A co z laserem półprzewodnikowym dużej mocy NIR?

Lasery półprzewodnikowe dużej mocy są szeroko stosowane w inteligentnej produkcji, komunikacji laserowej, wykrywaniu laserowym, medycynie estetycznej itp. Od ich narodzin poczyniły ogromne postępy w teorii, praktyce i zastosowaniach, stanowiąc większość całego rynku laserowego. Wśród nich najlepsze są lasery półprzewodnikowe dużej mocy w paśmie bliskiej podczerwieni.

Półprzewodnikowe układy laserowe dużej mocy działające w bliskiej podczerwieni Półprzewodnikowe układy laserowe dużej mocy są podstawowymi źródłami światła współczesnych laserów wysokoenergetycznych, reprezentowanych przez światłowody, półprzewodnikowe i bezpośrednie lasery półprzewodnikowe. Moc, jasność i niezawodność układu laserowego to podstawowe wskaźniki, które bezpośrednio wpływają na wydajność i koszt systemu laserowego.

Główna struktura półprzewodnikowego chipa laserowego obejmuje epitaksjalną warstwę emitującą światło, która zapewnia ośrodek wzmocnienia lasera, elektrodę, która wstrzykuje nośniki do epitaksjalnej warstwy emitującej światło, oraz powierzchnię wnęki rozszczepienia, która tworzy wnękę rezonansową. Proces rozwoju chipa obejmuje etapy projektowania struktury epitaksjalnej i wzrostu materiału, projektowania i przygotowania struktury chipa, pasywacji powierzchni wnęki i powlekania optycznego, testu pakowania chipów, niezawodności żywotności chipów i analizy wydajności, wśród których podstawowe wskaźniki bezpośrednio Wpływ Trzy kluczowe technologie to projektowanie struktury epitaksjalnej i wzrost materiału, projektowanie struktury wiórowej i proces przygotowania, rozszczepianie powierzchni wnęki i obróbka pasywacyjna.
(1) Projekt struktury epitaksjalnej i wzrost materiału Projekt struktury epitaksjalnej i wzrost materiału obejmują wzmocnienie i pompowanie lasera, co bezpośrednio wpływa na wydajność elektrooptyczną chipa. Głównymi czynnikami są heterozłącze i utrata napięcia materiału sypkiego, utrata wycieku nośnika i utrata absorpcji światła. Zgodnie z analizą pasma energii materiałów półprzewodnikowych, napięcie heterozłącza pochodzi głównie z interfejsu między warstwą ograniczającą, podłożem i warstwą falowodu, a napięcie heterozłącza chipa jest skutecznie redukowane poprzez gradient interfejsu i optymalizację wysokiego domieszkowania. Odporność materiału sypkiego można osiągnąć poprzez dostosowanie składu materiału w celu zwiększenia ruchliwości nośnika i zwiększenia stężenia domieszki. Zmniejszenie utraty wycieku nośnika wymaga wystarczającej bariery ograniczającej nośnik, zwłaszcza bariery elektronowej w płaszczyźnie p. W związku z tym, aby zoptymalizować skład materiału, należy kompleksowo rozważyć zmniejszenie oporu materiału sypkiego i poprawę uwięzienia nośnika. Straty absorpcji optycznej można zwykle osiągnąć projektując asymetryczną strukturę falowodu z bardzo dużą wnęką optyczną. Gdy całkowita grubość warstwy falowodu pozostaje niezmieniona, grubość warstwy falowodu w płaszczyźnie p jest zmniejszana, a grubość warstwy falowodu w płaszczyźnie n jest zwiększana, tak że główna część pola optycznego jest rozłożona w niskim absorbancji płaszczyzna n o niskiej rezystancji, zmniejsza nakładanie się pola optycznego i płaszczyznę p o wysokiej absorpcji, zmniejsza napięcie materiału sypkiego i zmniejsza utratę absorpcji światła. Jednocześnie, w połączeniu ze stopniowym rozkładem domieszkowania, realizowana jest jednoczesna optymalizacja strat napięcia materiału sypkiego i strat absorpcji światła. Chipy laserowe w paśmie 900 nm zwykle wykorzystują studnie kwantowe InGaAs jako materiał wzmacniający, a studnie kwantowe AlInGaAs z dużym obciążeniem w celu zwiększenia wzmocnienia, ale studnie kwantowe AlInGaAs jako materiał czwartorzędowy mają bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące kontroli wzrostu materiału. Konieczna jest optymalizacja stosunku atmosfery i tempa wzrostu temperatury, aby zwiększyć energię zarodkowania defektów korpusu studni kwantowej, zmniejszając w ten sposób gęstość defektów studni kwantowych i hodując studnie kwantowe o wysokiej jakości i dużym obciążeniu.
(2) Gdy proces projektowania i wytwarzania struktury chipa działa w trybie dużej mocy, intensywność bocznego trybu wysokiego rzędu chipa wzrasta, co powoduje gwałtowny wzrost kąta rozbieżności i spadek jasności. Absorpcja i rozpraszanie na krawędzi falowodu są ogólnie stosowane w doniesieniach literaturowych w celu zmniejszenia intensywności modów wysokiego rzędu, ale spowoduje to również dodatkową utratę absorpcji modów niskiego rzędu i zmniejszy całkowitą moc optyczną. Ponadto, podczas pracy z dużą mocą, natężenie pola optycznego chipa jest nierównomiernie rozłożone w kierunku wzdłużnym, podczas gdy stężenie nośnika generowane przez wstrzyknięcie prądu konwencjonalnego chipa strukturalnego jest jednolite w kierunku wzdłużnym, więc natężenie pola optycznego a rozkład stężenia nośnika nie może być dopasowany, spowoduje to efekt wypalenia pionowej dziury w przestrzeni, co spowoduje nasycenie mocy. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest dostosowanie struktury urządzenia do dystrybucji wtrysku nośnika.
(3) Rozszczepianie powierzchni wnęki i obróbka pasywacyjna Głównym trybem awarii półprzewodnikowych chipów laserowych dużej mocy jest uszkodzenie powierzchni wnęki (COMD). COMD pochodzi z absorpcji światła przez powierzchnię wnęki rozszczepiającej i otaczający obszar, gdy chip pracuje z dużą mocą. Absorpcja światła powierzchniowego jest spowodowana rozszczepianiem zwisających wiązań powierzchniowych, utlenianiem powierzchni i zanieczyszczeniem powierzchni, podczas gdy konwencjonalne rozszczepianie powierzchni wnęki odbywa się w atmosferze lub środowisku o niskiej próżni, i tego problemu nie można uniknąć. Absorpcja światła w obszarze w pobliżu powierzchni cięcia pochodzi z absorpcji międzypasmowej. Gdy chip pracuje z dużą mocą, temperatura tego obszaru wzrasta, co powoduje zmniejszenie pasma wzbronionego materiału i wzrost absorpcji międzypasmowej. Najskuteczniejszym sposobem zmniejszenia tego typu absorpcji jest utworzenie struktury okna z szerokim pasmem wzbronionym (niska absorpcja). Poprzez rozwój projektowania struktury epitaksjalnej i wzrostu materiału, projektowanie i proces przygotowania struktury chipa, rozszczepianie powierzchni wnęki i obróbkę pasywacyjną, firma Suzhou Everbright Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. (zwana dalej „Everbright Huaxin”) wprowadziła na rynek 28 W półprzewodnikowy układ laserowy. Wzrost mocy chipa wynika głównie ze zoptymalizowanej konstrukcji struktury epitaksjalnej chipa oraz udoskonalenia specjalnej technologii obróbki powierzchni wnęki. Na moc wyjściową laserów półprzewodnikowych wpływają głównie takie czynniki, jak próg lasera, nachylenie i zginanie dużej mocy prądu. Zwykle poprzez zmniejszenie stężenia domieszkowania złącza pn uzyskuje się zmniejszenie progu i zwiększenie nachylenia, a zbyt małe stężenie domieszkowania doprowadzi do wzrostu rezystancji złącza pn i wzrostu napięcia chipa. Aby rozwiązać problem optymalizacji równowagi między nachyleniem progowym a napięciem, Changguang Huaxin zoptymalizował grubość warstwy falowodu asymetrycznej struktury dużej wnęki optycznej i starannie zaprojektował rozkład stężenia domieszki w różnych obszarach złącza pn, więc w celu zmniejszenia progu i poprawy wydajności zbocza. Efekt utrzymywania napięcia zasadniczo na stałym poziomie. Zginanie wysokim prądem jest głównie spowodowane spadkiem wewnętrznej wydajności kwantowej, gdy wtryskiwany jest wysoki prąd. Everbright zoptymalizował strukturę pasma energetycznego materiału w pobliżu obszaru wzmocnienia struktury lasera, poprawił zdolność uwięzienia elektronów wtryskiwanych przez złącze pn i skutecznie zwiększył wydajność kwantową podczas wtrysku wysokiego prądu. Optymalizując moc chipa laserowego, Everbright stale poprawia jakość materiału w specjalnym procesie obróbki powierzchni ubytku, aby zmniejszyć współczynnik defektów, poprawić odporność powierzchni ubytku na uszkodzenia spowodowane katastrofami optycznymi i zapewnić, że 28 W chip laserowy o dużej mocy spełnia wymagania rynku przemysłowego dotyczące żywotności lasera. wymagania.

Jako praktyczne narzędzie, laser światłowodowy półprzewodnikowego źródła światła o dużej mocy w bliskiej podczerwieni rozwinął się szybko w ostatnich latach ze względu na swoje wyjątkowe zalety i odgrywa ważną rolę w dziedzinie produkcji przemysłowej, przetwarzania i badań naukowych. Jako podstawowe urządzenie upstream lasera światłowodowego, rozwój źródła pompującego towarzyszy również, a nawet sprzyja rozwojowi i postępowi ogólnej technologii lasera światłowodowego.
(1) Przemysłowe źródło pompowania laserem światłowodowym W ostatnich latach rynek przemysłowych laserów światłowodowych rozwijał się szybko i ma dużą dynamikę. Lasery światłowodowe przejęły wiodącą rolę na rynku przemysłowej obróbki laserowej dzięki swoim unikalnym zaletom technologicznym i aplikacyjnym. Jeśli chodzi o rynek przemysłowych laserów światłowodowych, technologia laserów światłowodowych o niskiej i średniej mocy dojrzała i ustabilizowała się oraz w pełni weszła w fazę konkurencji kosztowej.

2) Źródło pompowania laserem światłowodowym do badań naukowych. Lasery światłowodowe do badań naukowych generalnie mają wyższe wymagania dotyczące jasności lub są używane w niektórych specjalnych scenariuszach zastosowań. Wymagania te dotyczą źródła pompowania. Ogólnie rzecz biorąc, źródło pompowania musi mieć wysoką jasność i mały rozmiar. , lekkość, blokowanie długości fali i inne cechy. Mała objętość wymaga zwartej konstrukcji opakowania dla źródła pompującego, a niewielka waga wymaga niezbędnej obróbki zmniejszającej wagę źródła pompującego oraz zastosowania nowych materiałów metalowych o niskiej gęstości do obróbki płaszcza rury w oparciu o zapewnienie wydajności przewodzenia ciepła.

High-brightness kilowatt-class fiber-coupled direct semiconductor lasers High-brightness kilowatt-class fiber-coupled direct semiconductor lasers have the characteristics of high brightness, wide wavelength range, high electro-optical conversion efficiency and easy use, and have a wide range of potential applications in industry and scientific research fields, such as for Metal material processing, Yb-doped fiber laser pumping, Raman nonlinear fiber laser pumping, and energy transfer. Brightness is defined as B=P·A-1·Ω-1, where P is the output power of the laser, A is the area of the beam waist of the output beam of the laser, and Ω is the solid angle of the divergence angle of the output beam of the laser. Generally speaking, the higher the brightness, the smaller the focused spot size and the longer the working distance. The continuous output power of a single laser diode light-emitting unit (or laser diode single tube) is less than 40 W, and it is necessary to use different beam combining methods to combine dozens to hundreds of single tube chips into a beam output to achieve kilowatt-level output. Conventional direct semiconductor lasers are based on a laser diode single tube or bar (composed of multiple single tubes), using spatial beam combining, polarization beam combining, coarse spectrum beam combining or fiber beam combining to increase output power. Direct semiconductor lasers based on this type of beam combining technology have high output power and low cost, and are favored by the industry, and can be used for welding and cladding of metal materials. Using the dense spectral beam combining technology based on a single-tube chip, Everbright Huaxin has successfully developed a variety of high-brightness fiber-coupled direct semiconductor lasers, which greatly improved the output brightness of direct semiconductor lasers (> 200 MW cm-2 Sr-1) and Electro-optical conversion efficiency (>45 procent). Na przykład w 20}19 roku firma Everbright uruchomiła laser półprzewodnikowy o mocy 1 kW, 220 μm/NA{20}}.22 (o jasności wyjściowej 21 MW cm-2 Sr -1), który był szeroko stosowany w spawaniu cienkich blach; w tym samym roku wprowadził na rynek bezpośredni laser półprzewodnikowy o mocy 4 kW, 600 μm /NA0.22 (jasność wyjściowa 11 MW cm-2 Sr-1), który jest szeroko stosowany w pokrywaniu powierzchni. Jednak ze względu na dużą średnicę rdzenia światłowodu wyjściowego i niską jasność tego typu lasera nie można używać do cięcia materiałów metalowych i zastosowań naukowych wymagających dużej jasności. Rysunek 8 przedstawia wyniki symulacji wielu chipów jednorurowych przestrzennie łączących sprzężenie światłowodowe. Maksymalna liczba chipów jednorurowych mieszczących się w włóknie 100 μm/NA0.22 wynosi 12, więc moc wyjściowa jest tylko 12 razy większa niż w przypadku pojedynczego chipa jednorurowego.

Lasery półprzewodnikowe o dużej mocy działające w bliskiej podczerwieni mogą być wykorzystywane jako źródła pompujące i urządzenia rdzeniowe dla laserów na ciele stałym i laserów światłowodowych, a także mogą być bezpośrednio wykorzystywane w dziedzinach badań przemysłowych i naukowych dzięki różnym technologiom łączenia wiązek, zajmując duży rynek laserowy przemysł. Układ jednorurowy jest jednostkowym urządzeniem półprzewodnikowego źródła pompującego lasera dużej mocy. Jego wszechstronna charakterystyka określa wyjściową moc optyczną, wydajność konwersji i objętość końcowego modułu źródła pompującego. Dlatego stało się przedmiotem naszych badań i rozwoju oraz badań. Dzięki dogłębnym badaniom teoretycznym zespołu badawczego, postępowi technologii wzrostu materiałów i rozwojowi technologii pakowania, JTBYShield znacznie poprawił moc wyjściową, żywotność, niezawodność i praktykę stosowania laserów półprzewodnikowych dużej mocy, znacznie skracając czas między zagraniczną luką. W przyszłości nie tylko dokonamy przełomu w kluczowych technologiach, ale także osiągniemy uprzemysłowienie i zrealizujemy pełną lokalizację i uprzemysłowienie wysokiej klasy chipów i urządzeń źródłowych do pompowania laserowego.

Informacje kontaktowe:

Jeśli masz jakieś pomysły, możesz z nami porozmawiać. Bez względu na to, gdzie są nasi klienci i jakie są nasze wymagania, będziemy podążać za naszym celem, aby zapewnić naszym klientom wysoką jakość, niskie ceny i najlepszą obsługę.