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激光前沿 | 高均匀性、高峰值功率808nm准连续波激光二极管阵列

激光前沿 | 高均匀性、高峰值功率808nm准连续波激光二极管阵列

来源: 发布时间:2024-03-04 浏览量:
摘要】
808nm准连续波(QCW)激光二极管阵列(LDAs)在医学、科学研究、国防以及固态激光泵浦、印刷等领域具备广泛应用。因此,关于此类产品的设计及升级已成为当前关注的焦点。
借助紧凑的结构设计和每个巴条独立的光学整形,我们成功实现了高功率、高功率密度、较窄的光谱宽度、卓越的均匀性和一致的脉冲激光输出。整个产品系列,包括G-stack和C-stack,均可根据客户需求定制频率、巴条的数量和类型、输出功率、波长范围、整体尺寸和光束形貌。此类产品采用可靠的金锡封装,确保激光系统的稳定性和可靠性。在占空比为20%的工作条件下,这些产品仍能保持可靠运行。
本文主要采用三明治结构作为封装的基础元件。8个间距为1.7毫米的三明治结构垂直排列成一个单元,使用3个单元垂直排布,构成一个3×8的24巴阵列。在3%的占空条件下,通过巴条的选择,输出波长控制在808nm±1nm范围内,半高全宽(FWHM)小于3.5nm,峰值功率超过11 kW。此外,该设计具有出色的可靠性,累积可靠性测试数据超过7000小时,适应各种应用场景。在光学方面,可以通过光纤或者非球面镜对每个巴条的快轴进行准直,实现了95%的光束均匀性。
这种高功率、高均匀性巴条阵列产品在科学研究领域具有重要作用,均匀的激光输出在晶体吸收和泵浦效率方面具有显著优势。此外,此类设计在脱毛领域亦具有巨大潜力与优势,随着激光脱毛需求不断增加且广泛接受,其应用前景广阔。
1. 前言
高功率半导体激光器在诸多领域展现出广泛的应用前景。在工业领域,其卓越的性能得到了广泛认可;医学美学领域可以实现激光脱毛、嫩肤等治疗。此外,其在固态激光泵浦、激光退火、打印等场景中也发挥着关键作用。总之,高功率半导体激光器在各个领域中的应用极具价值,为各类场景提供了高效、可靠的解决方案。
近年来,激光二极管阵列凭借其广泛的波长范围和高转换效率,迅速在医疗美学市场占据一席之地,成为主流脱毛设备的光源。值得注意的是,可见光和1μm以上的激光器由于单点芯片功率低,巴条叠阵类产品在医疗市场也同时占据了主要地位。此外,因其高峰值功率、体积小、重量轻、发光均匀性可调控,光斑尺寸可定制,逐渐代替光纤输出类激光光源应用科学研究、军事安防等重要领域。
各种应用场景往往对半导体激光器提出小型化、轻量化的要求。为实现激光系统整体能耗、体积和重量的降低,最切实有效的技术途径包括提升电光转换效率、优化封装结构以及改进散热。本篇着重阐述了一种脉冲半导体激光器巴条叠阵产品,其具备高均匀性、功率、可靠性和结构紧凑的特点,充分满足应用需求。
2. 实验和设计
本文主要阐述了一种由24个巴条组成的高功率、高均匀性的叠阵产品。8个巴条为一个单元,封装成三明治结构(SBS)。SBS的设计理念是将一个巴条连接在两个铜钨散热器之间,形成一种三明治式的结构。值得注意的是,钨铜的热膨胀系数与砷化镓激光棒具有极高的匹配度,且具有较大的热导热系数。
八个SBS单元通过软焊锡合金固定在氮化铝陶瓷散热器上。1.7毫米的巴条间距构成了标准结构,三个小单元均匀间隔,形成一种垂直堆叠的结构。这种结构安装在宏观通道水冷底座上,有助于通过叠阵的背板进行散热。
对8个巴条小单元的测试显示,波长一致性在±1nm内,功率分布一致,证明了封装一致性良好。然后,用光纤作为快轴准直镜,实现中心能量均匀性95%,输出功率超过11000W。
本论文探讨的宏观通道产品可进行定制化,其间距可从0.4mm至1.7mm进行调整,实现产品微型化、紧凑尺寸及高输出功率,旨在满足各类应用场景。
3. 实验结果
考虑成本和尺寸等因素,光纤被用于快轴准直镜。为实现一定距离下光斑分布的均匀性需求,采用了离焦方案,模拟结果如图1所示。光纤在焦点和离焦状态下的准直效果。
                                   (a) 准直                                                        (b) 离焦
图1  快轴准直模拟结果
如图2所示,针对不同快轴角度进行模拟以实现光斑均匀。经分析,快轴半角为20°的时候,所产生的光斑均匀性符合规格要求。
(a) 快轴半角30°
(b) 快轴半角 25°
(c) 快轴半角 20°
图2  不同快轴半角仿真结果
在本研究中,我们选取了腔长为1.5mm、快轴半角为20°、填充系数为75%的巴条。如图1所示,我们采用8巴结构封装了8根1.5mm的808nm巴条,巴条与巴条之间的间距为1.7mm。为了确保焊接质量和一致性,多个8巴堆栈单元(如图3所示)在400A、3%占空比和20℃的条件下进行了测试和老化。测试数据如图4所示,整体波长数据呈正态分布。在400A电流下,8巴单元的输出功率超过3800W,如图5所示。
图3  8巴单元
图4  测试结果
图5  8巴单元的LIV曲线
此外,8巴单位在60摄氏度的加速老化100小时后,表现正常,如图6所示。
图6  8bar单元加速老化测试
根据上述数据,将三个8巴单元封装于一个宏观通道底座上,进行整体性能测试,输出功率达到11592W,测试结果如图7所示。
图7  24巴产品测试结果
利用光纤进行快速轴离焦准直(参见图8中的产品图像),整个过程的损耗低于2%,输出功率达到11360W以上(如图9所示)。光斑均匀度达到95%(如图10所示)。
图8 产品整体外观示意图
图9  快轴整形后24巴产品PIV测试曲线
图10 光斑测试形貌
上述产品进行了超过7000小时的长期老化,表现正常,如图11所示。
图11  可靠性测试结果
4. 总结
伴随着科学技术、医疗技术以及工业加工领域的持续发展,大功率激光巴条叠阵的需求正逐步升级并呈现多样化趋势,如脱毛、退火以及固态侧泵等。通过调整定制参数,如功率、斑点均匀性、波长以及谱宽等,以满足各类应用需求。
本文所阐述的产品,具备输出峰值功率超过11KW、波长精度控制在±0.5nm以内、均匀性达到95%的优异性能。该产品经过超7000小时的连续寿命测试,展现出稳定的性能,可以满足各类应用场景的需求。此外,通过模块化组合设计,该产品还能实现更高的峰值功率,从而适应各种类型的应用场景。
(上述论文发表于SPIE)

 
凯普林光电成立于2003年,是面向全球的激光解决方案服务商。公司以“让梦想驭光而行”为使命,以“创变非凡”为价值观,致力于创造更好的激光产品,为全球客户提供半导体激光器光纤激光器超快激光器产品及解决方案。
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