Blog circa Array diodi laser ad alta potenza avanzano laser coerenti da 2 micron

Immaginate un preciso raggio laser che attraversa l'atmosfera terrestre dalla vastità dello spazio, rilevando sottili variazioni del campo eolico. Questa tecnologia apparentemente futuristica si basa su un componente critico: i array di diodi laser (LDA). Tuttavia, l'attuale tecnologia LDA affronta sfide significative in termini di affidabilità, durata e efficienza, in particolare quando serve come sorgente di pompaggio per laser a stato solido coerenti da 2 micron.

I array di diodi laser costituiscono il nucleo dei sistemi laser a stato solido pompati a diodi, le cui prestazioni determinano direttamente le capacità complessive del sistema. Come sorgenti di pompaggio, gli LDA forniscono energia ai mezzi laser a stato solido, generando fasci laser coerenti con elevata qualità spaziale e spettrale. La progettazione dei laser a stato solido e le caratteristiche dei materiali laser dettano la lunghezza d'onda operativa, la durata dell'impulso e i requisiti di potenza dei diodi laser.

Rispetto ai laser da 1 micron ampiamente utilizzati, i laser a stato solido da 2 micron ad alta energia d'impulso presentano sfide significativamente maggiori nei loro requisiti di pompaggio. Inoltre, applicazioni come il profilamento del vento globale basato sullo spazio e il rilevamento della turbolenza in aria limpida degli aeromobili richiedono affidabilità e durata ben superiori alle attuali capacità degli LDA.

Recenti progressi negli LDA quasi-continui ad alta potenza di picco d'impulso in package raffreddati a conduzione mostrano promesse per affrontare le sfide ingegneristiche negli strumenti lidar a stato solido. Tuttavia, nonostante questi sviluppi, gli LDA che soddisfano i requisiti dei lidar coerenti basati sullo spazio e aerotrasportati affrontano ancora problemi di durata e affidabilità.

I laser a stato solido da 2 micron a energia d'impulso medio-alta richiedono LDA quasi-CW ad alta potenza con durate d'impulso minime di 1 millisecondo a 792 nanometri. Questa durata d'impulso relativamente lunga contribuisce in modo significativo alla limitata durata del array, poiché sottopone le regioni attive dei diodi laser a temperature elevate e a severi cicli termici. Il ciclo termico nella regione attiva è considerato la causa principale del rapido degrado della potenza degli LDA, mentre l'eccessivo aumento di temperatura porta a un guasto prematuro.

L'estremo aumento di temperatura durante gli impulsi genera notevoli sollecitazioni all'interno delle singole barre emettitrici a causa del riscaldamento localizzato e di varie incompatibilità termiche tra barre, substrati e materiali di incollaggio. Sebbene un'attenta progettazione della testa laser possa mitigare il degrado termico migliorando la dissipazione del calore e operando i diodi ben al di sotto dei rating massimi, sono necessarie soluzioni più complete.

È stata sviluppata una piattaforma specializzata di caratterizzazione dei array di diodi laser (LDCF) per indagare a fondo le prestazioni degli LDA. La piattaforma è composta da due stazioni di misurazione chiave:

• Stazione di caratterizzazione dei diodi laser: Questa stazione acquisisce parametri fondamentali tra cui potenza, lunghezza d'onda, larghezza di banda e efficienza. Esegue inoltre misurazioni specializzate come la profilazione termica delle facce e dei package dei diodi laser, l'analisi della qualità del fascio in campo vicino e lontano e misurazioni spettrali ad alta risoluzione.
• Stazione di test di durata: Questa struttura automatizzata può misurare contemporaneamente otto LDA utilizzando strumentazione standardizzata per un'analisi comparativa accurata. Il sistema imposta automaticamente i parametri operativi, raccoglie e archivia i dati, segnala anomalie e genera avvisi quando necessario.

Per migliorare la durata e l'efficienza degli LDA, è stato sviluppato un package personalizzato che incorpora sei barre emettitrici da 100 W. Questo LDA sperimentale utilizza substrati e dissipatori di calore in diamante invece dei convenzionali substrati in BeO e dissipatori di calore in rame, migliorando significativamente la dissipazione del calore dalla regione attiva.

Le prestazioni termiche sono state valutate operando il array a una corrente costante di 80 A e una frequenza di ripetizione di 10 Hz, misurando la lunghezza d'onda di uscita e l'efficienza elettro-ottica in diverse larghezze d'impulso. L'analisi comparativa ha rivelato che il package a base di diamante ha dimostrato una minore resistenza termica, indicando una dissipazione del calore superiore che potrebbe estendere sostanzialmente la durata operativa.

I array di diodi laser ad alta potenza rimangono componenti critici per i laser coerenti a stato solido da 2 micron, le cui prestazioni influiscono direttamente sulle capacità complessive del sistema. La ricerca in corso si concentra sull'ottimizzazione dei design dei package, sul miglioramento dei materiali termici e sull'esplorazione di nuove strutture di diodi laser per soddisfare i requisiti esigenti delle applicazioni lidar avanzate.

Attraverso l'innovazione continua, i ricercatori mirano a superare le limitazioni attuali, consentendo la diffusione su larga scala dei laser coerenti a stato solido da 2 micron in applicazioni critiche, tra cui la mappatura del campo eolico basata sullo spazio e il monitoraggio atmosferico.