Rozważania projektowe dlalaser półprzewodnikowy dużej mocy
W tym artykule systematycznie omówiono podstawowe zagadnienia dotyczące projektowania i metod wdrażania półprzewodników dużej mocy.laserW oparciu o ogólną ideę „zwiększenia górnej granicy mocy poprzez rozszerzenie objętości świetlnej, optymalizację ścieżek konwersji i rozpraszania energii przy jednoczesnym uniknięciu katastrofalnych uszkodzeń optycznych (COD)” przeprowadzono dogłębną analizę obejmującą 9 kluczowych aspektów:
1. Szeroki obszar emisji: Dzięki zastosowaniu struktury o szerokim obszarze (np. zwiększeniu szerokości obszaru emisji W z kilku mikrometrów do 50–200 mikrometrów) można bezpośrednio liniowo zwiększyć maksymalną moc wyjściową, co jest podstawową metodą uzyskiwania mocy wyjściowej pojedynczej lampy na poziomie watów lub nawet dziesiątek watów, ale odbywa się to kosztem jakości wiązki.
2. Długa komora: Zwiększenie długości komory jest kluczem do poprawy wydajności ogrzewania elektrycznego i osiągnięcia wydajnej pracy przy dużej mocy. Jej istotą jest efektywne zmniejszenie oporu cieplnego i rezystancji urządzenia, a tym samym ograniczenie wzrostu temperatury złącza obszaru aktywnego, zmniejszenie efektu nasycenia mocy oraz poprawa mocy wyjściowej i sprawności.
3. Poszerzanie falowodów i asymetryczne wnęki optyczne: Poprzez poszerzenie rozkładu pola optycznego (np. poprzez zastosowanie asymetrycznych struktur wnęk optycznych), można zmniejszyć nakładanie się pola optycznego na obszary o wysokiej absorpcji, co znacznie zmniejsza straty wewnętrzne, poprawia wydajność kwantową i redukuje generowanie ciepła. Jednocześnie można poprawić jakość wiązki w kierunku pionowym.
4. Współczynnik wypełnienia: W urządzeniach listwowych współczynnik wypełnienia (stosunek całkowitej szerokości jednostki emitującej światło do całkowitej szerokości listwy) jest kluczowym parametrem równoważącym gęstość mocy wyjściowej i trudności z odprowadzaniem ciepła. Wysoki współczynnik wypełnienia zapewnia wysoką gęstość mocy, ale wymaga ekstremalnie wysokiego rozpraszania ciepła, podczas gdy niski współczynnik wypełnienia sprzyja odprowadzaniu ciepła i poprawia niezawodność.
6. Technologia ochrony czoła: Poprawa progu katastrofalnego uszkodzenia zwierciadła optycznego (COMD) czoła jest kluczem do pokonania wąskiego gardła zasilania. W artykule omówiono trzy główne technologie:
6.1 Pasywacja i powlekanie powierzchni wnęki: Dzięki osadzaniu warstw pasywacyjnych i powlekaniu powłokami o wysokim współczynniku odbicia/antyodbicia, defekty powierzchni wnęki ulegają pasywacji, rekombinacja bezpromienista jest tłumiona, a próg COMD ulega znacznej poprawie.
6.2 Technologia okna nieabsorbującego: Wykorzystanie hybrydyzacji studni kwantowej i innych technik w celu utworzenia przezroczystego obszaru okna na powierzchni czołowej w celu ograniczenia absorpcji światła i zapobiegania COMD.
6.3 Technologia strefy niewtryskowej na powierzchni wnęki: Wprowadzenie strefy niewtryskowej w pobliżu powierzchni wnęki w celu zmniejszenia koncentracji nośników i rekombinacji nieradiacyjnej na powierzchni wnęki.
7. Konstrukcja o wysokiej jasności: W celu rozwiązania problemu niskiej jakości wiązki w laserach szerokopasmowych wprowadzono dwie techniki uzyskiwania wysokiej jasności wyjściowej:
7.1. Struktura stożkowa: Połączenie wąskiego obszaru zarodkowego falowodu na przednim końcu i obszaru wzmocnienia stożka na tylnym końcu pozwala zachować jakość wiązki bliską granicy dyfrakcji przy jednoczesnym wzmocnieniu mocy.
7.2 Kontrola modów: wprowadzanie mikrostruktur w szerokim zakresie w celu selektywnego zwiększenia strat poprzecznych modów wyższego rzędu, co poprawia jakość wiązki.
8. Odkształcenie studni kwantowej i kompensacja odkształcenia: Wprowadzenie odkształcenia w aktywny obszar studni kwantowej może zoptymalizować strukturę pasma, zwiększyć wzmocnienie różnicowe, a tym samym zmniejszyć prąd progowy, poprawić wydajność i poprawić charakterystykę wysokotemperaturową. Technologia kompensacji odkształcenia zapobiega akumulacji odkształceń i defektów poprzez tworzenie warstw barierowych o przeciwnym odkształceniu, co zapewnia wysoką jakość materiału.
9. Zaawansowane zarządzanie termiczne i obudowa o niskim naprężeniu: W odpowiedzi na wyzwania związane z rozpraszaniem ciepła, jakie niesie ze sobą wysoka gęstość mocy, w tym artykule przedstawiono nowe materiały radiatorów (takie jak materiały kompozytowe diamentowe), chłodnice mikrokanalikowe i technologie pakowania wykorzystujące materiały interfejsowe o niskim naprężeniu w celu osiągnięcia bardzo dużej zdolności rozpraszania ciepła i poprawy niezawodności.
10. Rozproszony falowód: Jako wewnętrzny schemat zarządzania ciepłem na poziomie układu scalonego, struktura ta dzieli falowód grzbietowy na strefę wzbudzenia i strefę pasywnego rozpraszania ciepła wzdłuż długości wnęki, a także tworzy poprzeczny kanał cieplny wewnątrz układu scalonego w celu efektywnego rozpraszania ciepła, przełamując ograniczenia tradycyjnych metod rozpraszania ciepła.
Podsumowanie i perspektywy wskazują, że projektowanie urządzeń o dużej mocylaser półprzewodnikowyto wielokryterialny problem optymalizacji, obejmujący zagadnienia elektryczne, optyczne, termodynamiczne i niezawodnościowe. Konieczne jest osiągnięcie optymalnej równowagi między trzema podstawowymi konstrukcjami: szerokim obszarem emisji, długą wnęką rezonansową i poszerzonym falowodem, a technologiami, które radzą sobie z trzema głównymi wyzwaniami: odprowadzaniem ciepła, uszkodzeniami powierzchni czołowych i jakością wiązki. Dalsza poprawa wydajności w przyszłości będzie zależeć od rozwoju nowych materiałów, nowych mechanizmów fizycznych i nowych procesów produkcyjnych.
Czas publikacji: 21-05-2026