分析、检测、成像… 一文盘点激光器研发红外解决方案
- 2022/11/28 18:47:32 19304
- 来源：贤集网 仪器侠
【仪表网 仪表产业】光纤激光器具有光束质量好、能量密度高、电光转换效率高、散热性好、结构紧凑、免维护、柔性传输等优点，已成为激光技术发展主流方向和应用主力军。光纤激光器的整体电-光效率为30%~35%，大部分能量以热能形式耗散掉，因此激光器工作过程中的温度控制直接决定激光器的品质和使用寿命。常规的接触式测温方式会破坏激光器本体的结构，而单点式非接触测温方式又无法准确捕获光纤温度。
使用红外热像仪检测整段光纤，尤其是光纤熔接点温度，可强有力的保障光纤产品的研发与品控。
本文介绍激光加工与激光器研发中的红外解决方案，包括光束质量分析、光纤激光器温度检测、热像仪、激光焊接和打标等过程。
1、激光光束分析
MAGRay激光光束分析仪系列可对可见、近红外、短波红外、中波红外、长波红外和远红外的各种波长光束进行成像和分析，测量光斑尺寸、二维/三维能量分布、发散角、椭圆度、光束指向稳定性、束腰位置和大小，以及光束质量因子M2等。
MAGRay具有高动态范围，兼容连续和脉冲激光器，远场和近场光斑均可测量，可实时监控光束的连续变化，每秒最高可输出100幅图像数据。MAGRay提供高灵敏度和高量程两种规格，高灵敏度规格可测最小功率为0.04mW/cm2，高量程规格可测最大功率为400W/cm2。
MAGRay配置专业版应用程序和数据分析软件，可进行对比度调节、细节增强、多种调色板选择、光束变化录像和回放、线强度分析等，也可直接导出Excel数据，便于研究者自主分析和制作图表。
苏黎世联邦理工学院的Jerome Faist教授是1994年首台量子级联激光器(QCL)的发明者，其研究小组将MAGRay用于新一代激光器的前沿研究，下图是测得的表面垂直发射长波红外QCL激光器的光束能量分布。
2、光纤激光器温度检测
光纤激光器温度监控
在光纤激光器中，光纤可能吸收激光能量使得温度升高，加速光纤老化，降低激光器的可靠性和使用寿命。在使用过程中用热像仪检测整段光纤和组件的温度分布，尤其是光纤熔接点和连接处温度，可及时发现异常。
发表于2020年第69期《物理学报》的“530 W全光纤结构连续掺铥光纤激光器”采用巨哥科技的热像仪观察掺Tm3+光纤的温度，在最高输出功率达到530 W时，其最高温度超过60C，但没有出现明显的放大自发辐射和非线性效应, 输出功率仅受限于抽运功率, 验证了国产掺Tm3+石英光纤在高功率系统中的可靠性。
3、激光焊接
用于熔覆和激光金属沉积加工的闭环激光功率控制系统需要对激光加热的熔池形貌和温度进行实时测量和反馈。采用巨哥科技MAG系列高温型在线式热像仪，使用图像处理算法对熔池宽度和中心点等位置进行识别，实时控制激光的位置和功率，可有效提高焊接质量。
F6科学级热像仪可提供0~2500C的全量程温度监控，清晰展现加热焊接全过程的温度细节；支持最高100Hz的数据率，可记录快速温度变化过程；提供温度数据流录制，可选择慢速回放，重现完整细节。
在高能激光环境下，常规热像仪自身容易受激光加热效应影响产生测温误差，F6科学级热像仪可用于波长小于2μm的高能激光环境并保持测温准确度。需要注意的是，大于7μm的长波二氧化碳激光器会对热像仪造成不可逆的损伤，用户需提前申明以便提供激光安全的产品。
焊接熔池监控
常规热像仪的感应范围是7.5~14um的长波红外。由于激光焊接的光学系统包含石英玻璃等材料，长波红外无法穿透，因此热像仪需在侧面安装，无遮挡地观测焊接表面。为使整套监控和控制系统高度集成，并使激光和相机的坐标精确对准，提高加工精度，理想设计是采用激光光束和监控相机同轴的光学系统。巨哥科技的短波红外热像仪提供0.9~2.5um波段的测温，可以穿透石英玻璃，因此可与激光光学系统同轴集成。
4、激光高速打标
激光打标在很多行业具有广泛应用，打标时材料表面温度升高，热像仪可用于实时监控打标质量。在产线上为提高效率，通常在目标快速行进的过程中完成打标。常规热像仪因响应时间较长，观测运动目标时会发生图像的拖尾，影响识别效果。巨哥科技的高速热像仪可有效防止图像拖尾，在目标快速运动时仍能清晰分辨热分布细节。
5、近红外高功率半导体激光芯片
高功率半导体激光芯片是以光纤、固态及直接半导体激光为代表的当代高能激光器中最核心的光源。激光芯片的功率、亮度、可靠性作为核心指标，直接影响了激光器系统的性能与成本。
半导体激光器芯片的主要结构包括提供激光增益介质的外延发光层、向外延发光层注入载流子的电极和形成谐振腔的解理腔面。芯片的研制过程包括外延结构设计及材料生长、芯片结构设计及制备工艺、腔面解理钝化处理及光学镀膜、芯片封装测试、芯片寿命可靠性及性能分析等步骤，其中直接影响核心指标的三个关键技术为外延结构设计及材料生长、芯片结构设计及制备工艺、腔面解理及钝化处理。
(1)外延结构设计及材料生长
外延结构设计及材料生长涉及激光器的增益和抽运，直接影响芯片电光效率，其主要因素为异质结和体材料电压亏损、载流子泄露损耗和光吸收损耗。
根据半导体材料的能带分析，异质结电压主要来自限制层与衬底和波导层的界面，通过界面渐变和高掺杂优化有效降低了芯片的异质结电压。体材料电阻可以通过调整材料组分提高载流子迁移率和提高掺杂浓度实现。降低载流子泄露损耗需要足够的载流子限制势垒，尤其是p面电子势垒。因此体材料电阻降低和载流子限制作用提高需要综合考虑以优化材料组分。
光吸收损耗通常可以采用非对称超大光腔波导结构设计实现，在总波导层厚度不变的情况下，减少p面波导层厚度，增加n面波导层厚度，使光场的主要部分分布在低吸收低电阻的n面，减小光场与高吸收的p面的交叠，降低体材料电压，减小光吸收损耗。同时结合渐变的掺杂分布设计，实现体材料电压亏损和光吸收损耗的同时优化。
900 nm波段的激光芯片通常采用InGaAs量子阱作为增益材料，采用具有高应变量的AlInGaAs量子阱来提高增益，但AlInGaAs量子阱作为四元材料对材料生长控制要求更严苛。需优化气氛比、生长温度速率，以提高量子阱体缺陷成核能，从而降低量子阱的缺陷密度，生长出高质量的高应变量子阱。
(2)芯片结构设计及制备工艺
在高功率模式下工作时，芯片的侧向高阶模强度增加，导致发散角陡增、亮度降低。文献报道中普遍采用波导边缘的吸收和散射来降低高阶模强度，但也会对低阶模造成额外的吸收损耗，降低总光功率。另外，在高功率工作时，芯片的光场强度在纵向分布不均匀，而常规结构芯片的电流注入产生的载流子浓度在纵向分布是均匀的，因此光场强度和载流子浓度分布不能匹配，这将产生纵向空间烧孔效应，导致功率饱和。调整载流子注入分布的器件结构是解决此问题的一种途径。
(3)腔面解理及钝化处理
高功率半导体激光芯片最主要的失效模式是腔面光学灾变损伤(COMD)。COMD 来源于芯片高功率工作时解理腔面及附近区域的光吸收。表面光吸收是由解理表面悬挂键、表面氧化和表面污染所产生，而常规腔面解理在大气或低真空环境下进行，无法避免此问题。靠近解理表面区域的光吸收来自于带间吸收，芯片高功率工作时该区域温度增加，导致材料带隙降低，带间吸收增强，降低此类吸收的最有效途径是形成宽带隙(低吸收)的窗口结构。
通过对外延结构设计及材料生长，芯片结构设计及制备工艺，腔面解理及钝化处理的开发，苏州长光华芯光电技术股份有限公司(以下简称“长光华芯”)推出了28 W半导体激光芯片。芯片的功率提升主要来自芯片外延结构的优化设计和腔面特殊处理技术的提高。
半导体激光器的输出功率主要受到激光器阈值、斜率和高电流功率打弯等因素的影响。通常通过降低pn结的掺杂浓度来实现阈值的降低和斜率的提高，而过低的掺杂浓度会导致pn结电阻增加，芯片电压升高。
为解决阈值斜率与电压的优化平衡问题，长光华芯优化了非对称大光腔结构波导层厚度，精细设计了掺杂浓度在pn结不同区域的分布，达到了降低阈值，提高斜效率的同时电压基本保持不变的效果。高电流打弯主要源于高电流注入时内量子效率降低。
长光华芯优化了激光结构的增益区附近材料的能带结构，提高了pn结注入电子的限制能力，有效增强了高电流注入时的量子效率。在优化激光芯片功率的同时，长光华芯持续提高了腔面特殊处理过程的材料质量降低缺陷比例，提高腔面的抗光学灾变损伤的能力，保证28 W高功率激光芯片满足工业市场对激光器寿命的要求。
6、红外热像仪在光纤温度监测中的主要应用点
光纤熔接点质量监测
大功率光纤激光器制造过程中，光纤熔接点处会存在一定大小的光学不连续性和缺陷，而缺陷严重会引起光纤熔接点异常发热，进而造成激光器损坏或者发热点烧毁。因此光纤熔接点温度监测是光纤激光器制造过程中的一个重要环节，使用红外热像仪可实现光纤熔接点处的温度监测，从而判断被测光纤熔接点品质是否合格，提升产品质量。
LD泵浦源
单个LD芯片输出的激光功率是有限制的，泵浦将多个LD芯片封装在一起，实现输出功率提升。而泵浦的发热量很大，因此温度直接影响芯片输出的激光波长。使用红外热像仪对每一个泵浦做来料质检，退回不合格的泵浦，保证激光器的整机质量。
激光反射保护验证检测
光纤激光器很容易受到来自金属工件的背向反射激光的损坏。因此，高品质的光纤激光器需具备反射保护机制，并在出厂前模拟反向输入一定功率的激光，以确保品质。使用红外热像仪进行检测，激光反射保护验证准确可靠。
合束器
合束器的作用是将N路泵浦的激光合成1路激光，实现激光器的高功率输出。使用红外热像仪做出厂检测，可有效降低泵浦被退货的概率。
7、防长波激光热像仪
热像仪常用于激光切割等高能量加工过程中的温度监控。在一些应用中使用的二氧化碳激光器，其波长正好处于常规热像仪的感应区间，过高的能量(即使是从物体表面散射)将瞬间造成热像仪内的非制冷红外焦平面探测器不可逆转的损伤。防长波激光热像仪可针对特定波长进行屏蔽，安全用于存在二氧化碳激光器等高能量长波红外的加工场合。此外，短波热像仪不受长波红外损伤，可直接用于长波红外激光的高温加热过程监控。
文章来源： 激光制造网，艾睿光电，光电汇
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