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。我們介紹一個建筑框架,標(biāo)準結(jié)果對于 以單一發(fā)射源為基礎(chǔ)的kW級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%的速率在運行。nLight 公司為這些系統(tǒng)使用多種類構(gòu)建模塊：一個100W,105µm,0.14NA，泵輔模塊9xx nm；一個600W,30 mm-mrad單一波長，單偏振構(gòu)建模塊源；140W 20 mm-mard 低成本模塊。構(gòu)建模塊被選為實現(xiàn)亮度和成本目標(biāo)所需的應(yīng)用。我們也證實了當(dāng)正常使用系統(tǒng)最大化時，效率和可靠性是怎么被設(shè)計為減少運行和服務(wù)成本。此外， 我們也通過在8xx,9xx 和15xx nm 演示系統(tǒng)，從而證實了系統(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。
    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)化進行。使用 CW 直接二極管激光器系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢包括：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，減少系統(tǒng)成本，實質(zhì)上是免維護操作，這些模塊代表著最低成本設(shè)備所有權(quán)，對客戶來說具有最高價值。


     二極管激光器的主要優(yōu)點：

     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哌\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。

    免維護操作：過去，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燈、鏡子和氣體的使用壽命有極其嚴格的要求。過去微頻二極管激光器 對用于冷卻系統(tǒng)水的電阻率、清潔率、水流率也有著嚴格規(guī)格要求。此外，環(huán)境狀況對通常對二極管激光器系統(tǒng)有著重大不利的影響。有機殘留物、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，從而可以使系統(tǒng)提供了一個低成本總和一個最佳優(yōu)惠價格、運行成本和可靠性。


     2.直接二極管激光器系統(tǒng)的進展

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


     第一個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去的幾年里一直在穩(wěn)步增長。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。通過光子束、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)準檢查程序。然而，對于冷卻系統(tǒng)有非常嚴格要求。電阻 率、清潔、流量和停滯期
用水冷卻降溫巴條對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)增長的熱變電阻強制 用由于更高的運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)二極管擴張與界面層匹配和粘合硬焊接,該裝置操運行可靠性連續(xù)波為成千上萬小 時。盡管盡管改進了系統(tǒng)實施方便，但整體亮度和導(dǎo)電地冷卻巴條成本還有待于通過單一發(fā)射源基礎(chǔ)框架來進一步改善。

      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,長腔二極管激光器可以以空前亮度高功率水平來運行。我們的低成本超輻射二極管設(shè) 備被挑選來替代不合規(guī)格的設(shè)備，使裝置平均在數(shù)萬小時被測出失敗值。由于鈍化保持高操作效率高亮度，這些設(shè)備有一個特別的高操作線功率密度(超過100 mW /µm)。Cos設(shè)計即導(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，單一發(fā)射源包裝拉力顯著降低，從而允許這些裝置設(shè)備可以在沒有退化的脈 沖模式中運行。

      單一發(fā)射源優(yōu)勢工業(yè)設(shè)計極大地改進了工業(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行的可靠性。顯微鏡下單獨地裝置可以使
效率高，光設(shè)計更世界簡單。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，和低成本的價格。

     3.nLight 公司對工業(yè)激光器的處理方法
     對于使用高亮度激光器系統(tǒng)來說，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)備有一個最高效率超過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公司的每個設(shè)備是很難焊 接到相匹配的submounts和個別地被高功率篩選，加速老化高功率測試,嚴格的視覺檢測。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。這樣的一個裝置在10 W光功率以超過60%效率運行,FIT 率為1200(90%可信等級).

      為評估一個新的3.8mm腔長二極管的可靠性,一直在進行中的多元壽命測試試驗長達3000小時來決定溫度、電流,功率加速因素,以及可靠運行條件。 一個隨機故障加速模型可以用以下模型來表述，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, 平均隨機故障（MTTF）被評估為超過80萬小時，90%的可信度當(dāng)在10W 35度的條件下操作。MTTF值對應(yīng)故障(FIT)率在90%的可信水平的，運行十億小時出現(xiàn)1200個故障。#p#分頁標(biāo)題#e#

     nLight公司已經(jīng)利用這些單一輻射源包裝來生產(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)計有效的形象的激光二極管激光到纖維、維護單一發(fā)射源二極管激光器的高亮度和高系統(tǒng)效率。這個包裝結(jié)果是一個依據(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)良的熱路徑來保持低接觸面溫度。這種機械安排把發(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。每一個發(fā)射源與快速橫向平行軸(FAC)和慢平軸(SAC)瞄準鏡, 結(jié)合柱空間菱形鏡的輻射源. 如果愿意,偏振器件可以用來增加系統(tǒng)亮度。簡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)線被用作一個可擴展的為創(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18MW / cm2-str已經(jīng)達到了使用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100 W的光功率成0.15NA、105µm光纖的能力。(右)一個激光器模塊具有超過120 W耦合成一個200µm,0.2 NA 的光纖能力。

     為測量這些包裝的可靠性進行了,九個模塊在10x加速度條件下被測量(加速高溫和功率運作)。 而激光激光器包裝測量的FIT率（1200FIT）和二極管激光器在終身測試套上所測試的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75000小時的操作下沒有模塊故障。類似包裝運行在硬脈沖條件下,以 20ms上升下降。

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

     除了壽命測試，已經(jīng)超過20個模塊遭受惡劣環(huán)境下測試，包括10g vibe(all three axes),100g shock(all three axes),熱循環(huán)測試（-40 to 85 for 100循環(huán)），和高溫存儲器（90度存儲器為100小時）。熱循環(huán)后功率下降遠端測量的光纖是 2-3%。抗震測試導(dǎo)致2%的功率退化，振動測試導(dǎo)致了2 - 3%的功率退化。這些驗證設(shè)備結(jié)果是根據(jù) Mil-Std-883, 顯示除了強大和復(fù)雜的設(shè)備設(shè)計和制造。

    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)備利用幾個激光器模塊空降光速結(jié)合，從而使系統(tǒng)將超過500W的光功率（單一波長和單一偏 振）耦合到光速參數(shù)為30mm-mrad 超過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)物料來完成大于1000W的光功率。一個原型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)。該裝置利用波長光束組合達到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。


     機械特點包括一個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 激光器模塊。這個模塊還結(jié)合控制和驅(qū)動電路，旨在為駕駛員提供詳細的狀態(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)準化纖維電纜。

     5. 光纖高功率激光系統(tǒng)

     作為一個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到同時達到保持大約66% 的亮度保護。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個被耦合到以接近100mm-mrad BBP光纖包捆。這些模塊實現(xiàn)了以接近50%的效率超過2KW的輸出功率。這些結(jié)果在圖9中顯示。

 圖9 .一個原型展示19元素光纖包捆達到2千瓦光輸出功率。這個光纖包捆束被打包成一個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)點包括沒有磨損面焊接微粒、最高成本效 率、低機械應(yīng)力、,非接觸式的能量貢獻、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。對于焊接薄金屬能夠達到合理的焊縫的速率 (> 1.5m/min), 導(dǎo)致高品質(zhì)巴特。#p#分頁標(biāo)題#e#

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、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。

參考文獻

[1] R. Huelsewede, H. Schultze, J. Sebastian, D. Schroeder, J. Meusel, J. Wolf, P. Hennig, “Optimized highpower

diode laser, laser arrays, and bars for pump applications,” Proc. SPIE 7198, 71980A (2009).

[2] H. Koenig, G. Groenninger, C. Lauer, A. Hammer, J. Maric, U. Strauss, H. Kissel, “Brilliant low-fill-factor

diode laser bars at 9xx nm for fiber coupling,” Proc. SPIE 7198, 719803 (2009).

[3] D. Balsley, D. Dawson, R. Johnson, R. Martinsen, “Long-term wavelength stability of high-power laser

diode bars on microchannel coolers,” Proc. SPIE 7198, 71980J (2009).

[4] G. Teusch, R. Srinivasan, D. Brown, R. Miller, J. Harrison, “Reliability of water cooled high power diode

laser modules,” Proc. SPIE 5711, 121-131 (2005).

[5] D. Schulte, et al., “Modular diode laser assembly,” US Patents 7420996, 7436868, and 7443895.

[6] http://www.nlight.net/diodes/family/1~Pearl-HighPower-FiberCoupled-Modules