摘要：以激光器为基础的直接半导体二极管系统，已成为首选工具从事在广泛的材料加工、固态光纤激光器泵辅和各种军事应用中。我们介绍一个建筑框架，标准结果对于以单一发射源为基础的kW-class 激光器工具从事在广泛的输出 功率（500W到 multiple kW），光束参数产品（20 到 100 mm-mrad）在系统中以接近50%的速率在运行。nLight 公司为这些系统使用多种类构建模块：一个100W，105µm，0.14NA，泵辅模块9xx nm；一个600W，30 mm-mrad单一波长，单偏振构建模块源；140W 20 mm-mard 低成本模块。构建模块被选为实现亮度和成本目标所需的应用。我们也证实了当正常使用系统最大化时，效率和可靠性是怎么被设计为减少运行和服务成本。此外，我们也通过在8xx，9xx 和15xx nm 演示系统，从而证实了系统的灵活性。最后，我们研究了二极管的可靠性，FIT率需求和包装影响系统的稳定性。
1.介绍
以激光器为基础的直接半导体二极管系统，已成为首选工具从事在广泛的材料加工、固态光纤激光器泵辅和各种军事应用中。硬化、钎焊、涂层、焊接金属、塑料焊接都是由直接二极管激光器优化进行。使用 CW 直接二极管激光器系统技术优势包括：二极管激光器与YAG激光器相比具有更高吸收能力，连续调整的输出功率（0-100%），和以特制的光束外形均匀光纤的传输。当耦合效率优势，减少系统成本，实质上是免维护操作，这些模块代表着最低成本设备所有权，对客户来说具有最高价值。
二极管激光器的主要有点：
效率：直接二极管激光器系统不遭受量子缺陷，电源转换损失光纤和固态激光器，导致了更高 的激光系统效率。提出了在微光学和光束结合有效耦合援助二极管的光线进入到交货光学纤维，具有光学效率值大于85%。因此，二极管激光器系统墙上插座效率是不可超越的。
成本：二极管激光器系统主要成本来源于二极管激光源于激光和相应的微光学。Chip-on-submount装置和相应的微型光学可以廉价制造。此外，高效地将光从二极管激光器耦合到光纤，减少了由于未被利用光而产生的附加损耗。总之，高运行墙上插座效率（》40%）耦合低系统成本从而导非常低的总成本。
免维护操作：过去，工业激光器系统因他们的服务需求而臭名昭著。固态和二氧化碳激光器对灯、镜子和气体的使用寿命有极其严格的要求。过去微频二极管激光器对用于冷却系统水的电阻率、清洁率、水流率也有着严格规格要求。此外，环境状况对通常对二极管激光器系统有着重大不利的影响。有机残留物、碎片、和水凝结都可以污染二极管、光束聚焦、聚焦光学、或光纤，从而导致热量吸收、氧化，最终使系统出现故障。
nLight公司的工业激光器系统以单一发射源技术为基础集聚了所有重点，从而可以使系统提供了一个低成本总和一个最佳优惠价格、运行成本和可靠性。
2.直接二极管激光器系统的进展
几年来，二极管激光器系统已经主要进化为提高可靠性、减少服务需求、使成本更低、提高系统性能。在这里我们证明了选择二极管激光器平台是怎么对工业激光器系统稳定性和性能的重大影响。
第一个高功率二极管激光仪器是以微频支棱激光仪器为基础。这些装置可利用的功率和亮度过去的几年里一直在稳步增长。这些设备证明了出色的高功率性能，保证了在功率和亮度方面持续增长。通过光子束、均匀化和塑造，这些系统为高功率二极管激光器系统安装了标准检查程序。然而，对于冷却系统有非常严格要求。电阻率、清洁、流量和停滞期用水冷却降温巴条对二极管的可靠度和性能有着显著影响。腐蚀和离子沉积也能导致热阻退化、增加结面温度，引起波长变化，最终导致二极管出现故障。为克服高频冷却巴条所存在的弊端，接下来将能导电地冷却二极管激光器巴条发展成提供高频率激光器巴条、直接冷却需求和提高稳定行。这些系统持续增长的热变电阻强制用由于更高的运行接触面温度而减少二极管亮度的低填充巴条。然而，当二极管扩张与界面层匹配和粘合硬焊接，该装置操运行可靠性连续波为成千上万小时。尽管尽管改进了系统实施方便，但整体亮度和导电地冷却巴条成本还有待于通过单一发射源基础框架来进一步改善。
单一发射源二极管激光器系统代表了激光二极管性能和可靠性的顶峰。钝化后，长腔二极管激光器可以以空前亮度高功率水平来运行。我们的低成本超辐射二极管设备被挑选来替代不合规格的设备，使装置平均在数万小时被测出失败值。由于钝化保持高操作效率高亮度，这些设备有一个特别的高操作线功率密度（超过100 mW /µm）。Cos设计即导致了缺失热串又导致了缺失光笑， 使制作精湛的快速轴横向成为可能。由于芯片尺寸小和热膨胀系数相匹配的Cos设计，单一发射源包装拉力显著降低，从而允许这些装置设备可以在没有退化的脉冲模式中运行。
单一发射源优势工业设计极大地改进了工业二极管激光器系统。这种系列二极管激光器减少工作电流及脉冲功率调整使快速在保留二极管运行的可靠性。显微镜下单独地装置可以使效率高，光设计更世界简单。真空密封的盒子可以消除盒子中冷凝模式以及包装引发的失败。所有的特性致使系统具有优异的效率，可靠的性能，和低成本的价格。
3.nLight 公司对工业激光器的处理方法
对于使用高亮度激光器系统来说，nLight 公司正在研发100µm发射源孔隙， 9xx nm的单一发射源二极管激光器，10W 976nm。这些设备有一个最高效率超过65%，有98%的极化纯度偏振耦合效率，操作在10W功率以60%的效率。nLight公司的每个设备是很难焊接到相匹配的submounts和个别地被高功率筛选，加速老化高功率测试，严格的视觉检测。典型的LIV曲线显示在图1中。
图1.LI和效率曲线显示出单一发射源二极管激光器在nLight公司的发展。
这样的一个装置在10 W光功率以超过60%效率运行，FIT 率为1200（90%可信等级）。
为评估一个新的3.8mm腔长二极管的可靠性，一直在进行中的多元寿命测试试验长达3000小时来决定温度、电流，功率加速因素，以及可靠运行条件。一个随机故障加速模型可以用以下模型来表述，其中突然失效F由二极管电流I加速引起，光输出功率P和接点温度Tj：
使用热激发能量EA=0.45eV， 电流加速指数 m=2.5， 功率加速指数 n=2.5， 平均随机故障（MTTF）被评估为超过80万小时，90%的可信度当在10W 35度的条件下操作。MTTF值对应故障（FIT）率在90%的可信水平的，运行十亿小时出现1200个故障。
nLight公司已经利用这些单一辐射源包装来生产光纤耦合多种单一发射源包装专利。该产品是基于单一辐射源高功率的广泛领域，在一个自由的空间结合优雅而便宜的方式。单辐射源是能够运行在高线性功率密度， 增加二极管激光器系统的亮度。
最后，利用光学设计有效的形象的激光二极管激光到纤维、维护单一发射源二极管激光器的高亮度和高系统效率。这个包装结果是一个依据光效率和系统亮度不可超越的系统。
发射源以阶梯方式堆放从二极管冷却版提供优良的热路径来保持低接触面温度。这种机械安排把发射源方便的堆放在快速轴上，维持了二极管激光器的亮度。每个二极管激光器都平行于快慢轴镜片，导致了卓越的指向准确和优异的光填充因子。几何发射源和相关的光学被安排在每个发射源之间减少死角，最大限度地发挥二极管亮度。填充因子为高亮度包装最大化和为低亮度包装减少制造公差。每一个发射源与快速横向平行轴（FAC）和慢平轴（SAC）瞄准镜， 结合柱空间菱形镜的辐射源。 如果愿意，偏振器件可以用来增加系统亮度。简单的聚焦透镜有效的适当的数值孔径耦合平行光速。灵活的包装方法适应高功率的规模、多排或辐射源。
根据激光器产品线，nLight 公司已经证明一系列具有优异系统亮度的泵辅模块。图2显示PearlTM产品与其他商业上可用二极管泵模块从亮度上的比较。2×8和2×7箱子，Pearl TM生产线被用作一个可扩展的为创造高功率工业激光系统的基础材料。120W200µm，0.15NA的产，如图3所示。
图2.二极管激光器亮度（MW/cm2-str）为各种各样的二极管激光器模块。
亮度超过18MW / cm2-str已经达到了使用nLIGHT的PearlTM生产线的水平。
图3.（左）激光器耦合模块具有能够超过100 W的光功率成0.15NA、105µm光纤的能力。
（右）一个激光器模块具有超过120 W耦合成一个200µm，0.2 NA 的光纤能力。
为测量这些包装的可靠性进行了，九个模块在10x加速度条件下被测量（加速高温和功率运作）。而激光激光器包装测量的FIT率（1200FIT）和二极管激光器在终身测试套上所测试的FIT率（1150）相匹配，显示出了缺乏包装故障率（PIF）。这些设备的性能lifetest如下图，如图4。模块失败在输出功率方面被描述为20%的退化（或相应增加20% 偏置电流），在给定的加速因素下而激光激光器相当于超过75000小时的操作下没有模块故障。类似包装运行在硬脉冲条件下，以 20ms上升下降。
图4.（左）可靠性测试70W 激光器模块运行于9xx nm。这些装置耦合成一个200nm 光纤，0.2NA.寿命被以10xx 加速因素执行测试，一个单一发射源运行2000小时被查出故障。这些数据代表超在正常操作条件下超过140K的可靠性。缺乏设备退化（右）硬脉冲测试（1秒开，1秒关，20 msec上升）超过5000小时检测激光器模块。
除了寿命测试，已经超过20个模块遭受恶劣环境下测试，包括10g vibe（all three axes），100g shock（all three axes），热循环测试（-40 to 85 for 100循环），和高温存储器（90度存储器为100小时）。热循环后功率下降远端测量的光纤是 2-3%。抗震测试导致2%的功率退化，振动测试导致了2 - 3%的功率退化。这些验证设备结果是根据 Mil-Std-883， 显示除了强大和复杂的设备设计和制造。
4.高亮度单发射源激光器系统工程
nLight 公司首先介绍了根据单一发射源技术一系列工业激光器系统。这些设备利用几个激光器模块空降光速结合，从而使系统将超过500W的光功率（单一波长和单一偏振）耦合到光速参数为30mm-mrad 超过40%的系统效率。系统照片和模块性能，如下图5所示。
图5.（左）一个单一发射源系统图片。该装置采用了单偏振输出功率超过500W，300µm，0.2 NA 的光纤。（右）模块的光与电流曲线。
这种激光模块也可被用作基础物料来完成大于1000W的光功率。一个原型KW-class激光模块在图6中显示。该装置耦合1000W的光功率到40mm-mrad 光纤。
图6 （左）一个KW-class二极管激光器系统以单一辐射源为基础。
该装置利用波长光束组合达到1000 W的输出功率为400微米，0.2MA的光纤。（右）模块的光与电流曲线。
机械特点包括一个密封二极管激光器容器防止系统被污染，具有较好鲁棒性纤维提供能力field-replace纤维，为了突出热匹配平行的冷却水留至每个激光器模块。这个模块还结合控制和驱动电路，旨在为驾驶员提供详细的状态反馈并为模块提供耐用和可靠的电力供应。模块是兼容的标准化纤维电缆。
5. 光纤高功率激光系统
作为一个交替的空间光束组合，nLIGHT 已经开发出一种光纤束用于处理缩放工业激光器系统。通过将高亮度光纤耦合二极管激光器模块包捆在一起，极高的输出功率水平可以达到同时达到保持大约66%的亮度保护。光纤包捆方法的原理论证如下图7所示。该产品的空间如下图8所示。
图7 功率和1，3，7，19和39元素光纤包捆阐述。由此可见，大约65%的亮度当使用光纤包捆时被保存。剩余亮度的损失可能归因于间于光纤之间的间隙空间，以及熔覆层的厚度。注意到效率值大约为50%实现了功率水平，证明方法不失规模力量效率。
图8 根据功率现有的产品空间，BBP和亮度对光纤包捆激光模块。
选择光束资源的灵活性和光纤数量包捆提供了高灵活性光纤耦合激光模块。广泛的产品都可以用这个方法解决。
初始光纤包捆原型，论证了0.2钠光纤耦合模块被用200µm证明，0.2NA光纤耦合模块。这些激光模块中的19个被耦合到以接近100mm-mrad BBP光纤包捆。这些模块实现了以接近50%的效率超过2KW的输出功率。这些结果在图9中显示。
图9 一个原型展示19元素光纤包捆达到2千瓦光输出功率。这个光纤包捆束被打包成一个Trumph-compatible光纤
6.应用
这些系统非常适合塑料焊接、薄金属焊接。图7显示各种塑料焊接产品已经被开发利用类似的工艺参数。激光塑料焊接的优点包括没有磨损面焊接微粒、最高成本效率、低机械应力、，非接触式的能量贡献、最高的焊缝质量（用气体焊接证明），以及焊接可能缺少填充材料。对于焊接薄金属能够达到合理的焊缝的速率（》 1.5m/min）， 导致高品质巴特。
图10（顶部和中间一排）的例子，使激光塑料产品焊接。本产品适用于在消费、轻工、和医疗领域。（下一排）和T-welding样品在镀锌钢板上。高质量焊接缝和同意焊接这样激光系统是有可能的。
7.小结
应用程序如淬火、钎焊、涂层、焊接金属，塑料焊接已经使用直接二极管激光器作为以性能、成本、可靠性为基础的资源。nLight公司的单一发射源二极管激光器产线更进一步提高了这些系统，提供了不可超越的可靠性、高效率、和低成本。产品框架以单一发射源为基础，包装和技术保持了单一发射源的可靠性，利用平台的生产线由nLIGHT以前开发的。结果工业激光系统证明了优异的可靠性、高功率、和高亮度。
参考文献
［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
作者：Kirk Price, Frank Pfeffer, Paul Leisher,Scott Karlsen, Robert Martinsen
nLIGHT, 5408 NE 88th Street, Bldg. E, Vancouver, WA 98665
|
