作者：Kirk Price, Frank Pfeffer, Paul Leisher, Scott Karlsen, Robert Martinsen；nLIGHT公司

摘要

    以激光器為基礎(chǔ)的直接半導體二極管系統(tǒng),已成為首選工具從事在廣泛的材料加工、固態(tài)光纖激光器泵輔和各種軍事應用中。我們介紹一個建筑框架,標準結(jié)果對于以單一發(fā)射源為基礎(chǔ)的kW級激光器工具從事在廣泛的輸出 功率（500W到 multiple kW），光束參數(shù)產(chǎn)品（20 到 100 mm-mrad）在系統(tǒng)中以接近50%的速率在運行。nLight 公司為這些系統(tǒng)使用多種類構(gòu)建模塊：一個100W,105µm,0.14NA，泵輔模塊9xx nm；一個600W,30 mm-mrad單一波長，單偏振構(gòu)建模塊源；140W 20 mm-mard 低成本模塊。構(gòu)建模塊被選為實現(xiàn)亮度和成本目標所需的應用。我們也證實了當正常使用系統(tǒng)最大化時，效率和可靠性是怎么被設計為減少運行和服務成本。此外，我們也通過在8xx,9xx 和15xx nm 演示系統(tǒng)，從而證實了系統(tǒng)的靈活性。最后，我們研究了二極管的可靠性，F(xiàn)IT率需求和包裝影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


     關(guān)鍵詞：工業(yè)二極管激光器，光纖耦合二極管激光器，高亮度

    1.介紹
     以激光器為基礎(chǔ)的直接半導體二極管系統(tǒng),已成為首選工具從事在廣泛的材料加工、固態(tài)光纖激光器泵輔和各種軍事應用中。硬化、釬焊、涂層、焊接金屬、塑料焊接都是由直接二極管激光器優(yōu)化進行。使用 CW 直接二極管激光器系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢包括：二極管激光器與YAG激光器相比具有更高吸收能力，連續(xù)調(diào)整的輸出功率（0-100%），和以特制的光束外形均勻光纖的傳輸。當耦合效率優(yōu)勢，減少系統(tǒng)成本，實質(zhì)上是免維護操作，這些模塊代表著最低成本設備所有權(quán)，對客戶來說具有最高價值。


     二極管激光器的主要有點：

     效率：直接二極管激光器系統(tǒng)不遭受量子缺陷，電源轉(zhuǎn)換損失光纖和固態(tài)激光器,導致了更高 的激光系統(tǒng)效率。提出了在微光學和光束結(jié)合有效耦合援助二極管的光線進入到交貨光學纖維,具有光學效率值大于85%。因此,二極管激光器系統(tǒng)墻上插座效率是不可超越的。

     成本：二極管激光器系統(tǒng)主要成本來源于二極管激光源于激光和相應的微光學。Chip-on-submount裝置和相應的微型光學可以廉價制造。此外,高效地將光從二極管激光器耦合到光纖，減少了由于未被利用光而產(chǎn)生的附加損耗�？傊�，高運行墻上插座效率(>40%)耦合低系統(tǒng)成本從而導非常低的總成本。

    免維護操作：過去，工業(yè)激光器系統(tǒng)因他們的服務需求而臭名昭著。固態(tài)和二氧化碳激光器對燈、鏡子和氣體的使用壽命有極其嚴格的要求。過去微頻二極管激光器對用于冷卻系統(tǒng)水的電阻率、清潔率、水流率也有著嚴格規(guī)格要求。此外，環(huán)境狀況對通常對二極管激光器系統(tǒng)有著重大不利的影響。有機殘留物、碎片、和水凝結(jié)都可以污染二極管、光束聚焦、聚焦光學、或光纖,從而導致熱量吸收、氧化,最終使系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

     nLight公司的工業(yè)激光器系統(tǒng)以單一發(fā)射源技術(shù)為基礎(chǔ)集聚了所有重點，從而可以使系統(tǒng)提供了一個低成本總和一個最佳優(yōu)惠價格、運行成本和可靠性。


     2.直接二極管激光器系統(tǒng)的進展

     幾年來，二極管激光器系統(tǒng)已經(jīng)主要進化為提高可靠性、減少服務需求、使成本更低、提高系統(tǒng)性能。在這里我們證明了選擇二極管激光器平臺是怎么對工業(yè)激光器系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的重大影響。


     第一個高功率二極管激光儀器是以微頻支棱激光儀器為基礎(chǔ)。這些裝置可利用的功率和亮度過去的幾年里一直在穩(wěn)步增長。這些設備證明了出色的高功率性能，保證了在功率和亮度方面持續(xù)增長。通過光子束、均勻化和塑造，這些系統(tǒng)為高功率二極管激光器系統(tǒng)安裝了標準檢查程序。然而，對于冷卻系統(tǒng)有非常嚴格要求。電阻率、清潔、流量和停滯期
用水冷卻降溫巴條對二極管的可靠度和性能有著顯著影響。腐蝕和離子沉積也能導致熱阻退化、增加結(jié)面溫度,引起波長變化,最終導致二極管出現(xiàn)故障。為克服高頻冷卻巴條所存在的弊端，接下來將能導電地冷卻二極管激光器巴條發(fā)展成提供高頻率激光器巴條、直接冷卻需求和提高穩(wěn)定行。這些系統(tǒng)持續(xù)增長的熱變電阻強制用由于更高的運行接觸面溫度而減少二極管亮度的低填充巴條。然而，然而,當二極管擴張與界面層匹配和粘合硬焊接,該裝置操運行可靠性連續(xù)波為成千上萬小時。盡管盡管改進了系統(tǒng)實施方便，但整體亮度和導電地冷卻巴條成本還有待于通過單一發(fā)射源基礎(chǔ)框架來進一步改善。

      單一發(fā)射源二極管激光器系統(tǒng)代表了激光二極管性能和可靠性的頂峰。鈍化后,長腔二極管激光器可以以空前亮度高功率水平來運行。我們的低成本超輻射二極管設備被挑選來替代不合規(guī)格的設備，使裝置平均在數(shù)萬小時被測出失敗值。由于鈍化保持高操作效率高亮度，這些設備有一個特別的高操作線功率密度(超過100 mW /µm)。Cos設計即導致了缺失熱串又導致了缺失光笑, 使制作精湛的快速軸橫向成為可能。由于芯片尺寸小和熱膨脹系數(shù)相匹配的Cos設計，單一發(fā)射源包裝拉力顯著降低，從而允許這些裝置設備可以在沒有退化的脈沖模式中運行。

      單一發(fā)射源優(yōu)勢工業(yè)設計極大地改進了工業(yè)二極管激光器系統(tǒng)。這種系列二極管激光器減少工作電流及脈沖功率調(diào)整使快速在保留二極管運行的可靠性。顯微鏡下單獨地裝置可以使
效率高，光設計更世界簡單。真空密封的盒子可以消除盒子中冷凝模式以及包裝引發(fā)的失敗。所有的特性致使系統(tǒng)具有優(yōu)異的效率，可靠的性能，和低成本的價格。

     3.nLight 公司對工業(yè)激光器的處理方法
     對于使用高亮度激光器系統(tǒng)來說，nLight 公司正在研發(fā)100µm發(fā)射源孔隙， 9xx nm的單一發(fā)射源二極管激光器，10W 976nm。這些設備有一個最高效率超過65%,有98%的極化純度偏振耦合效率,操作在10W功率以60%的效率。nLight公司的每個設備是很難焊接到相匹配的submounts和個別地被高功率篩選，加速老化高功率測試,嚴格的視覺檢測。典型的LIV曲線顯示在圖1中。
 

      圖1.LI和效率曲線顯示出單一發(fā)射源二極管激光器在nLight公司的發(fā)展。這樣的一個裝置在10 W光功率以超過60%效率運行,FIT 率為1200(90%可信等級).

      為評估一個新的3.8mm腔長二極管的可靠性,一直在進行中的多元壽命測試試驗長達3000小時來決定溫度、電流,功率加速因素,以及可靠運行條件。 一個隨機故障加速模型可以用以下模型來表述，其中突然失效F由二極管電流I加速引起，光輸出功率P和接點溫度Tj：

     使用熱激發(fā)能量EA=0.45eV, 電流加速指數(shù) m=2.5, 功率加速指數(shù) n=2.5, 平均隨機故障（MTTF）被評估為超過80萬小時，90%的可信度當在10W 35度的條件下操作。MTTF值對應故障(FIT)率在90%的可信水平的，運行十億小時出現(xiàn)1200個故障。

     nLight公司已經(jīng)利用這些單一輻射源包裝來生產(chǎn)光纖耦合多種單一發(fā)射源包裝專利。該產(chǎn)品是基于單一輻射源高功率的廣泛領(lǐng)域，在一個自由的空間結(jié)合優(yōu)雅而便宜的方式。單輻射源是能夠運行在高線性功率密度, 增加二極管激光器系統(tǒng)的亮度。

     最后，利用光學設計有效的形象的激光二極管激光到纖維、維護單一發(fā)射源二極管激光器的高亮度和高系統(tǒng)效率。這個包裝結(jié)果是一個依據(jù)光效率和系統(tǒng)亮度不可超越的系統(tǒng)。
    

發(fā)射源以階梯方式堆放從二極管冷卻版提供優(yōu)良的熱路徑來保持低接觸面溫度。這種機械安排把發(fā)射源方便的堆放在快速軸上，維持了二極管激光器的亮度。每個二極管激光器都平行于快慢軸鏡片，導致了卓越的指向準確和優(yōu)異的光填充因子。幾何發(fā)射源和相關(guān)的光學被安排在每個發(fā)射源之間減少死角，最大限度地發(fā)揮二極管亮度。填充因子為高亮度包裝最大化和為低亮度包裝減少制造公差。每一個發(fā)射源與快速橫向平行軸(FAC)和慢平軸(SAC)瞄準鏡, 結(jié)合柱空間菱形鏡的輻射源. 如果愿意,偏振器件可以用來增加系統(tǒng)亮度。簡單的聚焦透鏡有效的適當?shù)臄?shù)值孔徑耦合平行光速。靈活的包裝方法適應高功率的規(guī)模、多排或輻射源。


     根據(jù)激光器產(chǎn)品線，nLight 公司已經(jīng)證明一系列具有優(yōu)異系統(tǒng)亮度的泵輔模塊。圖二顯示PearlTM產(chǎn)品與其他商業(yè)上可用二極管泵模塊從亮度上的比較。2×8和2×7箱子，Pearl TM生產(chǎn)線被用作一個可擴展的為創(chuàng)造高功率工業(yè)激光系統(tǒng)的基礎(chǔ)材料。120W200µm,0.15NA的產(chǎn)，如圖3所示。

     圖2.二極管激光器亮度（MW/cm2-str）為各種各樣的二極管激光器模塊。亮度超過18MW / cm2-str已經(jīng)達到了使用nLIGHT的PearlTM生產(chǎn)線的水平。

     
      圖3.(左)激光器耦合模塊具有能夠超過100 W的光功率成0.15NA、105µm光纖的能力。(右)一個激光器模塊具有超過120 W耦合成一個200µm,0.2 NA 的光纖能力。

     為測量這些包裝的可靠性進行了,九個模塊在10x加速度條件下被測量(加速高溫和功率運作)。 而激光激光器包裝測量的FIT率（1200FIT）和二極管激光器在終身測試套上所測試的FIT率（1150）相匹配，顯示出了缺乏包裝故障率（PIF）。這些設備的性能lifetest如下圖,如圖4。模塊失敗在輸出功率方面被描述為20%的退化(或相應增加20% 偏置電流),在給定的加速因素下而激光激光器相當于超過75000小時的操作下沒有模塊故障。類似包裝運行在硬脈沖條件下,以 20ms上升下降。

     圖4.(左)可靠性測試70W 激光器模塊運行于9xx nm。這些裝置耦合成一個200nm 光纖，0.2NA.壽命被以10xx 加速因素執(zhí)行測試，一個單一發(fā)射源運行2000小時被查出故障。這些數(shù)據(jù)代表超在正常操作條件下超過140K的可靠性。缺乏設備退化(右)硬脈沖測試(1秒開,1秒關(guān),20 msec上升)超過5000小時檢測激光器模塊。

     除了壽命測試，已經(jīng)超過20個模塊遭受惡劣環(huán)境下測試，包括10g vibe(all three axes),100g shock(all three axes),熱循環(huán)測試（-40 to 85 for 100循環(huán)），和高溫存儲器（90度存儲器為100小時）。熱循環(huán)后功率下降遠端測量的光纖是 2-3%�？拐饻y試導致2%的功率退化，振動測試導致了2 - 3%的功率退化。這些驗證設備結(jié)果是根據(jù) Mil-Std-883, 顯示除了強大和復雜的設備設計和制造。

    4.高亮度單發(fā)射源激光器系統(tǒng)工程

     nLight 公司首先介紹了根據(jù)單一發(fā)射源技術(shù)一系列工業(yè)激光器系統(tǒng)。這些設備利用幾個激光器模塊空降光速結(jié)合，從而使系統(tǒng)將超過500W的光功率（單一波長和單一偏振）耦合到光速參數(shù)為30mm-mrad 超過40%的系統(tǒng)效率。系統(tǒng)照片和模塊性能，如下圖5所示。
 

     圖5.（左）一個單一發(fā)射源系統(tǒng)圖片。該裝置采用了單偏振輸出功率超過500W,300µm,0.2 NA 的光纖。（右）模塊的光與電流曲線。

     這種激光模塊也可被用作基礎(chǔ)物料來完成大于1000W的光功率。一個原型KW-class激光模塊在圖6中顯示。該裝置耦合1000W的光功率到40mm-mrad 光纖。
 

     圖6 .(左)一個KW-class二極管激光器系統(tǒng)以單一輻射源為基礎(chǔ)。該裝置利用波長光束組合達到1000 W的輸出功率為400微米,0.2MA的光纖。(右)模塊的光與電流曲線。


     機械特點包括一個密封二極管激光器容器防止系統(tǒng)被污染,具有較好魯棒性纖維提供能力field-replace纖維，為了突出熱匹配平行的冷卻水留至每個激光器模塊。這個模塊還結(jié)合控制和驅(qū)動電路，旨在為駕駛員提供詳細的狀態(tài)反饋并為模塊提供耐用和可靠的電力供應。模塊是兼容的標準化纖維電纜。

     5. 光纖高功率激光系統(tǒng)

     作為一個交替的空間光束組合，nLIGHT 已經(jīng)開發(fā)出一種光纖束用于處理縮放工業(yè)激光器系統(tǒng)。通過將高亮度光纖耦合二極管激光器模塊包捆在一起，極高的輸出功率水平可以達到同時達到保持大約66%的亮度保護。光纖包捆方法的原理論證如下圖7所示。該產(chǎn)品的空間如下圖8所示。
 

      圖7 .功率和1,3,7,19和39元素光纖包捆闡述。由此可見,大約65%的亮度當使用光纖包捆時被保存。剩余亮度的損失可能歸因于間于光纖之間的間隙空間,以及熔覆層的厚度。注意到效率值大約為50%實現(xiàn)了功率水平，證明方法不失規(guī)模力量效率。

圖8 .根據(jù)功率現(xiàn)有的產(chǎn)品空間,BBP和亮度對光纖包捆激光模塊。選擇光束資源的靈活性和光纖數(shù)量包捆提供了高靈活性光纖耦合激光模塊。廣泛的產(chǎn)品都可以用這個方法解決。

初始光纖包捆原型,論證了0.2鈉光纖耦合模塊被用200µm證明，0.2NA光纖耦合模塊。這些激光模塊中的19個被耦合到以接近100mm-mrad BBP光纖包捆。這些模塊實現(xiàn)了以接近50%的效率超過2KW的輸出功率。這些結(jié)果在圖9中顯示。

 圖9 .一個原型展示19元素光纖包捆達到2千瓦光輸出功率。這個光纖包捆束被打包成一個Trumph-compatible光纖。


     6.應用

這些系統(tǒng)非常適合塑料焊接、薄金屬焊接。圖7顯示各種塑料焊接產(chǎn)品已經(jīng)被開發(fā)利用類似的工藝參數(shù)。激光塑料焊接的優(yōu)點包括沒有磨損面焊接微粒、最高成本效率、低機械應力、,非接觸式的能量貢獻、最高的焊縫質(zhì)量（用氣體焊接證明）,以及焊接可能缺少填充材料。對于焊接薄金屬能夠達到合理的焊縫的速率(> 1.5m/min), 導致高品質(zhì)巴特。

圖10 .(頂部和中間一排)的例子,使激光塑料產(chǎn)品焊接。本產(chǎn)品適用于在消費、輕工、和醫(yī)療領(lǐng)域。(下一排)和T-welding樣品在鍍鋅鋼板上。高質(zhì)量焊接縫和同意焊接這樣激光系統(tǒng)是有可能的。

7.小結(jié)

應用程序如淬火、釬焊、涂層、焊接金屬,塑料焊接已經(jīng)使用直接二極管激光器作為以性能、成本、可靠性為基礎(chǔ)的資源。nLight公司的單一發(fā)射源二極管激光器產(chǎn)線更進一步提高了這些系統(tǒng)，提供了不可超越的可靠性、高效率、和低成本。產(chǎn)品框架以單一發(fā)射源為基礎(chǔ)，包裝和技術(shù)保持了單一發(fā)射源的可靠性，利用平臺的生產(chǎn)線由nLIGHT以前開發(fā)的。結(jié)果工業(yè)激光系統(tǒng)證明了優(yōu)異的可靠性、高功率、和高亮度。


參考文獻


[1] R. Huelsewede, H. Schultze, J. Sebastian, D. Schroeder, J. Meusel, J. Wolf, P. Hennig, “Optimized highpower
diode laser, laser arrays, and bars for pump applications,” Proc. SPIE 7198, 71980A (2009).
[2] H. Koenig, G. Groenninger, C. Lauer, A. Hammer, J. Maric, U. Strauss, H. Kissel, “Brilliant low-fill-factor
diode laser bars at 9xx nm for fiber coupling,” Proc. SPIE 7198, 719803 (2009).
[3] D. Balsley, D. Dawson, R. Johnson, R. Martinsen, “Long-term wavelength stability of high-power laser
diode bars on microchannel coolers,” Proc. SPIE 7198, 71980J (2009).
[4] G. Teusch, R. Srinivasan, D. Brown, R. Miller, J. Harrison, “Reliability of water cooled high power diode
laser modules,” Proc. SPIE 5711, 121-131 (2005).
[5] D. Schulte, et al., “Modular diode laser assembly,” US Patents 7420996, 7436868, and 7443895.
[6] http://www.nlight.net/diodes/family/1~Pearl-HighPower-FiberCoupled-Modules