光泵半導(dǎo)體激光器 (OPSL) 是一項(xiàng)獨(dú)有的技術(shù)，與其他連續(xù) (CW) 固態(tài)激光器相比，它具有良好的可靠性和使用壽命。 加上 OPSL 的其他優(yōu)勢(shì)，這種激光器的安裝量接近 100,000 萬臺(tái)，應(yīng)用于從生命科學(xué)到燈光表演等各種要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，這證明了其可靠性。

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(yīng)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(dǎo)體泵浦固態(tài) (DPSS)、激光半導(dǎo)體模塊技術(shù)，現(xiàn)在是 OPSL 技術(shù)。 作為領(lǐng)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(gè)獨(dú)特的視角，可以客觀地將每種類型激光器的性能和優(yōu)勢(shì)與我們一流的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(zhǎng) — 見圖 1。例如實(shí)踐證明，我們的低功率 OBIS 和Sapphire產(chǎn)品線的 B5 值可達(dá) 20,000 小時(shí)。 這個(gè)令人印象深刻的數(shù)字意味著，這些激光器中，有 95% 在運(yùn)行 20,000 小時(shí)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(duì)于最終用戶和 OEM 來說，兼具高可靠性和長(zhǎng)壽命是 OPSL 在市場(chǎng)上取得成功的關(guān)鍵因素。 該領(lǐng)域中目前有近 100,000 臺(tái) 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(chǎng)上獲得了廣泛認(rèn)可，取得了成功。 在生命科學(xué)儀器、半導(dǎo)體檢測(cè)和壯觀的戶外燈光秀等多種應(yīng)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(xué)領(lǐng)域，許多 OEM 現(xiàn)在正在設(shè)計(jì)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(duì) 32 臺(tái)隨機(jī)( Coherent Sapphire)OPSL 的持續(xù)壽命測(cè)試顯示了該技術(shù)典型的極長(zhǎng)壽命統(tǒng)計(jì)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(gè)關(guān)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(gè)近紅外 InGaAs 增益芯片。 這種配置有很多優(yōu)點(diǎn)，其中之一就是該增益芯片由 808 nm 光進(jìn)行優(yōu)化泵浦。 這樣設(shè)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(dǎo)體激光器技術(shù)，在電信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域有著驚人的長(zhǎng)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(shè)計(jì)、制造、組裝和測(cè)試所有關(guān)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(shè)備壽命提高至數(shù)萬小時(shí)。 有些進(jìn)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(tuán)隊(duì)，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(cè)試數(shù)據(jù)是在 25oC 的工作溫度下記錄的，并推斷出設(shè)備壽命大于 50,000 小時(shí)。 這些二極管是我們 OPSL 的關(guān)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(fù)雜的冷卻部件，并消除了這些冷卻系統(tǒng)可能導(dǎo)致的故障。 當(dāng)然，激光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)，從而保持溫度。 這就消除了另一種可能導(dǎo)致長(zhǎng)期性能下降的機(jī)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(yùn)行。 因此，這類泵浦二極管壽命很長(zhǎng)，并可以安全地增加驅(qū)動(dòng)電流，以抵消泵浦激光器的任何自然的輕微長(zhǎng)期老化。

可靠穩(wěn)定的增益介質(zhì)

半導(dǎo)體增益芯片是另一個(gè)關(guān)鍵部件，也是 OPSL 獨(dú)有的部件。 增益盤實(shí)際上是一個(gè)光學(xué)泵浦垂直腔半導(dǎo)體激光器 (VCSEL)。這種單片 III-V 族半導(dǎo)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(shì)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(duì)稱邊緣面發(fā)射。 這樣就能形成一個(gè)大直徑圓形對(duì)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(gè)主要區(qū)別，所以 OPSL 的功率可以輕松擴(kuò)展，而且切面功率損傷這一故障機(jī)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(jī)制。可見光和紫外光 OPSL 避免了高切面強(qiáng)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(gè)大面積半導(dǎo)體，因此不會(huì)發(fā)生色心缺陷積累，而在許多用于半導(dǎo)體泵浦固態(tài) (DPSS) 激光器替代品的晶體中都會(huì)發(fā)生這些缺陷。

因此，OPSL 中的兩個(gè)關(guān)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(zhǎng)壽命。 為了充分挖掘這一潛力，Coherent 使用了幾個(gè)重要的設(shè)計(jì)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(xué)應(yīng)用的激光器供應(yīng)商的五十多年的經(jīng)驗(yàn)。

整體構(gòu)造和 PERMALIGN 技術(shù)

許多傳統(tǒng)激光器的性能隨著時(shí)間的推移而降低，其中一個(gè)主要原因是腔體準(zhǔn)直丟失。 反復(fù)的自然熱循環(huán)以及環(huán)境振動(dòng)和操作沖擊的長(zhǎng)期影響會(huì)導(dǎo)致激光器腔體光學(xué)器件發(fā)生位移。 這至少可能導(dǎo)致模式質(zhì)量下降，如 TEM00 激光降級(jí)為多模輸出光束。 該現(xiàn)象還可能導(dǎo)致功率降級(jí)，在最壞的情況下，這可能會(huì)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(wù)工程師需要對(duì)光學(xué)器件進(jìn)行“細(xì)微調(diào)整”，使其回到正確的準(zhǔn)直位置。 像 Coherent 這樣的激光器制造商很早以前就意識(shí)到，在現(xiàn)代應(yīng)用中這種解決方案不可行或不可接受，特別是當(dāng)激光器嵌入 OEM 儀器中時(shí)。 我們?cè)?OPSL 中使用了兩種經(jīng)過長(zhǎng)期驗(yàn)證的解決方案，以消除未對(duì)準(zhǔn)這一故障機(jī)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(jí) OBIS Core 激光器到數(shù)瓦級(jí) 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(gè)小陶瓷板上。 此外，我們的 OPSL 廣泛使用了我們獨(dú)有的 PermAlign? 支架。 大多數(shù)可調(diào)整的光學(xué)機(jī)械支架包括調(diào)整螺絲和一個(gè)或多個(gè)鎖定螺絲，意在鎖定最終的調(diào)整。 但是，由于環(huán)境振動(dòng)和/或機(jī)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(huì)隨著時(shí)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(xué)器件永久焊接在上面。 在監(jiān)測(cè)光束準(zhǔn)直和激光器性能的同時(shí)，金屬支架本身的形狀也被微調(diào)到最終準(zhǔn)直。 因此，在這樣的支架上，沒有任何零件可以移動(dòng)或滑動(dòng)。

其他實(shí)際考慮因素

我們?cè)谠O(shè)計(jì)和制造激光器方面擁有長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，這樣就消除了我們的 OPSL 中另外兩個(gè)可能導(dǎo)致性能下降或故障的因素：增益介質(zhì)加熱和光學(xué)表面污染。 具體來說，我們實(shí)施了一個(gè)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(shí)現(xiàn) OPS 激光器長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵因素之一。 增益芯片的高效冷卻還有一個(gè)好處，那就是可以在設(shè)備尺寸給定的情況下實(shí)現(xiàn)更高的功率。

此外，我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)期間實(shí)施了 HALT(高加速壽命測(cè)試)，并在產(chǎn)品制造期間實(shí)施了 HASS(高加速應(yīng)力篩選)。 HALT 的概念是為了回答這樣一個(gè)問題：“在不建造數(shù)百臺(tái)設(shè)備和進(jìn)行數(shù)萬小時(shí)測(cè)試的情況下，大限度地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性?”在開發(fā)過程中，工程單元受到的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其正常工作條件(通常是溫度、機(jī)械沖擊/振動(dòng)、驅(qū)動(dòng)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(duì)這些故障模式進(jìn)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)和長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的交付。

最后，為了實(shí)現(xiàn)激光器的長(zhǎng)壽命，就必須維持激光器的原始光學(xué)表面，這個(gè)因素看似平凡但絕對(duì)關(guān)鍵。 原因在于，微污染物會(huì)在這些光學(xué)表面積累，最終導(dǎo)致吸收、激光功率損失，有時(shí)甚至導(dǎo)致光學(xué)器件損壞。 對(duì)于 OPSL，我們?yōu)楣I(yè)超快激光器采用了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q方案，以建立和維持一個(gè)無污染的密封腔體。 這尤其意味著要仔細(xì)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(jī)物是Coherent的工程師嚴(yán)格測(cè)試過的材料，這些材料在除氣和與激光光學(xué)器件的兼容性方面均合格。 此外，長(zhǎng)期使用工業(yè)紫外激光器的經(jīng)驗(yàn)也表明，我們針對(duì)機(jī)械和光學(xué)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(rùn)滑劑，最終也會(huì)從金屬部件遷移到光學(xué)表面，這就需要清潔或更換光學(xué)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(zhǎng)壽命和可靠的性能。 在Coherent，我們利用自身在各種激光技術(shù)方面的一流經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了實(shí)用的 OPSL，充分實(shí)現(xiàn)了這種內(nèi)在潛力。 目前，我們有近 10 萬臺(tái) OPSL 在現(xiàn)場(chǎng)成功運(yùn)行。市場(chǎng)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