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(dǎo)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(yīng)用中。我們介紹一個(gè)建筑框架,標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果對(duì)于以單一發(fā)射源為基礎(chǔ)的kW級(jí)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(yùn)行。nLight 公司為這些系統(tǒng)使用多種類構(gòu)建模塊：一個(gè)100W,105µm,0.14NA，泵輔模塊9xx nm；一個(gè)600W,30 mm-mrad單一波長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)亮度和成本目標(biāo)所需的應(yīng)用。我們也證實(shí)了當(dāng)正常使用系統(tǒng)最大化時(shí)，效率和可靠性是怎么被設(shè)計(jì)為減少運(yùn)行和服務(wù)成本。此外，我們也通過(guò)在8xx,9xx 和15xx nm 演示系統(tǒng)，從而證實(shí)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(dǎo)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(yīng)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(jìn)行。使用 CW 直接二極管激光器系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(dāng)耦合效率優(yōu)勢(shì)，減少系統(tǒng)成本，實(shí)質(zhì)上是免維護(hù)操作，這些模塊代表著最低成本設(shè)備所有權(quán)，對(duì)客戶來(lái)說(shuō)具有最高價(jià)值。


     二極管激光器的主要有點(diǎn)：

     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(dǎo)致了更高 的激光系統(tǒng)效率。提出了在微光學(xué)和光束結(jié)合有效耦合援助二極管的光線進(jìn)入到交貨光學(xué)纖維,具有光學(xué)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(lái)源于二極管激光源于激光和相應(yīng)的微光學(xué)。Chip-on-submount裝置和相應(yīng)的微型光學(xué)可以廉價(jià)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(yùn)行墻上插座效率(>40%)耦合低系統(tǒng)成本從而導(dǎo)非常低的總成本。

    免維護(hù)操作：過(guò)去，工業(yè)激光器系統(tǒng)因他們的服務(wù)需求而臭名昭著。固態(tài)和二氧化碳激光器對(duì)燈、鏡子和氣體的使用壽命有極其嚴(yán)格的要求。過(guò)去微頻二極管激光器對(duì)用于冷卻系統(tǒng)水的電阻率、清潔率、水流率也有著嚴(yán)格規(guī)格要求。此外，環(huán)境狀況對(duì)通常對(duì)二極管激光器系統(tǒng)有著重大不利的影響。有機(jī)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(xué)、或光纖,從而導(dǎo)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(diǎn)，從而可以使系統(tǒng)提供了一個(gè)低成本總和一個(gè)最佳優(yōu)惠價(jià)格、運(yùn)行成本和可靠性。


     2.直接二極管激光器系統(tǒng)的進(jìn)展

     幾年來(lái)，二極管激光器系統(tǒng)已經(jīng)主要進(jìn)化為提高可靠性、減少服務(wù)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(tái)是怎么對(duì)工業(yè)激光器系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的重大影響。


     第一個(gè)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(guò)去的幾年里一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)。這些設(shè)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(zhǎng)。通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)檢查程序。然而，對(duì)于冷卻系統(tǒng)有非常嚴(yán)格要求。電阻率、清潔、流量和停滯期
用水冷卻降溫巴條對(duì)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(dǎo)致熱阻退化、增加結(jié)面溫度,引起波長(zhǎng)變化,最終導(dǎo)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(lái)將能導(dǎo)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(zhǎng)的熱變電阻強(qiáng)制用由于更高的運(yùn)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(dāng)二極管擴(kuò)張與界面層匹配和粘合硬焊接,該裝置操運(yùn)行可靠性連續(xù)波為成千上萬(wàn)小時(shí)。盡管盡管改進(jìn)了系統(tǒng)實(shí)施方便，但整體亮度和導(dǎo)電地冷卻巴條成本還有待于通過(guò)單一發(fā)射源基礎(chǔ)框架來(lái)進(jìn)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(zhǎng)腔二極管激光器可以以空前亮度高功率水平來(lái)運(yùn)行。我們的低成本超輻射二極管設(shè)備被挑選來(lái)替代不合規(guī)格的設(shè)備，使裝置平均在數(shù)萬(wàn)小時(shí)被測(cè)出失敗值。由于鈍化保持高操作效率高亮度，這些設(shè)備有一個(gè)特別的高操作線功率密度(超過(guò)100 mW /µm)。Cos設(shè)計(jì)即導(dǎo)致了缺失熱串又導(dǎo)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(shè)計(jì)，單一發(fā)射源包裝拉力顯著降低，從而允許這些裝置設(shè)備可以在沒(méi)有退化的脈沖模式中運(yùn)行。

      單一發(fā)射源優(yōu)勢(shì)工業(yè)設(shè)計(jì)極大地改進(jìn)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(yùn)行的可靠性。顯微鏡下單獨(dú)地裝置可以使
效率高，光設(shè)計(jì)更世界簡(jiǎn)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(jià)格。

     3.nLight 公司對(duì)工業(yè)激光器的處理方法
     對(duì)于使用高亮度激光器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(shè)備有一個(gè)最高效率超過(guò)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(gè)設(shè)備是很難焊接到相匹配的submounts和個(gè)別地被高功率篩選，加速老化高功率測(cè)試,嚴(yán)格的視覺檢測(cè)。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(gè)裝置在10 W光功率以超過(guò)60%效率運(yùn)行,FIT 率為1200(90%可信等級(jí)).

      為評(píng)估一個(gè)新的3.8mm腔長(zhǎng)二極管的可靠性,一直在進(jìn)行中的多元壽命測(cè)試試驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)3000小時(shí)來(lái)決定溫度、電流,功率加速因素,以及可靠運(yùn)行條件。 一個(gè)隨機(jī)故障加速模型可以用以下模型來(lái)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(diǎn)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(jī)故障（MTTF）被評(píng)估為超過(guò)80萬(wàn)小時(shí)，90%的可信度當(dāng)在10W 35度的條件下操作。MTTF值對(duì)應(yīng)故障(FIT)率在90%的可信水平的，運(yùn)行十億小時(shí)出現(xiàn)1200個(gè)故障。

     nLight公司已經(jīng)利用這些單一輻射源包裝來(lái)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(gè)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(yùn)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(xué)設(shè)計(jì)有效的形象的激光二極管激光到纖維、維護(hù)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(gè)包裝結(jié)果是一個(gè)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(lái)保持低接觸面溫度。這種機(jī)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(gè)二極管激光器都平行于快慢軸鏡片，導(dǎo)致了卓越的指向準(zhǔn)確和優(yōu)異的光填充因子。幾何發(fā)射源和相關(guān)的光學(xué)被安排在每個(gè)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(gè)發(fā)射源與快速橫向平行軸(FAC)和慢平軸(SAC)瞄準(zhǔn)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(lái)增加系統(tǒng)亮度。簡(jiǎn)單的聚焦透鏡有效的適當(dāng)?shù)臄?shù)值孔徑耦合平行光速。靈活的包裝方法適應(yīng)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(gè)可擴(kuò)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(guò)18MW / cm2-str已經(jīng)達(dá)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(guò)100 W的光功率成0.15NA、105µm光纖的能力。(右)一個(gè)激光器模塊具有超過(guò)120 W耦合成一個(gè)200µm,0.2 NA 的光纖能力。

     為測(cè)量這些包裝的可靠性進(jìn)行了,九個(gè)模塊在10x加速度條件下被測(cè)量(加速高溫和功率運(yùn)作)。 而激光激光器包裝測(cè)量的FIT率（1200FIT）和二極管激光器在終身測(cè)試套上所測(cè)試的FIT率（1150）相匹配，顯示出了缺乏包裝故障率（PIF）。這些設(shè)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(yīng)增加20% 偏置電流),在給定的加速因素下而激光激光器相當(dāng)于超過(guò)75000小時(shí)的操作下沒(méi)有模塊故障。類似包裝運(yùn)行在硬脈沖條件下,以 20ms上升下降。

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

     除了壽命測(cè)試，已經(jīng)超過(guò)20個(gè)模塊遭受惡劣環(huán)境下測(cè)試，包括10g vibe(all three axes),100g shock(all three axes),熱循環(huán)測(cè)試（-40 to 85 for 100循環(huán)），和高溫存儲(chǔ)器（90度存儲(chǔ)器為100小時(shí)）。熱循環(huán)后功率下降遠(yuǎn)端測(cè)量的光纖是 2-3%�？拐饻y(cè)試導(dǎo)致2%的功率退化，振動(dòng)測(cè)試導(dǎo)致了2 - 3%的功率退化。這些驗(yàn)證設(shè)備結(jié)果是根據(jù) Mil-Std-883, 顯示除了強(qiáng)大和復(fù)雜的設(shè)備設(shè)計(jì)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(shè)備利用幾個(gè)激光器模塊空降光速結(jié)合，從而使系統(tǒng)將超過(guò)500W的光功率（單一波長(zhǎng)和單一偏振）耦合到光速參數(shù)為30mm-mrad 超過(guò)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(gè)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(guò)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(lái)完成大于1000W的光功率。一個(gè)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(gè)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(zhǎng)光束組合達(dá)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(jī)械特點(diǎn)包括一個(gè)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(gè)激光器模塊。這個(gè)模塊還結(jié)合控制和驅(qū)動(dòng)電路，旨在為駕駛員提供詳細(xì)的狀態(tài)反饋并為模塊提供耐用和可靠的電力供應(yīng)。模塊是兼容的標(biāo)準(zhǔn)化纖維電纜。

     5. 光纖高功率激光系統(tǒng)

     作為一個(gè)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(guò)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(dá)到同時(shí)達(dá)到保持大約66%的亮度保護(hù)。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(dāng)使用光纖包捆時(shí)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(shí)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(duì)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(gè)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(gè)被耦合到以接近100mm-mrad BBP光纖包捆。這些模塊實(shí)現(xiàn)了以接近50%的效率超過(guò)2KW的輸出功率。這些結(jié)果在圖9中顯示。

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


     6.應(yīng)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(diǎn)包括沒(méi)有磨損面焊接微粒、最高成本效率、低機(jī)械應(yīng)力、,非接觸式的能量貢獻(xiàn)、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(duì)于焊接薄金屬能夠達(dá)到合理的焊縫的速率(> 1.5m/min), 導(dǎo)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(fèi)、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(yīng)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(jìn)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(tái)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。


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