摘要

　　以激光器為(wei) 基礎的直接半導體(ti) 二極管係統，已成為(wei) 首選工具從(cong) 事在廣泛的材料加工、固態光纖激光器泵輔和各種軍(jun) 事應用中。我們(men) 介紹一個(ge) 建築框架，標準結果對於(yu) 以單一發射源為(wei) 基礎的kW-class 激光器工具從(cong) 事在廣泛的輸出 功率（500W到 multiple kW），光束參數產(chan) 品（20 到 100 mm-mrad）在係統中以接近50%的速率在運行。nLight 公司為(wei) 這些係統使用多種類構建模塊：一個(ge) 100W，105µm，0.14NA，泵輔模塊9xx nm；一個(ge) 600W，30 mm-mrad單一波長，單偏振構建模塊源；140W 20 mm-mard 低成本模塊。構建模塊被選為(wei) 實現亮度和成本目標所需的應用。我們(men) 也證實了當正常使用係統最大化時，效率和可靠性是怎麽(me) 被設計為(wei) 減少運行和服務成本。此外，我們(men) 也通過在8xx，9xx 和15xx nm 演示係統，從(cong) 而證實了係統的靈活性。最後，我們(men) 研究了二極管的可靠性，FIT率需求和包裝影響係統的穩定性。

　　1.介紹

　　以激光器為(wei) 基礎的直接半導體(ti) 二極管係統，已成為(wei) 首選工具從(cong) 事在廣泛的材料加工、固態光纖激光器泵輔和各種軍(jun) 事應用中。硬化、釺焊、塗層、焊接金屬、塑料焊接都是由直接二極管激光器優(you) 化進行。使用 CW 直接二極管激光器係統技術優(you) 勢包括：二極管激光器與(yu) YAG激光器相比具有更高吸收能力，連續調整的輸出功率（0-100%），和以特製的光束外形均勻光纖的傳(chuan) 輸。當耦合效率優(you) 勢，減少係統成本，實質上是免維護操作，這些模塊代表著最低成本設備所有權，對客戶來說具有最高價(jia) 值。

　　二極管激光器的主要有點：

　　效率：直接二極管激光器係統不遭受量子缺陷，電源轉換損失光纖和固態激光器，導致了更高 的激光係統效率。提出了在微光學和光束結合有效耦合援助二極管的光線進入到交貨光學纖維，具有光學效率值大於(yu) 85%。因此，二極管激光器係統牆上插座效率是不可超越的。

　　成本：二極管激光器係統主要成本來源於(yu) 二極管激光源於(yu) 激光和相應的微光學。Chip-on-submount裝置和相應的微型光學可以廉價(jia) 製造。此外，高效地將光從(cong) 二極管激光器耦合到光纖，減少了由於(yu) 未被利用光而產(chan) 生的附加損耗。總之，高運行牆上插座效率（》40%）耦合低係統成本從(cong) 而導非常低的總成本。

　　免維護操作：過去，工業(ye) 激光器係統因他們(men) 的服務需求而臭名昭著。固態和二氧化碳激光器對燈、鏡子和氣體(ti) 的使用壽命有極其嚴(yan) 格的要求。過去微頻二極管激光器對用於(yu) 冷卻係統水的電阻率、清潔率、水流率也有著嚴(yan) 格規格要求。此外，環境狀況對通常對二極管激光器係統有著重大不利的影響。有機殘留物、碎片、和水凝結都可以汙染二極管、光束聚焦、聚焦光學、或光纖，從(cong) 而導致熱量吸收、氧化，最終使係統出現故障。

　　nLight公司的工業(ye) 激光器係統以單一發射源技術為(wei) 基礎集聚了所有重點，從(cong) 而可以使係統提供了一個(ge) 低成本總和一個(ge) 最佳優(you) 惠價(jia) 格、運行成本和可靠性。

　　2.直接二極管激光器係統的進展

　　幾年來，二極管激光器係統已經主要進化為(wei) 提高可靠性、減少服務需求、使成本更低、提高係統性能。在這裏我們(men) 證明了選擇二極管激光器平台是怎麽(me) 對工業(ye) 激光器係統穩定性和性能的重大影響。

　　第一個(ge) 高功率二極管激光儀(yi) 器是以微頻支棱激光儀(yi) 器為(wei) 基礎。這些裝置可利用的功率和亮度過去的幾年裏一直在穩步增長。這些設備證明了出色的高功率性能，保證了在功率和亮度方麵持續增長。通過光子束、均勻化和塑造，這些係統為(wei) 高功率二極管激光器係統安裝了標準檢查程序。然而，對於(yu) 冷卻係統有非常嚴(yan) 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致熱阻退化、增加結麵溫度，引起波長變化，最終導致二極管出現故障。為(wei) 克服高頻冷卻巴條所存在的弊端，接下來將能導電地冷卻二極管激光器巴條發展成提供高頻率激光器巴條、直接冷卻需求和提高穩定行。這些係統持續增長的熱變電阻強製用由於(yu) 更高的運行接觸麵溫度而減少二極管亮度的低填充巴條。然而，當二極管擴張與(yu) 界麵層匹配和粘合硬焊接，該裝置操運行可靠性連續波為(wei) 成千上萬(wan) 小時。盡管盡管改進了係統實施方便，但整體(ti) 亮度和導電地冷卻巴條成本還有待於(yu) 通過單一發射源基礎框架來進一步改善。

　　單一發射源二極管激光器係統代表了激光二極管性能和可靠性的頂峰。鈍化後，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(men) 的低成本超輻射二極管設備被挑選來替代不合規格的設備，使裝置平均在數萬(wan) 小時被測出失敗值。由於(yu) 鈍化保持高操作效率高亮度，這些設備有一個(ge) 特別的高操作線功率密度（超過100 mW /µm）。Cos設計即導致了缺失熱串又導致了缺失光笑， 使製作精湛的快速軸橫向成為(wei) 可能。由於(yu) 芯片尺寸小和熱膨脹係數相匹配的Cos設計，單一發射源包裝拉力顯著降低，從(cong) 而允許這些裝置設備可以在沒有退化的脈衝(chong) 模式中運行。

　　單一發射源優(you) 勢工業(ye) 設計極大地改進了工業(ye) 二極管激光器係統。這種係列二極管激光器減少工作電流及脈衝(chong) 功率調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的失敗。所有的特性致使係統具有優(you) 異的效率，可靠的性能，和低成本的價(jia) 格。3.nLight 公司對工業(ye) 激光器的處理方法

　　對於(yu) 使用高亮度激光器係統來說，nLight 公司正在研發100µm發射源孔隙， 9xx nm的單一發射源二極管激光器，10W 976nm。這些設備有一個(ge) 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(ge) 設備是很難焊接到相匹配的submounts和個(ge) 別地被高功率篩選，加速老化高功率測試，嚴(yan) 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射源二極管激光器在nLight公司的發展。這樣的一個(ge) 裝置在10 W光功率以超過60%效率運行，FIT 率為(wei) 1200（90%可信等級）。

　　為(wei) 評估一個(ge) 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(jue) 定溫度、電流，功率加速因素，以及可靠運行條件。一個(ge) 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：#p#分頁標題#e#

　　使用熱激發能量EA=0.45eV， 電流加速指數 m=2.5， 功率加速指數 n=2.5， 平均隨機故障（MTTF）被評估為(wei) 超過80萬(wan) 小時，90%的可信度當在10W 35度的條件下操作。MTTF值對應故障（FIT）率在90%的可信水平的，運行十億(yi) 小時出現1200個(ge) 故障。

　　nLight公司已經利用這些單一輻射源包裝來生產(chan) 光纖耦合多種單一發射源包裝專(zhuan) 利。該產(chan) 品是基於(yu) 單一輻射源高功率的廣泛領域，在一個(ge) 自由的空間結合優(you) 雅而便宜的方式。單輻射源是能夠運行在高線性功率密度， 增加二極管激光器係統的亮度。

　　最後，利用光學設計有效的形象的激光二極管激光到纖維、維護單一發射源二極管激光器的高亮度和高係統效率。這個(ge) 包裝結果是一個(ge) 依據光效率和係統亮度不可超越的係統。

　　發射源以階梯方式堆放從(cong) 二極管冷卻版提供優(you) 良的熱路徑來保持低接觸麵溫度。這種機械安排把發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(ge) 二極管激光器都平行於(yu) 快慢軸鏡片，導致了卓越的指向準確和優(you) 異的光填充因子。幾何發射源和相關(guan) 的光學被安排在每個(ge) 發射源之間減少死角，最大限度地發揮二極管亮度。填充因子為(wei) 高亮度包裝最大化和為(wei) 低亮度包裝減少製造公差。每一個(ge) 發射源與(yu) 快速橫向平行軸（FAC）和慢平軸（SAC）瞄準鏡， 結合柱空間菱形鏡的輻射源。 如果願意，偏振器件可以用來增加係統亮度。簡單的聚焦透鏡有效的適當的數值孔徑耦合平行光速。靈活的包裝方法適應高功率的規模、多排或輻射源。

　　根據激光器產(chan) 品線，nLight 公司已經證明一係列具有優(you) 異係統亮度的泵輔模塊。圖2顯示PearlTM產(chan) 品與(yu) 其他商業(ye) 上可用二極管泵模塊從(cong) 亮度上的比較。2×8和2×7箱子，Pearl TM生產(chan) 線被用作一個(ge) 可擴展的為(wei) 創造高功率工業(ye) 激光係統的基礎材料。120W200µm，0.15NA的產(chan) ，如圖3所示。

　　圖2.二極管激光器亮度（MW/cm2-str）為(wei) 各種各樣的二極管激光器模塊。亮度超過18MW / cm2-str已經達到了使用nLIGHT的PearlTM生產(chan) 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(ge) 激光器模塊具有超過120 W耦合成一個(ge) 200µm，0.2 NA 的光纖能力。為(wei) 測量這些包裝的可靠性進行了，九個(ge) 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）。這些設備的性能lifetest如下圖，如圖4。模塊失敗在輸出功率方麵被描述為(wei) 20%的退化（或相應增加20% 偏置電流），在給定的加速因素下而激光激光器相當於(yu) 超過75000小時的操作下沒有模塊故障。類似包裝運行在硬脈衝(chong) 條件下，以 20ms上升下降。

　　圖4.（左）可靠性測試70W 激光器模塊運行於(yu) 9xx nm。這些裝置耦合成一個(ge) 200nm 光纖，0.2NA.壽命被以10xx 加速因素執行測試，一個(ge) 單一發射源運行2000小時被查出故障。這些數據代表超在正常操作條件下超過140K的可靠性。缺乏設備退化（右）硬脈衝(chong) 測試（1秒開，1秒關(guan) ，20 msec上升）超過5000小時檢測激光器模塊。

　　除了壽命測試，已經超過20個(ge) 模塊遭受惡劣環境下測試，包括10g vibe（all three axes），100g shock（all three axes），熱循環測試（-40 to 85 for 100循環），和高溫存儲(chu) 器（90度存儲(chu) 器為(wei) 100小時）。熱循環後功率下降遠端測量的光纖是 2-3%。抗震測試導致2%的功率退化，振動測試導致了2 - 3%的功率退化。這些驗證設備結果是根據 Mil-Std-883， 顯示除了強大和複雜的設備設計和製造。

　　4.高亮度單發射源激光器係統工程

　　nLight 公司首先介紹了根據單一發射源技術一係列工業(ye) 激光器係統。這些設備利用幾個(ge) 激光器模塊空降光速結合，從(cong) 而使係統將超過500W的光功率（單一波長和單一偏振）耦合到光速參數為(wei) 30mm-mrad 超過40%的係統效率。係統照片和模塊性能，如下圖5所示。

　　圖5.（左）一個(ge) 單一發射源係統圖片。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(yu) 電流曲線。

　　這種激光模塊也可被用作基礎物料來完成大於(yu) 1000W的光功率。一個(ge) 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(ge) KW-class二極管激光器係統以單一輻射源為(wei) 基礎。該裝置利用波長光束組合達到1000 W的輸出功率為(wei) 400微米，0.2MA的光纖。（右）模塊的光與(yu) 電流曲線。

　　機械特點包括一個(ge) 密封二極管激光器容器防止係統被汙染，具有較好魯棒性纖維提供能力field-replace纖維，為(wei) 了突出熱匹配平行的冷卻水留至每個(ge) 激光器模塊。這個(ge) 模塊還結合控製和驅動電路，旨在為(wei) 駕駛員提供詳細的狀態反饋並為(wei) 模塊提供耐用和可靠的電力供應。模塊是兼容的標準化纖維電纜。　5. 光纖高功率激光係統

　　作為(wei) 一個(ge) 交替的空間光束組合，nLIGHT 已經開發出一種光纖束用於(yu) 處理縮放工業(ye) 激光器係統。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(chan) 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%的亮度當使用光纖包捆時被保存。剩餘(yu) 亮度的損失可能歸因於(yu) 間於(yu) 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(wei) 50%實現了功率水平，證明方法不失規模力量效率。

　　圖8 根據功率現有的產(chan) 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量包捆提供了高靈活性光纖耦合激光模塊。廣泛的產(chan) 品都可以用這個(ge) 方法解決(jue) 。

　　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(ge) 被耦合到以接近100mm-mrad BBP光纖包捆。這些模塊實現了以接近50%的效率超過2KW的輸出功率。這些結果在圖9中顯示。#p#分頁標題#e#

　　圖9 一個(ge) 原型展示19元素光纖包捆達到2千瓦光輸出功率。這個(ge) 光纖包捆束被打包成一個(ge) Trumph-compatible光纖。

　　6.應用

　　這些係統非常適合塑料焊接、薄金屬焊接。圖7顯示各種塑料焊接產(chan) 品已經被開發利用類似的工藝參數。激光塑料焊接的優(you) 點包括沒有磨損麵焊接微粒、最高成本效率、低機械應力、，非接觸式的能量貢獻、最高的焊縫質量（用氣體(ti) 焊接證明），以及焊接可能缺少填充材料。對於(yu) 焊接薄金屬能夠達到合理的焊縫的速率（》 1.5m/min）， 導致高品質巴特。

　　圖10（頂部和中間一排）的例子，使激光塑料產(chan) 品焊接。本產(chan) 品適用於(yu) 在消費、輕工、和醫療領域。（下一排）和T-welding樣品在鍍鋅鋼板上。高質量焊接縫和同意焊接這樣激光係統是有可能的。

　　7.小結

　　應用程序如淬火、釺焊、塗層、焊接金屬，塑料焊接已經使用直接二極管激光器作為(wei) 以性能、成本、可靠性為(wei) 基礎的資源。nLight公司的單一發射源二極管激光器產(chan) 線更進一步提高了這些係統，提供了不可超越的可靠性、高效率、和低成本。產(chan) 品框架以單一發射源為(wei) 基礎，包裝和技術保持了單一發射源的可靠性，利用平台的生產(chan) 線由nLIGHT以前開發的。結果工業(ye) 激光係統證明了優(you) 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］ https://www.nlight.net/diodes/family/1~Pearl-HighPower-FiberCoupled-Modules