Boîtier de diode laser à empilement haute densité (HDS)

La gamme HDS est conçue pour un fonctionnement en quasi-onde continue, et non pour une utilisation en onde continue sans restriction. Le fonctionnement type est de 170 A à 1–2 V par barre, avec une largeur d’impulsion maximale de 300 µs et un cycle de service maximal de 5 % à 25 °C. Le pilotage doit donc maintenir le produit de la largeur d’impulsion par la fréquence de répétition dans la limite du cycle de service, tout en maîtrisant les dépassements de courant. Ces limites montrent que le réseau est conçu pour fournir une puissance de crête élevée de 400 à 4 000 W, et non une puissance moyenne continue. Une application en CW ou à cycle de service plus élevé nécessite un boîtier et une enveloppe thermique définis séparément, et ne peut pas être déduite par extrapolation des spécifications QCW.

La sélection doit commencer par la puissance optique de crête requise et la géométrie d’émission, le nombre de barres étant utilisé comme variable de configuration. La gamme couvre 1 à 20 barres, une puissance de sortie de crête de 400 à 4 000 W, des longueurs d’émission de barre de 3 à 10 mm et un pas inter-barres de 150 µm. Ces valeurs définissent l’enveloppe de fonctionnement disponible, mais n’établissent pas une valeur de sortie fixe pour chaque combinaison possible de nombre de barres et de longueur d’onde. L’augmentation du nombre de barres a également un impact sur la conception électrique et thermique, car la tension est indiquée par barre et chaque barre génère de la chaleur pendant une impulsion. Le nombre exact de barres, la puissance de sortie, la longueur d’onde, la plateforme de boîtier et la méthode de refroidissement doivent donc être définis avant de valider la conception du driver, de l’optique ou de la mécanique.

La longueur d’onde doit être choisie en fonction du procédé optique, du milieu amplificateur, de la réponse du détecteur et de la tolérance admissible de l’ensemble du système. Les configurations standard couvrent 780–980 nm, et des longueurs d’onde personnalisées sont également disponibles pour le pompage en bout de cristal DPSSL, le LIDAR, le LIBS, la télémétrie laser et le traitement des matériaux. Pour le pompage de cristal, la longueur d’onde choisie doit coïncider avec la bande d’absorption utilisée par le milieu laser ; pour les applications de détection, les performances de la source, de la cible et du détecteur doivent être considérées conjointement. La largeur spectrale, la tolérance en longueur d’onde et le coefficient de température ne sont pas définis pour cette gamme. Ces paramètres doivent être convenus pour la configuration sélectionnée avant de finaliser les filtres, revêtements, détecteurs ou la régulation thermique du cristal de pompage.

Le refroidissement et l’intégration mécanique dépendent de la configuration de boîtier HDS retenue. Des configurations à refroidissement par conduction sont disponibles, et l’empilement peut également être mis en œuvre sur les plateformes G, A, Cs, Derringer et Shooter, Shooter utilisant un refroidissement par eau. Un rendement de conversion typique de 55 % signifie que la conception thermique reste essentielle, même si le fonctionnement est limité à un cycle de service de 5 %. De la brasure forte et des matériaux à coefficient de dilatation adapté sont utilisés dans l’assemblage afin de préserver la compatibilité des matériaux lors des variations de température. La face de montage, les bornes électriques, le circuit de refroidissement et la température d’interface admissible doivent être définis pour la plateforme choisie avant la diffusion des plans du boîtier et de la plaque froide.

La divergence du faisceau indiquée est de 33° × 6° à mi-hauteur (FWHM), ce qui signifie que l’émission native est fortement asymétrique. Les optiques de collecte et de mise en forme du faisceau doivent donc être conçues séparément pour les deux axes orthogonaux, plutôt que de considérer l’émetteur comme une source circulaire. La conception optique doit également prendre en compte une longueur d’émission de barre de 3 à 10 mm et un pas dense de 150 µm entre barres dans des empilements pouvant contenir jusqu’à 20 barres. La FWHM ne représente pas l’étendue angulaire totale de l’émission ; le dimensionnement de l’ouverture doit donc prévoir une marge appropriée au-delà de la divergence indiquée. Le train optique final doit être vérifié en fonction de la longueur de barre sélectionnée, du nombre d’empilements et de la distance de travail afin d’éviter tout écrêtage ou une répartition inégale du pompage.

Le driver doit fournir des impulsions QCW à courant élevé avec une temporisation maîtrisée et un plateau de courant stable. Le courant de fonctionnement typique est de 170 A, tandis que la tension de fonctionnement est de 1–2 V par barre pour les configurations comportant de 1 à 20 barres. La tension étant spécifiée par barre, l’alimentation totale requise dépend de l’interconnexion électrique utilisée dans le boîtier sélectionné et ne doit pas être déduite du seul nombre de barres. La largeur d’impulsion doit rester inférieure ou égale à 300 µs et le cycle de service inférieur ou égal à 5 %, avec un comportement de commutation maîtrisé afin de limiter les dépassements et les oscillations. Les détails des bornes propres au boîtier, l’inductance, la polarité et les exigences d’interverrouillage doivent être confirmés avant de finaliser l’étage de sortie du driver et le réseau de stockage d’énergie.

La valeur de 55 % doit être considérée comme un rendement de conversion électrique-optique typique à 25 °C, et non comme un rendement garanti pour chaque longueur d’onde, nombre de barres ou condition d’impulsion. À ce rendement, environ 45 % de l’énergie électrique d’entrée n’est pas convertie en puissance optique et doit être prise en compte dans le modèle thermique. À titre d’exemple, une puissance optique de crête de 4 000 W correspondrait à environ 7,27 kW de puissance électrique d’entrée et 3,27 kW de puissance de crête non optique si le même rendement s’appliquait à ce point de fonctionnement. Le cycle de service réduit la chaleur moyenne, mais n’élimine pas les gradients de température de courte durée au sein de l’empilement. La capacité de refroidissement, la fréquence de répétition des impulsions et le comportement thermique transitoire doivent donc être évalués ensemble pour la configuration finale.