Зал игровой вулкан - жизнь по-полной. Ощутите себя счастливчиком вместе с plantaterr.ru.

Телефоны: +7 947 934 1488, +7 945 867 4910

Надежность работы QCW диодных сборок на 80x и 88x нм

 

Райан Feeler2, Джереми Junghans, Джозеф Леви, Дон Schnurbusch, и Эд Стивенс  Northrop Grumman Cutting Edge Optronics, 20 Вест-Пойнте, ул., Сент-Чарльз, штат Миссури США 63301                        

1. ВВЕДЕНИЕ

Твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSS лазеры) широко используются в  промышленности,  а также в научных и военных целях,  включающих абляцию, резку, сварку, дальнометрию, батиметрию, и многое другое. Каждое из этих приложений диктует специфические требования к DPSS лазеру, с большими вариациями в энергии импульса, его длительности, и качества луча.

Исторически высокоэнергетические импульсные DPSS лазеры были получены путем модуляции добротности лазерных сред, таких, как Nd: YAG стержень или слэб, которые накачиваются CW сборками лазерных диодов. Однако есть много преимуществ, которые могут быть получены с помощью накачной системы, которая использует квази-непрерывные (или QCW) сборки лазерных диодов. QCW диодные линейки могут работать при более высоких пиковых мощностях, чем CW линейки. Кроме того, несколько QCW линеек могут быть упакованы в том же объеме, что и одна линейка CW, в связи с низким средним тепловыделением каждой. работаюшей в QCW режиме. В совокупности эти факторы позволяют создавать компактные накачные сборки очень большой мощности при работе в QCW режиме.

Кроме того, QCW накачка может снизить тепловую нагрузку на средний коэффициент усиления лазера, который ведет к уменьшению эффектов тепловых линз и, следовательно, улучшения качества лазерного луча.

Основным недостатком QCW накачки в прошлом была короткой жизни сбороик лазерных сборок. Сегодня CWлазерные диодные сборки со временем жизни более 10000 часов легко доступны в отрасли. Это соответствует до 416 суток непрерывной работы и рассматривается как ориентир для надежности,  которому должны соответствовать или превышать все DPSS системы. QCW сборки, работающих на уровнях мощности, которые делают их привлекательными для лазерных дизайнеров (обычно 2-3x кратное превышение мощности их CW аналогов) издавна страдают от внезапных отказов линеек из-за катастрофического оптического повреждения выходного зеркала лазерного диода. Для того, чтобы QCW сборки были привлекательными для дизайнеров и проихзводителей лазерных систем деградация зеркал должна быть подавлена и жизни более чем 10000 часов должна быть доказана.

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics (NGCEO) разрабатывает и выпускает CW и QCW лазерные диодные линейки и сборки более десяти лет. Последние достижения в процессах корпусирования сборок  и производства линеек позволили NGCEO производить QCW сборки лазерных диодов со временем жизни даже большим, чем требуется промышленности.

 

2. МОЩНЫЕ QCW диодные сборки

Некоторые требования необходимо выполнить для того, чтобы иметь надежные QCW лазерные диодные сборки. Они могут быть разбиты на две основные категории - требования, относящиеся к собственно линейке, и требования, относящиеся к упаковке линеек в сборки. NGCEO потратило много времени и усилий, развивая передовые технологии в каждом направлении.

Некоторые из основных исторических ограничений времени жизни QCW сборок были процессы и материалы, используемые при корпусировании линеек. Исторически сложилось так, что нескольких местах в сборках использовались мягкие припои (например, индий). Сборки, построенные  с использованием мягких припоев склонны к отказам из-за индуцированной ползучести припоя. Достижения в в методологии упаковки позволило NGCEO создать новую линию продуктов Golden BulletTM.  Методоллогия включает использование эвтектического припоя  AuSn и подобранного по тепловому расширению радиатора пакета, который менее склонен к ползучести припоя и, следовательно, предлагает гораздо более высокую надежность и время жизни продукта.

Общее схема процесса сборки показана на рисунке 1.

 

        

Рис.1   Последовательность операций при пироизводстве мощных QCW сборок

Диодная линейка сначала припаивается  к CuW радиатору AuSn припоем, используя запатентованный процесс, специально разхработанный NG CEO для создания ненапряженной структуры  с малым "smile"  линеек. Эта структура называется Mounted Bar Assembly (MBA).

МВА может быть индивидуально проверена и отобрана по длине волны излучения на основе требований приложения. МВА затем спаиваются вместе и припаиваются к BeO плате и п-и р-контактам в процессе вторичной операции, в результате чего возникает пакет Golden Bullet.

Golden Bullet могут быть затем напаяны на радиаторы, как стандартных типов так и нестандартных по чертежам клиента.

Они подходят для использования в приложениях как с водяным, так и термоэлектрическим охлаждением.

Методика сборки Golden Bullet обсуждалась в предыдущей работе [1]. Как было показано, сборки Golden Bullet надежно работают во всем диапазоне температур окружающей среды, встречающемся на этой планете (от -40 ° С до + 70 ° С), а также была доказана  надежность их работы при криогенных температурах.

Пример сборки показан на рисунке 2.

Рисунок 2.  Сборка  G-типа с 9-ю QCW линейками,

Диодные линейки, используемые в мощных QCW сборках NGCEO, специально разработаны для работы в импульсном режиме. У них коэффициент заполнения составляет около 83% для распределения оптической мощности на большой площади выходной грани, чтобы свести к минимуму риск катастрофической деградации зеркал. Стандартная QCW линейка NGCEO имеет длину резонатора 1 мм.

3. Результаты ресурсных испытаний

3.1   80x нм

NGCEO ранее сообщало о состоянии своих стандартных 80x нм линеек и их надежности. Тогда усилия были сосредоточены на отработку корпусирования стандартных эпитаксиальных структур в упаковку Golden Bullet.

В последнее время NGCEO разработала новые эпитаксиальные структуры для дальнейшего увеличения мощности и надежности  этих устройств.

Новые эпитаксиальные структуры имеют ряд отличий по сравнению с предыдущими структурами, в частности, они имеют расширенный волновод  для уменьшения плотности э-м излучения на зеркалах и по всему резонатору.

Сравнение зависимостей мощности излучения от тока для QCW линеек, изготовленных из стандартных эпиструктур и из новых представлено на рисунке 3.  Линейки из стандартных эпитаксиальных структур имеют наклон эффективности  ~ 1,25 Вт /А (при малых токах) и пороговый ток ~ 15A. Наклон эффективности новых структур  почти идентичен, но пороговый ток увеличился до ~ 27A.

 

 

                             Рисунок 3. Зависимость мощности от тока  для старых и новых эпитаксиальных NGCEO структур.

Первый ресурсный тест, который NGCEO провел на новых структурах  был шаговый стресс-тест. Три QCW диодные линейки с новой эпитаксиальной структурой были собраны в одной упаковке Golden Bullet  и помещены на испытательный стенд станции NGCEO по измерению деградации. Амплитуда импульсного тока с течением времени увеличивалась ступенчато с 150A до 300A. Пошаговые тестовые данные, содержащиеся на рисунке 4. демонстрирует отличную функциональность вплоть  до 300A (около 300 Вт). Все данные были получены при частоте повторения импульсов 250 Гц и длительности импульсов 150 мкс с использованием NGCEO eDriveTM драйвера лазерных  диодов.

 

                            

 Рис. 4  Пошаговые ресурсные испытания QCW линеек на новых эпиструктурах.

Этих  данных недостаточно, чтобы делать заключения  об  ожидаемом времени жизни при данныхрабочих токах. Тем не менее, они показывают, что материал пригоден для низко-частотных приложений (таких как в дальномерах) до уровня мощности 300 Вт / бар. Во многих дальнометрических приложениях срок службы продукта находится в диапазоне 10-100 миллионов импульсов.  Вышеприведенный тест показывает, что новая структура может существовенно превзойти нужный ресурс с минимальной деградацией.Последующее испытание на  время жизни линеек было проведена с увеличением размера выборки для того, чтобы сравнить функциональность новых и стандартных эпитаксиальных структур.Параметры тестирования приведены в таблице 1.

Так как большинство применений QCW сборок включает несколько параллельно расположенных линеек с малым шагом (pitch) в целях обеспечения максимальной плотности мощности,  для ресурсных испытаний были выбраны Golden Bullet с 4 линейками. Поэтому данный ресурсный тест представляет собой хорошее приближение к возможному полю использования этих диодов  в жизни.

Таблица 1.   Условия ресурсных испытаний для сравнения традиционных и новых эпитаксиальных структур

Последние (по состоянию на январь 2011 года) результаты тестов на время хизни показаны на рисунке 5. Разница в функциональности между новыми и стандартными структурами поражает. Образцы построенные  из стандартной эпиструктуры в начале жизни излучают примерно на 15 Вт выше мощности на одну линейку в силу более низкого порогового тока. Выходная мощность оставалась относительно постоянной в течение первых 500 млн. импульсов, но с этого момента начиналась быстрая  деградация. После 1 млрд импульсов образцы, построенные из стандартных структур теряли около половины их первоначальной мощности. Если  использовать стандатное  определение времени жизни диодов как время 20% деградации, то эти устройства живут около 700 млн импульсов при 200А, с номинальной мощностью в начале жизни начало около 225 Вт.

Ранее было показано, что эти приборы живут около 15 млрд импульсов при токе 110А (номинальная мощность =125 Вт).

 

                       

Рисунок 5. Ресурсные испытания NGCEO новых и стандартных эпиструктур. Все данные получены при 200А, 250 Гц, 150 мкс.

Образцы, построенные из новых эпитаксиальных структур, гораздо лучше лучше выдержали ресурсные испытания. Они не обнаружили измеряемой деградации в течение первых 3 млрд импульсов. Как следствие, отсутствие статистически значимых прогнозов срока службы продукта может быть сделано в этой точке. Однако эти данные требуют примерно 140 дней непрерывной работы линеек в указанных условиях. Это достаточно безопасное предположение, что эти устройства будут выживать в течение одного года непрерывной работы, что соответствует одному из ключевых условий промышленной эксплуатации.

3.2    88x нм

NGCEO использовала аналогичные эпитаксиальные структуры в 88x материале в течение нескольких лет. Шесть Golden Bullet с одной QCW линейкой были подвергнуты рес урсным испытаниям при 250 Гц, 150 нас при различных токах. Полученные результаты представлены на рисунке 6.

Средняя скорость деградации при 200A составила около 0,25% / миллиард импульсов. Это соответствует ожидаемому времени жизни примерно 80 млрд импульсов, если время жизни определяется по 20% деградации. Хотя авторы не хотят экстраполировать в 10 раз количество накопленных импульсов, срок службы продукта в 20-30 миллиардов импульсов является довольно консервативной оценкой.

Аналогичные показатели деградация наблюдается и в других экспериментах, проведенных NGCEO на 88x материала.

                

Рисунок 6. Ресурсные испытания NGCEO 88x нм QCW линеек. Все данные получены при 250 Гц, 150 мкс.

4. ВЫВОДЫ

NGCEO разработала новую эпитаксиальную структуру, которая обеспечивает надежную работу QCW линеек мощностью до 300 Вт / линейку для 80x нм устройств. Недавние исследования не обнаруживают измеряемой деградации в течение первых трех миллиардов импульсов в режимах, типичных при накачке твердотельных Nd: YAG и Nd: YLF лазеров. Аналогичная структура была использована на 88x материале в течение нескольких лет. Ресурсный тест показывает деградацию примерно 0,25% / миллиарда импульсов при начальной мощности около 225 Вт.

Ссылки

[1] Feeler Р., Junghans Дж. Стивенс, Э., "Мощные QCW сборки для работы в широком диапазоне экстремальных температуры», Материалы SPIE Vol. 7198, 71981F (2009).

[2] Feeler Р., Junghans Дж. Remley Дж. Schnurbusch Д. Стивенс, E., "Надежность мощных QCW сборок " Proceedings of SPIE Vol. 7583, 758304 (2010).