Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка лазерных диодов повышенной яркости и мощности со сверхширокой выходной апертурой для энергоэффективных систем накачки и обработки материалов

Докладчик: Максимов Михаил Викторович

Должность: ведущий научный сотрудник, доктор физ.-мат. наук

Цель проекта:
Проект направлен на решение проблемы уменьшения себестоимости единицы оптической мощности лазерных диодов для повышения рентабельности их использования в новых энергоэффективных поколениях лазерных систем промышленной обработки материалов. Целями проекта являются: 1. Разработка научно-технических основ новой платформенной технологии мощных лазерных диодов, обеспечивающей повышение их максимальной оптической мощности и яркости. 2. Обеспечение экспортного потенциала разрабатываемой платформенной технологии.

Основные планируемые результаты проекта:
Технологические прорывы, обеспечивающие преимущественное развитие малоэнергоемких отраслей промышленного производства связаны во многом с широким внедрением лазерных технологий. В настоящее время развитие лазерной техники определяется во многом прогрессом в области совершенствования устройств лазерной диодной накачки.
Ценовой фактор является основным, влияющим на применение мощных лазерных диодов. Один ватт снимаемой оптической мощности лазерного диода стоит более десяти долларов. Максимальная оптическая мощность, снимаемая с одиночного лазера, лежит в диапазоне 10-20 Вт в зависимости от длины волны излучения. Достаточно высокая себестоимость определяется технологиями изготовления как самих лазерных кристаллов, так и технологиями их монтажа и сборки лазерных модулей. Естественный путь снижения стоимости единицы оптической мощности и увеличения экономической привлекательности мощных лазерных диодов – это увеличение максимальной полезной оптической мощности лазерного диода. Себестоимость лазерного диода при этом должна увеличиваться незначительно. Существуют следующие подходы к увеличению максимальной полезной оптической мощности лазерного диода:
1. Улучшение отвода тепла от активной области лазерных диодов.
2. Уменьшение внутренних оптических потерь в лазерных диодах.
3. Защита лазерных зеркал от катастрофической оптической деградации за счёт нанесения диэлектрических покрытий и за счёт уменьшения плотности мощности излучения на зеркале.
4. Увеличение эффективности фокусировки лазерного пучка за счёт уменьшения его расходимости.
Наиболее перспективным считается подход, предусматривающий использование расширенного волновода, то есть, увеличение апертуры излучения. Это одновременно уменьшает расходимость лазерного пучка и уменьшает плотность мощности излучения на зеркале. Существующие в мировой практике научно-технические решения имеют недостатки, поэтому эффективно позволяют увеличить апертуру излучения только до 2-3 микрометров.
Предлагаемый в проекте подход основан на использовании новой конструкции волноводов, которая позволит расширить волновод лазерного диода (увеличить его апертуру) вплоть до 6 микрометров. При этом:
1. Уменьшена расходимость лазерного пучка вплоть до величин 15 град., что увеличивает эффективность фокусировки лазерного пучка. В стандартных конструкциях расходимость достигает 40 град.
2. Сохраняется лазерная генерация на основной оптической моде, что обеспечивает высокой качество лазерного пучка.
3. Минимизированы оптические потери.
4. Профиль оптической моды симметричен, что уменьшает оптические потери при фокусировке лазерного пучка.
5. Пропорционально расширению волновода уменьшена плотность оптической мощности на зеркале, что предотвращает катастрофическую оптическую деградацию зеркала.
6. По совокупности параметров в лазерных диодах, использующих данный подход можно ожидать увеличения максимальной оптической мощности на 15-20 процентов;
Анализ открытых источников научно-технической информации в России и за рубежом показывает, что подход предлагается впервые и является уникальным. Этим определяется его новизна.
Инновационный потенциал предлагаемого подхода определяется:
- Платформенным характером. Подход является универсальным и применим к диодным лазерам любого спектрального диапазона;
- Технологичностью. Подход может быть реализован с использованием существующих стандартных технологий, за счёт чего себестоимость изготовления лазерных диодов не возрастает.
Заявленные результаты будут получены в ходе комплексной теоретической и экспериментальной работы, включающей разработку теоретической модели лазерного диода с новым типом волновода, численное моделирования параметров волноводов, синтез лазерных структур, изготовление экспериментальных образцов и исследование мощностных параметров (предельные мощности излучения, эффективность преобразования ток-свет), пространственных параметры излучения (диаграмма направленности, яркость лазерного пучка), спектров излучения (ширина спектра, зависимость от тока накачки, от температуры). Запланированные работы будут проводиться с использованием компетенций зарубежного партнёра. Возможные риски минимизированы имеющимся опытом в предметной области у исполнителя проекта и привлекаемого зарубежного партнёра.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемое в проекте научно-техническое решение преимущественно ориентировано на сегмент мощных диодных лазеров или диодов накачки, который занимает порядка 8% от общего объема рынка лазерных диодов, но продолжает стремительно расти.
Ожидаемые научно-технические результаты ориентированы на существующие компании-производители мощных лазерных диодов и систем на их основе. Основными целевыми группами потребителей являются компании, работающие в области:
1. Накачки лазерных стержней и пластин мощных твердотельных лазеров, лазерных систем и технологических установок.
2. Накачки волоконных лазеров, в первую очередь для систем лазерной резки, маркировки и гравировки.
3. Систем лазерной обработки материалов (резка, упрочнение) с использованием прямого излучения диодных лазеров.
Основным конкурентным преимуществом лазерных диодов со сверхширокой апертурой является уменьшение более чем в 2 раза расходимости лазерного пучка, пропорциональное увеличение яркости, повышенная на 15-20% предельная мощность излучения, себестоимость изготовления, соответствующая стандартным решениям.
Возможным путём доведения полученных научно-технических результатов до потребителя является лицензирование созданных решений. Преимуществами такого подхода являются:
1. Отсутствие необходимости высокорискового привлечения существенных инвестиций для создания новой производственной базы.
2. Возможность адаптации найденных научно-технических решений в области мощных лазеров к нуждам конкретного потребителя.
3. Возможность лицензирования научно-технических решений на международной арене.

Текущие результаты проекта:
Разработана и теоретически обоснована конструкция волновода лазерного диода, позволяющая увеличить апертуру излучения и уменьшить расходимость лазерного пучка вплоть до величин, меньших 20 градусов. Выполнено численное моделирование конструкций волновода с использованием пакетов программ, учитывающих показатели преломления выбранных полупроводниковых материалов. Проведена оптимизация параметров лазерного волновода (толщина и состав слоёв) для получения необходимой апертуры излучения. Разработан дизайн полупроводниковых лазерных структур и оптимизирован технологический маршрут изготовления кристаллов лазерных диодов. Подготовлены материалы для подачи заявки на изобретение.