Надежность высокомощных лазерных диодных сборок, работающих в квазинепрерывном режиме с продолжительными рабочими циклами

Представлены данные о производительности и надежности высокомощных диодных решеток, работающих в квазинепрерывном режиме (QCW). Показано, как можно повысить эффективность работы и выходную мощность при повышенных до 45°С температурах теплоотвода без активного водяного охлаждения и без использования элементов Пельтье.

Исследуемые модули диодных сборок повышенной мощности были разработаны под заказ. Высокая компактность и надежность конструкции позволяет использовать QCW-массивы в  условиях длительных рабочих циклов. Основной элемент конструкции массива – периодическая структура (диодная линейка), представляющая сборку из  одиночных лазерных диодов. Эти элементы имеют размер 1 см, выполнены с электродами из сплава AuSn. Они расположены между двумя теплоотводами в виде слоев из сплава CuW. Массив из 15 дидных модулей, также как и одиночный бар, размещались на керамических пластинах с различными показателями теплоотвода. Результаты показывают, что выходная мощность лазерного излучения строго зависит от длины волны, на которой излучает диодные сборки, плотности упаковки* диодов в массиве, длительности работы, температуры и теплопроводности керамической подложки. Показано, что эксплуатация при температурах подложки до 45°C возможна и без применения водяного охлаждения или элементов Пельтье. Новая конструкция массива способствует увеличению мощности и более эффективной работе.

Введение

Термин "квазинепрерывный режим работы" лазерного диода означает, что лазерный источник накачки находится в состоянии "включено" в течение коротких интервалов времени. Их длительность является настолько короткой, насколько это необходимо для снижения эффектов, связанных с выделением тепла в структуре, но все же достаточно длительными для стабильного излучения, близкого к  непрерывному. Обычно коэффициент заполнения** соответствует нескольким процентам, что значительно снижает нагрев и все связанные с этим тепловые эффекты, такие как термическое линзирование [1] и выход из строя в результате перегрева [2]. Поэтому работа в квазинепрерывном режиме приводит к повышению пиковой мощности за счет падения средней мощности. Таким образом, модуль охлаждения QCW-массива обычно разрабатывается для небольших тепловых нагрузок. Источники могут располагаться более близко к модулю охлаждения с целью получения высокой мощности излучения благодаря более компактному расположению. Такое решение оказывается более выгодным в сравнении с массивами, где используется микроканальное охлаждение или CS-корпус [3].

Квазинепрерывные лазерные линейки и массивы широко используются во многих сферах: в промышленности, медицине, науке, космосе, обороне, включая дальнометрию, целеуказание. В зависимости от решаемых задач энергия и длительность импульса могут варьироваться в  широком диапазоне, в соответствии с ними меняется и качество луча. Требования к  мощности излучения, частоте повторения импульсов и  коэффициенту заполнения существенно зависят от приложения. Появились новые задачи, решения которых требуют более продолжительного времени службы, компактности, повышения длительности импульса, работы при повышенных температурах при наличии слабого охлаждения или даже при его отсутствии [4, 5]. Для этих целей мы разработали специальные QCW-массивы, обладающие компактностью и надежностью, возможностью варьирования числа лазерных линеек в  массиве, габаритов, материала подложки, а также ее конфигурации для совмещения с системой охлаждения.

*    Плотность упаковки (fill factor) – отношение ширины лазерного элемента к расстоянию между центрами лазерных стержней в массиве (периоду структуры), выраженное в процентах.
**  Коэффициент заполнения (duty cycle) – отношение длительности импульса к  периоду его следования, выраженное в процентах.

Принципиальная схема лазерного модуля

На рис.1 представлена схема сборки, состоящей из лазерных диодов, излучающих в квазинепрерывном режиме. Ключевая особенность данной конструкции – заданное (по индивидуальному проекту) число лазерных модулей (на схеме отмечены синим цветом), вставленных между двумя слоями сплава CuW (выделены оранжевым цветом), обладающих схожим температурным коэффициентом расширения. Данные модули расположены на электроизолирующей керамической подложке (выделена серым цветом) со специальным контактным слоем (выделен желтым цветом) с использованием легкоплавкого припоя. Заданные размер и форма керамической подложки позволяют легко адаптировать массив под различные активные и пассивные элементы охлаждения (выделены коричневым цветом). Важным преимуществом разработанной конструкции является улучшенное охлаждение через заднюю часть керамической подложки. Миниатюрные элементы, расположенные по бокам упаковки лазерных модулей, являются термисторами* для контроля изменения температуры во время работы. На фотографии (см. рис.1) показан QCW-массив в натуральную величину с одним лазерным стержнем и немного измененной формой подложки, состоящей из  аналогичного материала.

*  Термистор (Negative Temperature Coefficient Thermistors) – полупроводниковый прибор, у которого при повышении температуры происходит падение сопротивления.

Конструкция сборки обеспечивает ее надежную работу в квазиимпульсном режиме при длительной эксплуатации и повышенной температуре подложки. Эти достоинства обеспечены благодаря следующим особенностям сборки:

• Лазерны модули, помещенные внутри слоев из сплава CuW, разделены между собой определенным воздушным промежутком. Это позволяет изолировать их друг от друга и механически, и термически.
• Слой CuW работает как теплорассеиватель (теплоотвод), при этом каждый модуль термически соединен с керамической подложкой. Выделяемое тепло (в результате движения зарядов в гетероструктуре и безызлучательной рекомбинации) удаляется более эффективно, так как оно рассеивается на большие площади, что приводит к снижению температуры p-n перехода. Как результат – повышение надежности и увеличение времени допускаемой длительности работы в более широком интервале температур.
• Отдельные контакты для каждого лазерного модуля спроектированы специально для минимизации электрического сопротивления. Это ведет к снижению выделения тепла по  сравнению с другими конструкциями.
• В сравнении с массивами с плотной упаковкой без дополнительных теплоотводных слоев между лазерными излучателями, в данной конструкции каждый модуль, состоящий из лазерного излучателя и двух боковых CuW-слоев, можно отдельно протестировать перед припаиванием к контактной площадке.
• Лазерные модули имеют электроды, выполненные из сплава AuSn. Данный материал используется для целей защиты от термо- [6] и электромиграции [7] (известно, что эти явления присущи легкоплавким припоям, таким как индий, что ограничивает срок службы лазерных массивов).
• Каждый лазерный модуль в массиве расположен между двумя слоями CuW, обладающими одинаковой величиной коэффициента теплового расширения (что позволяет снизить эффекты механического напряжения в структуре, а также уменьшить эффект расхождения центров лазерных модулей друг относительно друга**).
• Специальная конструкция массива позволяет просто и эффективно сформировать сечение луча требуемой формы, используя коллиматор быстрой оси для всех баров, а также коллиматор медленной оси ***, в особенности для стержней с малой плотностью упаковки. Далее становится возможным заведение луча в оптоволокно.
  

**    Эффект расхождения центров лазерных стержней друг относительно друга (smile) влияет на качество луча. Чем больше данный эффект, тем труднее качественно сколлимировать излучение от массива лазерных стержней.
***  Толкование понятий "быстрая" и "медленная" оси (FAC/SAC) состоит в следующем: на выходе из  резонатора ЛД сечение луча становится эллиптическим, при этом луч быстро (на больший угол) расходится в направлении вертикальной оси, и медленно (на малый угол) в направлении горизонтальной оси.

Диодным сборкам с описанными выше характерными особенностями, было дано название С-массивы. Компания DILAS Diodenlaser GmbH предлагает широкий выбор С-массивов для подложек со специальными размерами, которые изготавливаются под заказ. Массивы могут включать в себя от 1 до 15 лазерных модулей, длина резонатора может достигать 2 мм. Существует возможность варьировать длину волны выходного излучения – диапазон от 766 до 1550 нм. Можно изготавливать многоволновые (многочастотные) стеки, с минимальным шагом между резонаторами в 1,7 мм, с различным типом охлаждения: к примеру, если при эксплуатации отсутствует вода или не применяется термоэлектрический метод. Возможна разработка многоволновых массивов по индивидуальному техническому заданию.

Производительность с-массивов

Ниже представлены данные относительно производительности и надежности С-массивов с числом лазерных баров до 15 единиц для различных приложений. При сборке массива, располагая излучатели последовательно с шагом 500 мкм, удобно выполнить их сопряжение с оптоволокном. Это позволяет получить на  выходе высокую мощность излучения. Выходная мощность зависит от длины волны излучения, плотности упаковки лазерных модулей, а  также от продолжительности работы, температуры и теплопроводности керамической подложки.

Массивы с 15 лазерными линейками

В данном разделе рассмотрим производительность QCW-массивов, охлаждаемых за счет теплопроводности. Конструкция состоит из 15 лазерных линеек с плотностью упаковки 20%, длиной резонатора 2000 мкм. Длина волны излучения данного типа массива составляет 980  нм. Массив установлен на  специальную алюмонитридную керамическую подложку, изготовленную под заказ.

На рис.2 показано влияние роста коэффициента заполнения (и, соответственно, длительности импульса) на мощность излучения. Увеличение длительности импульса от 400 мкс до 10 мс приводит к падению мощности излучения на  6,5% при токе возбуждения (токе накачки) 60  А. На рис.2б показан спектр при токе возбуждения 55 А. Увеличение коэффициента заполнения приводит к увеличению средней мощности и  нагреванию массива. Наблюдаемое смещение в "красную" область вместе с увеличением коэффициента заполнения является мерой роста температуры p-n перехода в лазерных стержнях; температура увеличивается примерно на  32°C. Тем не менее, на кривой слева для длительности импульса в 10 мс сохраняется рост мощности до 807 Вт (ток накачки – 60 А), что положительно характеризует лазерный модуль при эксплуатации в условиях повышенного коэффициента заполнения.

На рис.3 приведены зависимости выходной мощности от  тока накачки и спектры излучения при частоте следования импульсов в 15 Гц, коэффициенте заполнения 15%, в случае с температурой подложки 20°C и  45°C. При токе накачки в 90 А, мощность излучения падает с 1252 Вт до 1155 Вт, в то время как кпд остается на уровне выше 55%. Длинноволновое смещение, показанное на рис.3б, обусловлено ожидаемым сужением запрещенной зоны при перепаде температур в 25°C.

Дальнейшее улучшение производительности работы лазерной сборки наблюдалось при использовании альтернативных керамических материалов с более высокой теплопроводностью (в 1,8 раз. чем у стандартной алюмонитридной керамической подложки). Оказалось, что значения выходной мощности излучения и КПД при температуре поверхности новой подложки 45°C сопоставимы с  результатами, соответствующими температуре 20°C у стандартной структуры с алюмонитридной керамической подложкой (см. [8] для более детальной информации).

Данные, представленные выше, показывают, что рассмотренные С-массивы, состоящие из  15 лазерных модулей, могут эксплуатироваться при минимальном охлаждении при повышенных температурах. Вместе с прочностью и компактностью конструкции, а также ввиду простоты формирования требуемого сечения луча благодаря низкой плотности упаковки лазерных стержней, массив лазерных диодов данного типа представляют интерес в  качестве накачки лазеров, использующихся в оборонной сфере.

Массивы с восемью лазерными линейками

В данном разделе рассмотрим технические характеристики QCW-массива, содержащего в своей структуре восемь лазерных баров, с  плотностью упаковки 50% и более, длиной резонатора 1500 мкм. Массив был установлен на алюмонитридную керамическую подложку. На  рис.4 изображен массив из восьми квазинепрерывных лазерных диодов, установленный на структуру, состоящую из микроканального охладителя, расположенного между двумя керамическими пластинами. Главными преимуществами этой конструкции являются: эффективное микроканальное охлаждение с  использованием обычной водопроводной воды и  отсутствие потенциала на поверхности охладителя.

Для зависимости на рис.4а частота повторения импульсов составила 3  Гц, коэффициент заполнения – 15%, что соответствует длительности импульса в 50 мс. При данных параметрах удалось достичь мощности излучения порядка 890 Вт при токе накачки в 120 А. Отклонение от линейной зависимости мощности излучения от тока накачки составило очень незначительную величину.

Для некоторых приложений, таких как эпиляция, требуется увеличение длительности импульса. На  рис.4б изображена зависимость выходной мощности от  возбуждающего тока с  частотой следования импульсов 2 Гц и длительности импульса в 100 мс. При данной конфигурации выходная мощность составила 580  Вт при токе накачки 85  А. Как и  в  предыдущем случае, отклонение от  линейной зависимости "мощность-ток" составило незначительную величину.

Стоит отметить, что удалось достичь увеличения мощности в диапазоне длин волн 980 нм с лазерными диодами, менее чувствительными к  нагреву по сравнению с С-массивами, излучающими на длине волны 808 нм, представленными на рис.4. Принципиальное ограничение по  мощности излучения и длительности импульса (или коэффициента заполнения) для QCW-массива связано не только с разрушением при воздействии излучения, а главным образом с максимально допустимой температурой p-n перехода.

Результаты, представленные на рис.5, были получены при постоянной величине тока. Эксперимент проводился при следующих параметрах: массив имел водяное охлаждение, состоял из восьми лазерных баров, излучающих на 808 нм. Частота следования импульсов соответствовала 2  Гц с коэффициентом заполнения 20%, плотность энергии излучения – 42 Дж/см2. После испытаний, которые длились 3000 часов, было зарегистрировано снижение мощности на  6%. Наибольшая потеря мощности произошла на временном интервале между 0 и 800 часами, что дает основание полагать, что время работы на отказ составляет более 10 000 часов. Данный показатель превосходит требования по надежности в области медицины и косметологии.

Другим возможным применением С-массивов с восемью лазерными линейками, охлаждаемыми за счет теплопроводности, является накачка твердотельных лазеров, генерирующих ультракороткие импульсы с умеренной частотой повторения и высокой энергией фотонов. Такие лазеры могут использоваться, к примеру, для инерциального термоядерного синтеза. В связи с длительным временем жизни возбужденного состояния в матрицах, легированных иттербием, требуемая длительность импульса составляет 1 мс.

В следующем эксперименте микроканальный охладитель был заменен массивной медной пластиной. Результаты, полученные при таком охлаждении, представлены на  рис.6. Показана зависимость мощности излучения от тока накачки для массива с охлаждением за  счет теплопроводности, состоящего из  восьми лазерных стержней, излучающих на  длине волны 940  нм, с плотностью упаковки 80% и длиной резонатора 1500 мкм.

Измерения получены при частоте повторения импульсов в 10 Гц, коэффициенте заполнения 1%, что удовлетворяет требованиям по длительности импульса, упомянутым выше, для накачки ктивной среды Yb3+:CaF2. Удалось достичь выходной мощности излучения массива в 3500 Вт при токе накачки 390 А (435 Вт в пересчете на один лазерный стержень). На  рис.6б показано длинноволновое смещение при токе накачки в 300 А при увеличении коэффициента заполнения от 1% до 2,5%, что соответствует увеличению температуры перехода на 13°C.

На рис. 6б показаны результаты эксперимента по тестированию надежности QCW-массива, охлаждаемого за счет теплопроводности. Эксперимент проводился при неизменном токе накачки. Массив состоял из восьми лазерных баров, излучающих на длине волны 940 нм. Частота повторения импульсов соответствовала 10 Гц, длительность импульса – 1 мс. Выходная мощность излучения массива составила 2400  Вт (или 300 Вт на каждый лазерный стержень) в соответствии с требованиями заказчика. После 2500 часов работы, падение мощности не  зафиксировалось, что позволяет говорить о надежности массива при заданных уровне мощности, частоте и  длительности импульса.

Массив с одной лазерной линейкой

В данном разделе рассматривается производительность С-массива, охлаждаемого за счет теплопроводности и содержащего только один лазерный бар (рис.1, правая часть).

На рис.7а представлена зависимость мощности излучения от силы тока накачки для массива с охлаждением за счет теплопроводности. Массив был изготовлен с одной лазерной линейкой, излучающим на  длине волны 940  нм. Измерения проводились при частоте повторения импульсов 50 Гц и длительности импульса 50 мкс.

Возможное применение для данного типа массива состоит в детонации легковоспламеняющихся веществ. В ходе экспериментов была достигнута выходная мощность в 710 Вт при токе накачки 640 А. При данных уровнях мощности разрушение структуры стержня не наблюдалось. Другой потенциальной возможностью применения данных массивов является накачка твердотельных лазеров для дальнометрии или стробируемых систем видения, где требуется длительность импульса порядка 1–5 мс.

На рис.7б показаны результаты эксперимента по тестированию надежности массива лазерных диодов, охлаждаемого за счет теплопроводности, содержащего один лазерный бар при токе накачки 400 А и частоте следования импульсов 5 Гц. В течение 1000 часов эксперимента длительность импульса была 2 мс, затем эксперимент был продолжен с длительностью импульса 4 мс. В течение всего эксперимента при указанных параметрах импульсов падения мощности не наблюдалось.

Новые образцы с длиной резонатора 1500 мкм и более усовершенствованной конфигурацией массива демонстрируют надежность работы при мощностях до 500 Вт и шириной импульса порядка 1 мс.

На рис.8а представлена зависимость мощности излучения усовершенствованного лазерного бара, выполненного с пассивированными гранями, от  тока накачки. Данный модуль охлаждался за счет теплопроводности. Длина волны излучения модуля составляла 940 нм, плотность упаковки 50%, длина резонатора 4000 мкм. Удалось достичь пиковой мощности излучения в  800 Вт при токе накачки 1150 А.

На рис.8б показано распределение температуры в структуре при мощности излучения 800 Вт, температуре подложки 20°C. Результаты были получены методом конечных элементов. Разница между самой холодной точкой (на подложке) и самой горячей точкой (на лазерном стержне) составила всего 9,65 °C.

Области применения для с-массивов

Описанные выше С-массивы с улучшенной системой охлаждения в сравнении со стандартными QCW-массивами отличаются надежностью при высоких уровнях мощности излучения с длиной импульса в миллисекундном диапазоне. Данные массивы становятся все более интересными для задач накачки высокомощных твердотельных лазеров (DPSSL) [9]. В целом область применения С-массивов широка – от накачки лазеров с  аттосекундной длительностью импульса до рентгеновского анализа и  физики элементарных частиц. В этих областях ультракороткие высокоэнергетические лазерные импульсы служат источником очень сильных электромагнитных полей, открывающих путь для исследований, давно предсказанных, но до сих пор не изученных эффектов в теории относительности и  квантовой физике. Кроме того, мощные твердотельные лазеры в некоторых международных проектах для исследования инерциального термоядерного синтеза должны иметь отличное качество луча и стабильность генерации. При выборе такого рода лазерных систем особое внимание уделяется оценке их КПД и  затрат на  обслуживание. Два крупномасштабных европейских проекта – HiPER и ELI, где используются лазеры с  высокими уровнями мощности, в настоящее время проходят свою подготовительную стадию. Последние достижения в  технологии изготовления диодных лазеров позволяют конструировать мощные лазеры с диодной накачкой, обладающие высокой надежностью и  имеющие приемлемую стоимость.

Мощные QCW-модули, описанные выше, могут быть расположены близко друг к  другу в  одной плоскости. На сегодняшний день разработаны С-массивы с мощностью 2,4 и 3,2 кВт для накачки на длинах волн 939 и 979 нм с шириной импульса порядка 1 мс (для активной среды Yb3+ : YAG) и 2,8 мс (для активной среды Yb3+: CaF2). В качестве примера на  рис. 9 показаны основные параметры системы накачки производства фирмы Lastronics GmbH (город Йена, Германия), которая используется для установок с мощностью излучения порядка 1015 Вт. Система накачки серии PM80 содержит 32 С-массива, охлаждаемых за счет теплопроводности. При частоте повторения импульсов 10 Гц генерируемая мощность излучения для данной системы накачки составляет 75 кВт для тока накачки 300 А. Ширина спектральной линии составила менее 6  нм (ширина на  полувысоте). На  рис. 9б изображено сечение луча квадратной формы, обладающего высокой степенью однородности по интенсивности, который идеально подходит для накачки мощных твердотельных лазеров.

Выводы и обсуждение результатов

В статье были представлены данные о показателях производительности и надежности массивов лазерных квазинепрерывных диодов, генерирующих излучение высокой мощности. Данные массивы, изготовленные по индивидуальным требованиям, отличаются компактностью, надежностью и  пригодны для продолжительной работы. Эти так называемые "С-массивы" содержат отдельные лазерные диоды (бары) длиной 1 см с электродами из сплава AuSn, расположенные между двумя теплорассеивающими слоями из сплава CuW. Массив из 15 линеек был размещен на керамических пластинах с различным теплоотводом в зависимости от приложения и соответствующих требований. Показано, что мощность выходного излучения в сильной степени зависит от длины волны, плотности упаковки лазерных баров, а также от коэффициента заполнения, температуры и теплопроводности подложки. Стоит отметить, что разработанные QCW-массивы могут эксплуатироваться при температуре подложки 45°C без дополнительного охлаждения (циркуляция воды или элементы Пельтье). Новая конструкция лазерных диодных сборок позволяет получать более высокие пиковые мощности излучения. Увеличение длины резонатора позволяет уменьшить электрическое сопротивление и случайные изменения температуры массива, что, как правило, приводит к  уширению спектральной линии (так называемый тепловой шум, описанный в работе [10]).

Конструкция С-массивов позволяет просто и эффективно сформировать сечение луча требуемой формы, используя коллиматор быстрой оси для всех стержней, а также коллиматор медленной оси, в особенности для стержней с малой плотностью упаковки. Далее становится возможным заведение луча в оптоволокно.

Представленная технология позволяет изменять размеры, а также особенности конструктивных модулей сборок лазерных диодов. Это позволяет изготавливать массивы по  индивидуальным требованиям исходя из  конкретной задачи заказчика. К примеру, существует возможность использовать различные керамические материалы с более высокой теплопроводностью, а также варьировать тип охладителя исходя из конкретных задач заказчика. Улучшенный теплообмен, прочность, малый вес разработанных массивов способствуют их успешному применению для задач, где требуется портативность и мобильность системы, в особенности в случаях с минимальным охлаждением.

Работы над улучшением конструкции массивов, процесса сборки, а также подбор оптимальных материалов продолжаются, и, возможно, в ближайшее время стоит ожидать ещё более успешных результатов.

Литература

1. Hempel M., La Mattina F., Tomm J. W., Zeimer U., Broennimann R. and Elsaesser T.  Defect evolution during catastrophic optical damage of diode lasers. – Semiconductor Science and Technology, 2011, v.26, p.075020.
2. Bawamia A. I., Eppich B., Paschke K., Wenzel H., Schnieder F., Erbert G. and Tränkle G. Experimental determination of the thermal lens parameters in a broad area semiconductor laser amplifier. – Applied Physics B-Lasers and Optics, 2009, v.97, p.95–101.
3. Bacchin G., Fily A., Qiu B., Fraser D., Robertson S.,  Loyo-Maldonado V., McDougall S.D. and Schmidt B.  High temperature and high peak power 808 nm QCW bars and stacks. – Proc. SPIE, 2010, v.7583, p.75830P.
4. Wilson S., Altshuler G., Erofeev A., Inochkin M., Khloponin L., Khramov V. and Feldchtein,  F. Long pulse compact and high brightness near 1-kW QCW diode laser stack. – Proc. SPIE, 2012, v. 8241, p.82410F.
5. Klumel G., Karni Y., Oppenhaim J., Berk Y., Shamay M., Tessler R. and Cohen S. High  duty cycle hard soldered kilowatt laser diode arrays. – Proc. SPIE, 2010, v.7583, p.75830C.
6. van Gurp G.J., de Waard P.J. and du Chatenier F. J. Thermomigration in indium and indium alloy films. – J. Appl. Phys., 1985, v. 58, p.728–735.
7. Reddy K.V. and Prasad J.J.B. Electromigration in indium thin films. – J. Appl. Phys., 1984, v. 55, p.1546–1550.
8. Kissel H., Fassbender W., Lotz J., Alegria K., Koenning T., Stapleton D., Patterson S. and Biesenbach J.  Reliable QCW diode laser arrays for operation with high duty cycles. – Proc. SPIE, 2013, v. 8605, p.86050V.
9. Töpfer Th., Neukum J., Hein J. and Siebold M. Very-large-scale DPSS lasers are coming. – Laser Focus World, 2010, v. 46 (10), p.64–67.
10. Pittroff W., Eppich B., Erbert G., Platz R., Tyralla D. and Tränkle G.  Simple design for fiber coupled 9xx nm kW – QCW pump module with high duty cycle based on customized chips and lateral heat removal. – Proc. SPIE, 2014, v. 8965, p. 896515.