Лазерный мир

Х.Киссел, В.Фасбендер, Й.Неукам, П.Крамп, Т.Топфер // Журнал Фотоника, 1,2015, с: 44-59

Представлены данные о производительности и надежности высокомощных диодных решеток, работающих в квазинепрерывном режиме (QCW). Показано, как можно повысить эффективность работы и выходную мощность при повышенных до 45°С температурах теплоотвода без активного водяного охлаждения и без использования элементов Пельтье.

The performance and reliability data of high-brightness QCW arrays are presented.Operation at increased heat sink temperatures up to 45 °C is possible without active water cooling or conduction cooling with the help of Peltier elements.
We present performance and reliability data of high-brightness QCW arrays with a custom, compact and robust design for an operation
with high duty cycles. The general design is based on single diodes consisting of a 1cm laser bar that is AuSn soldered between two CuW submounts. Arrays of up to 15 diodes are connected to ceramic base plates on different heat sinks. The available optical peak power strongly depends on the wavelength and fill factor of the laser bars as well as on the duty cycle, the base plate temperature and the thermal onductivity of the applied ceramic materials. Operation at increased heat sink temperatures up to 45 °C is possible without active water cooling or conduction cooling with the help of Peltier elements. Novel laser diodes allow for more efficient operation and higher optical output powers.

Исследуемые модули диодных сборок повышенной мощности были разработаны под заказ. Высокая компактность и надежность конструкции позволяет использовать QCW-массивы в условиях длительных рабочих циклов. Основной элемент конструкции массива – периодическая структура (диодная линейка), представляющая сборку из одиночных лазерных диодов. Эти элементы имеют размер 1 см, выполнены с электродами из сплава AuSn. Они расположены между двумя теплоотводами в виде слоев из сплава CuW. Массив из 15 дидных модулей, также как и одиночный бар, размещались на керамических пластинах с различными показателями теплоотвода. Результаты показывают, что выходная мощность лазерного излучения строго зависит от длины волны, на которой излучает диодные сборки, плотности упаковки[1] диодов в массиве, длительности работы, температуры и теплопроводности керамической подложки. Показано, что эксплуатация при температурах подложки до 45°C возможна и без применения водяного охлаждения или элементов Пельтье. Новая конструкция массива способствует увеличению мощности и более эффективной работе. Введение

Термин «квазинепрерывный режим работы» лазерного диода означает, что лазерный источник накачки находится в состоянии «включено» в течение коротких интервалов времени. Их длительность является настолько короткой, насколько это необходимо для снижения эффектов, связанных с выделением тепла в структуре, но все же достаточно длительными для стабильного излучения, близкого к непрерывному. Обычно коэффициент заполнения[2] соответствует нескольким процентам, что значительно снижает нагрев и все связанные с этим тепловые эффекты, такие как термическое линзирование [1] и выход из строя в результате перегрева [2]. Поэтому работа в квазинепрерывном режиме приводит к повышению пиковой мощности за счет падения средней мощности. Таким образом, модуль охлаждения QCW-массива обычно разрабатывается для небольших тепловых нагрузок. Источники могут располагаться более близко к модулю охлаждения с целью получения высокой мощности излучения благодаря более компактному расположению. Такое решение оказывается более выгодным в сравнении с массивами, где используется микроканальное охлаждение или CS-корпус [3].

Квазинепрерывные лазерные линейки и массивы широко используются во многих сферах: в промышленности, медицине, науке, космосе, обороне, включая дальнометрию, целеуказание. В зависимости от решаемых задач энергия и длительность импульса могут варьироваться в широком диапазоне, в соответствии с ними меняется и качество луча. Требования к мощности излучения, частоте повторения импульсов и коэффициенту заполнения существенно зависят от приложения. Появились новые задачи, решения которых требуют более продолжительного времени службы, компактности, повышения длительности импульса, работы при повышенных температурах при наличии слабого охлаждения или даже при его отсутствии [4, 5]. Для этих целей мы разработали специальные QCW-массивы, обладающие компактностью и надежностью, возможностью варьирования числа лазерных линеек в массиве, габаритов, материала подложки, а также ее конфигурации для совмещения с системой охлаждения.

Принципиальная схема
лазерного модуля

На рис.1 слева представлена схема сборки, состоящей из лазерных диодов, излучающих в квазинепрерывном режиме. Ключевая особенность данной конструкции – заданное (по индивидуальному проекту) число лазерных модулей (на схеме отмечены синим цветом), вставленных между двумя слоями сплава CuW (выделены оранжевым цветом), обладающих схожим температурным коэффициентом расширения. Данные модули расположены на электроизолирующей керамической подложке (выделена серым цветом) со специальным контактным слоем (выделен желтым цветом) с использованием легкоплавкого припоя. Заданные размер и форма керамической подложки позволяют легко адаптировать массив под различные активные и пассивные элементы охлаждения (выделены коричневым цветом). Важным преимуществом разработанной конструкции является улучшенное охлаждение через заднюю часть керамической подложки. Миниатюрные элементы, расположенные по бокам упаковки лазерных модулей, являются термисторами [3] для контроля изменения температуры во время работы. На фотографии справа (см. рис.1) показан QCW-массив в натуральную величину с одним лазерным стержнем и немного измененной формой подложки, состоящей из аналогичного материала.

Конструкция сборки обеспечивает ее надежную работу в квазиимпульсном режиме при длительной эксплуатации и повышенной температуре подложки. Эти достоинства обеспечены благодаря следующим особенностям сборки:

Лазерны модули, помещенные внутри слоев из сплава CuW, разделены между собой определенным воздушным промежутком. Это позволяет изолировать их друг от друга и механически, и термически.

Слой CuW работает как теплорассеиватель (теплоотвод), при этом каждый модуль термически соединен с керамической подложкой. Выделяемое тепло (в результате движения зарядов в гетероструктуре и безызлучательной рекомбинации) удаляется более эффективно, так как оно рассеивается на большие площади, что приводит к снижению температуры p-n перехода. Как результат – повышение надежности и увеличение времени допускаемой длительности работы в более широком интервале температур.

Отдельные контакты для каждого лазерного модуля спроектированы специально для минимизации электрического сопротивления. Это ведет к снижению выделения тепла по сравнению с другими конструкциями.

В сравнении с массивами с плотной упаковкой без дополнительных теплоотводных слоев между лазерными излучателями, в данной конструкции каждый модуль, состоящий из лазерного излучателя и двух боковых CuW-слоев, можно отдельно протестировать перед припаиванием к контактной площадке.

Лазерные модули имеют электроды, выполненные из сплава AuSn. Данный материал используется для целей защиты от термо- [6] и электромиграции [7] (известно, что эти явления присущи легкоплавким припоям, таким как индий, что ограничивает срок службы лазерных массивов).

Каждый лазерный модуль в массиве расположен между двумя слоями CuW, обладающими одинаковой величиной коэффициента теплового расширения (что позволяет снизить эффекты механического напряжения в структуре, а также уменьшить эффект расхождения центров лазерных модулей друг относительно друга[4]).

Специальная конструкция массива позволяет просто и эффективно сформировать сечение луча требуемой формы, используя коллиматор быстрой оси для всех баров, а также коллиматор медленной оси[5], в особенности для стержней с малой плотностью упаковки. Далее становится возможным заведение луча в оптоволокно.

Диодным сборкам с описанными выше характерными особенностями, было дано название С-массивы. Компания DILAS Diodenlaser GmbH предлагает широкий выбор С-массивов для подложек со специальными размерами, которые изготавливаются под заказ. Массивы могут включать в себя от 1 до 15 лазерных модулей, длина резонатора может достигать 2 мм. Существует возможность варьировать длину волны выходного излучения – диапазон от 766 до 1550 нм. Можно изготавливать многоволновые (многочастотные) стеки, с минимальным шагом между резонаторами в 1,7 мм, с различным типом охлаждения: к примеру, если при эксплуатации отсутствует вода или не применяется термоэлектрический метод. Возможна разработка многоволновых массивов по индивидуальному техническому заданию.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4502_566.pdf