Laser de diodo de barras únicas

O laser de diodo de barra única inclui a barra de laser de diodo MCC e a barra de laser de diodo CS. Barra de laser de diodo MCC‌ refere-se a uma barra de laser semicondutora que usa um resfriador de microcanais (MCC). A barra laser MCC é usada principalmente para a estrutura de embalagem de lasers semicondutores de alta potência. Sua principal característica é o desempenho eficiente de dissipação de calor e a capacidade de trabalhar sob ondas contínuas de alto ciclo de trabalho e ondas quase contínuas.‌ A barra de laser de diodo embalada CS refere-se a uma forma de embalagem de laser semicondutor, onde "CS" significa resfriamento por condução. Esta forma de embalagem é usada principalmente para lasers semicondutores de alta potência, especialmente em ciclos de trabalho elevados e modo de operação contínua, que requerem uma solução eficiente de dissipação de calor.

Barra MCC

Barra CS

Depilação portátil

Barra de laser de diodo MCC

Barra de laser de diodo CS, FAC opcional

Mecanismo de resfriamento
‌Resfriamento a água‌: O resfriamento a água a laser serve para dissipar o calor por meio da circulação de água. A água circula dentro e fora do laser para transferir calor para a água e depois reciclada após dissipação no radiador. O resfriamento a água tem alta condutividade térmica e capacidade de transferência de calor, e pode transferir calor para o exterior mais rapidamente, garantindo assim uma operação eficiente e estável do laser e reduzindo a taxa de falhas‌.

‌Resfriamento por condução‌: O resfriamento por condução geralmente se refere ao uso das propriedades de condutividade térmica de materiais como metais para dissipar o calor. Este método de resfriamento depende da eficiência da condutividade térmica do material e geralmente é usado para pequenos dispositivos ou dissipação de calor local‌.

Cenários aplicáveis
‌Resfriamento a água‌: Adequado para cenários que exigem operação contínua de longo prazo e garantem estabilidade. O resfriamento a água pode fornecer melhor efeito de dissipação de calor e reduzir a taxa de falhas. É adequado para lasers de alta potência ou aplicações que exigem alta estabilidade‌.
‌Resfriamento por condução‌: Adequado para dispositivos pequenos ou necessidades locais de dissipação de calor. Como o resfriamento por condução depende da eficiência da condutividade térmica do material, seu efeito de dissipação de calor é relativamente limitado e é adequado para dispositivos com baixa potência ou baixos requisitos de dissipação de calor‌.

Custo e dificuldade de manutenção
Resfriamento a água: requer substituição regular dos filtros de incrustações e adição de líquido refrigerante, o que acarreta altos custos de manutenção.
Resfriamento por condução: manutenção relativamente simples, exigindo apenas limpeza regular dos componentes de dissipação de calor e baixos custos de manutenção.

Modo de trabalho CW
O modo de trabalho CW significa que o laser opera de maneira contínua e a energia do feixe de saída permanece constante e ininterrupta. Este modo de trabalho é adequado para aplicações que requerem energia laser estável, como comunicações de fibra óptica e processamento de materiais. A potência de saída dos lasers CW é relativamente baixa, mas pode permanecer estável, o que é adequado para cenários que requerem saída contínua de energia do laser. ‌

Modo de trabalho QCW
O modo de trabalho QCW significa que o laser opera na forma de pulsos, a duração (largura) de cada pulso é limitada e há um certo intervalo entre os pulsos. Os lasers QCW geralmente emitem pulsos repetidamente em alta frequência, e a largura do pulso pode ser modulada conforme necessário para controlar a potência de saída e a energia do pulso do laser. Este modo de operação é adequado para cenários de aplicação com altos requisitos de resolução de tempo, como sistemas de radar e equipamentos médicos. Os pulsos curtos de alta energia dos lasers QCW podem fornecer medição precisa e efeitos de tratamento. ‌

Cenários de aplicação específicos
‌Modo de trabalho CW‌: Adequado para aplicações que requerem energia laser estável, como comunicações de fibra óptica e processamento de materiais. Nessas aplicações, os lasers CW podem fornecer potência de saída estável para atender às necessidades contínuas de transmissão de sinal ou processamento de materiais.
‌Modo de trabalho QCW‌: Adequado para aplicações com altos requisitos de resolução de tempo, como sistemas de radar e equipamentos médicos. Os pulsos curtos de alta energia dos lasers QCW podem fornecer medição precisa e efeitos de tratamento.

Diferentes métodos de resfriamento: a barra de laser embalada CS adota resfriamento passivo e geralmente não requer sistemas de resfriamento adicionais, como água deionizada e resfriamento por circulação de bomba de alta pressão. A barra de laser de microcanal adota resfriamento líquido, especialmente o resfriador de microcanal (MCC), cuja entrada de líquido de resfriamento está localizada próxima à barra de laser, com alta eficiência de dissipação de calor.
Diferença estrutural: A estrutura da barra de diodo encapsulada CS é relativamente simples e pode não envolver um projeto complexo de canal de resfriamento. A barra de diodo microcanal contém um resfriador de microcanal, que é uma parte importante de sua estrutura para uma dissipação de calor eficaz.

• Requisitos de manutenção:Pacote CS: design livre de manutenção, sem diodo laser microcanal, sem água deionizada e resfriamento por circulação de bomba de alta pressão.
• Barra de diodo laser microcanal:É necessária manutenção regular do sistema de refrigeração.
• Diferentes cenários de aplicação:Devido ao seu método de resfriamento simples e livre de manutenção, a barra de diodo encapsulada CS é muito adequada para aplicações de laser de nível industrial.

A barra de diodo microcanal é mais adequada para uso em ciclo de trabalho alto e modo de trabalho contínuo devido à sua alta eficiência de dissipação de calor.

As principais funções da barra laser CS com lente FAC incluem focar a luz, aumentar a diretividade do feixe e reduzir o ângulo de divergência do feixe. ‌

A luz emitida por uma barra de laser já é a própria luz do laser, mas como geralmente é elíptica ou em forma de coma quando emerge do ressonador, é necessária uma lente para focalizá-la. A função da lente é focar esses raios em um ponto de luz, aumentando assim a diretividade do feixe e reduzindo o ângulo de divergência do feixe‌.

Luz de foco
A lente pode focar efetivamente a luz emitida pelo diodo laser para formar um ponto de luz. Este efeito de foco pode aumentar significativamente a distância de projeção e o brilho da luz, tornando a aplicação de diodos laser mais eficiente e prática‌.

Melhorar a diretividade do feixe
Ao focar através da lente, o feixe emitido pelo diodo laser pode ser mais concentrado e mais direcional. Isso significa que o feixe pode se propagar em uma direção específica com mais precisão, reduzindo o espalhamento e a difusão do feixe e melhorando a eficiência de transmissão do feixe‌.

Reduzir o ângulo de divergência do feixe
O uso de lentes pode reduzir significativamente o ângulo de divergência do feixe emitido pelo diodo laser. O ângulo de divergência reduzido significa que o feixe pode manter uma propagação menor durante a propagação, melhorando assim a colimação e a estabilidade do feixe‌.

Ao usar barras de laser MCC resfriadas a água, preste atenção aos seguintes pontos‌:
‌Garanta a instalação e conexão corretas do sistema de refrigeração a água‌: incluindo refrigeradores de água, tubulações de água e refrigerantes, verifique se a conexão está firme e evite vazamento ou infiltração de água‌.
‌Escolha um refrigerante adequado‌: Recomenda-se usar um líquido com boa dissipação de calor e propriedades anticorrosivas, como água destilada ou uma mistura de refrigerante, e evitar o uso de líquidos que danifiquem o equipamento‌.
‌Controle a temperatura do sistema de resfriamento de água‌: De acordo com os requisitos do laser e o ambiente de trabalho, ajuste a temperatura para garantir que o equipamento opere a uma temperatura adequada. Temperatura muito alta ou muito baixa não é boa‌.
‌Limpe o sistema de refrigeração a água regularmente‌: Evite que canos de água, refrigeradores, etc. sejam bloqueados por sujeira, o que afeta a eficiência de dissipação de calor. Use uma escova macia ou ar comprimido para limpeza‌.
‌Evitar congelamento‌: Em ambiente de baixa temperatura, certifique-se de que o laser e o refrigerador de água estejam sempre em um ambiente acima de 0 graus Celsius ou mantenha o laser e o refrigerador de água no estado ligado para evitar que a água no tubo entre congelando‌.
‌Use anticongelante‌: Quando a temperatura cair abaixo de 0 graus, use anticongelante para toda a água de resfriamento; quando não for utilizado por muito tempo ou com a energia desligada, drene a água do bebedouro e guarde o equipamento em ambiente acima de 5 graus ‌.
Através das medidas acima, pode-se garantir que a barra laser MCC resfriada a água mantenha o desempenho ideal e estenda sua vida útil durante o uso.

Os componentes de diodo laser embalados CS incluem principalmente as seguintes peças:

Chip laser: Esta é a parte central do diodo laser, responsável pela emissão da luz laser. O chip laser é geralmente composto por uma junção pn composta por um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n, que contém uma camada ativa que emite luz e um revestimento que reflete a luz.

Camada de metalização: A camada de metalização é usada para conectar o chip laser e outros componentes. Geralmente é dividido em uma grade isolante, e o cátodo e o ânodo são projetados nesta camada.

Substrato de montagem: O substrato de montagem é usado para fixar e apoiar o chip laser e fornecer dissipação de calor. Em alguns casos, o substrato de montagem também é utilizado para isolar o dissipador de calor.

Caminho de dissipação de calor: Para garantir que o diodo laser não superaqueça durante a operação, geralmente existe um projeto de caminho de dissipação de calor. O caminho de dissipação de calor pode ser vertical ou horizontal, dependendo do design da embalagem

O ‌efeito sorriso do feixe de laser‌ refere-se ao fato de que em um conjunto de laser semicondutor (LDA), devido ao estresse térmico introduzido durante o processo de embalagem, o chip do laser produz curvatura emissora de luz na direção do eixo rápido, fazendo com que os pontos de luz de cada unidade emissora de luz não esteja em linha reta. Este fenômeno é conhecido como efeito “sorriso”.

Causa
A principal causa do efeito "sorriso" é a incompatibilidade no coeficiente de expansão térmica entre o chip do laser e os materiais de embalagem, como o dissipador de calor do substrato, durante o processo de embalagem, resultando em estresse térmico. Esse estresse térmico é agravado ainda mais quando o laser está funcionando, fazendo com que o chip do laser dobre, afetando assim a linearidade do feixe‌.

Influência
O efeito “sorriso” tem um impacto significativo na qualidade do feixe, que se manifesta principalmente na deterioração da linearidade do feixe e na distribuição uniforme dos pontos de luz. Isso aumentará a dificuldade de colimação do feixe, modelagem e acoplamento de fibras, afetando assim o desempenho geral do laser.

Implicações práticas e soluções
Em aplicações práticas, o efeito “sorriso” afetará a qualidade do feixe de lasers semicondutores de alta potência, especialmente em aplicações que requerem alinhamento de alta precisão. Para reduzir o impacto do efeito "sorriso", ele pode ser melhorado otimizando o processo de embalagem, utilizando materiais com coeficiente de expansão térmica mais adequado e considerando o impacto das mudanças de temperatura na qualidade do feixe no projeto.

A aplicação de diodos laser CS (LD) na tecnologia de impressão depende principalmente de sua alta eficiência, alta densidade de potência e controle preciso. Os diodos laser geram lasers através do princípio da emissão estimulada, que são usados ​​para remover ou curar materiais com precisão durante o processo de impressão.

Princípio de funcionamento dos diodos laser
A estrutura básica de um diodo laser é uma junção PN, que consiste em um semicondutor tipo P e um semicondutor tipo N dopado com diferentes impurezas. Quando uma polarização direta é aplicada à junção PN, os elétrons se movem da região N para a região P e os buracos se movem da região P para a região N. Esses elétrons e lacunas se recombinam perto da junção PN para gerar fótons. Para gerar lasers, também são necessários ressonadores ópticos e de emissão estimulada. Emissão estimulada significa que quando um elétron salta de um nível de energia mais alto para um nível de energia mais baixo, um fóton é liberado. Se este fóton interagir com outro elétron em um nível de alta energia, fará com que o elétron também libere um fóton da mesma frequência e fase, conseguindo assim a amplificação da luz. O ressonador óptico utiliza um refletor para refletir os fótons na cavidade, aumentando ainda mais o número de fótons e eventualmente formando um laser. ‌

Aplicação de diodos laser em tecnologia de impressão
Na tecnologia de impressão, os diodos laser são usados ​​principalmente na impressão a laser. O componente principal de uma impressora a laser é um scanner a laser, que varre a superfície de um tambor fotossensível com um feixe de laser gerado por um diodo laser. Quando o feixe de laser irradia o tambor fotossensível, o material fotocondutor no tambor fotossensível absorve a energia do laser e forma uma imagem eletrostática latente. Posteriormente, o toner é adsorvido na imagem eletrostática latente para completar o processo de impressão.

As barras de diodo laser MCC podem ser embaladas em uma pilha de diodos laser. ‌

As barras de diodo laser MCC podem ser embaladas em pilha de diodo laser por pilha vertical (pilha V). Os lasers semicondutores de pilha vertical superam o problema de qualidade do feixe de lasers de matriz horizontal, e sua qualidade de feixe é consistente com a de um único feixe de laser, que é adequado para aplicações com altos requisitos de qualidade de feixe. Além disso, com o aprimoramento da tecnologia de embalagem, o número de barras de laser em um laser empilhado verticalmente pode ser aumentado de algumas para 70, e a potência máxima de saída também pode atingir KW.

Estrutura da embalagem
A estrutura de embalagem das barras de diodo laser MCC geralmente inclui um cátodo, um ânodo, uma entrada e saída de refrigerante. A entrada do refrigerante está próxima ao ânodo do conjunto de laser, enquanto a saída do refrigerante está próxima ao cátodo‌. Essa estrutura permite que as barras de diodo laser MCC dissipem e gerenciem o calor de maneira eficaz quando empilhadas em uma matriz.

Cenários de aplicação
Após a embalagem na pilha de diodos laser, as barras de diodos laser MCC podem ser aplicadas a uma variedade de cenários de demanda de laser de alta potência, como processamento industrial, pesquisa científica, equipamentos médicos, etc. barras de diodo laser podem atender aos altos requisitos para equipamentos a laser nessas áreas após serem embaladas.

O laser de diodo de barras únicas está disponível em barras de diodo laser não montadas ou montadas em embalagens com resfriamento condutivo ou ativo. A maioria das barras de diodo opera na região de comprimento de onda de 755 a 860 nm ou entre 940 nm e 980 nm. Os comprimentos de onda de 808 nm (para bombeamento de lasers de neodímio) e 940 nm (para bombeamento de Yb:YAG) são mais proeminentes. Outro comprimento de onda importante é em torno de 975-980 nm para bombear amplificadores e lasers de fibra de alta potência dopados com érbio ou itérbio. Um típico diodo resfriado passivamente é oferecido em uma montagem CS, um pacote padrão que é compatível com um dispositivo de montagem baseado em resfriador termoelétrico (TEC). A montagem CS é apropriada para operação em CW quase-CW (QCW) e de potência média. Para resfriamento ativo de água, utiliza dissipadores de calor microcanalizados. Várias barras podem ser empilhadas na direção horizontal ou vertical para aumentar a potência de saída.

Os lasers de diodo de barras únicas de alta potência são usados ​​diretamente (como lasers de diodo diretos) no processamento de materiais a laser (por exemplo, soldagem a laser e certos tratamentos de superfície) e como lasers médicos (por exemplo, para terapia fotodinâmica, remoção de tatuagens, cirurgia a laser). Barras de diodo também são desenvolvidas para uso militar como armas a laser no campo de batalha. Para potências muito altas (acima de aproximadamente 100 W), são utilizadas pilhas de diodos, que são essenciais para várias barras de diodos empilhadas na direção vertical. Outra aplicação comum é o bombeamento de lasers de estado sólido de alta potência – tanto lasers de massa quanto de fibra.

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