Обзор высокой мощностиполупроводниковый лазерразработка часть первая
Поскольку эффективность и мощность продолжают расти, лазерные диоды (драйвер лазерных диодов) продолжит вытеснять традиционные технологии, тем самым изменяя способы производства и позволяя разрабатывать новые. Понимание существенных улучшений в мощных полупроводниковых лазерах также ограничено. Преобразование электронов в лазерное излучение с помощью полупроводников было впервые продемонстрировано в 1962 году, после чего последовал целый ряд дополнительных достижений, которые привели к значительному прогрессу в преобразовании электронов в высокопроизводительные лазеры. Эти достижения нашли применение в важных областях: от оптических накопителей до оптических сетей и широкого спектра отраслей промышленности.
Обзор этих достижений и их совокупного прогресса выявляет потенциал для ещё большего и более глубокого влияния на многие сферы экономики. Более того, благодаря постоянному совершенствованию мощных полупроводниковых лазеров, сфера их применения ускорит своё развитие и окажет значительное влияние на экономический рост.
Рисунок 1: Сравнение яркости и закона Мура для мощных полупроводниковых лазеров
Твердотельные лазеры с диодной накачкой иволоконные лазеры
Достижения в области мощных полупроводниковых лазеров также привели к развитию лазерной технологии, в которой полупроводниковые лазеры обычно используются для возбуждения (накачки) легированных кристаллов (твердотельные лазеры с диодной накачкой) или легированных волокон (волоконные лазеры).
Хотя полупроводниковые лазеры обеспечивают эффективную, компактную и недорогую лазерную энергию, у них есть два ключевых ограничения: они не накапливают энергию и их яркость ограничена. В принципе, для многих приложений требуются два эффективных лазера: один используется для преобразования электроэнергии в лазерное излучение, а другой — для усиления его яркости.
Твердотельные лазеры с диодной накачкой.
В конце 1980-х годов использование полупроводниковых лазеров для накачки твердотельных лазеров начало приобретать значительный коммерческий интерес. Твердотельные лазеры с диодной накачкой (ТЛДН) значительно сокращают размеры и сложность систем терморегулирования (в первую очередь, охладителей циклов) и модулей усиления, в которых для накачки кристаллов твердотельных лазеров исторически использовались дуговые лампы.
Длина волны полупроводникового лазера выбирается с учётом перекрытия спектральных характеристик поглощения с активным веществом твердотельного лазера, что позволяет существенно снизить тепловую нагрузку по сравнению с широкополосным спектром излучения дуговой лампы. Учитывая популярность неодимовых лазеров с длиной волны 1064 нм, полупроводниковый лазер с длиной волны 808 нм уже более 20 лет является наиболее производительным продуктом в производстве полупроводниковых лазеров.
Повышение эффективности диодной накачки второго поколения стало возможным благодаря возросшей яркости многомодовых полупроводниковых лазеров и возможности стабилизации узкой ширины линии излучения с помощью объёмных брэгговских решёток (VBGS) в середине 2000-х годов. Слабое и узкое спектральное поглощение на длине волны около 880 нм вызвало большой интерес к спектрально стабильным высокоярким диодам накачки. Эти более эффективные лазеры позволяют накачивать неодим непосредственно на верхнем лазерном уровне 4F3/2, уменьшая квантовый дефицит и тем самым улучшая извлечение основной моды при более высокой средней мощности, которая в противном случае была бы ограничена тепловыми линзами.
К началу второго десятилетия этого века мы стали свидетелями значительного роста мощности одномодовых поперечных лазеров с длиной волны 1064 нм, а также лазеров с преобразованием частоты, работающих в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Учитывая длительное время жизни лазеров Nd:YAG и Nd:YVO4 в верхней части диапазона энергии, эти DPSSL-лазеры с модуляцией добротности обеспечивают высокую энергию импульса и пиковую мощность, что делает их идеальными для абляционной обработки материалов и высокоточной микрообработки.
Время публикации: 06 ноября 2023 г.