光泵半導體激光器 (OPSL)

出色的可見光和紫外光可靠性

在過去的 50 年中，出現(xiàn)了幾種不同的技術(shù)，為連續(xù) (CW) 可見光和紫外光激光器的應用提供了支持。 首先是離子激光器，然后是燈泵浦固態(tài)、半導體泵浦固態(tài) (DPSS)、激光半導體模塊技術(shù)，現(xiàn)在是 OPSL 技術(shù)。 作為領先的激光器制造商，Coherent 使用這些技術(shù)開發(fā)了許多成功的產(chǎn)品。 這為我們提供了一個獨特的視角，可以客觀地將每種類型激光器的性能和優(yōu)勢與我們前列的現(xiàn)場經(jīng)驗進行比較。 在所有這些激光器類型中，OPSL 已證明是最可靠的激光器之一，并且使用壽命非常長 — 見圖 1。例如實踐證明，我們的低功率 OBIS 和Sapphire產(chǎn)品線的 B5 值可達 20,000 小時。 這個令人印象深刻的數(shù)字意味著，這些激光器中，有 95% 在運行 20,000 小時后仍能提供指定的性能。 任何其他可見光或紫外光連續(xù)激光技術(shù)都無法超越這一數(shù)據(jù)。

對于最終用戶和 OEM 來說，兼具高可靠性和長壽命是 OPSL 在市場上取得成功的關鍵因素。 該領域中目前有近 100,000 臺 OPSL 投入使用，功率從毫瓦到數(shù)瓦不等，這很好地證明了此類激光器在市場上獲得了廣泛認可，取得了成功。 在生命科學儀器、半導體檢測和壯觀的戶外燈光秀等多種應用中，Coherent 的 OPSL 已成為可見光和紫外光連續(xù)激光器的首選。 此外，在生命科學領域，許多 OEM 現(xiàn)在正在設計他們的第三代和第四代儀器，這些儀器全部使用 Coherent 的 OPSL。

圖 1：對 32 臺隨機( Coherent Sapphire)OPSL 的持續(xù)壽命測試顯示了該技術(shù)典型的極長壽命統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

可靠的降額泵浦二極管

激光器的可靠性和可信度取決于其部件。 OPSL 中有一個關鍵有源器件叫泵浦二極管，用于執(zhí)行電功率到光功率的初始轉(zhuǎn)換。 OPSL 采用了一個近紅外 InGaAs 增益芯片。 這種配置有很多優(yōu)點，其中之一就是該增益芯片由 808 nm 光進行優(yōu)化泵浦。 這樣設備就能夠使用基于砷化鎵 (GaAs) 的泵浦二極管。 砷化鎵二極管代表了一些最成熟的半導體激光器技術(shù)，在電信和數(shù)據(jù)存儲領域有著驚人的長壽命記錄。

Coherent 是一家垂直整合的激光器制造商，在公司內(nèi)部即可設計、制造、組裝和測試所有關鍵部件和子組件。 因此，我們一直走在 808 nm 二極管開發(fā)的前沿，開創(chuàng)了許多創(chuàng)新技術(shù)，將設備壽命提高至數(shù)萬小時。 有些進步非常明顯，包括二極管本身的無鋁材料的開發(fā)(稱為 AAA? 技術(shù))，以及諸如首次使用硬焊封裝技術(shù)。 此外，通過收購 DILAS 團隊，Coherent 獲得了更多的封裝技術(shù)。

圖2. 通過引入 AAA? 技術(shù)，Coherent 提高了 808 nm 二極管的壽命，這些典型的壽命測試數(shù)據(jù)是在 25oC 的工作溫度下記錄的，并推斷出設備壽命大于 50000 小時。 這些二極管是我們 OPSL 的關鍵部件

與其他許多激光二極管類型不同，我們的 OPSL 中使用的 808 nm 泵浦二極管可以在室溫下產(chǎn)生高功率密度。 這樣就不再需要昂貴而復雜的冷卻部件，并消除了這些冷卻系統(tǒng)可能導致的故障。 當然，激光二極管的發(fā)射波長隨溫度變化。 但增益芯片的吸收帶寬非常寬，不像 DPSS 激光器中使用的晶體那樣吸收峰較窄。 因此，不需要精確地保持泵浦二極管的波長，從而保持溫度。 這就消除了另一種可能導致長期性能下降的機制。

此外，Coherent OPSL 中的泵浦二極管總是在具有顯著余量的去額定功率水平下運行。 因此，這類泵浦二極管壽命很長，并可以安全地增加驅(qū)動電流，以抵消泵浦激光器的任何自然的輕微長期老化。

可靠穩(wěn)定的增益介質(zhì)

半導體增益芯片是另一個關鍵部件，也是 OPSL 獨有的部件。 增益盤實際上是一個光學泵浦垂直腔半導體激光器 (VCSEL)。這種單片 III-V 族半導體芯片包含多層三元量子阱 (InGaAs)，與二元 (GaAs) 層交替排列。 VCSEL 架構(gòu)的主要優(yōu)勢在于，輸出是垂直于有源結(jié)發(fā)射的，即通過器件的大面積表面發(fā)射，而不是通過狹窄的不對稱邊緣面發(fā)射。 這樣就能形成一個大直徑圓形對稱的輸出光束。 因此，輸出面的光功率密度比用于可見光二極管的典型邊緣結(jié)構(gòu)要低得多。 這是 OPSL 和可見光激光二極管之間的一個主要區(qū)別，所以 OPSL 的功率可以輕松擴展，而且切面功率損傷這一故障機制也得以消除。 切面損壞仍然是一些可見光二極管的主要故障機制?？梢姽夂妥贤夤?OPSL 避免了高切面強度，這是其固有壽命超過直接二極管的原因之一。 而且，由于增益介質(zhì)是一個大面積半導體，因此不會發(fā)生色心缺陷積累，而在許多用于半導體泵浦固態(tài) (DPSS) 激光器替代品的晶體中都會發(fā)生這些缺陷。

因此，OPSL 中的兩個關鍵有源部件 – 泵浦二極管和增益芯片，都具有明顯的潛力，可以提高可靠性和延長壽命。 為了充分挖掘這一潛力，Coherent 使用了幾個重要的設計創(chuàng)新，這些創(chuàng)新均來自于我們作為 OEM、工業(yè)加工和科學應用的激光器供應商的五十多年的經(jīng)驗。

整體構(gòu)造和 PermAlign 技術(shù)

許多傳統(tǒng)激光器的性能隨著時間的推移而降低，其中一個主要原因是腔體準直丟失。 反復的自然熱循環(huán)以及環(huán)境振動和操作沖擊的長期影響會導致激光器腔體光學器件發(fā)生位移。 這至少可能導致模式質(zhì)量下降，如 TEM00 激光降級為多模輸出光束。 該現(xiàn)象還可能導致功率降級，在最壞的情況下，這可能會完全阻止激光發(fā)射。 以往，為了糾正這種偏移，最終用戶或服務工程師需要對光學器件進行“細微調(diào)整”，使其回到正確的準直位置。 像 Coherent 這樣的激光器制造商很早以前就意識到，在現(xiàn)代應用中這種解決方案不可行或不可接受，特別是當激光器嵌入 OEM 儀器中時。 我們在 OPSL 中使用了兩種經(jīng)過長期驗證的解決方案，以消除未對準這一故障機制。

圖 3： Coherent 生產(chǎn)的 OPSL 的功率范圍很廣，從面向儀器 OEM 尺寸微小的毫瓦級 OBIS Core 激光器到數(shù)瓦級 Genesis 系列。

Coherent 生產(chǎn)的 OPSL 具有多種輸出功率，如圖 3 所示。在我們的較小型 OPSL(如 Sapphire 和 OBIS 激光器)中，激光腔組裝在一個小陶瓷板上。 此外，我們的 OPSL 廣泛使用了我們獨有的PermAlign? 支架。 大多數(shù)可調(diào)整的光學機械支架包括調(diào)整螺絲和一個或多個鎖定螺絲，意在鎖定最終的調(diào)整。 但是，由于環(huán)境振動和/或機械沖擊，以及由于使用不同的金屬而產(chǎn)生的熱影響，即使是這種高質(zhì)量的支架，其排列也會隨著時間的推移而漸漸偏移。 相比之下，PermAlign? 支架是單片金屬支架，光學器件永久焊接在上面。 在監(jiān)測光束準直和激光器性能的同時，金屬支架本身的形狀也被微調(diào)到最終準直。 因此，在這樣的支架上，沒有任何零件可以移動或滑動。

其他實際考慮因素

我們在設計和制造激光器方面擁有長期經(jīng)驗，這樣就消除了我們的 OPSL 中另外兩個可能導致性能下降或故障的因素：增益介質(zhì)加熱和光學表面污染。 具體來說，我們實施了一個有效的冷卻方案，直接降低了 OPSL 增益芯片中的溫度。 這種冷卻方案基于一種新的安裝技術(shù)，它直接將芯片固定在散熱器上。 這是造實現(xiàn) OPS 激光器長壽命的關鍵因素之一。 增益芯片的高效冷卻還有一個好處，那就是可以在設備尺寸給定的情況下實現(xiàn)更高的功率。

此外，我們在產(chǎn)品設計期間實施了 HALT(高加速壽命測試)，并在產(chǎn)品制造期間實施了 HASS(高加速應力篩選)。 HALT 的概念是為了回答這樣一個問題：“在不建造數(shù)百臺設備和進行數(shù)萬小時測試的情況下，比較大限度地提高產(chǎn)品設計的可靠性?”在開發(fā)過程中，工程單元受到的壓力遠遠超過其正常工作條件(通常是溫度、機械沖擊/振動、驅(qū)動電流/功率，或這些參數(shù)的組合)，從而產(chǎn)生故障。 然后，我們對這些故障模式進行分析，并在產(chǎn)品中加以避免;并消除極端條件下的故障模式，確保這些相同的故障模式在正常工作條件下不會產(chǎn)生影響。 另一方面，HASS 使用類似但不過于極端的條件(仍然超出標準工作條件)來篩選材料問題或工藝故障。 HALT 和/或 HASS 可結(jié)合用于多種技術(shù)和產(chǎn)品，保證了可靠的產(chǎn)品設計和長壽命產(chǎn)品的交付。

最后，為了實現(xiàn)激光器的長壽命，就必須維持激光器的原始光學表面，這個因素看似平凡但絕對關鍵。 原因在于，微污染物會在這些光學表面積累，最終導致吸收、激光功率損失，有時甚至導致光學器件損壞。 對于 OPSL，我們?yōu)楣I(yè)超快激光器采用了嚴謹?shù)慕鉀Q方案，以建立和維持一個無污染的密封腔體。 這尤其意味著要仔細選擇材料，包括盡量少使用非金屬材料。 現(xiàn)在，我們使用的唯一腔內(nèi)有機物是Coherent的工程師嚴格測試過的材料，這些材料在除氣和與激光光學器件的兼容性方面均合格。 此外，長期使用工業(yè)紫外激光器的經(jīng)驗也表明，我們針對機械和光學元件的工廠清潔協(xié)議同樣重要。 即使是微量污染物，如油或潤滑劑，最終也會從金屬部件遷移到光學表面，這就需要清潔或更換光學器件。 我們有成熟的方法來清除這些材料的任何痕跡。

總結(jié)

總之，OPSL 技術(shù)本質(zhì)上是穩(wěn)健可靠的，可以提供長壽命和可靠的性能。 在Coherent，我們利用自身在各種激光技術(shù)方面的經(jīng)驗，開發(fā)了實用的 OPSL，充分實現(xiàn)了這種內(nèi)在潛力。 目前，我們有近 10 萬臺 OPSL 在現(xiàn)場成功運行。市場已經(jīng)證明，這是我們生產(chǎn)的最可靠的激光器。

審核編輯 黃宇