Wir verwenden Cookies, um Ihr Erlebnis zu verbessern.Indem Sie weiter auf dieser Website surfen, stimmen Sie unserer Verwendung von Cookies zu.Mehr Info.Kantenemittierende Halbleiterlaser-Arrays werden auch als Laserbarren bezeichnet.Diese Geräte sind sicherlich die bekannteste und am weitesten verbreitete Architektur in Hochleistungs-Diodenlasern (HPDLs).Wenn sie im Rahmen eines Elektronenpumpschemas eingesetzt werden, sind diese Strukturen derzeit in der Lage, bis zu 500 W CW-Lichtleistung zu erzeugen, während ein Gesamtvolumen des aktiven Materials von weniger als 0,01 mm3 beibehalten wird.Während der elektrooptische Wirkungsgrad dieser Geräte – insbesondere bei GaAlAs- und InGaAs-basierten Diodenlasern – durchaus 50 % übersteigen kann, ist der Anteil der Energie, der nicht in Licht umgewandelt wird, fast ebenso hoch.Dies führt zu einer erheblichen Energiemenge, die von der Laservorrichtung als Wärme abgeführt werden muss;Andernfalls würde das aktive Medium wahrscheinlich innerhalb von Mikrosekunden schmelzen.Die Wärmeableitung ist das dringendste Problem bei der HPDL-Montagetechnologie.Entstehende Wärme wird zunächst über Leitung an das umgebende Substratvolumen übertragen.Das Volumen dieses Substrats liegt normalerweise zwischen 1 und 4 mm3.Für ein so begrenztes Volumen ist die Wärmerate jedoch zu hoch, sodass weitere Ableitungsschritte erforderlich sind, um die Wärme über ein größeres Materialvolumen abzuführen, bevor diese schließlich von der Umgebung – in der Regel über erzwungene Konvektion in Richtung Wasser oder Luft – abgeführt wird .Dieser Prozess muss schnell genug sein, um einen extremen Temperaturanstieg im aktiven Medium zu vermeiden.Kupfer ist aufgrund seiner hervorragenden Elektronenleitfähigkeit eine beliebte Wahl für diese Art von Anwendung.Kupfer zeigt auch die zweitgrößte Wärmeleitfähigkeit unter allen Metallen (k~385 W·m-1·K-1), nur geringfügig übertroffen von Silber (k~405 W·m-1·K-1), was im Allgemeinen nicht der Fall ist aus Kostengründen eine praktikable Option.Seit der ersten Entwicklung der Halbleiterlasertechnologie wurde Kupfer als bevorzugtes Hilfsträgermaterial verwendet.Inzwischen ist jedoch eine neue technische Herausforderung aufgetaucht: die Schaffung einer geeigneten Schnittstelle zwischen dem Laserbarren und dem Kupferkühlkörper.Dies wurde ursprünglich durch Löten erreicht und ist immer noch die am weitesten verbreitete Technologie.Das Löten bringt jedoch mehrere inhärente Probleme mit sich.Das zum Löten ausgewählte Schnittstellenmaterial erfordert eine Schmelztemperatur, die bequem unter den Schmelzpunkten sowohl des Laserbarrens als auch des Kühlkörpers liegt.Sie sollte auch hoch genug sein, um die thermische und mechanische Stabilität über der Betriebstemperatur der Laserdiode – im Allgemeinen zwischen 15 °C und 80 °C – zu gewährleisten.Das erste Material, das für diesen Zweck verwendet wurde, war Indium - Tmelt ~157ºC.Das Ziel des Lötprozesses ist es, eine feste Verbindung zwischen dem Laserbarren und dem Kupferkühlkörper zu schaffen und dies um die Indium-Schmelztemperatur herum zu erreichen.Da jedes der drei vorhandenen Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, erfährt das Gerät immer eine gewisse Eigenspannung, wenn es auf Raumtemperatur abkühlt.1Eine Schlüsselfolge davon ist das Auftreten des sogenannten Smile-Phänomens, bei dem der Balken eine Krümmung erleidet, die dazu führt, dass Emitter innerhalb des Arrays nicht vollständig parallel zur horizontalen Achse lasern.Vielmehr tritt vom unteren zum oberen Emitter oft ein Höhenabstand von 2 μm bis 5 μm auf (Abbildung 1).Dieser Abstand ist normalerweise das beste Maß für die Größe des Lächelns.Smile in Laserbarren ist eine wesentliche Überlegung, wenn externe Resonatorkonfigurationen erforderlich sind oder wenn maximale Helligkeit von der schnellen Achse gefordert wird.Abbildung 1. Theoretisches Emissionsintensitätsmuster nach Fast-Axis-Kollimation und Slow-Axis-Imaging eines Laserbarrens mit 19 Emittern.Das obere Bild entspricht einem Smile-Free-Laserbalken.Die beiden unteren Bilder entsprechen zwei verschiedenen Arten von Smile-Effekten.Bildnachweis: MonochromDer Aufbau eines externen Resonators mit einem Laserbarren ist ein üblicher Ansatz, um die spektrale Helligkeit oder Leistungshelligkeit des Laserbarrens selbst zu erhöhen.Eine hohe räumliche Helligkeit (W·cm-2·sr) ist ein wichtiger Faktor bei Hochleistungs-Diodenlasern, die in industriellen Anwendungen wie Metallschneiden, Löten oder Bohren eingesetzt werden.Hohe spektrale Helligkeit (W·cm-2·sr·nm-1) und geringe thermische Verschiebung bei Wellenlängen (nm·K-1) sind ebenfalls häufig mit Festkörperlaser-Pumpanwendungen verbunden.Die externe Rückkopplung der Leistungshelligkeit wird mithilfe eines reflektierenden Bragg-Beugungsgitters erzeugt (Abbildung 2).Dieser Ansatz führt zu einer effektiven räumlichen Überlagerung aller Laserstrahlen des Laserbarrens, als ob die Intensität von einem einzelnen Emitter innerhalb des Laserbarrens erzeugt würde.Abbildung 2. Grundlegendes Schema zur Veranschaulichung des Prinzips der Kombination von Spektralstrahlen.Räumlich getrennte Emitter, die bei leicht unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, treffen unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Beugungsgitter.Der Beugungswinkel ist jedoch allen gemeinsam (verschiedene Farben werden hier nur verwendet, um den Unterschied in der Wellenlänge zu veranschaulichen, aber sie sind nicht repräsentativ für die Wellenlänge selbst).Bildnachweis: MonochromDadurch wird die räumliche Helligkeit um eine Größenordnung erhöht.Dies kann auch erreicht werden, indem die Emissionsbandbreite (was zu einer geringeren spektralen Helligkeit führt) vergrößert wird, während ein gewisser Prozentsatz an Leistungs- und optischen Verlusten in Kauf genommen wird;zum Beispiel eine Gesamtleistungsreduzierung von 20 % bis 40 % im Freistrahlbetrieb.Diese unvermeidlichen, inhärenten optischen Verluste hängen mit der Effizienz des Beugungsgitters und der Transmission der Linsen zusammen.Abbildung 3. Die Emitter eines Laserbarrens ohne Smile sind in der Ebene enthalten, die durch die schnelle Achse und die optische Achse des Systems definiert ist.Als Folge fallen die emittierten Laserstrahlen und ihr teilweise reflektiertes Gegenstück (Rückkopplung) in einer externen Resonatorkonfiguration räumlich zusammen.Bildnachweis: MonochromAbbildung 4. Die meisten Emitter in einem Laserbarren mit Smile befinden sich teilweise oder vollständig außerhalb der Ebene, die durch die schnelle Achse und die optische Achse des Systems definiert ist.Dies führt zu einem teilweisen Mangel an optischer Rückkopplung in einer externen Resonatorkonfiguration (die meisten der emittierten und Rückkopplungsstrahlen fallen teilweise oder vollständig nicht zusammen).Bildnachweis: MonochromEntscheidend ist, dass optische Verluste auch dadurch beeinflusst werden, wie der Laserstrahl zum Emitter zurückkehrt, nachdem ein Teil seiner Intensität am Auskopplungsspiegel zurückgeworfen wurde.Dies ist im Wesentlichen eine Rückkopplungsemission vom externen Resonator, wobei größere Smile-Effekte zu höheren Verlusten führen (Abbildungen 3 und 4).Volumen-Bragg-Gitter (VBGs) werden typischerweise vor einem Fast-Axis-kollimierten Laserbarren platziert, um die spektrale Helligkeit zu verbessern.Das Bragg-Gitter erfordert eine externe Rückkopplung, die in diesem Fall dazu dient, die Emissionswellenlänge des gesamten Laserbarrens einzuengen und zu "verriegeln".Das führt zu einer wesentlichen Verringerung der Wellenlängenverschiebung bezüglich der Temperatur von 0,3 nm·K –1 auf weniger als 0,08 nm·K –1 , ähnlich wie bei Lasern mit verteilter Rückkopplung, die entweder auf die Diodenstruktur selbst aufgebracht oder unter Verwendung verbunden werden eine optische Faser.Bei der Arbeit mit einem Laserdiodenarray ist die Vermeidung von Smile ein wesentlicher Faktor, um eine gleichmäßige Rückkopplung für jeden Emitter sicherzustellen, insbesondere wenn man bedenkt, dass die optischen Elemente allen Emittern gemeinsam sind (Abbildungen 3 und 4).Die Laseremission in der schnellen Achse ist fast immer beugungsbegrenzt (M2~1).Dies bietet einen bemerkenswerten Vorteil bei Anwendungen, bei denen maximale Helligkeit entlang eines linienförmigen Laserflecks erforderlich ist, beispielsweise beim Offset-Laserdruck (Computer-to-Print-Maschinen).Das Vorhandensein des Smile-Effekts in einem Laserbarren hat das Potenzial, die Gesamthelligkeit der schnellen Achse zwischen 50 % und 80 % zu reduzieren.Dies liegt daran, dass die scheinbare Höhe einer Laserquelle in der schnellen Achse proportional zum Lächeln erhöht wird.Das Platzieren einer Fast-Axis-Kollimatorlinse (FAC) vor dem Laserbarren führt entweder zu einer höheren Restdivergenz oder zu einem größeren fokussierten Punkt (Abbildung 6).Abbildung 5. Nahfelddarstellung eines Laserbarrens mit 10 Emittern ohne Smile (oben) und mit 3 μm Smile-Effekt (unten).Die scheinbare Größe (dargestellt durch die gestrichelten Rahmen unten) wird aufgrund des Lächelns in der schnellen Achse vergrößert.Bildnachweis: MonochromAbbildung 6. Unterschiedliche Smile-Muster (links) ergeben unterschiedliche Fast-Axis-Intensitätsprofile unter Fast-Axis-Kollimation (Mitte).Das Fernfeld-Intensitätsprofil entlang der schnellen Achse ergibt sich aus der Überlagerung von so vielen linienförmigen Spots wie Emittern innerhalb des Laserbarrens (rechts).Bildnachweis: MonochromTrotz der oben beschriebenen Herausforderungen hat die HPDL-Industrie Mittel entdeckt, um den Smile-Effekt zu überwinden.Eine prominente Lösung ist das sogenannte „Hartlöten“, bei dem eine AuSn-Legierung als Grenzflächenmaterial und CuW als Kühlkörper verwendet werden (Abbildung 7, links).2Beim Hartlöten nähert sich der CTE der Grenzfläche zwischen Halbleiter, Kühlkörpermetall und Lötstelle deutlich an, was zu einer noch zuverlässigeren Verbindung führt, als dies mit Indium erreicht werden kann (Abbildung 7, Mitte).Dieser Ansatz führt dazu, dass der Smile-Effekt minimiert wird, jedoch auf Kosten.CuW weist im Vergleich zu Kupfer eine deutlich reduzierte Wärmeleitfähigkeit auf (ungefähr 50 % niedriger) sowie einen viel geringeren Grad an Bearbeitbarkeit und weitaus höhere Kosten.CuW wird daher nur als Zwischenvolumen zwischen Laserbarren und dem meist aus Kupfer gefertigten Kühlkörper eingesetzt.Dieses Verfahren fügt dem Laserdiodenpaket zusätzliche thermische Widerstandssprünge hinzu, aber die Vorteile dieses Ansatzes sind auf eine kleine Anzahl von Anwendungen beschränkt.Ein Verfahren hebt sich von Ansätzen mit Indium und Hartlöten ab.Die Vorteile von Clamping™ werden von Monocrom seit über zwei Jahrzehnten demonstriert, und diese Methode beruht auf dem extrem einfachen Prinzip des mechanischen Drucks (Abbildung 7, rechts).Konzeptionelle Einfachheit bedeutet nicht immer geradliniges Engineering, und Monocrom bleibt das einzige Unternehmen, das in der Lage ist, diese Art von revolutionärem Ansatz für das Laserdioden-Packaging einzuführen.Die Clamping™-Technologie beruht in erster Linie auf einer hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit des Kupferkühlkörpers und der Herstellung eines direkten thermischen und elektrischen Kontakts mit dem Laserbarren.Diese Faktoren werden dann durch die Anwendung mechanischer Kraft verstärkt.Auf der p-Seite werden gelötete Stege vom Kühlkörper (Anode) kontaktiert und auf der n-Seite (Kathode) wird Drahtbonden verwendet.Geklemmte Stäbe werden von beiden Seiten mit sperrigen Kühlkörpern, die als Anode und Kathode fungieren, „eingeklemmt“.Abbildung 7. Vergleich zwischen den gebräuchlichsten Lötmethoden für Laserbarrenverpackungen und der ClampingTM-Technologie .Bildnachweis: MonochromDie Vorteile von Clamping™ sind zahlreich:Abbildung 8. Typisches Intensitätsprofil der einzelnen Emitter (Fast-Axis-Kollimation plus Slow-Axis-Imaging) innerhalb eines gelöteten Laserbarrens (links) und eines geklemmten Laserbarrens (rechts).Bildnachweis: MonochromClamping™ kann als intelligente Lösung für ein anspruchsvolles Verpackungsproblem verstanden werden, das Monocrom effektiv als Teil des Standardherstellungsprozesses implementiert hat.Diese Informationen wurden aus von Monocrom bereitgestellten Materialien bezogen, überprüft und angepasst.Weitere Informationen zu dieser Quelle finden Sie unter Monocrom.Bitte verwenden Sie eines der folgenden Formate, um diesen Artikel in Ihrem Essay, Ihrer Arbeit oder Ihrem Bericht zu zitieren:Monochrom.(2021, 03. Juni).Diodenstabbaugruppen: Verpacken von Diodenlaser-Arrays.AZoM.Abgerufen am 05. Februar 2023 von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=20408.Monochrom."Diodenstabbaugruppen: Verpacken von Diodenlaserarrays".AZoM.5. Februar 2023.