二极管激光器进一步提升效率和可靠性

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.