백서

OPSL 이점 관련 백서 시리즈 #4:
탁월한 신뢰성 – 대규모 설치 기반

개요

광여기 반도체 레이저(OPSL)는 다른 연속 발진(CW) 고체 레이저에 비해 뛰어난 신뢰성과 수명을 제공하는 고유한 특허 기술입니다. 이러한 신뢰성은 OPSL의 나머지 이점들과 함께 생명과학에서 레이저 조명 쇼에 이르기까지 다양하고 까다로운 응용 분야에서 10만 개가 넘는 레이저 설치 기반으로 확인되었습니다.

이 시리즈의 OPSL 이점 관련 백서:

#1. 파장 유연성
#2. 불변 빔 속성
#3. 모드 노이즈 없음("그린 노이즈")
#4. 탁월한 신뢰성 - 대규모 설치 기반

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타의 추종을 불허하는 가시성 및 UV 신뢰성

연속 발진(CW) 가시광선 및 자외선 레이저의 응용 분야는 지난 50년 동안 다양한 기술에 의해 지원되었습니다. 처음에는 이온 레이저가 있었고 그다음에는 램프 펌핑 고체(LPSS), 다이오드 펌핑 고체(DPSS), 레이저 다이오드 모듈 등이 개발되었으며 현재는 OPSL 기술이 사용되고 있습니다. Coherent는 레이저 제조업계를 선도하는 업체로서 이러한 여러 기술을 사용하여 수많은 성공적인 제품을 개발했습니다. 이를 통해 타의 추종을 불허하는 Coherent의 현장 경험과 비교하여 각 유형의 성능과 이점을 객관적으로 평가할 수 있는 고유한 관점을 얻을 수 있습니다. 이러한 모든 레이저 유형 중에서 OPSL은 가장 신뢰할 수 있고 매우 긴 수명을 제공하는 것으로 입증되었습니다(그림 1 참조). 예를 들어, 당사의 저전력 OBIS 시리즈 및 사파이어 제품 라인은 20,000시간의 입증된 B5 값을 가지고 있습니다. 이 놀라운 수치는 이러한 유형에 속한 레이저의 95%가 20,000시간 동안 작동한 후에도 제품 규격 성능을 제공하고 있음을 의미합니다. 그 외 어떠한 가시광선 또는 자외선 CW 레이저 기술도 이 통계를 능가할 수 없습니다.

높은 신뢰성과 긴 수명의 조합은 최종 사용자와 OEM 모두에게 있어 OPSL의 성공적인 판매 성과를 좌우하는 핵심 요소입니다. 이러한 시장 수용성과 성공적인 판매 실적은 오늘날 현장에서 수 밀리와트~수 와트에 이르는 전력으로 가동 중인 약 10만 개의 OPSL에 의해 입증됩니다. 생명과학 계측, 반도체 검사 및 화려한 야외 조명 쇼와 같은 다양한 응용 분야에서 Coherent의 OPSL은 가시광선 및 자외선 CW 레이저의 첫 번째 선택으로 자리매김하고 있습니다. 또한 생명과학 분야에서 많은 OEM 업체들은 현재 모두 Coherent OPSL을 사용하는 3세대 및 4세대 기기를 설계하고 있습니다.

Figure 1

그림 1: 32개의 무작위(Coherent 사파이어) OPSL을 대상으로 실시한 지속적인 수명 테스트는 이 기술의 전형적인 특징인 매우 긴 수명 통계를 보여줍니다.

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

그림 2: Coherent는 AAA™ 기술을 도입하여 808nm 다이오드의 수명을 연장했습니다. 이러한 일반적인 수명 테스트 데이터는 25ºC의 작동 온도에서 기록되었으며 장치 수명은 50,000시간이 넘을 것으로 추정됩니다. 이들 다이오드는 Coherent OPSL의 핵심 구성 요소입니다.

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.

 

신뢰할 수 있으며 안정적인 이득 매체

반도체 이득 칩은 또 다른 중요한 구성 요소로서 OPSL에서만 볼 수 있습니다. 이득 디스크는 사실상 광여기 수직 캐비티 반도체 레이저(VCSEL)에 속합니다. 이 모놀리식 III-V 반도체 칩은 이원(GaAs) 층 사이에 교번된 삼원 양자 우물(InGaAs) 층을 포함합니다. VCSEL 아키텍처의 주요 이점은 출력이 활성 접합부에 대해 수직 방향으로 방출된다는 점에 있습니다. 즉, 좁은 비대칭 에지 패싯이 아닌 장치의 넓은 영역을 통해 출력이 방출됩니다. 그 결과, 큰 직경의 원형 및 대칭형 출력 빔이 생성됩니다. 따라서 가시 다이오드에 사용되는 일반적인 에지 아키텍처보다 출력 측면에서 훨씬 더 낮은 광 출력 밀도가 발생합니다. 이것은 OPSL과 가시 레이저 다이오드를 구분하는 주요 차별 요인에 속하며, 그 덕분에 OPSL에서 출력을 간단하게 확장할 수 있으며 장애 메커니즘인 패싯 출력 손상을 없앨 수 있습니다. 패싯 손상은 일부 가시 다이오드에서 여전히 주요 고장 메커니즘에 속하므로 높은 패싯 강도를 피하는 것은 가시광선 및 자외선 OPSL이 직접 다이오드 OPSL보다 더 긴 고유 수명을 갖는 이유 중 하나에 해당됩니다. 그리고 이득 매체는 대면적 반도체에 속하기 때문에 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 레이저를 대신해 사용되는 다양한 결정에서 나타나는 색 중심 결함의 축적 현상이 발생하지 않습니다.

따라서 OPSL의 두 가지 중요한 능동 구성 요소인 펌프 다이오드와 이득 칩은 신뢰성을 크게 높이고 수명을 훨씬 더 늘릴 수 있는 잠재력이 분명히 있습니다. 이러한 잠재력을 십분 발휘하기 위해 Coherent는 OEM, 산업 공정 및 자연과학 응용 분야를 대상으로 한 레이저 제품 공급업체로서 지난 50여 년의 경험을 바탕으로 몇 가지 중요한 설계 혁신을 활용했습니다.

 

모놀리식 구조 및 PermAlign 기술

캐비티 정렬 손실은 많은 레거시 레이저의 성능이 시간이 지남에 따라 저하되는 주요 원인입니다. 반복되는 자연 열 순환과 주변 진동 및 취급 충격의 장기적인 영향으로 인해 레이저 캐비티 광학 장치가 이동할 수 있습니다. 이로 인해 최소한 TEM00 레이저가 다중 모드 출력 빔으로 저하되는 등 모드 품질이 저하될 수 있습니다. 또한 출력 저하가 발생할 수 있으며, 최악의 상황에서는 레이저 발산 자체가 아예 안 될 수도 있습니다. 종래에는 최종 사용자 또는 서비스 엔지니어가 광학 장치를 다시 올바른 정렬로 "조정"하는 방법을 통해 이러한 이동 오류를 교정했습니다. Coherent와 같은 레이저 제조업체들은 특히 레이저가 OEM 기기에 내장되어 있는 오늘날의 응용 분야에서 이러한 교정이 실행 가능하거나 수용 가능한 해결책이 아니라는 것을 이미 오래 전에 깨달았습니다. 우리는 OPSL에서 장기간에 걸쳐 입증된 두 가지 솔루션을 사용하여 장애 메커니즘에 속하는 오정렬을 제거합니다.

Figure 3

그림 3: Coherent는 계측 OEM을 위한 초소형 밀리와트 레벨 OBIS Core 레이저부터 멀티와트 Genesis 시리즈에 이르기까지 다양한 출력 범위의 OPSL을 생산합니다.

Coherent는 광범위한 출력 전력의 OPSL을 생산합니다(그림 3). 사파이어 및 OBIS 시리즈 레이저와 같은 소형 OPSL에서 레이저 캐비티는 작은 세라믹 판에 조립됩니다. 또한 Coherent의 OPSL은 당사만이 보유한 특허받은 PermAlign™ 마운트를 광범위하게 사용합니다. 대부분의 조정 가능한 광기계식 마운트에는 최종 조정을 고정시키려는 하나 또는 둘 이상의 잠금 나사와 함께 조정 나사가 포함됩니다. 그러나 이러한 유형의 고품질 마운트에서도 주변 진동 및/또는 기계적 충격은 물론, 이종 금속 사용에 따른 열 영향으로 인해 시간이 경과하면서 정렬 상태가 변형될 수 있습니다. 이와 대조적으로, PermAlign™ 마운트는 광학 부품이 영구적으로 납땜되는 단일 부품 금속 마운트입니다. 금속 마운트 그 자체의 모양은 빔 정렬 및 레이저 성능을 모니터링하면서 최종 정렬로 미세 조정됩니다. 따라서 이러한 마운트에서 움직이거나 미끄러질 수 있는 부품은 없습니다.

 

그 외 실용적인 고려 사항

Coherent가 지난 오랜 세월 동안 축적한 레이저 설계 및 제조 경험은 OPSL에서 성능 저하 또는 장애의 두 가지 다른 잠재적 원인 즉, 이득 매체 내 발열 현상과 광학 장치 표면의 오염을 제거하는 데 사용되었습니다. 특히 당사는 OPSL 이득 칩의 온도를 직접 낮추기 위해 효과적인 냉각 방식을 구현했습니다. 이 냉각 방식은 칩을 히트싱크에 직접 부착하는 새로운 독점 마운팅 기술을 기반으로 합니다. 이것은 이러한 OPS 레이저의 긴 수명을 보장하기 위한 핵심 요소 중 하나에 속합니다. 이득 칩을 효율적으로 냉각하면 주어진 장치 크기에서 더 높은 출력을 추출할 수 있다는 추가적 이점이 있습니다.

또한 Coherent는 제품 설계 시 HALT(Highly Accelerated Life Testing, 초가속 수명 시험)와 제품 제조 시 HASS(Highly Accelerated Stress Screening, 초가속 스트레스 검사)를 각각 구현했습니다. HALT의 개념은 "수백 개의 유닛을 구축하여 수만 시간 동안 테스트하는 과정을 거치지 않고도 어떻게 제품 설계의 신뢰성을 극대화할 수 있는가?"라는 질문에 대한 답입니다. 개발 과정에서 엔지니어링 장치는 정상 작동 조건(대체로 온도, 기계적 충격/진동, 구동 전류/전력 또는 이러한 매개변수의 조합)을 훨씬 넘어서는 스트레스를 받아 오류를 일으킵니다. 그런 다음, 이러한 고장 모드를 분석하여 제품에서 "설계"합니다. 극한 조건에서 고장 모드를 제거하면 동일한 고장 모드가 정상 작동 조건에서 영향을 미치지 않을 수 있습니다. 반면에 HASS는 이와 유사하지만 덜 극단적인 조건(여전히 표준 작동 범위를 벗어남)을 사용하여 중요한 문제나 제작 실패를 선별합니다. HALT 및/또는 HASS의 조합은 기술과 제품 전반에 걸쳐 사용되어 안정적인 제품 설계와 수명이 긴 제품의 배송을 보장합니다.

마지막으로, 레이저에서 광학 장치 표면을 깨끗하게 유지하는 것은 언뜻 평범해 보이지만 긴 레이저 수명을 구현함에 있어 절대적으로 중요한 요소입니다. 그 이유는 미세 오염 물질이 이러한 광학 장치 표면에 축적되어 최종적으로 흡수, 레이저 출력 손실 및 때로는 광학 장치 손상을 유발할 수도 있기 때문입니다. OPSL의 경우, Coherent는 당사의 산업용 Ultrafast 레이저에 사용되는 까다로운 솔루션을 채택하여 오염이 없는 밀폐된 캐비티를 형성하고 유지합니다. 이는 특히 비금속 사용을 최소화하는 등 신중한 재료 선택을 의미합니다. 오늘날 우리가 사용하는 유일한 캐비티 내 유기물은 Coherent 엔지니어가 이미 철저하게 테스트하고 가스 방출 및 레이저 광학 장치와의 호환성을 검증한 재료입니다. 또한 수명이 긴 산업용 UV 레이저에 대한 당사의 경험에 비추어볼 때 기계 및 광학 구성 요소 모두에 대한 당사의 공장 세척 프로토콜이 똑같이 중요하다는 사실도 확인되었습니다. 오일이나 윤활유와 같은 미량의 오염 물질조차도 결국 금속 부품에서 광학 장치 표면으로 유입될 수 있으므로 광학 부품을 청소하거나 교체해야 합니다. Coherent는 이러한 미량의 오염물질도 제거하는 입증된 방법을 갖고 있습니다.

 

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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