【儀表網 儀表產業】光纖激光器具有光束質量好、能量密度高、電光轉換效率高、散熱性好、結構緊湊、免維護、柔性傳輸等優點，已成為激光技術發展主流方向和應用主力軍。光纖激光器的整體電-光效率為30%~35%，大部分能量以熱能形式耗散掉，因此激光器工作過程中的溫度控制直接決定激光器的品質和使用壽命。常規的接觸式測溫方式會破壞激光器本體的結構，而單點式非接觸測溫方式又無法準確捕獲光纖溫度。
使用紅外熱像儀檢測整段光纖，尤其是光纖熔接點溫度，可強有力的保障光纖產品的研發與品控。
本文介紹激光加工與激光器研發中的紅外解決方案，包括光束質量分析、光纖激光器溫度檢測、熱像儀、激光焊接和打標等過程。
1、激光光束分析
MAGRay激光光束分析儀系列可對可見、近紅外、短波紅外、中波紅外、長波紅外和遠紅外的各種波長光束進行成像和分析，測量光斑尺寸、二維/三維能量分布、發散角、橢圓度、光束指向穩定性、束腰位置和大小，以及光束質量因子M2等。
MAGRay具有高動態范圍，兼容連續和脈沖激光器，遠場和近場光斑均可測量，可實時監控光束的連續變化，每秒最高可輸出100幅圖像數據。MAGRay提供高靈敏度和高量程兩種規格，高靈敏度規格可測最小功率為0.04mW/cm2，高量程規格可測最大功率為400W/cm2。
MAGRay配置專業版應用程序和數據分析軟件，可進行對比度調節、細節增強、多種調色板選擇、光束變化錄像和回放、線強度分析等，也可直接導出Excel數據，便于研究者自主分析和制作圖表。
蘇黎世聯邦理工學院的Jerome Faist教授是1994年首臺量子級聯激光器(QCL)的發明者，其研究小組將MAGRay用于新一代激光器的前沿研究，下圖是測得的表面垂直發射長波紅外QCL激光器的光束能量分布。
2、光纖激光器溫度檢測
光纖激光器溫度監控
在光纖激光器中，光纖可能吸收激光能量使得溫度升高，加速光纖老化，降低激光器的可靠性和使用壽命。在使用過程中用熱像儀檢測整段光纖和組件的溫度分布，尤其是光纖熔接點和連接處溫度，可及時發現異常。
發表于2020年第69期《物理學報》的“530 W全光纖結構連續摻銩光纖激光器”采用巨哥科技的熱像儀觀察摻Tm3+光纖的溫度，在最高輸出功率達到530 W時，其最高溫度超過60C，但沒有出現明顯的放大自發輻射和非線性效應, 輸出功率僅受限于抽運功率, 驗證了國產摻Tm3+石英光纖在高功率系統中的可靠性。
3、激光焊接
用于熔覆和激光金屬沉積加工的閉環激光功率控制系統需要對激光加熱的熔池形貌和溫度進行實時測量和反饋。采用巨哥科技MAG系列高溫型在線式熱像儀，使用圖像處理算法對熔池寬度和中心點等位置進行識別，實時控制激光的位置和功率，可有效提高焊接質量。
F6科學級熱像儀可提供0~2500C的全量程溫度監控，清晰展現加熱焊接全過程的溫度細節；支持最高100Hz的數據率，可記錄快速溫度變化過程；提供溫度數據流錄制，可選擇慢速回放，重現完整細節。
在高能激光環境下，常規熱像儀自身容易受激光加熱效應影響產生測溫誤差，F6科學級熱像儀可用于波長小于2μm的高能激光環境并保持測溫準確度。需要注意的是，大于7μm的長波二氧化碳激光器會對熱像儀造成不可逆的損傷，用戶需提前申明以便提供激光安全的產品。
焊接熔池監控
常規熱像儀的感應范圍是7.5~14um的長波紅外。由于激光焊接的光學系統包含石英玻璃等材料，長波紅外無法穿透，因此熱像儀需在側面安裝，無遮擋地觀測焊接表面。為使整套監控和控制系統高度集成，并使激光和相機的坐標精確對準，提高加工精度，理想設計是采用激光光束和監控相機同軸的光學系統。巨哥科技的短波紅外熱像儀提供0.9~2.5um波段的測溫，可以穿透石英玻璃，因此可與激光光學系統同軸集成。
4、激光高速打標
激光打標在很多行業具有廣泛應用，打標時材料表面溫度升高，熱像儀可用于實時監控打標質量。在產線上為提高效率，通常在目標快速行進的過程中完成打標。常規熱像儀因響應時間較長，觀測運動目標時會發生圖像的拖尾，影響識別效果。巨哥科技的高速熱像儀可有效防止圖像拖尾，在目標快速運動時仍能清晰分辨熱分布細節。
5、近紅外高功率半導體激光芯片
高功率半導體激光芯片是以光纖、固態及直接半導體激光為代表的當代高能激光器中最核心的光源。激光芯片的功率、亮度、可靠性作為核心指標，直接影響了激光器系統的性能與成本。
半導體激光器芯片的主要結構包括提供激光增益介質的外延發光層、向外延發光層注入載流子的電極和形成諧振腔的解理腔面。芯片的研制過程包括外延結構設計及材料生長、芯片結構設計及制備工藝、腔面解理鈍化處理及光學鍍膜、芯片封裝測試、芯片壽命可靠性及性能分析等步驟，其中直接影響核心指標的三個關鍵技術為外延結構設計及材料生長、芯片結構設計及制備工藝、腔面解理及鈍化處理。
(1)外延結構設計及材料生長
外延結構設計及材料生長涉及激光器的增益和抽運，直接影響芯片電光效率，其主要因素為異質結和體材料電壓虧損、載流子泄露損耗和光吸收損耗。
根據半導體材料的能帶分析，異質結電壓主要來自限制層與襯底和波導層的界面，通過界面漸變和高摻雜優化有效降低了芯片的異質結電壓。體材料電阻可以通過調整材料組分提高載流子遷移率和提高摻雜濃度實現。降低載流子泄露損耗需要足夠的載流子限制勢壘，尤其是p面電子勢壘。因此體材料電阻降低和載流子限制作用提高需要綜合考慮以優化材料組分。
光吸收損耗通常可以采用非對稱超大光腔波導結構設計實現，在總波導層厚度不變的情況下，減少p面波導層厚度，增加n面波導層厚度，使光場的主要部分分布在低吸收低電阻的n面，減小光場與高吸收的p面的交疊，降低體材料電壓，減小光吸收損耗。同時結合漸變的摻雜分布設計，實現體材料電壓虧損和光吸收損耗的同時優化。
900 nm波段的激光芯片通常采用InGaAs量子阱作為增益材料，采用具有高應變量的AlInGaAs量子阱來提高增益，但AlInGaAs量子阱作為四元材料對材料生長控制要求更嚴苛。需優化氣氛比、生長溫度速率，以提高量子阱體缺陷成核能，從而降低量子阱的缺陷密度，生長出高質量的高應變量子阱。
(2)芯片結構設計及制備工藝
在高功率模式下工作時，芯片的側向高階模強度增加，導致發散角陡增、亮度降低。文獻報道中普遍采用波導邊緣的吸收和散射來降低高階模強度，但也會對低階模造成額外的吸收損耗，降低總光功率。另外，在高功率工作時，芯片的光場強度在縱向分布不均勻，而常規結構芯片的電流注入產生的載流子濃度在縱向分布是均勻的，因此光場強度和載流子濃度分布不能匹配，這將產生縱向空間燒孔效應，導致功率飽和。調整載流子注入分布的器件結構是解決此問題的一種途徑。
(3)腔面解理及鈍化處理
高功率半導體激光芯片最主要的失效模式是腔面光學災變損傷(COMD)。COMD 來源于芯片高功率工作時解理腔面及附近區域的光吸收。表面光吸收是由解理表面懸掛鍵、表面氧化和表面污染所產生，而常規腔面解理在大氣或低真空環境下進行，無法避免此問題。靠近解理表面區域的光吸收來自于帶間吸收，芯片高功率工作時該區域溫度增加，導致材料帶隙降低，帶間吸收增強，降低此類吸收的最有效途徑是形成寬帶隙(低吸收)的窗口結構。
通過對外延結構設計及材料生長，芯片結構設計及制備工藝，腔面解理及鈍化處理的開發，蘇州長光華芯光電技術股份有限公司(以下簡稱“長光華芯”)推出了28 W半導體激光芯片。芯片的功率提升主要來自芯片外延結構的優化設計和腔面特殊處理技術的提高。
半導體激光器的輸出功率主要受到激光器閾值、斜率和高電流功率打彎等因素的影響。通常通過降低pn結的摻雜濃度來實現閾值的降低和斜率的提高，而過低的摻雜濃度會導致pn結電阻增加，芯片電壓升高。
為解決閾值斜率與電壓的優化平衡問題，長光華芯優化了非對稱大光腔結構波導層厚度，精細設計了摻雜濃度在pn結不同區域的分布，達到了降低閾值，提高斜效率的同時電壓基本保持不變的效果。高電流打彎主要源于高電流注入時內量子效率降低。
長光華芯優化了激光結構的增益區附近材料的能帶結構，提高了pn結注入電子的限制能力，有效增強了高電流注入時的量子效率。在優化激光芯片功率的同時，長光華芯持續提高了腔面特殊處理過程的材料質量降低缺陷比例，提高腔面的抗光學災變損傷的能力，保證28 W高功率激光芯片滿足工業市場對激光器壽命的要求。
6、紅外熱像儀在光纖溫度監測中的主要應用點
光纖熔接點質量監測
大功率光纖激光器制造過程中，光纖熔接點處會存在一定大小的光學不連續性和缺陷，而缺陷嚴重會引起光纖熔接點異常發熱，進而造成激光器損壞或者發熱點燒毀。因此光纖熔接點溫度監測是光纖激光器制造過程中的一個重要環節，使用紅外熱像儀可實現光纖熔接點處的溫度監測，從而判斷被測光纖熔接點品質是否合格，提升產品質量。
LD泵浦源
單個LD芯片輸出的激光功率是有限制的，泵浦將多個LD芯片封裝在一起，實現輸出功率提升。而泵浦的發熱量很大，因此溫度直接影響芯片輸出的激光波長。使用紅外熱像儀對每一個泵浦做來料質檢，退回不合格的泵浦，保證激光器的整機質量。
激光反射保護驗證檢測
光纖激光器很容易受到來自金屬工件的背向反射激光的損壞。因此，高品質的光纖激光器需具備反射保護機制，并在出廠前模擬反向輸入一定功率的激光，以確保品質。使用紅外熱像儀進行檢測，激光反射保護驗證準確可靠。
合束器
合束器的作用是將N路泵浦的激光合成1路激光，實現激光器的高功率輸出。使用紅外熱像儀做出廠檢測，可有效降低泵浦被退貨的概率。
7、防長波激光熱像儀
熱像儀常用于激光切割等高能量加工過程中的溫度監控。在一些應用中使用的二氧化碳激光器，其波長正好處于常規熱像儀的感應區間，過高的能量(即使是從物體表面散射)將瞬間造成熱像儀內的非制冷紅外焦平面探測器不可逆轉的損傷。防長波激光熱像儀可針對特定波長進行屏蔽，安全用于存在二氧化碳激光器等高能量長波紅外的加工場合。此外，短波熱像儀不受長波紅外損傷，可直接用于長波紅外激光的高溫加熱過程監控。
文章來源： 激光制造網，艾睿光電，光電匯
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