95%(如圖10所示)。
圖8 產品整體外觀示意圖
圖9??快軸整形后24巴產品PIV測試曲線
圖10 光斑測試形貌
上述產品進行了超過7000小時的長期老化,表現正常,如圖11所示。
圖11??可靠性測試結果
4. 總結
伴隨著科學技術、醫療技術以及工業加工領域的持續發展,大功率激光巴條疊陣的需求正逐步升級并呈現多樣化趨勢,如脫毛、退火以及固態側泵等。通過調整定制參數,如功率、斑點均勻性、波長以及譜寬等,以滿足各類應用需求。
本文所闡述的產品,具備輸出峰值功率超過11KW、波長精度控制在±0.5nm以內、均勻性達到95%的優異性能。該產品經過超7000小時的連續壽命測試,展現出穩定的性能,可以滿足各類應用場景的需求。此外,通過模塊化組合設計,該產品還能實現更高的峰值功率,從而適應各種類型的應用場景。
(上述論文發表于SPIE)

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