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二极管电源(a)可以通过将其组合成条状阵列(b)以及条状阵列的堆叠(c)来实现功率的提升
多模激光器单模激光器的总输出功率上限是由其狭小波导内的功率密度所决定的。通过将激光器结构拓宽(将宽度从 3 或 4 微米增加到 50、100 或 200 微米),就可以获得更低的功率密度和更高的功率。更宽的激光器能够以更高的功率运行——例如,一个 100 微米的光孔通常能达到 2 瓦的功率,不过更高功率的产品也已开始商业化(4 至 6 瓦)——但代价是会失去空间相干性。这些激光器被称为宽面积或多模激光器。
它们无法聚焦到一个衍射极限的光斑上,也无法有效地耦合进单模光纤中。此外,需要注意的是,尽管棱角部分可能宽出 30 倍,但多模激光器的最大功率却不到单模激光器的 30 倍。通常来说,最大功率会随着激光器宽度的增加而呈次线性增长。
然而,许多应用(如泵浦固态激光器和外鼓式热打印)并不需要具有衍射极限光斑的激光,而具有高平均功率的多模激光器正是此类应用中的首选激光器。在这些设备中,电光转换的总效率可以超过 60%。
如果应用所需的功率超过几瓦,那么多个激光发射器的输出就必须进行组合。在激光功率层级结构中,下一个更高的级别就是激光条,它是由 10 到 50 个并排排列的多模激光器集成在一个单芯片上组成的。标准的条形尺寸为 1.0 厘米宽,500 至 2000 微米长。单个条形在连续波(CW)模式下可发出 20 至 60 瓦的平均功率,而在脉冲模式下(其中占空比可高达 20%)可达到超过 100 瓦的峰值功率。
条形灯最常见的应用是用于驱动固态激光器;因此,市面上可用的波长是各种激光晶体所要求的波长。其中最常见的是 808 纳米,用于驱动 Nd:YAG 激光器;其他波长包括 785 纳米、792 纳米、915 纳米和 940 纳米。
通过将导条堆叠起来,还可以获得更高的功率。在这种堆叠结构中,所有导条都是串联连接的。这种导条堆叠具有较高的功率密度,而串联连接方式为激光驱动电子设备提供了更易于处理的阻抗。一个 40 瓦的导条需要约 2 伏的驱动电压下达到 40 至 50 安的驱动电流;多条导条的堆叠会提高驱动电压,但其驱动电流需求与单条导条相同。
当使用堆叠结构来泵送板状激光器时,这些堆叠结构不会经过透镜处理,而是直接紧贴着激光晶体放置。然而,在某些应用中——例如端泵浦、激光信标/照明器以及日益发展的直接半导体激光材料加工领域——则会通过在激光条阵列前方放置一系列圆柱透镜(根据所需亮度的不同,可以是单体式或独立式)来对堆叠结构进行透镜处理。当功率超过几十瓦时,功率损耗会超过被动式或热电冷却器的功率处理能力,因此大型激光堆叠结构几乎总是采用水冷方式冷却。
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