Im Bereich der Hochleistungslaser sind Laserbarren unverzichtbare Kernkomponenten. Sie dienen nicht nur als grundlegende Einheiten der Energieabgabe, sondern verkörpern auch die Präzision und Integration moderner optoelektronischer Technik.—Daher tragen sie den Spitznamen: das Herzstück von Lasersystemen. Doch wie genau ist ein Laserbarren aufgebaut und wie schafft er es, aus nur wenigen Millimetern Größe Dutzende oder gar Hunderte von Watt Leistung zu erzeugen? Dieser Artikel beleuchtet die interne Architektur und die technischen Geheimnisse hinter Laserbarren.
1. Was ist eine Laserbar?
Ein Laserbarren ist ein Hochleistungslaser, der aus mehreren seitlich auf einem Substrat angeordneten Laserdioden besteht. Obwohl sein Funktionsprinzip dem eines einzelnen Halbleiterlasers ähnelt, nutzt der Laserbarren eine Anordnung mit mehreren Emitterdioden, um eine höhere optische Leistung und eine kompaktere Bauform zu erzielen.
Laserbarren werden in der Industrie, der Medizin, der Wissenschaft und im Verteidigungsbereich weit verbreitet eingesetzt, entweder als direkte Laserquellen oder als Pumpquellen für Faserlaser und Festkörperlaser.
2. Struktureller Aufbau eines Laserstabs
Die innere Struktur eines Laserbarrens bestimmt unmittelbar seine Leistungsfähigkeit. Er besteht im Wesentlichen aus folgenden Kernkomponenten:
①Emitter-Array
Laserbarren bestehen typischerweise aus 10 bis 100 nebeneinander angeordneten Emitterzellen (Laserresonatoren). Jede Emitterzelle hat eine Größe von etwa 50 nm.–150μSie ist m breit und dient als unabhängige Verstärkungszone mit einem PN-Übergang, einem Resonator und einer Wellenleiterstruktur zur Erzeugung und Emission von Laserlicht. Obwohl alle Emitter das gleiche Substrat nutzen, werden sie üblicherweise elektrisch parallel oder zonenweise angesteuert.
②Halbleiterschichtstruktur
Das Herzstück des Laserbarrens bildet ein Stapel von Halbleiterschichten, darunter:
- P- und N-leitende Epitaxieschichten (die den PN-Übergang bilden)
- Aktive Schicht (z. B. Quantenstruktur), die stimulierte Emission erzeugt
- Wellenleiterschicht, die die Modensteuerung in lateraler und vertikaler Richtung gewährleistet
- Bragg-Reflektoren oder HR/AR-Beschichtungen, die die gerichtete Lichtleistung des Lasers verbessern.
③Substrat- und Wärmemanagementstruktur
Die Emitter werden auf einem monolithischen Halbleitersubstrat (üblicherweise GaAs) aufgebracht. Zur effizienten Wärmeableitung wird der Laserbarren auf hochleitfähige Submounts wie Kupfer, W-Cu-Legierung oder CVD-Diamant gelötet und mit Kühlkörpern und aktiven Kühlsystemen kombiniert.
④Emissionsfläche und Kollimationssystem
Aufgrund der großen Divergenzwinkel der emittierten Strahlen werden Laserbarren typischerweise mit Mikrolinsenarrays (FAC/SAC) zur Kollimation und Strahlformung ausgestattet. Für bestimmte Anwendungen werden zusätzliche Optiken benötigt.—wie z. B. zylindrische Linsen oder Prismen—werden verwendet, um die Fernfelddivergenz und die Strahlqualität zu kontrollieren.
3. Wichtige strukturelle Faktoren, die die Leistung beeinflussen
Die Struktur eines Laserstabes spielt eine entscheidende Rolle für seine Stabilität, Effizienz und Lebensdauer. Zu den wichtigsten Aspekten gehören:
①Wärmemanagement-Design
Laserbarren zeichnen sich durch hohe Leistungsdichte und konzentrierte Wärme aus. Ein niedriger Wärmewiderstand ist daher unerlässlich und wird durch AuSn-Löten oder Indium-Bonding in Kombination mit Mikrokanalkühlung für eine gleichmäßige Wärmeableitung erreicht.
②Strahlformung und -ausrichtung
Mehrere Strahler weisen häufig eine geringe Kohärenz und Wellenfrontfehlausrichtung auf. Präzise Linsenkonstruktion und -ausrichtung sind entscheidend für die Verbesserung der Fernfeld-Strahlqualität.
③Stresskontrolle und Zuverlässigkeit
Materialunterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten können zu Verformungen oder Mikrorissen führen. Die Verpackung muss so konstruiert sein, dass sie mechanische Spannungen gleichmäßig verteilt und Temperaturwechsel ohne Beeinträchtigung standhält.
4. Zukünftige Trends im Design von Laserbarren
Mit steigender Nachfrage nach höherer Leistung, geringerer Größe und größerer Zuverlässigkeit entwickeln sich Laserbarrenstrukturen stetig weiter. Zu den wichtigsten Entwicklungsrichtungen gehören:
①Wellenlängenexpansion: Ausdehnung auf 1,5μm- und mittlere Infrarotbänder
②Miniaturisierung: Ermöglicht den Einsatz in kompakten Geräten und hochintegrierten Modulen
③Intelligente Verpackungen: Integration von Temperatursensoren und Statusrückmeldesystemen
④Hochdichte Stapelung: Mehrschichtige Anordnungen zur Erzielung einer Leistung im Kilowattbereich auf kleinstem Raum
5. Schlussfolgerung
Als der„Herz„Bei Hochleistungslasersystemen beeinflusst die Struktur der Laserbarren direkt die optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Gesamtsystems. Die Integration dutzender Emitter in eine nur wenige Millimeter breite Struktur demonstriert nicht nur fortschrittliche Material- und Fertigungstechniken, sondern verdeutlicht auch den hohen Integrationsgrad heutiger Lasertechnologie.'s Photonikindustrie.
Mit Blick auf die Zukunft, in der die Nachfrage nach effizienten und zuverlässigen Laserquellen weiter steigt, werden Innovationen in der Laserstabstruktur ein wichtiger Treiber für die Weiterentwicklung der Laserindustrie zu neuen Höhen sein.
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Veröffentlichungsdatum: 02.07.2025