Laser a diodi a barra singola

Il laser a diodi a barra singola include la barra laser a diodi MCC e la barra laser a diodi CS. La barra laser a diodi MCC‌ si riferisce a una barra laser a semiconduttore che utilizza un dispositivo di raffreddamento a microcanali (MCC). La barra laser MCC viene utilizzata principalmente per la struttura di confezionamento dei laser a semiconduttore ad alta potenza. La sua caratteristica principale sono le efficienti prestazioni di dissipazione del calore e la capacità di lavorare con onda continua a ciclo di lavoro elevato e onda quasi continua.‌ La barra laser a diodi confezionata CS si riferisce a una forma di confezionamento laser a semiconduttore, dove "CS" sta per raffreddamento per conduzione. Questa forma di imballaggio viene utilizzata principalmente per laser a semiconduttore ad alta potenza, in particolare in modalità di funzionamento continuo e ciclo di lavoro elevato, che richiede un'efficiente soluzione di dissipazione del calore.

Barra MCC

Barra CS

Depilazione manuale

Barra laser a diodi MCC

Barra laser a diodi CS, FAC opzionale

Meccanismo di raffreddamento
‌Raffreddamento ad acqua‌: il raffreddamento ad acqua del laser serve a dissipare il calore attraverso la circolazione dell'acqua. L'acqua viene fatta circolare all'interno e all'esterno del laser per trasferire il calore all'acqua, quindi riciclata dopo la dissipazione nel radiatore. Il raffreddamento ad acqua ha un'elevata conduttività termica e capacità di trasferimento di calore e può trasferire il calore all'esterno più rapidamente, garantendo così un funzionamento efficiente e stabile del laser e riducendo il tasso di guasto‌.

‌Raffreddamento per conduzione‌: il raffreddamento per conduzione si riferisce solitamente all'uso delle proprietà di conduttività termica di materiali come i metalli per dissipare il calore. Questo metodo di raffreddamento dipende dall'efficienza di conduttività termica del materiale e viene solitamente utilizzato per piccoli dispositivi o dissipazione del calore locale‌.

Scenari applicabili
‌Raffreddamento ad acqua‌: adatto a scenari che richiedono un funzionamento continuo a lungo termine e garantiscono stabilità. Il raffreddamento ad acqua può fornire un migliore effetto di dissipazione del calore e ridurre il tasso di guasto. È adatto per laser ad alta potenza o applicazioni che richiedono elevata stabilità‌.
‌Raffreddamento per conduzione‌: adatto a piccoli dispositivi o esigenze di dissipazione del calore locale. Poiché il raffreddamento per conduzione dipende dall'efficienza di conduttività termica del materiale, il suo effetto di dissipazione del calore è relativamente limitato ed è adatto per dispositivi con requisiti di bassa potenza o bassa dissipazione del calore‌.

Costi e difficoltà di manutenzione
Raffreddamento ad acqua: richiede la sostituzione regolare dei filtri anti-calcare e l'aggiunta di liquido refrigerante, che comporta elevati costi di manutenzione.
Raffreddamento per conduzione: manutenzione relativamente semplice, che richiede solo una pulizia regolare dei componenti di dissipazione del calore e bassi costi di manutenzione.

Modalità di lavoro CW
La modalità di lavoro CW significa che il laser funziona in modo continuo e l'energia del raggio in uscita rimane costante e ininterrotta. Questa modalità di lavoro è adatta per applicazioni che richiedono energia laser stabile, come le comunicazioni in fibra ottica e la lavorazione dei materiali. La potenza di uscita dei laser CW è relativamente bassa, ma può rimanere stabile, il che è adatto per scenari che richiedono un'emissione continua di energia laser. ‌

Modalità di lavoro QCW
La modalità di funzionamento QCW significa che il laser funziona sotto forma di impulsi, la durata (larghezza) di ciascun impulso è limitata e vi è un certo intervallo tra gli impulsi. I laser QCW solitamente emettono impulsi ripetutamente ad alta frequenza e l'ampiezza dell'impulso può essere modulata secondo necessità per controllare la potenza di uscita e l'energia dell'impulso del laser. Questa modalità operativa è adatta per scenari applicativi con elevati requisiti di risoluzione temporale, come sistemi radar e apparecchiature mediche. I brevi impulsi ad alta energia dei laser QCW possono fornire misurazioni precise ed effetti di trattamento. ‌

Scenari applicativi specifici
‌Modalità di lavoro CW‌: adatta per applicazioni che richiedono energia laser stabile, come le comunicazioni in fibra ottica e la lavorazione dei materiali. In queste applicazioni, i laser CW possono fornire una potenza di uscita stabile per soddisfare le continue esigenze di trasmissione del segnale o lavorazione dei materiali.
‌Modalità di lavoro QCW‌: adatta per applicazioni con requisiti elevati di risoluzione temporale, come sistemi radar e apparecchiature mediche. I brevi impulsi ad alta energia dei laser QCW possono fornire misurazioni precise ed effetti di trattamento.

Diversi metodi di raffreddamento: la barra laser confezionata CS adotta il raffreddamento passivo e di solito non richiede sistemi di raffreddamento aggiuntivi come acqua deionizzata e raffreddamento a circolazione di pompe ad alta pressione. La barra laser a microcanale adotta il raffreddamento a liquido, in particolare il dispositivo di raffreddamento a microcanali (MCC), il cui ingresso del liquido di raffreddamento si trova vicino alla barra laser, con elevata efficienza di dissipazione del calore.
Differenza strutturale: la struttura della barra di diodi confezionata CS è relativamente semplice e potrebbe non comportare una progettazione complessa del canale di raffreddamento. La barra del diodo a microcanali contiene un dispositivo di raffreddamento a microcanali, che è una parte importante della sua struttura per un'efficace dissipazione del calore.

• Requisiti di manutenzione:Pacchetto CS: design esente da manutenzione, senza diodo laser a microcanali, senza acqua deionizzata e raffreddamento a circolazione con pompa ad alta pressione.
• Barra di diodi laser a microcanali:È necessaria una manutenzione regolare del sistema di raffreddamento.
• Diversi scenari applicativi:Grazie al metodo di raffreddamento semplice e che non richiede manutenzione, la barra di diodi confezionata CS è molto adatta per applicazioni laser di livello industriale.

La barra di diodi a microcanali è più adatta per l'uso in cicli di lavoro elevati e modalità di lavoro continuo grazie alla sua elevata efficienza di dissipazione del calore.

Le principali funzioni della barra laser CS con lente FAC includono la focalizzazione della luce, l'aumento della direttività del raggio e la riduzione dell'angolo di divergenza del raggio. ‌

La luce emessa da una barra laser è già essa stessa luce laser, ma poiché di solito è ellittica o a forma di coma quando emerge dal risonatore, richiede una lente per focalizzarla. La funzione della lente è quella di focalizzare questi raggi in un punto luminoso, migliorando così la direttività del raggio e riducendo l'angolo di divergenza del raggio‌.

Mettere a fuoco la luce
L'obiettivo può focalizzare efficacemente la luce emessa dal diodo laser per formare un punto luminoso. Questo effetto di messa a fuoco può aumentare significativamente la distanza di proiezione e la luminosità della luce, rendendo l'applicazione dei diodi laser più efficiente e pratica‌.

Migliora la direttività del fascio
Mettendo a fuoco attraverso la lente, il raggio emesso dal diodo laser può essere più concentrato e più direzionale. Ciò significa che il raggio può propagarsi in una direzione specifica in modo più accurato, riducendo la dispersione e la diffusione del raggio e migliorando l'efficienza di trasmissione del raggio‌.

Ridurre l'angolo di divergenza del raggio
L'uso di lenti può ridurre significativamente l'angolo di divergenza del raggio emesso dal diodo laser. L'angolo di divergenza ridotto significa che il fascio può mantenere una diffusione minore durante la propagazione, migliorando così la collimazione e la stabilità del fascio‌.

Quando si utilizzano barre laser MCC laser raffreddate ad acqua, prestare attenzione ai seguenti punti‌:
‌Garantire la corretta installazione e collegamento del sistema di raffreddamento ad acqua‌: inclusi refrigeratori d'acqua, tubi dell'acqua e liquidi di raffreddamento, verificare che il collegamento sia saldo ed evitare perdite o infiltrazioni d'acqua‌.
‌Scegliere un refrigerante adatto‌: si consiglia di utilizzare un liquido con buona dissipazione del calore e proprietà anticorrosione, come acqua distillata o una miscela di refrigerante, ed evitare l'uso di liquidi che danneggiano l'apparecchiatura‌.
‌Controllare la temperatura del sistema di raffreddamento ad acqua‌: in base ai requisiti del laser e all'ambiente di lavoro, regolare la temperatura per garantire che l'apparecchiatura funzioni a una temperatura adeguata. Una temperatura troppo alta o troppo bassa non va bene‌.
‌Pulire regolarmente il sistema di raffreddamento ad acqua‌: evitare che tubi dell'acqua, refrigeratori, ecc. vengano bloccati dallo sporco, che influisce sull'efficienza di dissipazione del calore. Utilizzare una spazzola morbida o aria compressa per la pulizia‌.
‌Prevenire il congelamento‌: in ambienti a bassa temperatura, assicurarsi che il laser e il raffreddatore ad acqua siano sempre in un ambiente superiore a 0 gradi Celsius oppure mantenere il laser e il raffreddatore ad acqua accesi per evitare che l'acqua nel tubo congelamento.
‌Utilizzare antigelo‌: quando la temperatura scende sotto i 0 gradi, utilizzare antigelo per tutta l'acqua di raffreddamento; quando non viene utilizzata per un lungo periodo o è spenta, scaricare l'acqua nel refrigeratore e conservare l'attrezzatura in un ambiente con temperatura superiore a 5 gradi ‌.
Attraverso le misure di cui sopra, è possibile garantire che la barra laser MCC raffreddata ad acqua mantenga prestazioni ottimali e prolunghi la sua durata durante l'uso.

I componenti del diodo laser confezionati CS includono principalmente le seguenti parti:

Chip laser: questa è la parte centrale del diodo laser, responsabile dell'emissione della luce laser. Il chip laser è solitamente composto da una giunzione pn composta da un semiconduttore di tipo p e da un semiconduttore di tipo n, che contiene uno strato attivo che emette luce e un rivestimento che riflette la luce.

Strato di metallizzazione: lo strato di metallizzazione viene utilizzato per collegare il chip laser e altri componenti. Di solito è diviso in una griglia isolante e su questo strato sono progettati il ​​catodo e l'anodo.

Substrato di montaggio: il substrato di montaggio viene utilizzato per fissare e supportare il chip laser e fornire dissipazione del calore. In alcuni casi, il substrato di montaggio viene utilizzato anche per isolare il dissipatore di calore.

Percorso di dissipazione del calore: per garantire che il diodo laser non si surriscaldi durante il funzionamento, di solito esiste un design del percorso di dissipazione del calore. Il percorso di dissipazione del calore può essere verticale o orizzontale, a seconda del design del pacchetto

L'‌effetto sorriso del raggio laser‌ si riferisce al fatto che in un array laser a semiconduttore (LDA), a causa dello stress termico introdotto durante il processo di confezionamento, il chip laser produce una flessione dell'emissione di luce nella direzione dell'asse veloce, provocando i punti luminosi di ciascuno l'unità di emissione della luce non sia in linea retta. Questo fenomeno è noto come effetto "sorriso"‌.

Causa
La causa principale dell'effetto "sorriso" è la mancata corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica tra il chip laser e i materiali di imballaggio come il dissipatore di calore del substrato durante il processo di imballaggio, con conseguente stress termico. Questo stress termico è ulteriormente aggravato quando il laser è in funzione, provocando la flessione del chip laser, influenzando così la linearità del raggio‌.

Influenza
L'effetto "sorriso" ha un impatto significativo sulla qualità del fascio, che si manifesta principalmente nel deterioramento della linearità del fascio e nella distribuzione uniforme degli spot luminosi. Ciò aumenterà la difficoltà di collimazione del raggio, modellatura e accoppiamento delle fibre, influenzando così le prestazioni complessive del laser.

Implicazioni pratiche e soluzioni
Nelle applicazioni pratiche, l'effetto "sorriso" influenzerà la qualità del raggio dei laser a semiconduttore ad alta potenza, soprattutto nelle applicazioni che richiedono un allineamento ad alta precisione. Per ridurre l'impatto dell'effetto "sorriso", è possibile migliorarlo ottimizzando il processo di imballaggio, utilizzando materiali con un coefficiente di dilatazione termica più corrispondente e considerando l'impatto delle variazioni di temperatura sulla qualità della trave nella progettazione.

L'applicazione dei diodi laser CS (LD) nella tecnologia di stampa si basa principalmente sulla loro alta efficienza, elevata densità di potenza e controllo preciso. I diodi laser generano laser attraverso il principio dell'emissione stimolata, che vengono utilizzati per ablare o polimerizzare con precisione i materiali durante il processo di stampa.

Principio di funzionamento dei diodi laser
La struttura di base di un diodo laser è una giunzione PN, costituita da un semiconduttore di tipo P e da un semiconduttore di tipo N drogati con diverse impurità. Quando viene applicata una polarizzazione diretta alla giunzione PN, gli elettroni si spostano dalla regione N alla regione P e le lacune si spostano dalla regione P alla regione N. Questi elettroni e lacune si ricombinano vicino alla giunzione PN per generare fotoni. Per generare i laser sono necessari anche l'emissione stimolata e i risonatori ottici. L'emissione stimolata significa che quando un elettrone salta da un livello energetico più alto a uno più basso, viene rilasciato un fotone. Se questo fotone interagisce con un altro elettrone ad alto livello energetico, farà sì che anche l'elettrone rilasci un fotone della stessa frequenza e fase, ottenendo così l'amplificazione della luce. Il risonatore ottico utilizza un riflettore per riflettere i fotoni nella cavità, aumentando ulteriormente il numero di fotoni e formando infine un laser. ‌

Applicazione dei diodi laser nella tecnologia di stampa
Nella tecnologia di stampa, i diodi laser vengono utilizzati principalmente nella stampa laser. Il componente principale di una stampante laser è uno scanner laser, che scansiona la superficie di un tamburo fotosensibile con un raggio laser generato da un diodo laser. Quando il raggio laser irradia il tamburo fotosensibile, il materiale fotoconduttivo sul tamburo fotosensibile assorbe l'energia laser e forma un'immagine latente elettrostatica. Successivamente, il toner viene adsorbito sull'immagine latente elettrostatica per completare il processo di stampa.

Le barre di diodi laser MCC possono essere confezionate in stack di diodi laser. ‌

Le barre di diodi laser MCC possono essere confezionate in pile di diodi laser tramite pila verticale (stack a V). I laser a semiconduttore a pila verticale superano il problema della qualità del raggio dei laser a matrice orizzontale e la loro qualità del raggio è coerente con quella di un singolo raggio laser, che è adatto per applicazioni con requisiti di qualità del raggio elevati‌. Inoltre, con il miglioramento della tecnologia di imballaggio, il numero di barre laser in un laser impilato verticalmente può essere aumentato da poche a 70 e la potenza di uscita massima può raggiungere anche i KW.

Struttura dell'imballaggio
La struttura di confezionamento delle barre di diodi laser MCC comprende generalmente un catodo, un anodo, un ingresso e un'uscita del refrigerante. L'ingresso del liquido di raffreddamento è vicino all'anodo del gruppo laser, mentre l'uscita del liquido di raffreddamento è vicino al catodo‌. Questa struttura consente alle barre di diodi laser MCC di dissipare efficacemente il calore e gestirlo quando impilate in un array.

Scenari applicativi
Dopo il confezionamento nella pila di diodi laser, le barre di diodi laser MCC possono essere applicate a una varietà di scenari di richiesta di laser ad alta potenza, come lavorazione industriale, ricerca scientifica, apparecchiature mediche, ecc. Grazie alla loro elevata potenza e alla buona qualità del raggio, MCC le barre di diodi laser possono soddisfare gli elevati requisiti delle apparecchiature laser in questi campi dopo essere state imballate.

I laser a diodi a barra singola sono disponibili in barre di diodi laser non montate o montate in contenitori con raffreddamento attivo o conduttivo. La maggior parte delle barre di diodi opera nella regione della lunghezza d'onda compresa tra 755 e 860 nm o tra 940 nm e 980 nm. Le lunghezze d'onda di 808 nm (per il pompaggio di laser al neodimio) e 940 nm (per il pompaggio di Yb:YAG) sono le più importanti. Un'altra lunghezza d'onda importante è intorno a 975-980 nm per il pompaggio di laser e amplificatori in fibra ad alta potenza drogati con erbio o itterbio. Un tipico diodo raffreddato passivamente viene offerto su un supporto CS, un pacchetto standard compatibile con un dispositivo di montaggio basato su un dispositivo di raffreddamento termoelettrico (TEC). La montatura CS è adatta per operazioni quasi-CW (QCW) e CW di media potenza. Per il raffreddamento attivo ad acqua, utilizza dissipatori di calore microcanalati. È possibile impilare più barre in direzione orizzontale o verticale per aumentare la potenza di uscita.

I laser a diodi a barra singola ad alta potenza vengono utilizzati direttamente (come laser a diodi diretti) nella lavorazione laser di materiali (ad es. saldatura laser e alcuni trattamenti superficiali) e come laser medici (ad es. per terapia fotodinamica, rimozione di tatuaggi, chirurgia laser). Le barre di diodi vengono ulteriormente sviluppate anche per uso militare come armi laser sul campo di battaglia. Per potenze molto elevate (superiori a circa 100 W) si utilizzano pile di diodi, che sono essenzialmente più barre di diodi impilate in direzione verticale. Un'altra applicazione comune è il pompaggio di laser a stato solido ad alta potenza, sia laser sfusi che a fibra.

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