Grupa 4

Syntetyczny opis
wyników realizacji zadań wPBZ-MIN-009/T11/2003 pt. „Elementy i moduły
optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie
środowiska i technice wojskowej"
Grupa 4 Półprzewodnikowe pompy laserowe
Zadanie 4.1. Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie modułów laserów
półprzewodnikowych cw i impulsowych o mocy średniej P≥1 W do pompowania laserów
domieszkowanych neodymem i holmem.
Realizację zadania w stosunku do przyjętych założeń oferty można podsumować w
poszczególnych grupach przyrządów, które należało opracować:
A. Modele.
Diody laserowe CW. Wykonano serie DL w obudowach Ø9 na zakres spektralny 800 – 810 nm (w
tym na pasmo 808 nm) z szerokością połówkową widma emisji ≤ 2 nm o mocach maksymalnych 1.6 –
2.5 W, czyli znacznie przewyższający wymagany poziom 0.5 W. Przedstawiono pozytywne wyniki
1000-godzinnego testu niezawodności.
DL pochodziły z dwóch heterostruktur różniących się projektowo grubością efektywną
falowodu (d/Γ), co rzutowało na ich parametry prądu progowego (I th ) i rozbieżności wiązki (Θ ⊥ ).
Parametry diod o wartości d/Γ = 0.59 μm były I th = 0.25 – 0.27 A, sprawność przyrostowa 1.1 – 1.15
W/A, rezystancja termiczna R th =14–17 K/W oraz Θ ⊥ = 18º. Uzyskano maksymalną moc optyczną P
= 1.6 W przy wysterowaniu I = 1.8 A. Wyższe moce (do 2.5 W przy I = 3 A) i mniejsze Θ ⊥ = 16º
uzyskano dla diod z heterostruktury o parametrze d/Γ = 0.84 μm, kosztem nieco wyższego I th = 0.35 –
0.4 A. przy podobnej sprawności i R th . Podane tu wartości Θ ⊥ są bardzo małe jak na lasery
półprzewodnikowe (w płaszczyźnie prostopadłej do złącza), co ma liczne zalety aplikacyjne.
Całkowita sprawność energetyczna (pce) wyniosła 0.44. Wszystkie parametry sprawnościowe są nieco
poniżej oczekiwań z powodu nieopanowanej dostatecznie technologii pokryć dielektrycznych luster.
Wyselekcjonowane diody drugiej grupy (d/Γ = 0.84 μm) mogą być przy typowym dla nich
'bezpiecznym' poziome emisji P ≅ 1.6 – 1.8 W dostrojone termicznie do długości fali pompowania
optycznego laserów Nd:YAG λ = 808 nm.
Nie wykonano DL CW na pasmo 792 nm. Heterostruktury epitaksjalne wymagają jeszcze
optymalizacji. Prace nad tymi przyrządami są kontynuowane w ramach innych tematów.
Liniowe matryce QCW. Wykonano DML QCW w obudowach laboratoryjnych i w obudowie TO-3
(8-pin). Uzyskano moc maksymalną w impulsie 80 W przy zasilaniu impulsami o szerokości 200 μs,
repetycji 100 Hz i amplitudzie 107 A, co daje średnią moc optyczną P śr = 1.6 W. Zastosowanie małej
chłodziarki termoelektrycznej (TEC) pomiędzy przylutowaną do bloku chłodzącego matrycą a
podstawą obudowy TO-3 umożliwia przestrajanie długości fali emitowanej w zakresie 2 nm.
Z powodu małej liczebności przyrządów i braku testu niezawodności można mówić raczej o
osiągnięciu stanu demonstratora.
Główną przyczyną trudności w przypadku długich linijek były nieudane przełomy, które muszą
być jednorodne na dużej przestrzeni, nieudane pokrycia dielektryczne luster, również bardzo trudny do
kontroli i niepowtarzalny w dysponowanych warunkach był montaż. Uzysk w wytwarzaniu tych
przyrządów był bardzo mały. Zużycie płytek epitaksjalnych przy wytwarzaniu linijek jest o wiele
większe niż w przypadku DL. Lokalne uszkodzenie przełomu eliminuje całą linijkę i również linijkę
sąsiednią. Zatem potrzebna byłaby znacznie większa ilość heterostruktur niż można było wytworzyć w
ramach Projektu i w ogóle większy potencjał. Dlatego wydaje się, że podejmowanie się prac nad tymi
przyrządami w obecnych warunkach jest niecelowe.
B. Demonstratory.
Diody Laserowe CW. Wykonano serie diod szerokopaskowych w obudowie TO-3 emitujących w
zakresie 800 – 812 nm (z możliwością dostrojenia do λ = 808 nm) z szerokością połówkową ≤ 2 nm, o
mocy promieniowania do 3.5 W (@ 4 A) i do 5 W CW (@ 6 A) - zależnie od typu heterostruktury, co
przekracza znacznie wymagany ofertą poziom 1 W CW.
Zastosowano chipy z rezonatorem o długości L = 1 mm i z paskiem W = 0.2 mm (z
wstrzykiwaniem nośników zablokowanym w pobliżu luster w celu zmniejszenia rekombinacji
powierzchniowej i podwyższenia progu degradacji katastroficznej luster), zmontowane w obudowach
TO-3, o mniejszej rezystancji cieplnej niż Ø9. Z przesunięcia widma dla różnych wartości I wynika
R th = 5.9 º/W. Z porównania charakterystyk P-I-V dla DL z obu wspomnianych wyżej heterostruktur z
analogicznymi charakterystykami dla DL z paskiem W = 0.1 mm wynika skalowanie rozmiarowe co
do mocy i R th . Dowodzi to, że obudowa i montaż zapewniają stabilizację cieplną DL. Rozbieżności
wiązki w obu płaszczyznach są podobne do omówionych wyżej dla DL w obudowach Ø9. Z
aplikacyjnego punktu widzenia rozwiązanie to oznacza dwukrotny wzrost mocy optycznej z
pojedynczego (~ punktowego) emitera.
Liniowe matryce CW. Opracowano DML CW w obudowach TO-3 na zakres 806 - 813 nm (z
możliwością precyzyjnego dostrojenia do 808 nm) z szerokością połówkową spektrum ≤ 2 nm,
emitujące moce optyczne do 8 W (@ 10 A) i do 12 W (@ 14 A) CW (zależnie od typu
heterostruktury), przekraczając nieco przyjęty w założeniach poziom 5 W CW. Dla obu grup
przyrządów R th była rzędu 2.8 K/W, co jest wielkością podobną do danych literaturowych.
Warunki cieplne pracy matrycy są jednak trudniejsze, niż indywidualnych DL. Wynika to z
pomiarów charakterystyk spektralnych. Pomimo że wartość R th = 2.8 K/W jest zadowalająca, to
jednak nie skaluje się ona w stosunku do R th pojedynczej DL (13 º/W przy montażu na bloku
chłodzącym). Zatem temperatura emiterów 'w zespole' jest wyższa (przy jednakowej temperaturze
podstawy 18ºC), co potwierdza przesunięcie widm w kierunku długofalowym. Ten wzrost temperatury
spowodowany oddziaływaniami wzajemnymi sąsiednich emiterów powinien być kompensowany
przez wyraźne obniżanie temperatury podstawy montażowej (np. do wspomnianych 10ºC).
W krótkich matrycach (4 mm, 8 emiterów), z powodu mniejszych rozmiarów większe jest
prawdopodobieństwo powodzenia w procesach technologicznych formowania luster (przełomów), ich
pokryć dielektrycznych i montażu. Stąd lepsze wyniki w tej grupie przyrządów niż w długich linijkach
QCW.
Dalsze prace zmierzające do wzrostu mocy maksymalnej DML CW powinny się koncentrować
na zwiększeniu gęstości upakowania emiterów (obecnie 0.2) poprzez zmniejszenie modułu bocznego
struktury i/lub przez poszerzenie paska (W), a także przez wydłużenie rezonatora (L).
Diody laserowe z falowodem typu index guiding w płaszczyźnie złącza. Wykonano serię DL na
pasmo ~ 800 nm o mocy maksymalnej 0.5 W CW, w których udowodniono możliwość
skonstruowania efektywnego falowodu elastooptycznego w płaszczyźnie złącza poprzez głęboką
implantację odpowiednio dużej dawki He+. Przyrządy te wymagają jeszcze dopracowania konstrukcji i
technologii.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe
Zadanie 4.2. Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie modułów laserów
półprzewodnikowych cw i impulsowych o mocy średniej P≥1 W do pompowania laserów
domieszkowanych erbem i iterbem.
Opracowana została technologia wytwarzania laserów półprzewodnikowych dużej mocy,
pracujących na fali ciągłej w temperaturze pokojowej. Lasery przeznaczone są do zastosowań w
medycynie, ochronie środowiska i automatyce. Lasery wytwarzane są z naprężonych heterostruktur
InGaAs/GaAs/AlGaAs otrzymywanych techniką epitaksji z wiązek molekularnych (MBE). Obszar
aktywny lasera tworzy studnia kwantowa o grubości 6-10 nm. Falowód lasera składa się z warstw
gradientowych AlGaAs (GRIN). Znaczny postęp w technologii laserów był wynikiem optymalizacji
konstrukcji przyrządu i zastosowania podwyższonych temperatur epitaksji. Nie bez znaczenia było
również przeniesienie technologii na nowy reaktor MBE Compact 21T uruchomiony w 2006 r.
Struktury laserowe w wersji szerokokontaktowej (W=50-200 µm) montowane są na kostce
miedzianej i termoelemencie Peltiera w standardowej obudowie tranzystorowej TO-3. Do stabilizacji
mocy lasera wykorzystywana jest fotodioda krzemowa umieszczona we wspólnej obudowie. Typowe
gęstości prądu progowego laserów są rzędu 150 A/cm2 a sprawności kwantowe przekraczają 1.2 W/A.
Lasery mogą pracować przy zasilaniu impulsowym i w sposób ciągły z gwarantowaną mocą 1 W, w
temperaturze 300 K. Długość fali emitowanego promieniowania, w zależności od szczegółów
konstrukcyjnych, może zmieniać się w zakresie 940-1020 nm co pozwala na wytwarzanie laserów
dopasowanych do konkretnych wymagań narzucanych przez zastosowania. Gwarantowany czas pracy
laserów wynosi 1500 godzin w reżimie CW w temperaturze 25oC. Uzysk płytkowy dobrych laserów
był bardzo wysoki (60-80%).
Gwarantowane parametry laserów LD-980-01
Prąd progowy
< 200 A/cm2
150 A/cm2 po selekcji
> 0.6 W/A
0.8 W/A po selekcji
Moc CW, 300 K
> 0.5 W
1 W po selekcji
Parametr T 0
> 150 K
180 K po selekcji
< 15 K/W
10 K /W
Sprawność kwantowa
Rezystancja termiczna
Obudowa – TO-3 standard, TO – 3 Peltier
Opracowana została technologię linijek laserowych średniej mocy. Każda linijka składa się z 16 lub 10
emiterów i ma długość 1 cm. Struktury linijek wyposażone zostały w pokrycia dielektryczne (AR/HR)
zwierciadeł. Moc linijki laserowej pracującej w modzie quasi-CW z wypełnieniem 2% osiąga 1 W.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe
Zadanie 4.3. Optymalizacja konstrukcji laserów mocy przy wykorzystaniu metod teoretycznosymulacyjnych.
Realizacja podzadania 4.3 przebiegała zgodnie z planem. Podczas realizacji podzadania
sformułowano model działania lasera złączowego mocy umożliwiający opracowanie modelu
generowania ciepła w strukturze pracującego lasera. Model ten z kolei stanowił podstawę dla modelu
odprowadzania ciepła z lasera.
Zastosowanie obu wymienionych modeli cieplnych umożliwiło zbadanie wpływu parametrów
konstrukcyjnych na przyrost temperatury lasera a w dalszej konsekwencji na jego parametry
eksploatacyjne. Badania te przeprowadzono za pomocą szeregu symulacji działania matryc laserów
oraz pojedynczej diody laserowej przeprowadzanych dla różnych parametrów konstrukcyjnych i
różnych warunków pracy. Szczególnie istotne były symulacje działania matryc oraz pojedynczych
struktur laserowych montowanych bezpośrednio na heat sinku oraz za pośrednictwem przekładek
(bądź heat spreadera) o różnych rozmiarach. Wyniki tych symulacji umożliwiły przeanalizowanie
wpływu materiału przekładki (rozważano kompozyt miedź/wolfram i miedź/ /diament oraz heat
spreader wykonany z diamentu). Parametry przeprowadzanych symulacji były uzgadniane z
partnerami z ITME. Symulacje te umożliwiły ocenę wpływu rozmiarów przekładki (bądź heat
spreadera) na maksymalną temperaturę występującą w strukturze, a co za tym idzie umożliwiły
dokonanie wyboru najkorzystniejszego rozmiaru przekładki, również z uwzględnieniem jej kosztów.
Poza rozmiarami przekładki przeanalizowaliśmy również efekty zmian odległości pomiędzy
emiterami w matrycy oraz zmian ich liczby. Większość symulacji była przeprowadzona dla ustalonej
grubości przekładki wynoszącej 300 μm (co było wymogiem partnera z ITME), jednak zbadaliśmy
również wpływ zmian grubości tej przekładki na maksymalną wartość temperatury. Większość
wymienionych symulacji dotyczyła stanu ustalonego (praca CW), jednak przeprowadziliśmy również
symulacje stanów nieustalonych (praca przy zasilaniu impulsowym). W ich wyniku otrzymaliśmy
zależności czasów narastania maksymalnej temperatury od parametrów konstrukcyjnych (odległości
pomiędzy emiterami w matrycy) dla różnych grubości i materiałów przekładek. Zbadaliśmy również
czasy opadania temperatury po zaniknięciu impulsu zasilającego oraz pozostałość temperaturową.
Przeprowadzono również symulacje rozpływu ciepła w radiatorze diody laserowej (bądź matrycy
laserów) umożliwiające określenie efektywności działania i przydatności poszczególnych konstrukcji
radiatorów.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe
Zadanie 4.4. Badania mechanizmów odprowadzania ciepła ze struktur laserów
półprzewodnikowych dużej mocy i opracowanie układów ich chłodzenia
Opracowano założenia konstrukcyjne i koncepcję układu aktywnego chłodzenia diody
laserowej o mocy optycznej > 1 W CW oraz układu aktywnego chłodzenia matrycy diod o średniej
mocy optycznej > 5 W CW.
Obudowy pojedynczych diod laserowych zaprojektowano w dwóch wersjach: wersję
dwunóżkową, umożliwiającą zamontowanie jedynie diody laserowej oraz wersję ośmionóżkową,
gdzie wewnątrz obudowy umieszczona będzie mikrochłodziarka Peltiera, termistor i (opcjonalnie)
fotodioda monitorująca. Przeprowadzone obliczenia wskazują, że zaproponowane obudowy pozwolą
na odprowadzenie ciepła z diody laserowej emitującej moc optyczną rzędu 1,5 W CW. Dla obu wersji
obudów zaprojektowano układy aktywnego chłodzenia.
Obliczenia rozpływu ciepła wskazały na konieczność zastosowania różnych konstrukcji
obudów dla matryc pracujących na fali ciągłej i matryc pracujących impulsowo w reżimie QCW. Dla
matryc CW dążono do uzyskania maksymalnie dużej mocy optycznej przy zachowaniu akceptowalnie
niskiej temperatury pracy. Wymagania te spełnia obudowa bazująca na obudowie tranzystorowej typu
TO-3. Dla matryc QCW, dodatkowo, ważna jest minimalizacja naprężeń powstających w wyniku
cyklicznego grzania i chłodzenia przyrządu. Opracowano wersję obudowy pozwalającą na
minimalizację tych naprężeń. Zarówno dla matryc CW, jaki i QCW zaproponowane zostały układy
aktywnego chłodzenia.
Znaleziono wykonawcę i wykonano serię chłodnic miedzianych, na których będą montowane diody i
linijki laserowe. Wykonano serie modelowe obudów TO-3 w wersji dwunóżkowej dla pojedynczych
diod laserowych i w wersji TO3 8-nóżkowej dla linijek. Elementy obudów pokryto galwanicznie
warstwą złota „twardego” a chłodnice warstwą 1μmAu/0.7μmNi. Zakupione zostały również
chłodziarki Peltiera w wersji miniaturowej, do montażu wewnątrz obudowy.
W obudowach zamontowano serię diod laserowych o mocach optycznych >1 W CW i linijek
laserowych o mocach >5W CW.
Sprawdzenie wydajności cieplnej układu dokonano poprzez:
- pomiary przesunięcia widma diod i matryc laserowych,
- pomiary temperatury na poszczególnych elementach układu przy pomocy termometru z
miniaturowym czujnikiem termistorowym.
- badania metodą termowizji wykonane w Wojskowej Akademii Technicznej i na Politechnice
Gdańskiej.
Zmierzone ich parametry elektrooptyczne potwierdziły przydatność opracowanego i wykonanego
układu aktywnego chłodzenia i technik montażu dla:
• diod laserowych o mocach optycznych powyżej 1 W CW montowanych w obudowach TO3 w
wersji dwunóżkowej,
• matryc CW o długości 4 mm i mocy optycznej pow. 5 W w obudowach TO3 w wersji
dwunóżkowej z chłodnicą o grubości 5 mm i przekładką odprowadzającą ciepło wykonaną z
kompozytu CuW, oraz
• matryc laserowych QCW o długości 10mm (i mocy średniej pow. 50W) w obudowach TO3 w
wersji ośmionóżkowej.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe