Tema de cercetare

Fiber Laser – DIODE LASER DE PUTERE

Introducere

Diode laser de mare putere (>10 wați) sunt disponibile la lungimi de undă de la infraroșu apropiat până la aproximativ regiunea de 2000 nm. Cele mai comune dispozitive sunt în intervalul de la 808nm la 980nm. Utilizările obișnuite ale diodelor laser de mare putere includ pomparea mediului de câștig în laserele cu stare solidă, pomparea și însămânțarea cu laser cu fibre, prelucrarea materialelor, aplicațiile medicale și de detectare de securitate. Ele oferă o eficiență electrică până la optică bună de aproximativ 50%. Stilurile de ambalare variază foarte mult, de la module cuplate cu fibră la suporturi cu bară de cupru. Acest scurt articol este destinat să ajute cercetătorii și inginerii care sunt noi în domeniul diodelor laser de mare putere să înțeleagă o parte din terminologia de bază, precum și cele mai comune tipuri și tehnologii de ambalare.

o diodă laser este un dispozitiv semiconductor format din două materiale diferite. Unul este un material P și celălalt un material N. Materialele comune pentru diode laser includ indiu, galiu, arseniură și fosfură. Materialele P și N sunt îmbinate împreună și atunci când se aplică o polarizare electrică directă peste joncțiunea PN, această polarizare electrică face ca găurile și electronii respectivi din părțile opuse ale joncțiunii PN să se combine. Această combinație eliberează un foton în procesul fiecărei combinații. Suprafața joncțiunii PN are un finisaj similar cu o oglindă. Aceasta este denumită o cavitate. Pe măsură ce fotonii sunt eliberați, ei se propagă de-a lungul cavității și afară printr-o fațetă sau fațete. 

În scopul acestui studiu, am ales > 10 wați de putere de ieșire ca definiție pentru „putere mare”.

Lungimi de undă utilizate pentru aplicații de putere mare

Utilizările obișnuite ale diodelor laser de mare putere includ pomparea mediului de câștig în laserele cu stare solidă, pomparea și însămânțarea cu laser cu fibre, prelucrarea materialelor, aplicațiile medicale și de detectare de securitate. Iată un ghid pentru lungimile de undă care sunt cel mai frecvent utilizate în fiecare dintre aceste aplicații:

(DPSS) POMPE LASER STĂ SOLIDĂ:
Un laser cu stare solidă pompat cu diode, laserul DPSS, utilizează o diodă laser de mare putere pentru a pompa optic un mediu de câștig laser. Mediul de câștig este de obicei un cristal. Cristalul este produs sintetic din cauza purității necesare a materialului și a cerințelor de dopaj. Cristalele comune includ ND:YAG (și TI:Sapphire fiind cele mai comune.

·         808 nm

·         878,6 nm

·         940 nm

• 969 nm

POMPE LASER FIBRĂ:
Laserele cu fibră utilizează un laser de mare putere în intervalul 910 nm până la 980 nm pentru a excita ionii din elementele pământurilor rare, cum ar fi itterbiul sau erbiul, care au fost dopate în fibră. Fibra dopată generează apoi fotoni la lungimi de undă mai mari (în infraroșu) care se propagă prin fibra însăși.

·         976 nm

·         915 nm

LASERELE MEDICALE ȘI SURSE DE PROCESARE A MATERIALELOR DE DIODĂ DIRECTE:
Laserele estetice și medicale se bazează cel mai adesea pe un dispozitiv cu diodă directă sau pe un dispozitiv laser DPSS. Unele dintre lungimile de undă comune ale diodelor directe includ:

·         793 nm

·         795 nm

·         1064 nm

·         1470 nm

·         1940 nm

Tehnologii de diode laser de mare putere:

In general, diodele laser cu un singur emițător oferă până la aproximativ 12 wați de putere optică de ieșire. Pentru a obține niveluri de putere mai ridicate, sunt utilizate două abordări de ambalare pentru a combina mai multe fascicule cu un singur emițător într-un singur fascicul de ieșire de mare putere. Aceste două abordări sunt bare și module emițătoare cu mai multe cipuri. Termenii „bară” și „matrice” sunt de obicei interschimbabili. Ambele aceste tehnologii și abordări de ambalare au avantajele și dezavantajele lor. Dar în ultimii câțiva ani, modulele cu emițător cu mai multe cipuri au devenit din ce în ce mai frecvente datorită costurilor de producție mai mici și a percepției că ar putea oferi o fiabilitate mai bună pe termen lung.

Prima abordare menționată mai sus este de a monta mai multe cipuri de diodă laser cu un singur emițător pe o bară în paralel unele cu altele. Acestea sunt denumite cel mai frecvent „bare” sau „matrice”. Termenul „stiva” se referă de obicei la mai multe bare stivuite fizic și electric împreună pe verticală sau orizontală pentru a atinge niveluri de putere mult mai mari decât le poate atinge o singură bară. Cipurile de diode laser montate pe bară sunt polarizate electric în paralel unele cu altele. De exemplu, o ieșire de 80 de wați 985 nm bar ar putea avea 19 emițători unici montați unul lângă celălalt. Acest dispozitiv va necesita aproximativ 90 de amperi (~ 4,8 amperi fiecare) de curent și 2 volți de tensiune de conformitate. Cei 90 de amperi de curent sunt împărțiți în mod egal pentru a oferi fiecărei diode laser suficient curent de funcționare. Sunt necesari doi volți pentru polarizarea întregii bare. Fasciculele pot fi apoi combinate folosind un ansamblu de lentile colimatoare, precum și alte metode. Dispozitivul cu bară poate fi apoi ambalat într-un modul cuplat cu fibră sau este oferit „ca atare” ca un ansamblu de montare din cupru.

A doua abordare este de a conecta mai multe cipuri de diodă laser de mare putere cu un singur emițător în serie între ele și de a le monta într-un modul cuplat cu fibră. Există mai multe lentile în pachet pentru a combina fasciculele care sunt în cele din urmă cuplate în fibra de ieșire. Acestea sunt adesea denumite „emițători multi-singuri”. Pentru emițători multi-singuri, cipurile diodelor laser sunt conectate electric în serie în interiorul modulului. În acest caz, curentul de polarizare poate fi în esență același ca pentru un singur emițător, dar tensiunea trebuie să fie suficient de mare pentru a polariza întregul lanț de lasere conectat în serie. Este obișnuit ca emițătorii multi-singuri să necesite aproximativ 15 amperi și până la 30+ volți. Presupunând că fiecare emițător necesită 2 volți, aceasta înseamnă că există aproximativ 15 cipuri de diodă laser cu un singur emițător în interiorul pachetului.

Preturi pentru diodele laser de mare putere

Deoarece nu există multe informații despre prețul diodelor laser de mare putere disponibile online, poate fi destul de dificil să vă faceți o idee bugetară despre cât ar putea costa un anumit tip de dispozitiv. Pentru a vă ajuta, am întocmit o listă scurtă pentru a vă ajuta cel puțin să vă dați seama cât ar putea costa o „clasă” de diodă laser. Această listă este un ghid aproximativ al prețurilor în funcție de stilul pachetului și puterea de ieșire pentru dispozitivele 808, 915, 940, 980nm. Vă rugăm să rețineți că, pe măsură ce puterea de ieșire devine mai mare, delta de preț de la producător la producător tinde să crească foarte mult. Este obișnuit să obțineți diferențe de preț cu mult peste 50% în funcție de producător.

Mulți producători oferă două tipuri diferite de pachete cu fibre cuplate. Din lipsa unor termeni specifici acceptați în industrie, ne vom referi la unul ca un modul „de bază” cu fibră cuplată și al doilea ca un modul „avansat” cu fibră cuplată. Modulul de bază cuplat cu fibră este de obicei un dispozitiv cu emițător multiplu (vezi secțiunea de mai sus) cu o fibră fixă ​​pe pachet și fără conector. Este destinat mai mult clienților OEM de volum care vor integra laserul în sistemul lor.

Al doilea tip de pachet este un modul „avansat”. Modulul avansat se află într-un pachet de amprentă mai mare care include opțiuni precum răcirea integrată, un laser pilot și o fotodiodă pentru monitor, precum și alte caracteristici disponibile. Modulul avansat poate găzdui o bară cuplată cu fibră (vezi secțiunea de mai sus) sau poate fi un dispozitiv emițător cu mai multe cipuri. Este destinat mai mult clienților cu volum redus care au nevoie de funcțiile suplimentare ale modulelor pentru aplicațiile lor

Vă rugăm să rețineți că, spre deosebire de majoritatea diodelor laser de putere redusă, prețurile pentru dispozitive comparabile de mare putere vor varia foarte mult (uneori cu un factor de 2 sau mai mult) în funcție de producător . Acesta este motivul pentru care gama de prețuri afișată mai jos este mare

Pachete cuplate fibră 5w (cw).

Modul cuplat cu fibră „de bază” de 5 wați:
- 250 USD până la 500 USD
- 808, 915, 940, 980 nm / fibră fixă, fără conector
- fără cooler, fără laser pilot sau PD

Modul „avansat” cuplat cu fibră de 5 wați:
- 1.000 USD până la 1.500 USD
- 808, 915, 940, 980nm / fibră detașabilă
- răcitor integrat, laser pilot și monitor PD

Pachete cuplate fibră 5w (cw).

Modul cuplat cu fibră „de bază” de 10 wați:
- 350 USD până la 600 USD
- 808, 915, 940, 980 nm / fibră fixă, fără conector
- fără cooler, fără laser pilot sau PD

Modul „avansat” cuplat cu fibră de 10 wați:
- 1.500 USD până la 2.000 USD
- 808, 915, 940, 980 nm / fibră detașabilă
- răcitor integrat, laser pilot și monitor PD

Pachete cuplate fibră 50w (cw)

Modul cuplat cu fibră „de bază” de 50 W:
- 1.200 USD până la 1.800 USD
- 808, 915, 940, 980 nm / fibră fixă, fără conector
- fără cooler, fără laser pilot sau PD

Modul „avansat” cuplat cu fibră de 50 W:
- 2.000 USD până la 3.000 USD
- 808, 915, 940, 980nm / fibră detașabilă
- răcitor integrat, laser pilot și monitor PD

80w (cw) bar / matriz

80 Watt Bar / Array:
- 600 $ până la 800 $
- 808, 915, 940, 980nm / suport de bară de cupru CCS/CP
- fără răcitor, fără optică

Pachete cuplate fibră 100w (cw).

Modul cuplat cu fibră „de bază” de 100 W:
- 2.000 USD până la 3.000 USD
- 808, 915, 940, 980 nm / fibră fixă, fără conector
- fără cooler, fără laser pilot sau PD

Modul „avansat” cuplat cu fibră de 100 W:
- 4500 USD până la 6000 USD
- 808, 915, 940, 980nm / fibră detașabilă
- răcitor integrat, laser pilot și monitor PD

Pachete cuplate fibre de 200w (cw

Modul cuplat cu fibră „de bază” de 200 W:
- 2.500 USD până la 3.500 USD
- 808, 915, 940, 980 nm / fibră fixă, fără conector
- fără cooler, fără laser pilot sau PD

Modul „avansat” cuplat cu fibră de 200 W:
- 10.000 USD până la 15.000 USD
- 808, 915, 940, 980nm / fibră detașabilă
- răcitor integrat, laser pilot și monitor PD

Lista tuturor producătorilor de diode laser de mare putere (în ordine alfabetică)

·         Aerodioda

·         BWT

·         Coerent

·         DILAS (parte din Coherent)

·         Focuslight

·         Jenoptik

·         Fotonica intensă

·         Leonardo (fostul Lasertel)

·         Lumentum (fost JDSU)

·         Lumics

·         nLumină

·         CEO Northrop Grumman

·         PhotonTEC Berlin

·         Lasere QPC

·         Quantel

·         RealLight

·         Seminex

·         Laser Xinghan

Bibliografie

·                     1] Nagaatsu Ogasawara. Lasere, semiconductoare. Raport tehnic, Nagaatsu Ogasawara University of Electro-Communications, www.pro-physik.de/Phy/pdfs/OE042_1.pdf.

·                     [2] SOKasap. Optoelectronica. Prentice Hall, 1 ediție, 1999.

·                     [3] Carl Hepburn. Ghidul lui Britney pentru fizica semiconductorilor. http://www.britneyspears.ac/lasers.htm.

·                     [4] Scott W. Corzine Larry A. Coldren. Lasere cu diode și circuite integrate fotonice. John Wiley & Sons, ediția a 3-a, 1995.

·                     [5] Mark Fox. Proprietăți optice ale solidelor. Oxford University Press, 2001.

·                     [6] MC Teich BEA Saleh. Fundamentele Fotonicii. Wiley, New York, 1 ediție, 1991.

·                     [7] Shane Eaton. Laser semiconductor cu feedback distribuit.

·                     [8] DEPARTAMENTUL DE FIZICĂ și FIZICĂ APLICATĂ. laborator an 3/4.

·                     [9] Ammon Yariv. Electronică cuantică. John Wiley & Sons, ediția a treia, 1989.

·                     [10] Richard Scheps. Lasere cu stare solidă pompate cu diodă laser. SPIE Press, 2002.

·                     [11] Niloy K. Dutta Govind P. Agrawal. Lasere cu semiconductor. Van Nostrad Reinhold, ediția a 2-a, 1993.

·                     [12] KJ Ebeling. Integrierte Optoelektronik. Springer Verlag, 1989.

·                     [13] Dirk Jansen. Optoelektronik. Vieweg Verlag, 1993.

·                     [14] Universitatea din Stuttgart. http://www.physik.uni-stuttgart.de/ExPhys/4. Phys.Inst./Forschung/VCSEL/vcsel.html.

·                     [15] http://whatis.techtarget.com/. laser emițător de suprafață cu cavitate verticală.