【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，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)的接觸式測溫方式會破壞激光器本體的結(jié)構(gòu)，而單點式非接觸測溫方式又無法準(zhǔn)確捕獲光纖溫度。
 

　　使用紅外熱像儀檢測整段光纖，尤其是光纖熔接點溫度，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、熱像儀、激光焊接和打標(biāo)等過程。
 

　　1、激光光束分析
 

　　MAGRay激光光束分析儀系列可對可見、近紅外、短波紅外、中波紅外、長波紅外和遠(yuǎn)紅外的各種波長光束進(jìn)行成像和分析，測量光斑尺寸、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具有高動態(tài)范圍，兼容連續(xù)和脈沖激光器，遠(yuǎn)場和近場光斑均可測量，可實時監(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)格可測最小功率為0.04mW/cm2，高量程規(guī)格可測最大功率為400W/cm2。
 

　　MAGRay配置專業(yè)版應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)分析軟件，可進(jìn)行對比度調(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年首臺量子級聯(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，下圖是測得的表面垂直發(fā)射長波紅外QCL激光器的光束能量分布。
 

　　2、光纖激光器溫度檢測
 

　　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。在使用過程中用熱像儀檢測整段光纖和組件的溫度分布，尤其是光纖熔接點和連接處溫度，可及時發(fā)現(xiàn)異常。
 

　　發(fā)表于2020年第69期《物理學(xué)報》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察摻Tm3+光纖的溫度，在最高輸出功率達(dá)到530 W時，其最高溫度超過60C，但沒有出現(xiàn)明顯的放大自發(fā)輻射和非線性效應(yīng), 輸出功率僅受限于抽運(yùn)功率, 驗證了國產(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)需要對激光加熱的熔池形貌和溫度進(jìn)行實時測量和反饋。采用巨哥科技MAG系列高溫型在線式熱像儀，使用圖像處理算法對熔池寬度和中心點等位置進(jìn)行識別，實時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)生測溫誤差，F(xiàn)6科學(xué)級熱像儀可用于波長小于2μm的高能激光環(huán)境并保持測溫準(zhǔn)確度。需要注意的是，大于7μm的長波二氧化碳激光器會對熱像儀造成不可逆的損傷，用戶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，長波紅外無法穿透，因此熱像儀需在側(cè)面安裝，無遮擋地觀測焊接表面。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)精確對準(zhǔn)，提高加工精度，理想設(shè)計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)時材料表面溫度升高，熱像儀可用于實時監(jiān)控打標(biāo)質(zhì)量。在產(chǎn)線上為提高效率，通常在目標(biāo)快速行進(jìn)的過程中完成打標(biāo)。常規(guī)熱像儀因響應(yīng)時間較長，觀測運(yùn)動目標(biāo)時會發(fā)生圖像的拖尾，影響識別效果。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)動時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。芯片的研制過程包括外延結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料生長、芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備工藝、腔面解理鈍化處理及光學(xué)鍍膜、芯片封裝測試、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)的三個關(guān)鍵技術(shù)為外延結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料生長、芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備工藝、腔面解理及鈍化處理。
 

　　(1)外延結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料生長
 

　　外延結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料生長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)電壓主要來自限制層與襯底和波導(dǎo)層的界面，通過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調(diào)整材料組分提高載流子遷移率和提高摻雜濃度實現(xiàn)。降低載流子泄露損耗需要足夠的載流子限制勢壘，尤其是p面電子勢壘。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優(yōu)化材料組分。
 

　　光吸收損耗通常可以采用非對稱超大光腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(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，使光場的主要部分分布在低吸收低電阻的n面，減小光場與高吸收的p面的交疊，降低體材料電壓，減小光吸收損耗。同時結(jié)合漸變的摻雜分布設(shè)計，實現(xiàn)體材料電壓虧損和光吸收損耗的同時優(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量子阱來提高增益，但AlInGaAs量子阱作為四元材料對材料生長控制要求更嚴(yán)苛。需優(yōu)化氣氛比、生長溫度速率，以提高量子阱體缺陷成核能，從而降低量子阱的缺陷密度，生長出高質(zhì)量的高應(yīng)變量子阱。
 

　　(2)芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備工藝
 

　　在高功率模式下工作時，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)報道中普遍采用波導(dǎo)邊緣的吸收和散射來降低高階模強(qiáng)度，但也會對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，芯片的光場強(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 來源于芯片高功率工作時解理腔面及附近區(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，無法避免此問題。靠近解理表面區(qū)域的光吸收來自于帶間吸收，芯片高功率工作時該區(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)。
 

　　通過對外延結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料生長，芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備工藝，腔面解理及鈍化處理的開發(fā)，蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司(以下簡稱“長光華芯”)推出了28 W半導(dǎo)體激光芯片。芯片的功率提升主要來自芯片外延結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計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。通常通過降低pn結(jié)的摻雜濃度來實現(xiàn)閾值的降低和斜率的提高，而過低的摻雜濃度會導(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)化平衡問題，長光華芯優(yōu)化了非對稱大光腔結(jié)構(gòu)波導(dǎo)層厚度，精細(xì)設(shè)計了摻雜濃度在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內(nèi)量子效率降低。
 

　　長光華芯優(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)了高電流注入時的量子效率。在優(yōu)化激光芯片功率的同時，長光華芯持續(xù)提高了腔面特殊處理過程的材料質(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高功率激光芯片滿足工業(yè)市場對激光器壽命的要求。
 

　　6、紅外熱像儀在光纖溫度監(jiān)測中的主要應(yīng)用點

 

　　光纖熔接點質(zhì)量監(jiān)測
 

　　大功率光纖激光器制造過程中，光纖熔接點處會存在一定大小的光學(xué)不連續(xù)性和缺陷，而缺陷嚴(yán)重會引起光纖熔接點異常發(fā)熱，進(jìn)而造成激光器損壞或者發(fā)熱點燒毀。因此光纖熔接點溫度監(jiān)測是光纖激光器制造過程中的一個重要環(huán)節(jié)，使用紅外熱像儀可實現(xiàn)光纖熔接點處的溫度監(jiān)測，從而判斷被測光纖熔接點品質(zhì)是否合格，提升產(chǎn)品質(zhì)量。
 

　　LD泵浦源
 

　　單個LD芯片輸出的激光功率是有限制的，泵浦將多個LD芯片封裝在一起，實現(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。使用紅外熱像儀對每一個泵浦做來料質(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)驗證檢測
 

　　光纖激光器很容易受到來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，激光反射保護(hù)驗證準(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，實現(xiàn)激光器的高功率輸出。使用紅外熱像儀做出廠檢測，可有效降低泵浦被退貨的概率。
 

　　7、防長波激光熱像儀

 

　　熱像儀常用于激光切割等高能量加工過程中的溫度監(jiān)控。在一些應(yīng)用中使用的二氧化碳激光器，其波長正好處于常規(guī)熱像儀的感應(yīng)區(qū)間，過高的能量(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器不可逆轉(zhuǎn)的損傷。防長波激光熱像儀可針對特定波長進(jìn)行屏蔽，安全用于存在二氧化碳激光器等高能量長波紅外的加工場合。此外，短波熱像儀不受長波紅外損傷，可直接用于長波紅外激光的高溫加熱過程監(jiān)控。
 

　　文章來源： 激光制造網(wǎng)，艾睿光電，光電匯