二极管激光器进一步提升效率和可靠性
文/Andreas Thoss，THOSS Media
Matthias Schröder，Marco Koschorreck; Jenoptik Laser
高功率二极管激光器已经成为工业激光技术的主力军：它们是光纤激光器的核心器件；它们是碟片激光器和其他固态激光器的泵浦源；并且它们也正在越来越多地直接用于工业应用中。
工业用户对二极管激光器的优先考虑，促进了二极管激光器的发展，其关键性能指标通常以每瓦成本表示。在相当长的一段时间内，二极管激光器无论在商用数量上还是在自身质量上，与此同时其在性能上也实现了重要提升，从而实现了很多新的应用。二极管激光器仍然在向前发展，特别是在效率、峰值功率、亮度和发射光谱范围方面。学术研究已取得了新的性能记录，包括在1kW时获得超过60％的转换效率，以及通过1cm巴条实现超过1.5kW的功率输出。[1]
图1：新的二极管激光器可以实现400W以上的功率输出；但是其选择在约275W的功率下工作，以实现最大的转换效率。
Electro-optical data：电光数据
Optical power：光功率
Nominal power：标称功率
New Jenoptik diode laser design：Jenoptik新的二极管激光器设计
Previous Jenoptik diode laser design：Jenoptik之前的二极管激光器设计
被动冷却巴条输出275W功率
要进一步提高输出功率，需要复杂的设计考虑，就最重要的而言，包括材料、固体物理、热工艺和光学器件。而且，尽管可以优化激光器系统以实现更高的输出功率，但这不能与其他参数（例如寿命、效率和光束质量）的优化分开实现。
基于数十年的研究，Jenoptik公司开发出了一种新型模块化二极管激光器，该激光器采用被动冷却方式，适用于硬脉冲（hard-pulse，其中激光器以大约1s的时间周期在开、关状态之间循环）和连续波（CW）条件。该激光器在输出功率超过400W的状态下接受了测试（见图1）。但是在实际应用中，该激光器的输出功率设置为275W，以确保60％的最高功率转换效率，以及最长的使用寿命。
与其他制造商的二极管激光器相比，Jenoptik这款新型二极管激光器的输出功率增加了一倍以上；与Jenoptik之前的产品相比，其输出功率提高了40％以上。取得上述进展，主要是改变冷却机制的结果（见图2）。新设计中采用了双面冷却配置，其中热沉延伸到实际出射面之外。热传导过程的数值模拟，显示了实际条件下二极管激光器中的温度分布。
图2：Jenoptik以前的（a）和新的（b）二极管激光器设计，在功耗为200W时进行数值分析的图形结果；以前的系统升温到76°C，而新系统温度保持在最高68°C。
Temp：温度
在室温下，在200W的热负荷（对应于275W的光学输出功率）和冷却板的热阻为0.05K/W的情况下，Jenoptik之前的设计升温到最高76°C，而新设计的最高温度仅为68°C。
非焊接式连接提高可靠性
二极管通过硬质合金固定在其铜热沉上，以在电源开关时具有很高的稳定性。根据驱动电子器件的不同，二极管激光器可以“硬脉冲”运行，也就是说，可以在没有技术限制的情况下，反复地关闭和打开至其最大功率。
将砷化镓（GaAs）激光巴条安装到铜热沉上的传统方法是使用铟焊接。铜作为热沉材料的优点是众所周知的，这些优点包括高热导率、低成本和易于加工。但是使用铜热沉存在的问题是，铜和GaAs两者的热膨胀系数（CTE）差异很大（换句话说，就是铜和GaAs的CTE不匹配）。当系统改变温度时，CET不匹配就会导致机械应力。这就需要铟具有极好的柔软性和延展性，以防止焊接后冷却时GaAs断裂。但是，正是铟的这些柔软且易延展的特性，导致了焊点在硬脉冲条件下的疲劳。
Jenoptik使用一种新颖的方法，实现了更加强大的金属连接。这种方法采用了一种新结构，其在两个金属缓冲层之间使用了一个非焊接式金属连接层（见图3）。接合材料的强度使其可以抵抗硬脉冲运行产生的应力，从而可以使用铜做热沉。
图3：电子显微镜图像显示了激光二极管和热沉之间的界面处的金属结构。
GaAs bulk material：GaAs体材料
Active laser structure：激活激光结构
Metallic buffer layer：金属缓冲层
Non-soldered metallic joining layer：非焊接金属连接层
Copper heatsink：铜热沉
功率提升到数千瓦
装配技术和新的冷却机制，使得该二极管激光器可以采用被动冷却模式。该激光器模块的大小约为一平方英寸（约6.45cm2），非常适合由大量单独的二极管巴条来创建二极管阵列。这些二极管激光器的典型用例是作为模块，叠加为功率高达10kW的高功率系统。
Jenoptik已经设计了一个测试模块，其总长度为104mm，宽度为36mm（带冷却连接头为54mm）。它由四个二极管巴条和一个用于额外水冷的冷却元件组成（见图4）。作为比较，使用常规80W巴条的类似设置将需要大约14个巴条加上冷却。
图4：由四个二极管巴条制成的1kW模块，尺寸大小仅为10cm×5cm。
从材料加工到医疗保健应用
这项新技术使尺寸小巧的简单模块可以用于各种材料加工任务，例如切割、焊接和钎焊。诸如激光清洗之类的新应用，可能会立即受益于节省50％的外形尺寸和更简单的系统。
除了材料加工外，还有很多其他应用能够从这些激光器的高功率中受益，例如激光打印和打标。医疗保健领域的应用通常不依赖于最高可用功率，在这类应用中，激光器的使用寿命更为重要，因此可以通过在较低的功率水平运行，来大幅延长其使用寿命。此外，在医疗应用中，二极管激光器还可以通过光纤耦合输出，将功率输送到患者的治疗点。
参考文献：
1. P. Crump and A. Thoss, “Diode Lasers: Research gives high-power diode lasers new capabilities,” Laser Focus World, 55, 1, 77–80 (Jan. 2019); http://bit.ly/ThossRef1.