Диодные сборки высокой плотности для накачки твердотельных лазеров

 

 

                                   

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics разработаны новые лазерные диодные сборки с минимальным расстоянием между линейками. Эти пакеты высокой плотности (High Density Stack - HDS) позволяют увеличить плотность мощности накачки в ~ 2,5 раза по сравнению со стандартными сборками.

Эта работа содержит обзор производственного процесса, а также презентативные данные на примерах сборок из 5 -, 10 - и 20-линеек. Ближнее поле и мощность от тока представленныв каждом конкретном случае. Плотность мощности приближается к 15 кВт/см2. Кроме того, приведены мощность и длины волны в зависимости от длительности импульса для того, чтобы определить приемлемые эксплуатационные параметры для данного типа сборок. Показано, что в режимах с низкими частотами повторения импульсов Nd:YAG квантронов, накачные сборки работают с относительно низкой температурой p-n перехода.

Обсуждается также будущее работы с акцентом на расширение HDS архитектуры при использовании  300W линеек. Это позволит довести плотность мощности примерно до 25 кВт/см2.

29 марта 2010

 

Импульсные диодные сборки высокой плотности для накачки твердотедбных лазеров

 

Ryan Feeler2 and Edward Stephens

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics, 20 Point West Boulevard, St. Charles, MO

63301

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Сборки лазерных диодов высокой плотности, используются в различных оборонных и аэрокосмических применениях.  Два из наиболее распространенных видов использования являются освещение и накачка твердотельных лазеров (Solid State Laser - SSL), в котором излучение диодных лазеров идет на возбуждения лазерного кристалла для генерации света.   SSL затем могут быть использованs в ряде приложений, в том числе для дальнометрии и целеуказания.

Во многих SSL приложениях для работы со сборками лазерных диодов используется импульсный режим (квази-непрерывные волны (QCW). В этом режиме диодные сборки запитываются импульсным током с длительностью импульса порядка времени жизни верхнего состояние усилительной среды лазера. Например, для Nd: YAG лазеров, как правило, накачка диодов производится импульсом  шириной порядка 200 микросекунд. Этот  режим накачки приводит к эффективной конструкции лазера, так как большая часть излучения накачки, которая поглощается в лазерном кристалле может быть извлечена из системы. Частота повторения накачки определяется также приложением. Многие дальномерные приложения работают на 10-30 Гц, и многие приложения прямого диодного освещения работают около 60 Гц в соответствии с частотой кадров коммерческой приемной (COTS) камеры.

QCW диодная накачка имеет несколько преимуществ по сравнению с CW накачкой в ??SSL-системах. Во-первых, QCW накачка снижает среднюю тепловую нагрузку на среду усиления лазера. Это упрощает охлаждение системы, а также обеспечивает более высокое качество пучка лазера за счет снижения эффектов тепловой линзы. Во-вторых, QCW накачка допускает работу диодов при более высокой пиковой мощности, чем это возможно с CW накачкой. Это приводит SSL-системам с высокой пиковой мощностью.

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics (NGCEO) занимается производством сборок QCW лазерных диодов в различных конфигурациях более десятилетия. Аморок стандартного производственного процесса диодной QCW сборки показана на рисунке 1. На первом этапе диодная линейка припаивается к теплопроводящей подложке,  с почти  тем же коэффициентом теплового расширения (СТЕ),  что и СТЕ линейки (~ 6 частей на миллион / K в случае GaAs). Это дает возможность использования жесткого припоя

такого как эвтектика AuSn, что минимизирует ползучесть припоя и способствует высокой степени надежности. Созданная подсборка (когда лингейка припаяна к подложке-радиатору) известна как Mounted Bar Assembly (MBA).

На следующем этапе стандартного процесса производства, небходимое количество МВА спаивается вместе и припаивается к керамической изолирующей плате и электрическим контактам  для создания диодной сборки. Электрические контакты также служат большими радиаторами на торцах сборки. Расстояние между линейками, или шаг (pitch), определяется в первую очередь толщиной подложки и пространством между МВА. Шаг в диапазоне от 350 микрон до 2 мм широко распространен в промышленности сегодня.

Количество линеек в сборке определяется спецификацией заказчика и непосредственно связано с желаемой выходной импульсной мощностью устройства

Сборка может быть далее посажена на радиатор, охлаждаемый либо водой, либо за счет теплопроводности (кондуктивно)

               

Рисунок 1. Аморок производственного процесса стандартных импульсных диодных сборок NGCEO.

 

В оборонных приложениях, часто бывает выгодно использование лазерных  диодных сборок с очень высокой плотностью выходной мощности. Высокая плотность выходной мощности диодов позволяет использовать меньшие по размерам лазерные кристаллы, а также оказывает непосредственное влияние на размер, вес, и охлаждение полученной лазерной системы.  Для сборок, созданных с помощью процесса на рисунке 1, используя

коммерчески доступные диодные линейки мощностью 200-300 Вт / линейка, результирующая плотность мощности достигает 5-8 кВт/см2.

Есть несколько способов увеличить оптическую плотность мощности сборок лазерных диодов. Во-первых,  это увеличение мощности каждой диодной линейки, входящей в сборку. Кроме того, оптические методы могут быть использованы для создания массивов с более высокой плотностью мощности.

Фирмой NGCEO создана новая конструкция сборки, которая исключает подложки- радиаторы между диодными линейками и резко снижает величину шага. Такая конструкция называется вертикальным Стеком Высокой Плотности (High Density Stack (HDS). Аморок производственного процесса такой сборки показана на рисунке 2. В ходе этого процесса, стек диодных линеек спаивается  вместе, используя AuSn припой,

затем стек припаивается к керамической плате и электрическим контактам. В результате шаг  уменьшается до ~ 150 микрон, что составляет 43% от наименьшего стандартного шага, который может быть получен методом показанным на рисунке 1, выше.  Это приводит к оптической плотности мощности примерно в 2,3 раза выше, чем можно получить с помощью стандартных методов производства.

 

                       

Рисунок 2. Процесс сборки стека высокой плотности.

 

 

Рисунок 3 содержит график плотности мощности диодных сборок (в кВт/см2) в зависимости от мощности линейки и величины шага.

Данные показывают, что за счет использования архитектуры HDS может быть

достигнуто значительное увеличение плотности мощности. При номинальной выходной мощности 150 Вт / линейку HDS сборка из 10 линеек имеет плотность мощности ~ 2,7 раза больше, чем полученная от стандартной сборки с 400 микронным шагом.  Фактически, HDS сборка из 150 Вт линеек имеет такую же плотности мощности, как и сборка с шагом 400 микрон, использующая линейки  мощность 400 Вт / линейка. Это дает разработчикам систем большую гибкость при выборе линеек для их применения.  Линейки с низкой пиковой мощностью могут быть выбраны для того, чтобы работать дальше от катастрофической оптической деградации (COD- catastrophic optical damage), или использовать диодные драйверы, расчитанные на меньший ток.

                                  

 Рисунок 3. Плотность мощности в зависимости от мощности / линейку для сборок с разным значением шага.

 Хотя увеличение оптической плотности мощности HDS желательно, конструкция сборки имеет внутреннее ограничение. Отсутствие промежуточных проджложек-радиаторов означает, что все тепло, выделяемое линейкой должно проходить через соседние линейки на электрические контакты. В результате допустимый операционный диапазон HDS сборок меньше, чем операционный диапазон сборок,построенных с использованием стандартного производственного процесса.

Одна из целей данной работы является определение рабочего диапазона, в котором  HDS сборки могут быть надежно  использованы.

 

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Линейки, использованные для этого эксперимента, были специально разработаны и изготовлены NGCEO для работы с высокой QCW мощностью.

Линейки имели 1 см в ширину и длину резонатора 1 мм с коэффициентом заполнения около 83%, а выходные грани пассивированы для предотвращения окисления. Эти линейки номинально оцениваются как 200W линейки и достигают этого уровня мощности при 175 - 180 А. Было показано, что в стандартном корпусе линейки имеют > 50% эффективность преобразования электрического сигнала в оптический при температуре до 70 ° С, а также было показано, что линейки выдерживают значительные тепловые удары [1]. Дополнительно было показано, что эти устройство обладают сроком жизни свыше 13 миллиардов импульсов [2]. Поэтому эти проверенные линейки отлично подходят для использования в HDS сборках.

Для того чтобы определить операционный диапазон HDS сборок, были изготовлены сборки  с 5 -, 10 - и 20-линейками с использованием процесса, показанного на Рисунке 2, выше. Все устройства были изготовлены из той же партии линеек для того, чтобы обеспечить прямое сравнение наборов данных. В случаях стеков с 5 - и 10-линейками, стеки был построен с помощью одного шага пайки. В случае стека с 20 линейками, два стека с 10 линейками были объединены в последующем шаге пайки.

Картина HDS стека с 5 линейками показана на рисунке наряду со стандартной сборкой с 400 микронным шагом. В этом случае дополнительные CuW радиаторы были напаяны на внешние контакты стека так, чтобы вся сборка могла поддерживать тот же форм-фактор, как и стандартная комплектация для удобства тестирования. Однако ясно, что площадь излучение HDS сборки значительно меньше,. Общая площадь излучения стандартной сборки 1см х 1,6 мм, а HDS  сборки - 1 см х 0,6 мм. В случаях сборок, содержащих от 2 до 5 линеек, HDS сборки следовательно имеет в 2,6 раза большую плотность мощности.

 

                               

Рисунок 4.  Фотографии двух сборок. содержащих по 5 линеек, приставленных друг к другу. Сверху HDS сборка, снизу - стандартная.

Разница в плотности мощности также может быть проиллюстрирована, глядя на изображение (Рисунок 5) ближнего поля излучения HDS сборки и сборки с 400 микронным шагом. Фото отчетливо показывает  преимущество HDS  архитектуры для достижения повышенной плотности мощности.

 

 

Рисунок 5.  Сравнение изображений ближнего поля от HDS сборки (слева)и сборки с 400 микронным шагом (справа). Каждая сборка содержит по пять линеек.

 Изображения ближнего поля для всех трех HDS стеков приведены на Рисунке 6. В стеках с 5-ю и 10-ю линейками каждый эмиттер в каждой линейке излучает. В стеке с 20-линейками, однако, три линейки содержат нескольких эмиттеров практически без излучения.  Это приводит к снижению пиковой мощности в расчете на линейку для данного стека даже при низких средних токах.

 

Рисунок 6. Изображения ближнего поля стеков из 5 -, 10- и 20- линеек.

 Зависимость мощности от тока для HDS стека с 5-ю линейками была сравнена с такой же зависимостью для аналогичного стека, изготовленного с шагом 400 микрон. по сравнению

Эти данные были получены при частоте повторения 20 Гц и длительности импульса 150 мксек и показано на Рисунке 7. Как видно из рисунка, не наблюдается особых различий между стеками в диапазоне тестовых токов.  Поскольку режим 20 Гц, 150 мксек является типичным  для SSL дальномеров, данный тест дает мандат для использования HDS сборок в этом режиме.

                     

 

Рисунок 7.  Зависимость мощности от тока для HDS и стандартного стеков. Каждый стек содержит  5 линеек. Тест проводился при 20 Гц, 150 мксек.

 Дополнительное тестирование было проведено с целью определить эффект от увеличения ширины импульса на выходную мощность HDS стеков. Максимальная мощность / линейку в зависимости от ширины импульса представлена на Рисунке 8. ??В данном тесте частота импульсов и ток были постоянными 20 Гц, 200 А.  Для всех трех стеков пиковая мощность падает по мере увеличения длительности имипульса накачки из-за нагрева по всему устройству.

 Стек с 20-ю линейками производит  94% мощности / линейку по отношению к мощности на линейку в стеках с 5 - и 10-линейками при длительности импульса 150 мксек. На первый взгляд можно было бы подозревать, что это связано с наличием нескольких не излучающих эмитентов, как показано на рисунке 6. Однако, только 2% излучателей испускают значительно меньше энергии, в соответствии с изображением ближнего поля. Поэтому можно сделать вывод, что снижение мощности происходит  в силу ряда других факторов, скорее всего, из-за чрезмерного нагрева  в устройстве. При длительности импульса 450 мксек, 20-линеечный стек испытывает эффект теплового убегания и достоверные данные не могут быть собраны.

                              

 

Рисунок 8. Зависимость мощности / линейку от длительность импульса тока для HDS стеков с на 5 -, 10 - и 20-линейками. Все данные получены при 20 Гц, 200 А.

 Соотношение между температурой p-n перехода диода и длиной волны выходного излучения хорошо известно и составляет ~ 0,25 нм / K для этого материала. Поэтому измерения выходной длиныв волны стеков высокой плотности позволяют определять температуру перехода. Значение центра волны для каждой сборки было зафиксировано во время испытаний по рисунку 8, и построены на рисунке 9. При малой ширине импульса (~ 75мксек), все три сборки имеют близкие  длины волн центра.  Стеки с  5 - и 10-линейками сборки имеют одинаковую длину волны (в пределах разрешения измерения), а 20-линеечный стек -  выше на ~ 1 нм.

Функциональность стеков начинает расходиться по мере того как ширина импульса (и, следовательно, средняя тепловая нагрузка) увеличивается.  5 - и 10-линеечные сборки имеют одинаковые длины волн во всем диапазоне изменения ширины импульса в тесте. При длительности импульса 450 мксек длина волны 10-линеечного стека всего на 2 нм выше, чем у 5-линеечного стека. Это соответствует среднему превышение температуры ~ 8К по всему массиву. Однако, центр волны 20-линеечного стека - быстро возрастающая функция ширины импульса.

Следует однако отметить, что в режимах, характерных  для Nd: YAG накачки в дальнометрических приложениях, все три стека будут работать при температурах p-n перехода, меньших, чем при работе в CW режиме, который сегодня принят в промышленности. Поэтому при 20 Гц, 150 мксек, и 200А (~ 210 Вт / линейку) все три сборки способны работать с высокой степенью надежности.

 

                   

Рисунок 9. Центр длины волны в зависимости от длительности импульса для стеков выс окой плотности с 5 -, 10 - и 20-линейками. Все данные, полученны при 20 Гц, 200 А.

3. БУДУЩЕЕ НАПРАВЛЕНИЕ

Приведенные выше данные были основаны на 200W линейках производства NGCEO. Последние достижения в области дизайна эпитаксиальных  структур

привели к созданию линеек, способных надежно работать при 300 А (примерно 300 Вт). Сравнение P-I зависимостей для двух эпиструктур показано на рисунке 10.

 

 

                           

Рисунок 10.  Зависимость мощности от тока для новых эпитаксиальных структур NGCEO в сравнении со стандартными эпитаксиальными структурами, которые использовались в HDS стеках в этой работе.

 

Будущее направление этого проекта будет сфокусировано на тестирование и оценку новых эпитаксиальных структур в HDS сборках. С уровнем мощности более 300 Вт на линейку в HDS стеках плотность мощности может приближается к 25 кВт/см2.

 

 

4. ВЫВОДЫ

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics  продемонстрировала новую лазерную диодную сборку, способную работать с плотностью мощности ~ 15 кВт/см2 при использовании  200 Вт  линеек. Эта конструкция, называемая стеком высокой плотности, обеспечивает высокую плотность упаковки диодных линеек с шагом ~ 150 микрон.

NGCEO собраны данные на стеки с 5 -, 10 - и 20-линейками в режиме работы, характерном для многих Nd: YAG накачных схем. Данные полученные из этих экспериментов подтверждает, что сборки работают при температурах p-n переходов таких, которые гарантируют длительный срок службы.

 

 

Ссылки

[1] Feeler, R., Junghans, J., and Stephens, E. “High power QCW arrays for operation over wide temperature extremes,”

Proceedings of SPIE Vol. 7198, 71981F (2009).

[2] Feeler, R., Junghans, J., Remley, J., Schnurbusch, D., and Stephens, E. “Reliability of high power QCW arrays,”

Proceedings of SPIE Vol. 7583, 758304 (2010)