Clasificación de pilas de diodos láser de alta potencia

Pilas de diodos láser de alta potenciason dispositivos compuestos por múltiples diodos láser de alta potencia. Son de tamaño pequeño y de alta eficiencia. Se utilizan ampliamente en el procesamiento industrial (como corte y soldadura), cirugía médica, investigación científica y defensa nacional. Sus principales ventajas incluyen: tamaño compacto, potencia escalable hasta el rango de múltiples kW. Dichas configuraciones generalmente se emplean en el bombeo láser de estado sólido, aplicaciones de energía dirigida, como la depilación y el procesamiento de materiales.

1. Clasificación por estructura y formulario de embalaje
① Pila vertical
Pila vertical de una sola barra: consiste en una sola barra de diodo, y se logra una mayor potencia de salida apilando múltiples barras en la dirección vertical. Cada barra contiene múltiples chips de diodo láser, que están conectados eléctricamente en serie o en paralelo para proporcionar una mayor capacidad de carga de corriente y una mayor potencia de salida.
Pila vertical de múltiples barras: para aumentar aún más la potencia, se pueden apilar múltiples barras verticalmente. Esta estructura puede lograr una densidad de potencia muy alta en un espacio más pequeño, pero también trae mayores desafíos de disipación de calor. Debido a que múltiples barras están estrechas, se vuelve difícil conducir y disipar el calor en la dirección vertical, y se requiere una tecnología de disipación de calor más eficiente para garantizar el funcionamiento estable del equipo.

Características: La característica principal de la estructura de apilamiento vertical es la alta densidad de potencia, que puede generar mayor potencia láser en un espacio limitado. Sin embargo, esta estructura también enfrenta desafíos severos de disipación de calor, porque a medida que aumenta el número de capas de apilamiento, la resistencia de transferencia de calor en la dirección vertical aumenta, lo que puede conducir fácilmente a un sobrecalentamiento local y afectar el rendimiento y la vida del diodo láser.
②
Disposición lineal y expansión bidimensional: la matriz horizontal se refiere a la disposición de barras de diodo láser u otras unidades emisoras de luz en la dirección horizontal para formar una estructura de matriz lineal o bidimensional. La disposición lineal es la forma más básica, y la potencia se puede aumentar aumentando el número de barras; Mientras que la expansión bidimensional se organiza en direcciones horizontales y verticales, ampliando aún más el área emisora ​​de luz y la potencia de salida.
Características: Las ventajas de la estructura de la matriz horizontal son su optimización de uniformidad y su flexibilidad de configuración de manchas. Dado que las unidades emisoras de luz se distribuyen más uniformemente en la dirección horizontal, es más fácil lograr un control de uniformidad y estabilidad del haz. Además, ajustando el diseño de la matriz y el diseño de los elementos ópticos, la forma y el tamaño del punto pueden cambiarse de manera flexible para satisfacer las necesidades de diferentes escenarios de aplicación.

③ Estructura de embalaje híbrido
Solución compuesta de diseño vertical y horizontal combinada: para satisfacer las necesidades de mayor potencia y aplicaciones más complejas, a veces se usa una estructura de envasado híbrido que combina diseños verticales y horizontales. Esta estructura conserva la ventaja de alta densidad de potencia del apilamiento vertical y tiene la uniformidad y la flexibilidad de configuración de manchas de la matriz horizontal. Al diseñar razonablemente la proporción y el diseño de las partes verticales y horizontales, se puede lograr el mejor equilibrio de potencia, eficiencia y calidad del haz.
Caso de aplicación: el sistema de acoplamiento de fibra es un caso de aplicación típico de la estructura de envasado híbrido. En este sistema, se usa una pila de diodos láser apilada verticalmente como fuente de luz, y el láser generado se acopla en la fibra óptica a través de un dispositivo de acoplamiento óptico. La fibra óptica no solo puede transmitir el láser, sino también más forma y filtrar el haz, mejorando así la calidad del haz y la eficiencia de la transmisión. Esta estructura se usa ampliamente en el procesamiento de materiales, las comunicaciones, el tratamiento médico y otros campos, y ha jugado un papel importante en la promoción del desarrollo de industrias relacionadas.

2. Clasificación por longitud de onda y características de salida
① Banda de infrarrojo cercano (700–1100 nm) -755 nm\/ 808nm\/ 940nm\/ 1064 nm pilas de diodos láser
Aplicaciones típicas: en el campo del procesamiento de materiales, las pilas de diodos láser en esta banda se pueden usar para el tratamiento de la soldadura, la soldadura y la superficie de materiales como metales y plásticos. Su longitud de onda puede ser bien absorbida por muchos materiales, logrando así un procesamiento eficiente. Por ejemplo, en la fabricación de automóviles, se utiliza para soldar hojas de metal de cuerpos de automóviles; En la industria electrónica, se utiliza para cortar y soldar por las placas de circuito. En términos de bombeo láser de estado sólido, se puede usar como fuente de bomba para proporcionar energía para láseres de estado sólido, como el bombeo láseres de estado sólido como ND: YAG. La luz generada por la pila de diodos láser se acopla al medio de ganancia del láser de estado sólido a través de un método de acoplamiento adecuado para mejorar la potencia de salida y la eficiencia del láser de estado sólido.

② Banda de infrarrojo medio (1.5–2 μm)
Aplicación: En términos de detección de gases, dado que muchas moléculas de gas tienen picos de absorción característicos en la banda de infrarrojo medio, las pilas de diodos láser en esta banda se pueden usar para detectar la presencia y concentración de gases específicos, como monitorear gases nocivos en los componentes del medio ambiente y el gas en los procesos de producción industrial. En el campo de la cirugía médica, se puede utilizar para operaciones como corte de tejido y coagulación. Las características de penetración y absorción de su longitud de onda para los tejidos biológicos le dan ventajas en algunos escenarios quirúrgicos específicos, como ciertas cirugías oftálmicas y cirugías de tejidos blandos.
③ Banda de luz visible (400–700 nm)
Aplicación: en el campo de la tecnología de visualización, se puede utilizar para dispositivos de visualización láser, como televisores láser y proyectores láser, para lograr una pantalla de imagen de saturación de alta resolución y alto color modulando vigas láser de diferentes colores. En imágenes biológicas, se puede utilizar para imágenes celulares, imágenes de tejidos, etc., para ayudar a los biólogos a estudiar la estructura y la función de las muestras biológicas. Debido a la corta longitud de onda de la luz visible, puede proporcionar una mayor resolución espacial.
④ pila de longitud de onda sintonizable
Tecnología de ajuste dinámico de longitud de onda (como la retroalimentación de rejilla externa): al adoptar tecnologías como la retroalimentación de rejilla externa, la longitud de onda del láser se puede ajustar dinámicamente. Esta pila de longitud de onda sintonizable tiene una mayor flexibilidad en diferentes escenarios de aplicación. Por ejemplo, en los experimentos de análisis espectral, los láseres de diferentes longitudes de onda se pueden seleccionar con precisión para excitar las muestras según sea necesario para obtener información espectral más rica; En los sistemas de comunicación de longitud de onda múltiple, puede lograr un cambio y asignación flexibles de longitudes de onda, mejorando la capacidad y el rendimiento de los sistemas de comunicación.

3. Clasificación por método de enfriamiento
① Enfriamiento de microcanal
Principio y ventaja de eficiencia: el enfriamiento de microcanal crea pequeños canales líquidos cerca de la pila de diodos láser, lo que permite que el refrigerante circule en estos canales para llevar el calor. Este método de enfriamiento tiene capacidades eficientes de intercambio de calor porque los pequeños canales pueden aumentar el área de contacto entre el refrigerante y la fuente de calor, mejorando así la eficiencia de disipación de calor. El refrigerante puede transferir rápidamente el calor del diodo láser durante el proceso de flujo, manteniendo la pila a un nivel de temperatura más bajo y asegurando su operación estable.
Aplicación de la escena de alta potencia industrial: en escenarios de aplicación de alta potencia industrial, como el corte con láser de alta potencia, soldadura y otros equipos de procesamiento, la pila de diodos láser generará mucho calor. El enfriamiento por líquido de microcanal puede hacer frente efectivamente a esta alta carga de calor y garantizar el rendimiento y la confiabilidad del equipo en una operación de alta potencia a largo plazo. Por ejemplo, en los grandes talleres de procesamiento de metales, las pilas de diodos láser que utilizan enfriamiento de líquido de microcanal pueden proporcionar una fuente de luz estable para equipos de corte láser de alta precisión, garantizando la calidad y eficiencia de corte.

② Enfriamiento termoeléctrico (TEC)
Escenarios que requieren un control preciso de la temperatura (como instrumentos de investigación científica): el enfriamiento termoeléctrico utiliza el efecto más lento de los materiales semiconductores. Cuando la corriente pasa a través de un bucle compuesto por dos metales o semiconductores diferentes, la absorción de calor o la liberación de calor se producen en el nodo. Al controlar la dirección y la magnitud de la corriente, la pila de diodos láser se puede controlar con precisión. Este método de enfriamiento puede proporcionar un entorno de temperatura muy estable. Para algunos instrumentos de investigación científica que requieren una precisión de la temperatura extremadamente alta, como los espectrómetros y los sensores de alta precisión, la pila de diodos láser refrigerado termoeléctrico puede garantizar que el rendimiento del instrumento no se vea afectado por las fluctuaciones de temperatura, mejorando así la precisión y la confiabilidad de la medición.
③Sair enfriamiento y enfriamiento de convección natural
Aplicabilidad de dispositivos portátiles de baja potencia: el enfriamiento del aire es forzar el flujo de aire a través de un ventilador para quitar el calor generado por la pila de diodos láser; El enfriamiento de la convección natural se basa en la convección causada por la diferencia de temperatura natural del aire para disipar el calor. Estos dos métodos de enfriamiento no requieren sistemas y refrigerantes complejos, y tienen estructuras simples y bajos costos. Para dispositivos portátiles de baja potencia, como los telémetros láser pequeños y los proyectores láser portátiles, el enfriamiento del aire y el enfriamiento de convección natural pueden cumplir con los requisitos de disipación de calor mientras se mantiene la portabilidad y simplicidad del dispositivo. Pueden disipar efectivamente el calor durante la operación del dispositivo, evitando que la pila de diodos láser se dañe mediante sobrecalentamiento, sin colocar demasiada carga adicional en el dispositivo.

4. Clasificación por potencia de salida y modo de conducción
① pila láser de onda continua (CW)
Rango de potencia (cien vatios a kilovatios):Las pilas de láser de olas continuas pueden generar láseres continuos y estables, y su rango de potencia puede extenderse desde el nivel de cien vatios hasta el nivel de kilovatio. Esta amplia gama de potencia le permite satisfacer las necesidades de diferentes escenarios de aplicación. Por ejemplo, en el procesamiento industrial, para algunas tareas, como el corte de materiales y la soldadura, que requieren una mayor potencia pero no requisitos de potencia extremadamente altos, cien vatios pueden ser competentes; Mientras que en algunos experimentos de producción industrial o investigación científica a gran escala con altos requisitos de potencia, se requiere una pila de láser de onda continua de nivel kilovatio para proporcionar suficiente energía.
Requisitos de estabilidad a largo plazo:Dado que la pila de láser de onda continua necesita generar láseres estables continuamente durante mucho tiempo, tiene mayores requisitos para su estabilidad a largo plazo. En el proceso de producción industrial, el equipo debe funcionar durante mucho tiempo. Si la potencia de salida de la pila de láser es inestable, causará fluctuaciones en la calidad del procesamiento y afectará la consistencia y la tasa calificada del producto. En el campo de la investigación científica, como los experimentos físicos a largo plazo o el análisis químico, también se requiere que la pila de láser mantenga un resultado estable para garantizar la precisión y confiabilidad de los datos experimentales. Para cumplir con los requisitos de estabilidad a largo plazo, generalmente se requieren una serie de medidas durante el proceso de diseño y fabricación, como optimizar el sistema de disipación de calor, seleccionar materiales de alta calidad y realizar envases estrictos.
② Pulse láser pila
Pulso corto (nivel de nanosegundos) y pulso de ultrashort (nivel de picosegundos\/femtosegundos):La pila de láser de pulso puede producir una salida de láser de pulso corto, que se puede dividir en pulso corto (nivel de nanosegundos) y pulso de ultrashort (nivel de picosegundos\/femtosegundos) de acuerdo con el ancho del pulso. El ancho de pulso generado por la pila de láser de pulso corto está a nivel de nanosegundos. Este láser de pulso tiene una alta potencia máxima y es adecuada para algunas escenas con altos requisitos para el procesamiento de precisión y velocidad, como el corte de precisión y la perforación de ciertos materiales metálicos. El ancho de pulso de la pila de láser de pulso Ultrashort alcanza el nivel de picosegundos o incluso de femtosegundos. Se caracteriza por una zona extremadamente baja afectada por el calor y puede procesar materiales sin causar daño térmico obvio. Por lo tanto, tiene aplicaciones importantes en los campos de procesamiento de precisión, como la fabricación de chips de semiconductores y el corte de vidrio.
Aplicaciones:Mecanizado de precisión, LiDAR: en el mecanizado de precisión, la alta precisión y la alta densidad de energía de las pilas láser pulsadas les permiten lograr el mecanizado fino de varios materiales, como la fabricación de pequeños componentes electrónicos en la industria electrónica y procesar lentes ópticas en el campo óptico. En el campo de LiDAR, las pilas láser pulsadas se utilizan como fuentes de emisión para detectar la información de distancia y posición del objetivo emitiendo pulsos cortos o pulsos de láser y luego recibiendo la señal de luz reflejada. Debido a las características de los láseres pulsados, se pueden lograr medición de distancia de alta precisión y reconocimiento objetivo, y se usan ampliamente en conducción autónoma, aeroespacial y otros campos.

La clasificación de las pilas de diodos láser de alta potencia cubre la estructura y el embalaje (apilamiento vertical, matrices horizontales, envasado híbrido), características de longitud de onda y salida (infrarrojo cercano, infrarrojo medio, luz visible, sintonizable), métodos de enfriamiento (Modo de enfriamiento de microchannel, pulsación de termoeléctrica, enfriamiento de aire de aire natural), mode de potencia de conducción continua (pulsación de pulsación de microchannel). Escenarios (fabricación industrial, biología médica, investigación científica y defensa nacional). Al seleccionar la tecnología, es necesario considerar de manera integral los requisitos de energía, el rango de longitud de onda, las condiciones de disipación de calor, el entorno de aplicación y la rentabilidad. Por ejemplo, el procesamiento industrial de alta potencia da prioridad al apilamiento vertical o las estructuras de envasado híbrido con enfriamiento de líquido de microcanal; La cirugía médica de precisión puede elegir pilas con bandas de infrarrojo cercano o mediano y control de temperatura preciso; En el campo de la investigación científica, las pilas de longitud de onda sintonizables o específicas se seleccionan de acuerdo con las necesidades experimentales específicas y se combinan con modos de enfriamiento y conducción apropiados para garantizar una operación estable a largo plazo.

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