WHITEPAPER

Whitepaper OPSL-Vorteile Serie #4:
Höchste Zuverlässigkeit – große installierte Basis

Überblick

Der optisch gepumpte Halbleiterlaser (OPSL) ist eine einzigartige, patentierte Technologie, die im Vergleich zu anderen Festkörperlasern mit kontinuierlicher Welle (CW) eine höhere Zuverlässigkeit und Langlebigkeit bietet. Zusammen mit anderen Vorteilen von OPSL wird diese Zuverlässigkeit durch eine installierte Basis von mehr als 100.000 Lasern in verschiedenen und anspruchsvollen Anwendungen von Biowissenschaften bis hin zu Lichtshows bestätigt.

Whitepapers zu OPSL-Vorteilen in dieser Serie:

#1. Wellenlängenflexibilität
#2. Unveränderliche Strahleigenschaften
#3. Kein Modenrauschen („grünes Rauschen”)
#4. Überlegene Zuverlässigkeit – riesige installierte Basis

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Unerreichte Zuverlässigkeit im sichtbaren und UV-Bereich

Anwendungen für sichtbare und ultraviolette Dauerstrichlaser (CW-Laser) wurden in den letzten 50 Jahren durch verschiedene Technologien unterstützt. Zuerst gab es den Ionenlaser, dann den lampengepumpten Festkörperlaser, den diodengepumpten Festkörperlaser (DPSS), Laserdiodenmodule und jetzt die OPSL-Technologie. Als führender Laserhersteller hat Coherent zahlreiche erfolgreiche Produkte entwickelt, die all diese verschiedenen Technologien nutzen. Dies gibt uns eine einzigartige Perspektive, um die Leistung und die Vorteile jedes Typs objektiv zu vergleichen und unsere unübertroffene Felderfahrung einzubringen. Von all diesen Lasertypen haben sich OPSLs als einer der zuverlässigsten erwiesen und zeichnen sich durch eine sehr lange Lebensdauer aus – siehe Abbildung 1. Unsere OBIS- und Saphir-Produktlinien mit geringem Stromverbrauch haben zum Beispiel einen nachgewiesenen B5-Wert von 20.000 Stunden. Diese beeindruckende Zahl bedeutet, dass 95 % dieser Laser auch nach 20.000 Betriebsstunden noch die spezifizierte Leistung erbringen. Keine andere sichtbare oder ultraviolette CW-Lasertechnologie kann diese Statistik übertreffen.

Die Kombination aus hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer ist ein Schlüsselfaktor für den Markterfolg von OPSLs, sowohl bei Endverbrauchern als auch bei OEMs. Diese Marktakzeptanz und dieser Erfolg werden durch fast 100.000 OPSLs belegt, die inzwischen im Einsatz sind, mit Leistungen von Milliwatt bis zu mehreren Watt. In so unterschiedlichen Anwendungen wie biowissenschaftlichen Instrumenten, Halbleiterinspektion und spektakulären Lichtshows im Freien haben sich die OPSLs von Coherent als erste Wahl für sichtbare und ultraviolette CW-Laser etabliert. Darüber hinaus entwerfen viele OEMs in den Biowissenschaften jetzt ihre dritte und vierte Generation von Instrumenten, die alle Coherent-OPSLs verwenden.

Figure 1

Abbildung 1: Laufende Lebensdauertests mit 32 zufälligen (Coherent Saphir) OPSLs, die die für diese Technologie typische extrem lange Lebensdauerstatistik zeigen.

Reliable De-Rated Pump Diodes

A laser is only as reliable and dependable as its components. A key active component in an OPSL is the pump diode that performs the initial electrical power to optical power conversion. The OPSL utilizes a near infrared InGaAs gain chip. One of the advantages of this arrangement is that this gain chip is optimally pumped by 808 nm light. This enables the use of gallium arsenide (GaAs) based pump diodes. GaAs diodes represent some of the most mature semiconductor laser technology with an incredible longevity track record in telecom and data storage.

Coherent is a vertically integrated laser manufacturer, where we design, fabricate, assemble and test all critical components and sub-assemblies in house. As such, we have always been at the forefront of 808 nm diode development, pioneering many of the innovations that have pushed lifetimes to tens of thousands of hours. Some of these well-documented advances have included the development of aluminum-free active area in the diodes themselves (called AAA Technology), and packaging technologies such as the first use of hard solder. Moreover, the acquisition of the DILAS team has brought even more packaging expertise to Coherent.

 

Figure 2

Abbildung 2: Coherent hat die Lebensdauer von 808-nm-Dioden mit der Einführung unserer AAA™-Technologie erhöht. Diese typischen Lebensdauertestdaten wurden bei einer Betriebstemperatur von 25 ºC aufgezeichnet und lassen sich auf eine Lebensdauer von >50.000 Stunden hochrechnen. Diese Dioden sind Schlüsselkomponenten in unseren OPSLs.

Unlike many other laser diode types, the 808 nm pump diodes used in our OPSLs can produce high power densities at room temperature. This eliminates the need for costly and complex cooling components, and eliminates these cooling systems as possible failure mechanisms. Of course, laser diode emission wavelength changes with temperature. But the absorption bandwidth of the gain chip is very broad, unlike the narrow absorption peaks of crystals used in a DPSS laser. There is thus no requirement to precisely maintain the pump diode wavelength and hence temperature. This eliminates another possible mechanism for long-term performance degradation.

In addition, the pump diodes in Coherent OPSLs are always operated at de-rated power levels with significant headroom. This is a major factor in the long lifetime of these pump diodes and allows the drive current to be safely increased to offset any natural minor long-term aging of the pump lasers.

 

Zuverlässiges, stabiles Verstärkungsmedium

Der Halbleiter-Verstärkungschip ist eine weitere kritische Komponente, die es nur beim OPSL gibt. Die Verstärkungsscheibe ist eigentlich ein optisch gepumpter Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator (VCSEL), um ihm seinen vollen Namen zu geben. Dieser monolithische III-V-Halbleiterchip enthält Schichten aus ternären Quantentöpfen (InGaAs), die sich mit binären (GaAs) Schichten abwechseln. Die Hauptvorteile der VCSEL-Architektur ergeben sich daraus, dass der Ausgang senkrecht zum aktiven Übergang emittiert wird, d. h. über die große Fläche des Bauelements und nicht über eine schmale asymmetrische Randfacette. Das Ergebnis ist ein kreisförmiger und symmetrischer Ausgangsstrahl mit großem Durchmesser. Dies führt zu einer viel geringeren optischen Leistungsdichte an der Ausgangsfacette als bei typischen Kantenarchitekturen, wie sie in sichtbaren Dioden verwendet werden. Dies ist ein wichtiger Unterschied zwischen OPSLs und sichtbaren Laserdioden, der eine einfache Leistungsskalierung bei OPSLs ermöglicht und Schäden an der Facettenleistung als Ausfallmechanismus ausschließt. Da die Beschädigung von Facetten immer noch einer der wichtigsten Ausfallmechanismen bei einigen sichtbaren Dioden ist, ist die Vermeidung einer hohen Facettenintensität einer der Gründe dafür, dass sichtbare und ultraviolette OPSLs eine längere Lebensdauer haben als ihre direkten Dioden-Gegenstücke. Da es sich bei dem Verstärkungsmedium um einen großflächigen Halbleiter handelt, kommt es nicht zur Bildung von Farbkerndefekten, wie sie bei vielen Kristallen in diodengepumpten Festkörperlasern (DPSS) auftreten.

Die beiden kritischen aktiven Komponenten in einem OPSL – die Pumpdioden und der Verstärkerchip – bieten daher beide das klare Potenzial für eine viel bessere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, hat Coherent mehrere wichtige Design-Innovationen eingesetzt, die aus unserer über fünfzigjährigen Erfahrung als Lieferant von Lasern für OEMs, industrielle Prozesse und wissenschaftliche Anwendungen stammen.

 

Monolithische Konstruktion und PermAlign-Technologie

Ein Hauptgrund, warum die Leistung vieler älterer Laser mit der Zeit nachlässt, ist der Verlust der Ausrichtung der Kavität. Wiederholte natürliche thermische Zyklen und die langfristigen Auswirkungen von Umgebungsvibrationen und Handhabungsschocks können dazu führen, dass sich die Optik der Laserkavität verschiebt. Dies kann zumindest dazu führen, dass die Qualität der Moden beeinträchtigt wird, z. B. wenn ein TEM00-Laser zu einem Multi-Mode-Ausgangsstrahl degradiert. Es kann auch zu einer Leistungsverschlechterung führen und im schlimmsten Fall kann dies das Lasern ganz verhindern. In der Vergangenheit wurden solche Verschiebungen durch den Endbenutzer oder den Servicetechniker korrigiert, indem er die Optik(en) wieder in die richtige Ausrichtung brachte. Laserhersteller wie Coherent haben schon vor langer Zeit erkannt, dass dies bei modernen Anwendungen keine praktikable oder akzeptable Lösung ist, insbesondere wenn der Laser in einem OEM-Gerät verbaut ist. Wir verwenden zwei unserer bewährten Lösungen in unseren OPSLs, um Fehlausrichtungen als Fehlerursache auszuschließen.

Figure 3

Abbildung 3: Coherent produziert OPSLs in einem breiten Leistungsbereich, von den winzigen OBIS Core-Lasern für Instrumentierungs-OEMs im Milliwatt-Bereich bis hin zur Genesis-Serie mit mehreren Watt.

Coherent produziert OPSLs über einen breiten Bereich von Ausgangsleistungen – Abbildung 3. Bei unseren kleineren OPSLs wie den Saphir- und OBIS-Lasern ist die Laserkavität auf einer kleinen Keramikplatte montiert. Außerdem machen unsere OPSLs ausgiebig Gebrauch von unseren einzigartigen und patentierten PermAlign™-Halterungen. Die meisten einstellbaren optomechanischen Montierungen verfügen über Einstellschrauben und eine oder mehrere Feststellschrauben, die versuchen, die endgültigen Einstellungen zu fixieren. Aber selbst bei qualitativ hochwertigen Halterungen dieser Art kann ihre Ausrichtung im Laufe der Zeit durch Umgebungsvibrationen und/oder mechanische Stöße sowie durch thermische Einflüsse aufgrund der Verwendung verschiedener Metalle verrutschen. Im Gegensatz dazu sind PermAlign™-Fassungen einteilige Metallfassungen, an denen die Optik dauerhaft verlötet ist. Die Form der Metallhalterung selbst wird dann feinfühlig an die endgültige Ausrichtung angepasst, während die Strahlausrichtung und die Laserleistung überwacht werden. Es gibt also keine Teile, die sich in einer solchen Halterung bewegen oder verrutschen können.

 

Andere praktische Überlegungen

Unsere langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Lasern haben wir genutzt, um zwei weitere potenzielle Quellen für Leistungseinbußen oder Ausfälle bei unseren OPSLs zu beseitigen: die Erwärmung des Verstärkungsmediums und die Verschmutzung der optischen Oberflächen. Insbesondere haben wir ein effektives Kühlsystem implementiert, um die Temperatur im OPSL-Verstärkungschip direkt zu senken. Dieses Kühlsystem basiert auf einer neuen, proprietären Montagetechnik, bei der der Chip direkt auf einem Kühlkörper befestigt wird. Dies ist einer der Schlüsselfaktoren, die für die lange Lebensdauer dieser OPS-Laser verantwortlich sind. Eine effiziente Kühlung des Verstärkerchips hat den zusätzlichen Vorteil, dass eine höhere Leistung aus einer gegebenen Gerätegröße extrahiert werden kann.

Darüber hinaus haben wir den Einsatz von HALT (Highly Accelerated Life Testing) bei der Produktentwicklung und HASS (Highly Accelerated Stress Screening) bei der Produktherstellung eingeführt. Das Konzept von HALT ist eine Antwort auf die Frage: „Wie kann man die Zuverlässigkeit eines Produktdesigns maximieren, ohne Hunderte von Einheiten zu bauen und Zehntausende von Stunden zu testen?” Während der Entwicklung werden technische Geräte weit über ihre normalen Betriebsbedingungen hinaus belastet (typischerweise durch Temperatur, mechanische Stöße/Vibrationen, Antriebsstrom/Leistung oder eine Kombination dieser Parameter), was zu Ausfällen führt. Diese Fehlermodi werden dann analysiert und aus dem Produkt „herauskonstruiert”. Die Eliminierung der Fehlermodi unter extremen Bedingungen stellt sicher, dass dieselben Fehlermodi unter normalen Betriebsbedingungen keine Auswirkungen haben können. HASS hingegen verwendet ähnliche, aber weniger extreme Bedingungen (die immer noch außerhalb des Standardbetriebs liegen), um Material- oder Verarbeitungsfehler zu ermitteln. Eine Kombination aus HALT und/oder HASS wird technologie- und produktübergreifend eingesetzt, um ein zuverlässiges Produktdesign und die Auslieferung langlebiger Produkte zu gewährleisten.

Schließlich ist die Erhaltung makelloser optischer Oberflächen in einem Laser ein scheinbar banaler, aber absolut entscheidender Faktor für eine lange Lebensdauer des Lasers. Der Grund dafür ist, dass sich auf diesen optischen Oberflächen Mikroverunreinigungen ansammeln können, die letztlich zu Absorption, Leistungsverlusten des Lasers und manchmal sogar zu einer Beschädigung der Optik führen. Für OPSLs haben wir die strengen Lösungen übernommen, die in unseren industriellen Ultrafastlasern verwendet werden, um einen kontaminationsfreien versiegelten Hohlraum zu bauen und zu erhalten. Dies bedeutet insbesondere eine sorgfältige Auswahl der Materialien, einschließlich einer minimalen Verwendung von Nicht-Metallen. Die einzigen organischen Stoffe, die wir heute in der Kavität verwenden, sind Materialien, die die Ingenieure von Coherent bereits umfassend auf Ausgasung und Kompatibilität mit der Laseroptik getestet und qualifiziert haben. Darüber hinaus hat die Erfahrung mit langlebigen industriellen UV-Lasern gezeigt, dass unsere Werksreinigungsprotokolle für die mechanischen und optischen Komponenten gleichermaßen wichtig sind. Selbst Spuren von Verunreinigungen, wie z. B. Öl oder Schmiermittel, können schließlich von Metallteilen auf die optischen Oberflächen übergehen und eine Reinigung oder einen Austausch der Optik erforderlich machen. Wir verfügen über bewährte Methoden, um alle Spuren dieser Materialien zu entfernen.

 

Summary

To summarize, OPSL technology is inherently robust and can deliver long lifetimes with reliable performance. At Coherent, we have used our unmatched experience in diverse laser technology to develop practical OPSLs that fully deliver on this intrinsic potential. With nearly 100,000 of our OPSLs now successfully operating in the field, the market has confirmed that these are the most reliable lasers we’ve ever produced.

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