Laserdioden-Gehäuse für High-Density-Stacks (HDS)

Die HDS-Baureihe ist für den Quasi-Dauerstrichbetrieb ausgelegt und nicht für einen uneingeschränkten Dauerstrichbetrieb. Der typische Betriebspunkt liegt bei 170 A und 1–2 V pro Bar, mit einer maximalen Pulsbreite von 300 µs und einem maximalen Tastverhältnis von 5 % bei 25 °C. Das Timing des Treibers muss daher sicherstellen, dass das Produkt aus Pulsbreite und Wiederholrate innerhalb der Grenze für das Tastverhältnis bleibt und zugleich Stromüberschwinger beherrscht werden. Diese Grenzwerte zeigen, dass das Array für hohe Spitzenleistungen von 400 bis 4.000 W und nicht für eine kontinuierliche mittlere Ausgangsleistung ausgelegt ist. Anwendungen im CW-Betrieb oder mit höherem Tastverhältnis erfordern deshalb ein separat definiertes Package sowie einen eigenständig festgelegten thermischen Betriebsbereich, anstatt die QCW-Daten einfach hochzurechnen.

Die Auswahl sollte von der erforderlichen optischen Spitzenleistung und der Emissionsgeometrie ausgehen, wobei die Anzahl der Barren als Konfigurationsvariable dient. Die Baureihe umfasst 1–20 Barren, 400–4.000 W Spitzenleistung, Barren-Emissionslängen von 3–10 mm und einen Bar-zu-Bar-Abstand von 150 µm. Diese Angaben definieren den verfügbaren Betriebsbereich, legen jedoch keinen festen Ausgangswert für jede mögliche Kombination aus Barrenzahl und Wellenlänge fest. Eine höhere Barrenzahl beeinflusst außerdem das elektrische und thermische Design, da die Spannung pro Bar angegeben ist und jeder Bar während eines Pulses Wärme einbringt. Die genaue Barrenzahl, Ausgangsleistung, Wellenlänge, Package-Plattform und Kühlmethode sollten daher festgelegt werden, bevor das Treiber-, Optik- oder Mechanikdesign freigegeben wird.

Die Wellenlänge sollte auf den optischen Prozess, das Verstärkungsmedium, die Detektorantwort und die zulässigen Toleranzen des Gesamtsystems abgestimmt werden. Standardkonfigurationen decken 780–980 nm ab; kunden­spezifische Wellenlängen sind zudem für DPSSL-Kristall-Endpumpen, LIDAR, LIBS, Laserentfernungsmessung und Materialbearbeitung verfügbar. Beim Kristallpumpen muss die gewählte Wellenlänge mit dem vom Lasermedium genutzten Absorptionsband übereinstimmen; bei Sensoranwendungen müssen Quelle, Ziel und Detektorleistung gemeinsam betrachtet werden. Spektralbreite, Wellenlängentoleranz und Temperaturkoeffizient sind für diese Baureihe nicht definiert. Diese Parameter sollten für die gewählte Konfiguration abgestimmt werden, bevor Filter, Beschichtungen, Detektoren oder die thermische Regelung des Pumpkristalls finalisiert werden.

Kühlung und mechanische Integration hängen von der gewählten HDS-Package-Konfiguration ab. Konfigurationen mit leitungsgebundener Kühlung sind verfügbar, und der Stack kann auch auf den Plattformen G, A, Cs, Derringer und Shooter eingesetzt werden, wobei Shooter wassergekühlt ist. Eine typische Umwandlungseffizienz von 55 % bedeutet, dass das thermische Design trotz des auf 5 % begrenzten Tastverhältnisses weiterhin entscheidend ist. In der Baugruppe werden Hartlot und Materialien mit angepasstem Ausdehnungsverhalten eingesetzt, um die Materialverträglichkeit bei Temperaturschwankungen sicherzustellen. Montagefläche, elektrische Anschlüsse, Kühlpfad und zulässige Schnittstellentemperatur sollten für die gewählte Plattform geklärt sein, bevor Gehäuse- und Kühlplattenzeichnungen freigegeben werden.

Die angegebene Strahldivergenz beträgt 33° × 6° bei halber Maximalbreite, daher ist die natürliche Emission stark asymmetrisch. Sammel- und Strahlformungsoptiken müssen deshalb für die beiden orthogonalen Achsen getrennt ausgelegt werden, anstatt den Emitter als kreisförmige Quelle zu behandeln. Das optische Design muss außerdem eine Barren-Emissionslänge von 3–10 mm und einen dichten Bar-Abstand von 150 µm in Stacks mit bis zu 20 Barren berücksichtigen. FWHM beschreibt nicht die vollständige Winkelausdehnung der Emission, daher sollte die Aperturauslegung eine angemessene Reserve über die angegebene Divergenz hinaus vorsehen. Der endgültige optische Aufbau sollte anhand der gewählten Barrenlänge, Stack-Anzahl und Arbeitsdistanz geprüft werden, um Abschattungen oder eine ungleichmäßige Pumpverteilung zu vermeiden.

Der Treiber muss hochstromfähige QCW-Pulse mit präzisem Timing und stabilem Stromplateau liefern. Der typische Betriebsstrom beträgt 170 A, die Betriebsspannung liegt je nach Konfiguration mit 1–20 Barren bei 1–2 V pro Bar. Da die Spannung pro Bar angegeben ist, hängt der gesamte Versorgungsbedarf von der in dem gewählten Package verwendeten elektrischen Verschaltung ab und sollte nicht allein aus der Barrenzahl abgeleitet werden. Die Pulsbreite muss bei höchstens 300 µs und das Tastverhältnis bei höchstens 5 % bleiben; gleichzeitig muss das Schaltverhalten so ausgelegt sein, dass Überschwingen und Nachschwingen begrenzt werden. Package-spezifische Details zu Anschlüssen, Induktivität, Polarität und Interlock-Anforderungen sollten bestätigt werden, bevor die Ausgangsstufe des Treibers und das Energiespeichernetzwerk finalisiert werden.

Der Wert von 55 % sollte als typischer elektrisch-optischer Umwandlungswirkungsgrad bei 25 °C verstanden werden und nicht als garantierter Wirkungsgrad für jede Wellenlänge, Barrenzahl oder Pulsbedingung. Bei diesem Wirkungsgrad werden etwa 45 % der elektrischen Eingangsleistung nicht in optische Ausgangsleistung umgewandelt und müssen im thermischen Modell berücksichtigt werden. Zur Veranschaulichung: 4.000 W optische Spitzenleistung würden bei gleichem Wirkungsgrad an diesem Betriebspunkt etwa 7,27 kW elektrische Eingangsleistung und 3,27 kW nichtoptische Spitzenleistung entsprechen. Das Tastverhältnis reduziert die mittlere Wärmebelastung, beseitigt jedoch keine kurzzeitigen Temperaturgradienten innerhalb des Stacks. Kühlleistung, Pulswiederholrate und transientes thermisches Verhalten sollten daher für die endgültige Konfiguration gemeinsam bewertet werden.