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儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】光纖激光器具有光束質(zhì)量好、能量密度高、電光轉(zhuǎn)換效率高、散熱性好、結(jié)構(gòu)緊湊、免維護(hù)、柔性傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，已成為激光技術(shù)發(fā)展主流方向和應(yīng)用主力軍。光纖激光器的整體電-光效率為30%~35%，大部分能量以熱能形式耗散掉，因此激光器工作過(guò)程中的溫度控制直接決定激光器的品質(zhì)和使用壽命。常規(guī)的接觸式測(cè)溫方式會(huì)破壞激光器本體的結(jié)構(gòu)，而單點(diǎn)式非接觸測(cè)溫方式又無(wú)法準(zhǔn)確捕獲光纖溫度。
使用
紅外熱像儀檢測(cè)整段光纖，尤其是光纖熔接點(diǎn)溫度，可強(qiáng)有力的保障光纖產(chǎn)品的研發(fā)與品控。
本文介紹激光加工與激光器研發(fā)中的紅外解決方案，包括光束質(zhì)量分析、光纖激光器溫度檢測(cè)、
熱像儀、激光焊接和打標(biāo)等過(guò)程。
1、激光光束分析
MAGRay激光光束分析儀系列可對(duì)可見(jiàn)、近紅外、短波紅外、中波紅外、長(zhǎng)波紅外和遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)光束進(jìn)行成像和分析，測(cè)量光斑尺寸、二維/三維能量分布、發(fā)散角、橢圓度、光束指向穩(wěn)定性、束腰位置和大小，以及光束質(zhì)量因子M2等。
MAGRay具有高動(dòng)態(tài)范圍，兼容連續(xù)和脈沖激光器，遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)光斑均可測(cè)量，可實(shí)時(shí)監(jiān)控光束的連續(xù)變化，每秒最高可輸出100幅圖像數(shù)據(jù)。MAGRay提供高靈敏度和高量程兩種規(guī)格，高靈敏度規(guī)格可測(cè)最小功率為0.04mW/cm2，高量程規(guī)格可測(cè)最大功率為400W/cm2。
MAGRay配置專(zhuān)業(yè)版應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)分析軟件，可進(jìn)行對(duì)比度調(diào)節(jié)、細(xì)節(jié)增強(qiáng)、多種調(diào)色板選擇、光束變化錄像和回放、線(xiàn)強(qiáng)度分析等，也可直接導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù)，便于研究者自主分析和制作圖表。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Jerome Faist教授是1994年首臺(tái)量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)的發(fā)明者，其研究小組將MAGRay用于新一代激光器的前沿研究，下圖是測(cè)得的表面垂直發(fā)射長(zhǎng)波紅外QCL激光器的光束能量分布。
2、光纖激光器溫度檢測(cè)
光纖激光器溫度監(jiān)控
在光纖激光器中，光纖可能吸收激光能量使得溫度升高，加速光纖老化，降低激光器的可靠性和使用壽命。在使用過(guò)程中用熱像儀檢測(cè)整段光纖和組件的溫度分布，尤其是光纖熔接點(diǎn)和連接處溫度，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。
發(fā)表于2020年第69期《物理學(xué)報(bào)》的“530 W全光纖結(jié)構(gòu)連續(xù)摻銩光纖激光器”采用巨哥科技的熱像儀觀(guān)察摻Tm3+光纖的溫度，在最高輸出功率達(dá)到530 W時(shí)，其最高溫度超過(guò)60C，但沒(méi)有出現(xiàn)明顯的放大自發(fā)輻射和非線(xiàn)性效應(yīng), 輸出功率僅受限于抽運(yùn)功率, 驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)摻Tm3+石英光纖在高功率系統(tǒng)中的可靠性。
3、激光焊接
用于熔覆和激光金屬沉積加工的閉環(huán)激光功率控制系統(tǒng)需要對(duì)激光加熱的熔池形貌和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋。采用巨哥科技MAG系列高溫型在線(xiàn)式熱像儀，使用圖像處理算法對(duì)熔池寬度和中心點(diǎn)等位置進(jìn)行識(shí)別，實(shí)時(shí)控制激光的位置和功率，可有效提高焊接質(zhì)量。
F6科學(xué)級(jí)熱像儀可提供0~2500C的全量程溫度監(jiān)控，清晰展現(xiàn)加熱焊接全過(guò)程的溫度細(xì)節(jié)；支持最高100Hz的數(shù)據(jù)率，可記錄快速溫度變化過(guò)程；提供溫度數(shù)據(jù)流錄制，可選擇慢速回放，重現(xiàn)完整細(xì)節(jié)。
在高能激光環(huán)境下，常規(guī)熱像儀自身容易受激光加熱效應(yīng)影響產(chǎn)生測(cè)溫誤差，F(xiàn)6科學(xué)級(jí)熱像儀可用于波長(zhǎng)小于2μm的高能激光環(huán)境并保持測(cè)溫準(zhǔn)確度。需要注意的是，大于7μm的長(zhǎng)波二氧化碳激光器會(huì)對(duì)熱像儀造成不可逆的損傷，用戶(hù)需提前申明以便提供激光安全的產(chǎn)品。
焊接熔池監(jiān)控
常規(guī)熱像儀的感應(yīng)范圍是7.5~14um的長(zhǎng)波紅外。由于激光焊接的光學(xué)系統(tǒng)包含石英玻璃等材料，長(zhǎng)波紅外無(wú)法穿透，因此熱像儀需在側(cè)面安裝，無(wú)遮擋地觀(guān)測(cè)焊接表面。為使整套監(jiān)控和控制系統(tǒng)高度集成，并使激光和相機(jī)的坐標(biāo)精確對(duì)準(zhǔn)，提高加工精度，理想設(shè)計(jì)是采用激光光束和監(jiān)控相機(jī)同軸的光學(xué)系統(tǒng)。巨哥科技的短波紅外熱像儀提供0.9~2.5um波段的測(cè)溫，可以穿透石英玻璃，因此可與激光光學(xué)系統(tǒng)同軸集成。
4、激光高速打標(biāo)
激光打標(biāo)在很多行業(yè)具有廣泛應(yīng)用，打標(biāo)時(shí)材料表面溫度升高，熱像儀可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控打標(biāo)質(zhì)量。在產(chǎn)線(xiàn)上為提高效率，通常在目標(biāo)快速行進(jìn)的過(guò)程中完成打標(biāo)。常規(guī)熱像儀因響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，觀(guān)測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)會(huì)發(fā)生圖像的拖尾，影響識(shí)別效果。巨哥科技的高速熱像儀可有效防止圖像拖尾，在目標(biāo)快速運(yùn)動(dòng)時(shí)仍能清晰分辨熱分布細(xì)節(jié)。
5、近紅外高功率半導(dǎo)體激光芯片
高功率半導(dǎo)體激光芯片是以光纖、固態(tài)及直接半導(dǎo)體激光為代表的當(dāng)代高能激光器中最核心的光源。激光芯片的功率、亮度、可靠性作為核心指標(biāo)，直接影響了激光器系統(tǒng)的性能與成本。
半導(dǎo)體激光器芯片的主要結(jié)構(gòu)包括提供激光增益介質(zhì)的外延發(fā)光層、向外延發(fā)光層注入載流子的電極和形成諧振腔的解理腔面。芯片的研制過(guò)程包括外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料生長(zhǎng)、芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝、腔面解理鈍化處理及光學(xué)鍍膜、芯片封裝測(cè)試、芯片壽命可靠性及性能分析等步驟，其中直接影響核心指標(biāo)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料生長(zhǎng)、芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝、腔面解理及鈍化處理。
(1)外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料生長(zhǎng)
外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料生長(zhǎng)涉及激光器的增益和抽運(yùn)，直接影響芯片電光效率，其主要因素為異質(zhì)結(jié)和體材料電壓虧損、載流子泄露損耗和光吸收損耗。
根據(jù)半導(dǎo)體材料的能帶分析，異質(zhì)結(jié)電壓主要來(lái)自限制層與襯底和波導(dǎo)層的界面，通過(guò)界面漸變和高摻雜優(yōu)化有效降低了芯片的異質(zhì)結(jié)電壓。體材料電阻可以通過(guò)調(diào)整材料組分提高載流子遷移率和提高摻雜濃度實(shí)現(xiàn)。降低載流子泄露損耗需要足夠的載流子限制勢(shì)壘，尤其是p面電子勢(shì)壘。因此體材料電阻降低和載流子限制作用提高需要綜合考慮以?xún)?yōu)化材料組分。
光吸收損耗通？梢圆捎梅菍(duì)稱(chēng)超大光腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在總波導(dǎo)層厚度不變的情況下，減少p面波導(dǎo)層厚度，增加n面波導(dǎo)層厚度，使光場(chǎng)的主要部分分布在低吸收低電阻的n面，減小光場(chǎng)與高吸收的p面的交疊，降低體材料電壓，減小光吸收損耗。同時(shí)結(jié)合漸變的摻雜分布設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)體材料電壓虧損和光吸收損耗的同時(shí)優(yōu)化。
900 nm波段的激光芯片通常采用InGaAs量子阱作為增益材料，采用具有高應(yīng)變量的AlInGaAs量子阱來(lái)提高增益，但AlInGaAs量子阱作為四元材料對(duì)材料生長(zhǎng)控制要求更嚴(yán)苛。需優(yōu)化氣氛比、生長(zhǎng)溫度速率，以提高量子阱體缺陷成核能，從而降低量子阱的缺陷密度，生長(zhǎng)出高質(zhì)量的高應(yīng)變量子阱。
(2)芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝
在高功率模式下工作時(shí)，芯片的側(cè)向高階模強(qiáng)度增加，導(dǎo)致發(fā)散角陡增、亮度降低。文獻(xiàn)報(bào)道中普遍采用波導(dǎo)邊緣的吸收和散射來(lái)降低高階模強(qiáng)度，但也會(huì)對(duì)低階模造成額外的吸收損耗，降低總光功率。另外，在高功率工作時(shí)，芯片的光場(chǎng)強(qiáng)度在縱向分布不均勻，而常規(guī)結(jié)構(gòu)芯片的電流注入產(chǎn)生的載流子濃度在縱向分布是均勻的，因此光場(chǎng)強(qiáng)度和載流子濃度分布不能匹配，這將產(chǎn)生縱向空間燒孔效應(yīng)，導(dǎo)致功率飽和。調(diào)整載流子注入分布的器件結(jié)構(gòu)是解決此問(wèn)題的一種途徑。
(3)腔面解理及鈍化處理
高功率半導(dǎo)體激光芯片最主要的失效模式是腔面光學(xué)災(zāi)變損傷(COMD)。COMD 來(lái)源于芯片高功率工作時(shí)解理腔面及附近區(qū)域的光吸收。表面光吸收是由解理表面懸掛鍵、表面氧化和表面污染所產(chǎn)生，而常規(guī)腔面解理在大氣或低真空環(huán)境下進(jìn)行，無(wú)法避免此問(wèn)題？拷饫肀砻鎱^(qū)域的光吸收來(lái)自于帶間吸收，芯片高功率工作時(shí)該區(qū)域溫度增加，導(dǎo)致材料帶隙降低，帶間吸收增強(qiáng)，降低此類(lèi)吸收的最有效途徑是形成寬帶隙(低吸收)的窗口結(jié)構(gòu)。
通過(guò)對(duì)外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料生長(zhǎng)，芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝，腔面解理及鈍化處理的開(kāi)發(fā)，蘇州長(zhǎng)光華芯光電技術(shù)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)光華芯”)推出了28 W半導(dǎo)體激光芯片。芯片的功率提升主要來(lái)自芯片外延結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和腔面特殊處理技術(shù)的提高。
半導(dǎo)體激光器的輸出功率主要受到激光器閾值、斜率和高電流功率打彎等因素的影響。通常通過(guò)降低pn結(jié)的摻雜濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)閾值的降低和斜率的提高，而過(guò)低的摻雜濃度會(huì)導(dǎo)致pn結(jié)電阻增加，芯片電壓升高。
為解決閾值斜率與電壓的優(yōu)化平衡問(wèn)題，長(zhǎng)光華芯優(yōu)化了非對(duì)稱(chēng)大光腔結(jié)構(gòu)波導(dǎo)層厚度，精細(xì)設(shè)計(jì)了摻雜濃度在pn結(jié)不同區(qū)域的分布，達(dá)到了降低閾值，提高斜效率的同時(shí)電壓基本保持不變的效果。高電流打彎主要源于高電流注入時(shí)內(nèi)量子效率降低。
長(zhǎng)光華芯優(yōu)化了激光結(jié)構(gòu)的增益區(qū)附近材料的能帶結(jié)構(gòu)，提高了pn結(jié)注入電子的限制能力，有效增強(qiáng)了高電流注入時(shí)的量子效率。在優(yōu)化激光芯片功率的同時(shí)，長(zhǎng)光華芯持續(xù)提高了腔面特殊處理過(guò)程的材料質(zhì)量降低缺陷比例，提高腔面的抗光學(xué)災(zāi)變損傷的能力，保證28 W高功率激光芯片滿(mǎn)足工業(yè)市場(chǎng)對(duì)激光器壽命的要求。
6、紅外熱像儀在光纖溫度監(jiān)測(cè)中的主要應(yīng)用點(diǎn)
光纖熔接點(diǎn)質(zhì)量監(jiān)測(cè)
大功率光纖激光器制造過(guò)程中，光纖熔接點(diǎn)處會(huì)存在一定大小的光學(xué)不連續(xù)性和缺陷，而缺陷嚴(yán)重會(huì)引起光纖熔接點(diǎn)異常發(fā)熱，進(jìn)而造成激光器損壞或者發(fā)熱點(diǎn)燒毀。因此光纖熔接點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)是光纖激光器制造過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，使用紅外熱像儀可實(shí)現(xiàn)光纖熔接點(diǎn)處的溫度監(jiān)測(cè)，從而判斷被測(cè)光纖熔接點(diǎn)品質(zhì)是否合格，提升產(chǎn)品質(zhì)量。
LD泵浦源
單個(gè)LD芯片輸出的激光功率是有限制的，泵浦將多個(gè)LD芯片封裝在一起，實(shí)現(xiàn)輸出功率提升。而泵浦的發(fā)熱量很大，因此溫度直接影響芯片輸出的激光波長(zhǎng)。使用紅外熱像儀對(duì)每一個(gè)泵浦做來(lái)料質(zhì)檢，退回不合格的泵浦，保證激光器的整機(jī)質(zhì)量。
激光反射保護(hù)驗(yàn)證檢測(cè)
光纖激光器很容易受到來(lái)自金屬工件的背向反射激光的損壞。因此，高品質(zhì)的光纖激光器需具備反射保護(hù)機(jī)制，并在出廠(chǎng)前模擬反向輸入一定功率的激光，以確保品質(zhì)。使用紅外熱像儀進(jìn)行檢測(cè)，激光反射保護(hù)驗(yàn)證準(zhǔn)確可靠。
合束器
合束器的作用是將N路泵浦的激光合成1路激光，實(shí)現(xiàn)激光器的高功率輸出。使用紅外熱像儀做出廠(chǎng)檢測(cè)，可有效降低泵浦被退貨的概率。
7、防長(zhǎng)波激光熱像儀
熱像儀常用于激光切割等高能量加工過(guò)程中的溫度監(jiān)控。在一些應(yīng)用中使用的二氧化碳激光器，其波長(zhǎng)正好處于常規(guī)熱像儀的感應(yīng)區(qū)間，過(guò)高的能量(即使是從物體表面散射)將瞬間造成熱像儀內(nèi)的非制冷紅外焦平面探測(cè)器不可逆轉(zhuǎn)的損傷。防長(zhǎng)波激光熱像儀可針對(duì)特定波長(zhǎng)進(jìn)行屏蔽，安全用于存在二氧化碳激光器等高能量長(zhǎng)波紅外的加工場(chǎng)合。此外，短波熱像儀不受長(zhǎng)波紅外損傷，可直接用于長(zhǎng)波紅外激光的高溫加熱過(guò)程監(jiān)控。
文章來(lái)源： 激光制造網(wǎng)，艾睿光電，光電匯
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