Специалисты Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) изготовили мощные лазерные диоды, излучающие в спектральном диапазоне 1060 нм. Новые устройства отличаются высокой эффективностью и по предварительным данным имеют значительный потенциал рабочего ресурса. Эти лазеры, имеющие непрерывную мощность до 10 Вт, будут использоваться в научных исследованиях, а также широко применяться в целом ряде практических областей.

В группе полупроводниковых лазеров нейтронно-физического отдела (НФО) ФИАН в течение ряда лет ведутся работы, направленные на повышение выходной мощности и срока службы лазерных диодов различных спектральных диапазонов. Лазерный диод это твердотельный лазер, рабочим веществом в котором служит полупроводник, точнее кристалл, изготовленный на основе многослойных наноразмерных полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковый кристалл (чип) современного лазерного диода имеет миниатюрные размеры (0,1×0,5×3 мм), а накачка активной области кристалла осуществляется непосредственно от компактного безопасного низковольтного источника питания (рабочее напряжение около 2 В). Диодные лазеры как законченное устройство — наиболее легкие, компактные и экономичные среди существующих типов лазеров (полный КПД от розетки составляет около 50 %), Поэтому они — лидеры продаж лазерного рынка (по данным журнала Laser Focus, более 60% мирового производства лазеров).
В последние годы бурное развитие технологии диодных лазеров позволило повысить ресурсную непрерывную выходную мощность одиночных излучателей до уровня 8—10 Вт при сроке службы более 5 тыс. часов — этого достаточно для решения многих практических задач. Однако резервы диодных лазеров далеко не исчерпаны, ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на повышение КПД лазерных чипов до 65 % и более, а также продолжается поиск более эффективных методов отвода тепла от активной области лазерного кристалла (необходимо найти новые методы отвода тепловых потоков экстремально высокой плотности более 5 кВт/см2). Продвижение к решению этих проблем позволит в ближайшее время повысить ресурсную мощность одиночных лазерных диодов до 15—20 Вт.
Особый интерес для разработчиков представляют диапазоны длин волн 805—808 нм и 915—980 нм. Лазеры с такими характеристиками необходимы для научных исследований, они применяются для накачки твердотельных и волоконных лазеров. Эти лазеры широко используются в медицинской аппаратуре и навигационных приборах.
В мае 2011 г. в группе были получены мощные, высокоэффективные и потенциально ресурсные лазерные диоды, излучающие в спектральном диапазоне 1060 нм. Наиболее перспективные направления их использования: имитаторы излучения мощных твердотельных лазеров диапазона 1047—1064 нм, а в ряде случаев — дешевая замена твердотельных лазеров этого диапазона. Кроме того, эти диоды послужат источником лазерного излучения для применения в медицине (в хирургии, гинекологии, онкологии и т. д.).
Говорит ведущий научный сотрудник группы полупроводниковых лазеров НФО ФИАН кандидат физико-математических наук Виктор Безотосный: «Важное преимущество лазерных диодов это возможность плавной перестройки длины волны излучения для попадания или отстройки от определенных полос поглощения материалов простыми способами вариации температуры теплоотводящего элемента и тока накачки. На основании предварительных исследований первой серии образцов лазеров этого спектрального диапазона можно отметить их высокую эффективность, воспроизводимость ватт-амперных характеристик и потенциально высокую надежность. При ресурсных испытаниях одиннадцати лазеров в течение 100 часов при выходной мощности 8 Вт на всей партии в пределах точности измерений не было зафиксировано уменьшения мощности. А совсем недавнее усовершенствование технологий металлизации теплоотводящих элементов и процессов монтажа еще более улучшило их параметры. На отдельных образцах получена рекордная для спектрального диапазона 1060 нм эффективность в непрерывном режиме работы — выходная мощность составила более 10 Вт при токе накачки 10 А. Также нам удалось кратковременно получить максимальную воспроизводимую непрерывную выходную мощность более 20 Вт при ширине полоскового контакта излучателя 120 мкм (плотность мощности на зеркале в пиковом режиме составила около 16,7 МВт/см2).
Сейчас в нашей группе продолжаются исследования, направленные на повышение ресурсной и максимальной выходной мощности, а также повышение надежности мощных диодных лазеров за счет применения сабмаунтов с высокой теплопроводностью (до 2000 Вт/мК) на основе искусственных алмазов, выращенных методом “plasma – CVD”».

Ватт-амперные характеристики первой серии из 11 лазерных диодов, собранных на теплоотводящих элементах типа C-маунт (условия измерений — термоэлектрическое охлаждение при температуре теплоотводящего элемента 20º С).

АНИ «ФИАН-информ»

Общий вид конструкции мощного лазерного диода, смонтированного на теплоотводящем элементе типа С-маунт с цилиндрической микролинзой (зеленый цвет) для фокусировки излучения по «быстрой оси».

Выходное зеркало (голубой цвет) смонтированного мощного лазерного диода.
Ширина кристалла (горизонтальное направление) — 0,5 мм, толщина кристалла
(вертикальное направление) — 0,1 мм.

Смонтированный чип мощного лазерного диода
(вид сверху), длина резонатора (горизонтальное направление) — 4 мм.