High-density stack (HDS) laserdiodebehuizing

De HDS-serie is bedoeld voor quasi-continuous-wave-bedrijf en niet voor onbeperkt continuous-wave-gebruik. Typische werking is 170 A bij 1–2 V per bar, met een maximale pulsbreedte van 300 µs en een maximale duty cycle van 5% bij 25 °C. De timing van de driver moet er daarom voor zorgen dat de pulsbreedte vermenigvuldigd met de herhalingsfrequentie binnen de duty-cyclelimiet blijft, terwijl stroomovershoot wordt beheerst. Deze limieten laten zien dat de array is ontworpen voor een hoog piekvermogen van 400 tot 4.000 W, en niet voor een continue gemiddelde output. Een CW-toepassing of een toepassing met een hogere duty cycle vereist een afzonderlijk gedefinieerde package- en thermische bedrijfsenvelop, en kan niet worden afgeleid uit de QCW-specificaties.

De selectie moet beginnen bij het vereiste optische piekvermogen en de gewenste emissiegeometrie, waarbij het aantal bars als configuratievariabele wordt gebruikt. Het assortiment omvat 1–20 bars, 400–4.000 W piekuitgangsvermogen, bar-emissielengten van 3–10 mm en een bar-tot-barafstand van 150 µm. Deze waarden definiëren het beschikbare werkgebied, maar leggen geen vaste uitgangswaarde vast voor elke mogelijke combinatie van bar-aantal en golflengte. Een groter aantal bars heeft ook invloed op het elektrische en thermische ontwerp, omdat de spanning per bar is gespecificeerd en elke bar tijdens een puls warmte genereert. Daarom moeten het exacte aantal bars, het uitgangsvermogen, de golflengte, het packageplatform en de koelmethode worden vastgelegd voordat het driver-, optische of mechanische ontwerp wordt vrijgegeven.

De golflengte moet worden gekozen op basis van het optische proces, het versterkingsmedium, de detectorrespons en de toegestane tolerantie van het complete systeem. Standaardconfiguraties bestrijken 780–980 nm; daarnaast zijn aangepaste golflengten beschikbaar voor eindpompen van DPSSL-kristallen, LIDAR, LIBS, laserafstandsmeting en materiaalbewerking. Voor kristalpompen moet de gekozen golflengte samenvallen met de absorptieband die door het lasermedium wordt gebruikt; voor detectietoepassingen moeten de prestaties van bron, doel en detector in samenhang worden beoordeeld. Spectrale breedte, golflengtetolerantie en temperatuurcoëfficiënt zijn voor deze serie niet gespecificeerd. Deze parameters moeten voor de gekozen configuratie worden afgestemd voordat filters, coatings, detectoren of thermische regeling van het pompkristal definitief worden vastgelegd.

Koeling en mechanische integratie zijn afhankelijk van de gekozen HDS-packageconfiguratie. Er zijn conductief gekoelde configuraties beschikbaar en de stack kan ook worden toegepast op de platforms G, A, Cs, Derringer en Shooter, waarbij Shooter waterkoeling gebruikt. Een typische conversie-efficiëntie van 55% betekent dat thermisch ontwerp belangrijk blijft, ook al is de werking beperkt tot een duty cycle van 5%. In de assemblage worden hardsoldeer en materialen met een afgestemde uitzettingscoëfficiënt gebruikt om materiaalcompatibiliteit bij temperatuurveranderingen te ondersteunen. Voor het gekozen platform moeten het montagevlak, de elektrische aansluitingen, het koelpad en de toegestane interfacetemperatuur zijn vastgesteld voordat tekeningen van behuizing en koelplaat worden vrijgegeven.

De opgegeven bundeldivergentie is 33° × 6° bij full width at half maximum, waardoor de intrinsieke output sterk asymmetrisch is. Optiek voor bundelopvang en bundelvorming moet daarom afzonderlijk worden ontworpen voor de twee orthogonale assen, in plaats van de emitter als een cirkelvormige bron te behandelen. Het optische ontwerp moet ook rekening houden met een bar-emissielengte van 3–10 mm en een dichte barafstand van 150 µm in stacks met maximaal 20 bars. FWHM is niet de volledige hoekuitbreiding van de emissie, dus bij het dimensioneren van de opening moet een passende marge boven op de opgegeven divergentie worden aangehouden. De uiteindelijke optische keten moet worden gecontroleerd aan de hand van de gekozen barlengte, het aantal stacks en de werkafstand om clipping of een ongelijkmatige pompverdeling te voorkomen.

De driver moet QCW-pulsen met hoge stroom leveren, met gecontroleerde timing en een stabiel stroomplateau. De typische bedrijfsstroom is 170 A, terwijl de bedrijfsspanning 1–2 V per bar bedraagt voor configuraties met 1–20 bars. Omdat de spanning per bar is gespecificeerd, hangt de totale voedingsbehoefte af van de elektrische interconnectie die in het gekozen package wordt gebruikt en mag die niet alleen uit het aantal bars worden afgeleid. De pulsbreedte moet 300 µs of minder blijven en de duty cycle 5% of lager, waarbij het schakelgedrag zo wordt beheerst dat overshoot en ringing beperkt blijven. Packagespecifieke details van aansluitingen, inductantie, polariteit en interlockvereisten moeten worden bevestigd voordat de uitgangstrap van de driver en het energieopslagnetwerk definitief worden ontworpen.

De waarde van 55% moet worden beschouwd als een typische elektrisch-naar-optisch conversiewaarde bij 25 °C, en niet als een gegarandeerde efficiëntie voor elke golflengte, elk aantal bars of elke pulsconditie. Bij die efficiëntie wordt ongeveer 45% van de elektrische ingang niet omgezet in optische output en moet die dus in het thermische model worden meegenomen. Ter illustratie: 4.000 W optisch piekvermogen komt overeen met ongeveer 7,27 kW elektrische ingang en 3,27 kW niet-optisch piekvermogen als op dat werkpunt dezelfde efficiëntie geldt. De duty cycle verlaagt de gemiddelde warmteontwikkeling, maar neemt kortdurende temperatuurgradiënten binnen de stack niet weg. Voor de definitieve configuratie moeten koelcapaciteit, pulsherhalingsfrequentie en transiënt thermisch gedrag daarom in samenhang worden beoordeeld.