Classification des piles de diodes laser haute puissance

Piles de diodes laser haute puissancesont des dispositifs composés de plusieurs diodes laser à haute puissance. Ils sont de petite taille et élevés en efficacité. Ils sont largement utilisés dans le traitement industriel (comme la coupe et le soudage), la chirurgie médicale, la recherche scientifique et la défense nationale. Leurs principaux avantages incluent: la taille compacte, la puissance évolutive jusqu'à la gamme multi-kW. De telles configurations sont généralement utilisées dans le pompage au laser à l'état solide, les applications énergétiques dirigées telles que l'épilation et le traitement des matériaux.

1. Classification par structure et formulaire d'emballage
① pile verticale
Pile verticale à une barre: il se compose d'une barre de diode unique et une puissance de sortie plus élevée est obtenue en empilant plusieurs barres dans le sens vertical. Chaque barre contient plusieurs puces de diodes laser, qui sont connectées électriquement en série ou en parallèle pour fournir une plus grande capacité de chargement de courant et une puissance de sortie plus élevée.
Pile verticale multi-bar: Afin d'augmenter davantage la puissance, plusieurs barres peuvent être empilées verticalement. Cette structure peut atteindre une densité de puissance très élevée dans un espace plus petit, mais elle présente également de plus grands défis de dissipation de la chaleur. Étant donné que plusieurs barres sont étroitement disposées, il devient difficile de mener et de dissiper la chaleur dans le sens vertical, et une technologie de dissipation de chaleur plus efficace est nécessaire pour assurer le fonctionnement stable de l'équipement.

Caractéristiques: La caractéristique principale de la structure d'empilement vertical est une densité de puissance élevée, qui peut générer une plus grande puissance laser dans un espace limité. Cependant, cette structure fait également face à de graves défis de dissipation de la chaleur, car à mesure que le nombre de couches d'empilement augmente, la résistance au transfert de chaleur dans la direction verticale augmente, ce qui peut facilement entraîner une surchauffe locale et affecter les performances et la durée de vie de la diode laser.
②RA
Arrangement linéaire et expansion bidimensionnelle: le réseau horizontal fait référence à la disposition des barres de diodes laser ou d'autres unités émettantes de lumière dans la direction horizontale pour former une structure de réseau linéaire ou bidimensionnelle. La disposition linéaire est la forme la plus élémentaire, et la puissance peut être augmentée en augmentant le nombre de barres; Alors que l'expansion bidimensionnelle est disposée à la fois dans des directions horizontales et verticales, élargissant davantage la zone émettrice de la lumière et la puissance de sortie.
Caractéristiques: Les avantages de la structure du réseau horizontal sont son optimisation d'uniformité et sa flexibilité de mise en forme des points. Étant donné que les unités émettrices de lumière sont réparties plus uniformément dans la direction horizontale, il est plus facile d'obtenir un contrôle d'uniformité et de stabilité du faisceau. De plus, en ajustant la disposition du tableau et la conception des éléments optiques, la forme et la taille du spot peuvent être modifiées de manière flexible pour répondre aux besoins de différents scénarios d'application.

Structure d'emballage hybride
Solution composite de conception verticale et horizontale combinée: Afin de répondre aux besoins de puissance supérieure et d'applications plus complexes, une structure d'emballage hybride combinant des conceptions verticales et horizontales est parfois utilisée. Cette structure conserve l'avantage de densité de puissance élevée de l'empilement vertical et a l'uniformité et la flexibilité de mise en forme des points du réseau horizontal. En concevant raisonnablement la proportion et la disposition des parties verticales et horizontales, le meilleur équilibre de puissance, l'efficacité et la qualité du faisceau peut être obtenu.
Case d'application: Le système de couplage des fibres est un cas d'application typique de la structure d'emballage hybride. Dans ce système, une pile de diodes laser empilée verticalement est utilisée comme source de lumière, et le laser généré est couplé dans la fibre optique via un dispositif de couplage optique. La fibre optique peut non seulement transmettre le laser, mais également forme et filtrer davantage le faisceau, améliorant ainsi la qualité et l'efficacité de la transmission du faisceau. Cette structure est largement utilisée dans le traitement des matériaux, les communications, les traitements médicaux et d'autres domaines, et a joué un rôle important dans la promotion du développement des industries connexes.

2. Classification par longueur d'onde et caractéristiques de sortie
① bande proche infrarouge (700–1100 nm) -755 nm \/ 808nm \/ 940nm \/ 1064nm
Applications typiques: Dans le domaine du traitement des matériaux, les piles de diodes laser dans cette bande peuvent être utilisées pour la coupe, le soudage et le traitement de surface des matériaux tels que les métaux et les plastiques. Sa longueur d'onde peut être bien absorbée par de nombreux matériaux, réalisant ainsi un traitement efficace. Par exemple, dans la fabrication d'automobiles, il est utilisé pour le soudage de feuilles de métal de carrosseries; Dans l'industrie de l'électronique, il est utilisé pour la coupe et le soudage des circuits imprimés. En termes de pompage au laser à l'état solide, il peut être utilisé comme source de pompe pour fournir de l'énergie aux lasers à l'état solide, comme pour pomper les lasers à l'état solide tels que ND: YAG. La lumière générée par la pile de diodes laser est couplée au milieu de gain du laser à l'état solide à travers une méthode de couplage appropriée pour améliorer la puissance de sortie et l'efficacité du laser à l'état solide.

② bande infrarouge moyenne (1,5–2 μm)
Application: En termes de détection de gaz, car de nombreuses molécules de gaz ont des pics d'absorption caractéristiques dans la bande infrarouge moyenne, les piles de diodes laser dans cette bande peuvent être utilisées pour détecter la présence et la concentration de gaz spécifiques, tels que la surveillance des gaz nocifs dans l'environnement et les composants du gaz dans les processus de production industrielle. Dans le domaine de la chirurgie médicale, il peut être utilisé pour des opérations telles que la coupe tissulaire et la coagulation. Les caractéristiques de pénétration et d'absorption de sa longueur d'onde pour les tissus biologiques lui donnent des avantages dans certains scénarios chirurgicaux spécifiques, tels que certaines chirurgies ophtalmiques et chirurgies des tissus mous.
③ bande lumineuse visible (400–700 nm)
Application: Dans le domaine de la technologie d'affichage, il peut être utilisé pour les dispositifs d'affichage laser, tels que les téléviseurs laser et les projecteurs laser, pour obtenir un affichage d'image de saturation haute résolution et en couleur en modulant les faisceaux laser de différentes couleurs. En imagerie biologique, il peut être utilisé pour l'imagerie cellulaire, l'imagerie tissulaire, etc., pour aider les biologistes à étudier la structure et la fonction des échantillons biologiques. En raison de la courte longueur d'onde de la lumière visible, il peut fournir une résolution spatiale plus élevée.
④ pile de longueur d'onde réglable
Technologie d'ajustement dynamique de longueur d'onde (comme la rétroaction externe du réseau): En adoptant des technologies telles que la rétroaction externe du réseau, la longueur d'onde laser peut être ajustée dynamiquement. Cette pile de longueur d'onde accordable a une plus grande flexibilité dans différents scénarios d'application. Par exemple, dans les expériences d'analyse spectrale, les lasers de différentes longueurs d'onde peuvent être sélectionnés avec précision pour exciter les échantillons au besoin pour obtenir des informations spectrales plus riches; Dans les systèmes de communication à longueur d'onde, il peut réaliser une commutation flexible et une allocation des longueurs d'onde, améliorant la capacité et les performances des systèmes de communication.

3. Classification par méthode de refroidissement
① refroidissement par microcanal
Principe et avantage d'efficacité: Le refroidissement par microcanal crée de minuscules canaux liquides près de la pile de diodes laser, permettant au liquide de refroidissement de circuler dans ces canaux pour enlever la chaleur. Cette méthode de refroidissement a des capacités d'échange de chaleur efficaces car les minuscules canaux peuvent augmenter la zone de contact entre le liquide de refroidissement et la source de chaleur, améliorant ainsi l'efficacité de dissipation thermique. Le liquide de refroidissement peut rapidement transférer la chaleur de la diode laser pendant le processus d'écoulement, en gardant la pile à un niveau de température inférieur et en assurant son fonctionnement stable.
Application de scène haute puissance industrielle: dans les scénarios d'industrie de l'application haute puissance, tels que la coupe laser haute puissance, le soudage et d'autres équipements de traitement, la pile de diodes laser générera beaucoup de chaleur. Le refroidissement du liquide au microcanal peut efficacement faire face à cette charge thermique élevée et assurer les performances et la fiabilité de l'équipement sous un fonctionnement à long terme à haute puissance. Par exemple, dans les grands ateliers de traitement des métaux, les piles de diodes laser utilisant le refroidissement liquide au microcanal peuvent fournir une source de lumière stable pour l'équipement de coupe laser à haute précision, assurant la qualité et l'efficacité de la coupe.

Froidagethermoélectrique (TEC)
Scénarios nécessitant un contrôle de température précis (comme les instruments de recherche scientifique): le refroidissement thermoélectrique utilise l'effet Peltier des matériaux semi-conducteurs. Lorsque le courant passe à travers une boucle composée de deux métaux ou semi-conducteurs différents, l'absorption de chaleur ou la libération de chaleur se produit au nœud. En contrôlant la direction et l'ampleur du courant, la pile de diodes laser peut être contrôlée avec précision. Cette méthode de refroidissement peut fournir un environnement de température très stable. Pour certains instruments de recherche scientifiques qui nécessitent une précision de température extrêmement élevée, tels que les spectromètres et les capteurs de haute précision, la pile de diodes laser refroidie par thermoélectrique peut garantir que les performances de l'instrument ne sont pas affectées par les fluctuations de température, améliorant ainsi la précision et la fiabilité de la mesure.
③Aid refroidissement et refroidissement de la convection naturelle
Applicabilité des dispositifs portables à faible puissance: Le refroidissement de l'air consiste à forcer le flux d'air à travers un ventilateur pour enlever la chaleur générée par la pile de diodes laser; Le refroidissement naturel de la convection repose sur la convection causée par la différence de température naturelle de l'air pour dissiper la chaleur. Ces deux méthodes de refroidissement ne nécessitent pas de systèmes de refroidissement et de liquide de refroidissement complexes et ont des structures simples et des coûts faibles. Pour les dispositifs portables à basse puissance, tels que les petits plaquettes laser et les projecteurs laser portables, le refroidissement par air et le refroidissement naturel de la convection peuvent répondre aux exigences de dissipation thermique tout en maintenant la portabilité et la simplicité de l'appareil. Ils peuvent se dissiper efficacement de la chaleur pendant le fonctionnement de l'appareil, empêchant la pile de diodes laser d'être endommagée par la surchauffe, sans placer trop de charge supplémentaire sur l'appareil.

4. Classification par puissance de sortie et mode de conduite
① pile laser onde continue (CW)
Range de puissance (cent watts à kilowatts):Les piles laser à ondes continues peuvent produire des lasers continus et stables, et leur plage de puissance peut s'étendre du niveau de cent Watt au niveau du kilowatt. Cette large gamme d'alimentation lui permet de répondre aux besoins de différents scénarios d'application. Par exemple, dans le traitement industriel, pour certaines tâches telles que la découpe de matériaux et le soudage qui nécessitent une puissance plus élevée mais pas des besoins en puissance extrêmement élevée, la pile laser à ondes continues de cent WATT peut être compétente; Alors que dans certaines expériences de production industrielle ou de recherche scientifique à grande échelle ayant des besoins élevés de puissance, une pile laser à ondes continues de niveau kilowatt est nécessaire pour fournir une énergie suffisante.
Exigences de stabilité à long terme:Étant donné que la pile laser à ondes continues doit produire en continu des lasers stables pendant une longue période, il a des exigences plus élevées pour sa stabilité à long terme. Dans le processus de production industrielle, l'équipement doit fonctionner longtemps. Si la puissance de sortie de la pile laser est instable, elle entraînera des fluctuations de la qualité de traitement et affectera la cohérence et le taux qualifié du produit. Dans le domaine de la recherche scientifique, tels que des expériences physiques à long terme ou une analyse chimique, la pile laser est également nécessaire pour maintenir une sortie stable pour assurer la précision et la fiabilité des données expérimentales. Afin de répondre aux exigences de la stabilité à long terme, une série de mesures est généralement requise pendant le processus de conception et de fabrication, comme l'optimisation du système de dissipation de chaleur, la sélection de matériaux de haute qualité et la réalisation d'emballages stricts.
② pile laser à impulsion
Pulse courte (niveau de nanoseconde) et impulsion ultra-terrasse (niveau picoseconde \/ fémtoseconde):La pile laser d'impulsion peut produire une sortie laser à impulsions courtes, qui peut être divisée en impulsion courte (niveau de nanoseconde) et impulsion ultra-terrible (niveau picoseconde \/ fémtoseconde) en fonction de la largeur d'impulsion. La largeur d'impulsion générée par la pile laser à impulsion courte est au niveau de la nanoseconde. Ce laser à impulsions a une puissance de pointe élevée et convient à certaines scènes avec des exigences élevées pour la précision et la vitesse de traitement, telles que la coupe de précision et le forage de certains matériaux métalliques. La largeur d'impulsion de la pile laser à impulsion ultra-terrasse atteint le niveau picoseconde ou même le niveau féminin. Il se caractérise par une zone extrêmement faible touchée par la chaleur et peut traiter les matériaux sans causer de dommages thermiques évidents. Par conséquent, il a des applications importantes dans les champs de traitement de précision tels que la fabrication de puces semi-conductrices et la coupe de verre.
Applications:Usinage de précision, lidar: dans l'usinage de précision, la haute précision et la densité d'énergie élevée des piles laser pulsées leur permettent d'obtenir une usinage fin de divers matériaux, tels que la fabrication de minuscules composants électroniques dans l'industrie électronique et le traitement des lentilles optiques dans le domaine optique. Dans le domaine du lidar, les piles laser pulsées sont utilisées comme sources d'émission pour détecter la distance et les informations de position de la cible en émettant des impulsions courtes ou des impulsions ultraffites de laser, puis en recevant le signal lumineux réfléchi. En raison des caractéristiques des lasers pulsés, la mesure de la distance de haute précision et la reconnaissance cible peuvent être obtenues, et ils sont largement utilisés dans la conduite autonome, l'aérospatiale et d'autres champs.

La classification des piles de diodes laser à haute puissance couvre la structure et l'emballage (empilement vertical, les tableaux horizontaux, l'emballage hybride), la longueur d'onde et les caractéristiques de sortie (proches de refroidissement infrarouge, d'infrarouge, de refroidissement thermoélectraire, de refroidissement et de convection industriel), de puissance de sortie et de puissance de production (Pulse), et d'application) Fabrication, biologie médicale, recherche scientifique et défense nationale). Lors de la sélection de la technologie, il est nécessaire de considérer de manière approfondie les besoins en puissance, la plage de longueurs d'onde, les conditions de dissipation de chaleur, l'environnement d'application et la rentabilité. Par exemple, le traitement industriel haute puissance accorde la priorité à des structures d'empilement vertical ou d'emballage hybride avec refroidissement liquide à microcanal; La chirurgie médicale de précision peut choisir des piles avec des bandes presque infrarouges ou infrarouges et un contrôle précis de la température; Dans le domaine de la recherche scientifique, des piles de longueur d'onde accordables ou spécifiques sont sélectionnées en fonction de besoins expérimentaux spécifiques, et combinés avec des modes de refroidissement et de conduite appropriés pour assurer un fonctionnement stable à long terme.

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