Barres et réseaux de diodes laser

Choisissez le format de refroidissement en fonction de la dissipation thermique moyenne, de la qualité de l’eau disponible et des exigences de maintenance. Les boîtiers A et G utilisent un refroidissement par conduction, tandis que le H Package, Derringer et Shooter utilisent de l’eau filtrée non déionisée ; le MCS nécessite un circuit à microcanaux avec eau déionisée. Le refroidissement par conduction supprime les raccordements de fluide au niveau du réseau, mais exige toujours une plaque froide ou un dissipateur thermique correctement dimensionné, alors que le refroidissement liquide est plus adapté aux configurations multibarres denses. Avant de dimensionner le système thermique, estimez la chaleur à évacuer à partir de l’entrée électrique et du rendement de conversion typique de 47 à 55 %. Pour l’ARR291P1800, le débit minimal du liquide de refroidissement est de 0,5 gpm, soit 1,9 litre par minute, avec une perte de charge typique de 15 psi.

Le fonctionnement CW convient lorsqu’une émission optique continue est requise, tandis que le fonctionnement QCW fournit une puissance de crête plus élevée pendant des impulsions contrôlées. La gamme atteint jusqu’à 6 000 W en CW dans les configurations MCS et 14 400 W de crête en QCW dans le boîtier Shooter. Les limites en QCW doivent être évaluées conjointement à partir de la largeur d’impulsion, du taux de répétition et du cycle de service, et non de la seule puissance de crête ; la plupart des boîtiers sont spécifiés pour un cycle de service de 5 %, tandis que les formats H et MCS atteignent 25 %. Le pilote et le système de refroidissement doivent être conçus à la fois pour le courant électrique instantané et pour la charge thermique moyenne. Il convient donc de confirmer la plage de fonctionnement propre à chaque référence avant de sélectionner le pilote, le refroidisseur et l’électronique de commande des impulsions.

Le choix du boîtier dépend de la géométrie de pompage, de la longueur émissive, de l’intensité optique et de l’espace de montage disponible. Les réseaux Derringer, A, G et Shooter sont configurés pour une émission linéaire et peuvent être utilisés pour le pompage latéral de cristaux laser à solide, tandis que le High Density Stack peut convenir à des systèmes compacts de pompage terminal, de LIDAR, de LIBS et de télémétrie. Le H Package est destiné aux usages à diode directe, tels que le soudage des plastiques et l’épilation, avec des empilements verticaux pouvant aller jusqu’à 12 barres. Les réseaux MCS prennent en charge des conceptions à haute brillance et à forte puissance moyenne avec jusqu’à 60 barres. Une modélisation optique doit confirmer que le pas entre barres, la longueur d’émission et la configuration de lentilles sélectionnés correspondent bien à la géométrie du cristal, du guide de lumière ou de la pièce à traiter.

La longueur d’onde d’émission varie avec la température de jonction et celle du dissipateur thermique ; le contrôle thermique fait donc partie intégrante de la spécification de longueur d’onde. Les variantes ARR291P1800, ARR121C080 et ASM232P200 à 808 nm présentent un décalage de longueur d’onde spécifié d’environ 0,25 nm par °C. Une variation de température de 10 °C peut donc déplacer la longueur d’onde centrale d’environ 2,5 nm, ce qui est déterminant lorsque l’on travaille avec une bande d’absorption cristalline étroite ou une tolérance de diode de ±3 nm. Le point de consigne de refroidissement doit être défini en même temps que la longueur d’onde d’absorption cible, et non après l’intégration optique. Un fonctionnement en dessous du point de rosée ambiant nécessite également une atmosphère d’azote sec afin d’éviter la condensation autour de l’ensemble de diodes.

Le pilote doit être choisi en fonction du courant de fonctionnement, de la tension directe totale, du format d’impulsion et des conditions transitoires admissibles du réseau retenu. Les courants typiques au niveau des familles sont de 50 A pour les boîtiers CW et de 140 à 170 A pour les boîtiers QCW, tandis que l’exemple ASM232P200 fonctionne à 180 A et que le format MCS CW atteint 100 A. La tension est généralement de 1 à 2 V par barre, mais la configuration en série détermine le besoin total ; l’ARR291P1800 fonctionne à 24 V et l’ARR121C080 à 6,8 V. Des connexions à faible inductance ainsi que des temps contrôlés de montée et de descente du courant sont importants pour limiter les dépassements. Les dispositifs listés par référence n’autorisent ni courant inverse ni tension inverse ; le circuit du pilote doit donc intégrer des mesures de blocage et de protection appropriées.

La mise en forme du faisceau doit être choisie en fonction de l’ouverture numérique de l’optique réceptrice, de la géométrie de spot requise et des pertes optiques admissibles. La divergence typique non collimatée est de 33 × 6° pour les configurations QCW et de 37 × 7° pour les configurations CW, exprimée en FWHM. Les options avec lentille ramènent la valeur sur l’axe rapide à environ 1°, tandis que certaines configurations G Package et MCS peuvent fournir une collimation sur l’axe rapide égale ou inférieure à 0,25°. Une collimation sur l’axe lent peut également être ajoutée lorsque la géométrie de couplage l’exige. La conception optique doit tenir compte de la largeur totale de l’émetteur, du pas entre barres, des performances du revêtement en fonction de la longueur d’onde et des variations d’alignement dues aux tolérances mécaniques et thermiques.

Les réseaux identifiés par référence sont des composants laser de classe IV et nécessitent un environnement d’ingénierie contrôlé pendant les essais et l’intégration. Le système final doit comporter une enceinte adaptée, des interverrouillages, des arrêts de faisceau, des indicateurs d’avertissement et des lunettes de protection appropriées à la longueur d’onde pour les rayonnements directs et diffusés. Les limites de température de fonctionnement pour les ARR291P1800, ARR121C080 et ASM232P200 sont de -40 à +70 °C, avec un stockage de -40 à +85 °C. Il faut éviter toute condensation lorsque le dispositif ou le liquide de refroidissement fonctionne en dessous du point de rosée local, en prévoyant de l’azote sec si nécessaire. Les vérifications mécaniques, électriques, thermiques et de sécurité laser doivent être effectuées avant de mettre le réseau sous tension au courant nominal.

Considérez les valeurs de la gamme comme des limites de sélection et non comme des valeurs garanties pour chaque configuration commandable. La puissance optique exacte, la tolérance de longueur d’onde, la largeur spectrale, le nombre de barres, les conditions du liquide de refroidissement et l’encombrement mécanique dépendent du boîtier et de la référence sélectionnés. Par exemple, l’ARR291P1800 est un H Package QCW de 1 800 W à 808 nm avec 12 barres, tandis que l’ARR121C080 est un Derringer CW de 80 W à quatre barres à la même longueur d’onde nominale. Certaines fiches techniques plus anciennes indiquent également une disponibilité en longueurs d’onde plus large que la plage standard actuelle de 780 à 980 nm ; la disponibilité des longueurs d’onde ne doit donc pas être extrapolée d’un boîtier à l’autre. La spécification finale doit définir la température de fonctionnement, le profil d’impulsion, le cycle de service, le système de lentilles, le circuit de refroidissement et les conditions d’essai de réception.