Accoppiamento LDA/fibra

(1) Gli array di diodi laser (LDA) hanno allargato il loro ruolo in molti settori applicativi per le loro caratteristiche di piccolo ingombro, facilità di integrazione, lunghezza della vita operativa e alta efficienza elettro-ottica. Oggi sono utitlizzati in applicazioni di trattamento medico, processamento di materiali, pompaggio di laser alo stato solido, nei campi industriale ed aerospaziale. Tuttavia gli LDA hanno un difficile uso diretto in molti campi a causa delle loro caratteristiche di campo lontano. La sezione trasversale del raggio è ellittica. L'angolo di divergenza del raggio è di circa 20° - 40° nelle direzine perpendicolare alla giunzione e circa 6° - 10° nella direzione parallela alla giunzione. La sezione trasversale non è quindi gaussiana e necessita di essere migliorata per permettere l'uso degli LDA. Il modo principale per migliorare il raggio in uscita è accoppiare ' LDA con una fibra.

Fig 1 Schema Array Diodi Laser

(2) Nel caso di emettitore a striscia, gli LDA di alta potenza presentano delle caratteristche di propaganzione scadenti. Nella direzione perpendicolare al piano ella gunzione p-n (asse veloce) l'angolo di divergenza può arrivare fino a 40°. L'altezza dei singoli emettitoti è di circa 1 mm e nella direzione parallela allagiunzione (asse lento) la divergenza è meno di 10°. La maggior parte degli LDA ad alta potenza sono realizzati cone barre di semiconduttore da 10 mm montate su dispersori di calore e forniscono potenze CW da 20W a 40W. Essi presentanoregioni di emissione distinte, ognuna ampia circa 150 μm lungo l'asse lento e la spaziatura tra le varie emissioni è di circa 500 μm e il numero di emettitori è 19. La fig. 1 mostra lo schema di un array di diodi laser.

Fig 2 Schema accoppiamento LD - Lente Cilindrica - Fibra ottica

(3) La fig. 2 mostra uno schema dell'accoppiamento tra diodo laser e fibra attraverso una lente cilindrica. In generale la distanza del DL dalla lente cilindrica dipende non solo dal raggio e dall'indice di rifrazione della lente cilindrica, ma anche dall'angolo di divergenza del DL lungo l'asse veloce e dall'apertira numerica della fibra ottica multimodale.

 Fig 3 Geometria della struttura di accoppiamento asse veloce

(4) La fig 3 mostra la geometria della struttura di accoppiamento assieme ad un raggio incidente nella direzione dell'asse veloce, dove:

r = raggio della lente cilindrica

d₁ = distanza verticale del raggio incidente sulla lente dall'asse ottico

d₂ = distanza verticale del raggio uscente dalla lente dall'asse ottico

L₁ = distanza dalla sorgente laser dalla lente cilindrica

L₃ = distanza della fibra dalla lente cindrica

H = è l'altezza del raggio al punto L3

Utilizzando la tecnica del tracciamento dei raggi lineari si ha

(1)         H= d₂ + [L₃ + r  - r cos(2α₂ - α₁)] tanα₄

Se usiamo una fibra a faccia piatta con φ = arcsin 0,22 = 12,709 (apertura numerica della fibra) e ψ = 200 μm = diametro della fibra, soltanto raggi con α_4max ≤ φ sono accettati all'interno del nucleo della fibra

(2) α₄ = 2 arcsin[(L1 + r) sin(α)/ nr] - 2 arcsin[(L1 + r) sin(α)/ r] + α

Dove

n= 1,458 - indice di rufrazione della lente cilindrica

r = 100 μm - raggio della lente cilindrica

α = 20°.

Pertanto si ha la limitazione L₁ ≤ 109,667 μm. Quando α₄ = 0 allora L₁ = 46,680 μm. Pertanto risulta:

(3)    46,680 μm ≤ L₁ ≤ 109,667 μm

Fig 4 Geometria della struttura di accoppiamento asse lento

 (5) a fig. 4 mostra lo schema del sistema di accoppiamento lungo l'asse lento. L è l'ampiezza dell'array di diodi nella direzione dell'asse lento ( L = 10 mm). A è l'angolo di rifrazione del DL nella lente cilindrica. H1 è datp da:

(4)       H₁ = L/2 + L₁ tan5° + 2r tanA + L₃ tan5°

Quando H ≤ √ r² - H² , la fibra piatta è in grado di accettare tutto il raggio tramesso dal LDA.

 Fig 5 Geometria della struttura di accoppiamento asse veloce e  lento

(6) Dall'analisi precedente si evince che se la distanza del DL dalla lente cilindrica è compresa tra 40 ed 80 μm, allora il raggio laser viene interamente accoppiato all'interno della fibra. Nello stesso tempo, la distnaza della parte piatta della fibra dalla lente cilindrica deve essere minore di 233 μm. Per ottenere un accoppiamento efficiente tale disyanza è limitata a meno di 180 μm.

(da Fiber optic coupling of high power laser diode array - Gang Niu, Zhongwei Fan, Peifeng Wang, Jianfeng Cui, Zhaohui Shi, Jing Zhang - CHINESE OPTICS LETTERS / Vol. 5, Supplement / May 31, 2007)

Simmetrizzazione fascio diodo laser

Simmetrizzazione del fascio diodo laser

Simmetrizzazione raggio diodo laser
Divergenza asse X		mrad
Divergenza asse Y		mrad
Distanza focale f1		mm
Distanza focale f2		mm
Distanza BF l1		mm
Distanza BF l2		mm
Differenza BF		mm
Diametro 1		mm
Diametro 2		mm

Calcolo ottica laser

Calcolo dell'ottica laser ( tratto da http://www.buildlog.net/cnc_laser/laser_calcs.htm )

Calcolo divergenza raggio
Diam. apertura		mm
Distanza		m
Secondo diamentro		mm
Divergenza		mrad

Calcolo diametro raggio alla lente
Divergenza		mrad
Apertura		mm
Distanza		m
Diametro alla lente		mm

Calcolo dimensioni spot
Diametro raggio (D)		mm
Lunghezza d'onda		mm
M2
Lunghezza focale(f)		mm
Misyura spot focalizzato		mm
Potenza laser		watt
Densità di potenza		w/mm2

Calcolo profondità campo
Diametro raggio		mrad
Lunghezza focale		mm
Lunghezza d'onda		mm
Profondità campo		mm

Accoppiamento Laser Fibra

(1) Ci sono quattro tipi fondamentali di accoppiatori tra fibra e sorgente: a) accoppiatori di sorgente a contatto fisico di tipo ricettacolo b) accoppiatori di sorgente senza contatto fisico di tipo ricettacolo c) accoppiatori stile pigtail c) accoppiatori a fuoco regolabile. Sia glia ccoppiatori a contatto fisico che queli non a contatto fisico connettono al fibra all'accopiantore attraverso connettori commerciali del tipo NTT-FC, AT&T-ST, SMA, etc. Negli accoppiatori pigtail la fibra è attaccata all'accoppiatore in maniera permanente. Gli accoppiatori a fuoco regolabile usano un connettore speciale per regolare la distanza tra la fibra e le lenti. Ognuno degli accoppiatori presenta vantaggi e svantaggi.

(2) Accoppiatori di sorgente di tipo ricettacolo a contatto fisico (modello HUC) - Gli accoppiatori di sorgente a contatto fisico sono i più economici. Sono progettati per laser con potente di uscita CW minori di 400mW. Una lente Graded Index (GRIN) viene utilizzate per focalizzare il raggio all'interno della fibra. la fibra è appoggiata direttamente su un lato della lente.

Fig 1 Accoppiamento a ricettacolo con contatto fisico

(3) Mediante l'utilizzo di un gel speciale per accoppiare l'indice di rifrazione, il livello di  riflessione è ridotto a circa -25dB. L'uso del gel non è raccomandato per lunghezze d'onda minori di 550 nm o per potenze d'uscita maggiori di 100mW. Gli accoppiatori sono progettati per un accoppiamento ottimo ad una lunghezza d'onda specifica, che fa precisata in sede di ordinativo.

(4) Accoppiatori di sorgente di tipo ricettacolo senza contatto fisico (modello HPUC) - In questo tipo di connettori esiste un gap di aria tra la fibra e la lente di focalizzazione. Questo tipo di design è più flessibile in quanto conente l'utilizzo di diversi tipi di lenti e di distanze focali. La distanza tra la lente e la fibra può essere variata per compensare variazioni di lunghezza d'onda della sorgente o per defocalizzare intenzionalmente il laser per evitare fenomeni di arco nelle applicazioni di accoppiamento di laser di alta potenza con fibre multimodali. Usando questo design sono stati utilizzati accoppiatori che utilizzano lenti GRIN, lenti acromatiche, lenti asferiche, lenti biconvesse, lenti piano convesse, lenti in silice fusa.

Fig 2 Accoppiamento a ricettacolo senza contatto fisico

(5) I connettori senza contatto fisico possono sostenere potenze in ingresso fino a 100 W CW, e potenze anche superiori in QCW. Sono adatti ad applicazioni in cui la potenza è superiore a 400 nW o quando più di una lunghezza d'onda deve essere accoppiata alla fibra, o per raggi in ingresso che hanno diemetri o angoli di divergenza inusualmente ampi. Tuttavia, a causa del gap di aria tra la fibra e le lenti, il livello di riflessione all'indietro è dell'ordine di -14dB. Può essere ridotto a -40dB  -60dB utilizzando un commettore angolato e lucidato per deflettere il segnale riflesso.

Fig 3 Connettori lucidati ad angolo piatto

(6) Uno svantaggio dei connettori angolati e lucidati è la significativa variazione nelle facce teminali dei connettori. Questo influenza la spaziatura tra la faccia del connettore e la lente. Per minimizzare questa variazione, si usano connettori lucidati ad angolo piatto.

Fig 4 Accoppiamento stile pigtail

(7) Accoppiatori di sorgente stile pigtail (modello LPSC) - Gli accoppiatori stile pigtail sono raccomandati per situazioni di accoppiamento permanente o semi-permanente, quando si desidera un'efficienza ottima di accoppiamento, la stabilità dell'uscita e la minimizzazine della riflessione all'indietro. Visto che la fibra è attaccata in maniera permanente alla lente, la fibra non può essere sostituita senza sostituire anche la lente. Gli accoppiatori pigtail sono cotruiti sia nella versione a contatto che nella versione non a contatto. La riflessione all'indietro è tipicamente di -25dB. In caso si accoppiatori non a contatto, la parte interna della fibra è lucidata ad angolo per ridurre la riflessione all0indietro. In questo caso si ottengono livelli di riflessione tra -40dB e - 60dB.

(8) Accoppiatori laser/fibra con fuoco regolabile. Gli accoppiatori a fuoco regolabile sono ideali nelle situazioni dove l'accoppiamento ottico risulta critico. Un connettore di tipo speciale permette di controllare con estrema precisione la spaziatura tra la fibra e la lente, senza ruotare la fibra. Questo permette la compensazione di qualunque variazione di lunghezza d'onda del raggio laser.

Fig 5 Accoppiamento a fuoco regolabile

(9) Gli accoppiatori a fuoco regolabile utilizzano lo stesso ampio inseme di tipi di lenti degli accoppiatori a ricettacolo (con o senza contatto fisico). Le superfici interne sono ad angolo e lucidate per minimizzare la riflessione all'indietro.

Diodi Laser (IV)

Montaggio e raffreddamento dei diodi laser

Rif (http://www.torreyhillstech.com/Documents/Laser_package_white_paper.pdf)

(42) I diodi laser non sono acquistati come semplici chip a semiconduttore, ma montati in un contenitore che permette di maneggiarli agevolmente e di accoppiarli ad un sistema di raffreddamento. Sono incorporati anche contatti elettrici attacati al didpositivo.

(43) E' richirsto un inscatolamento del diodo laser per proteggere da qualunque stress meccanico o termico (GaAs è un materiale molto fragile). Il packaging del diodo laser evita la penetrazione di polvere, olio o fumi che possono danneggiare il dipdositivo. Ancora più importante, l'emergere sul mergato di diodi laser di potenza richiede un packaging sofisticato per permettere di disssipare il calore svilippato.

Fig. 11 Integrazione dei monatggi in un diodo laser

(44) Normalmente i cristallo laser è monato su un materiale con coefficiente di espansione termica (CTE) simile. Questo submontaggio serve cone diffusore del calore ed è a sua volta montato sun rappreddatore ettrotemico (TEC) per un trasferimento rapido del calore. L'intero montaggio è poi fissato su uno strato di rame puro o su una lega di rame/tungsteno per didssipazione del calore, come mostrato in fig. 11.

(45) Per aiutare a dissipare il calore, il metodo convenzionale è saldare la barra laser sul dissipatore fatto di rame- Tradizionalmente, viene utilizzata una lega di saldatura a base di Indio, perchè il CTE del rame non si accoppia molyo bene con quello del GaAs. L'Indio presenta maggiore duttilità del rame, fornisce più affidabilità sia in funzionamentp continuo (Coontinous Wave CW) sia in funzionamento pulsato (Quasi (Coontinous Wave QCW).

(46) Con l'avanzare della tecnologia, molte aziende hanno sviluppato diodi laser di potenza più sofisticati e con performance maggiori, funzionanti in modalità CW e QCW e con potenze > 900 W. Tuttavia i sistemi di montaggio non sono cambiati molto in terini di performance di conduzione del calore, resistenza, espansione etc.Sebbene i sottomontaggi di rame offrono una soluzione economica, il disaccoppiamento del CTE del rame e del matriale GaAs rimane un problema che è ingigantito dall'aumento di potenza dei dispositivi. Il problema è dovuto alla tendenza che ha il rame ad espandersi all'aumentare della temperatura, provocando degli stress meccanici sul diodo.

(47) Alternativamente, il rame tungsteno fornisce un CTE minore rispetto al rame puro, pur mantenendo una conduzione termica accettabile. Il rame tungsteno è una lega che contiene normarlmente tra il 10 ed il 50 percento di rame ed il resto è formato da tungsteno. Maggiore è la percentuale di tungsteno, minore è il CTE della lega.

	CuW	AlN	BeO
CTE (ppm/°C)	6,5 – 9,0	4,5	7
Conduttività termica (W/mK)	180 – 230	170 – 200	280
Densità g/cm3	14,9 – 17	3,3	2,9
Informazioni sul materiale	Composto metallico, conduttore elettrico, può funzionare come lato p in una giunzione p-n. Tenace e resistente , il CTE si combina bene con quello del GaAs	Ceramico, isolatore elettrico, buona risposta ad alta frequenza, CTE che si combina bene con quello del InP, facilmente placcabile in oro.	Ceramico, isolatore elettrico, alta conduttività termica, CTE che si combina bene con quello del GaAs, tossico.

Tabella 2 caratteristiche dei materiali per packaging diodi laser

(48) Tipicamente, CuW, AlN e BeO vengono utilizzati come sottomontaggi nei diodi laser. CuW è un metallo composito, mentre AlN e BeO sono ceramiche. La tabella precedente mosttra le caratteristiche di ciascun materiale

Fig. 12 Montaggio c-mount

 (49) Package C-mount (fig. 12 ) Questo tipo di montggio viene utilizzato pe sistemi laser di misura e controllo, e ottica di precisione. Le lunghezze d'onda tipiche sono comprese tra 680 m, e 980 nm, con potenze fino a 7W. Il diodo laser è direttamente sladato sul dissipatore rame tungsteno, che agisce come lato p, el'altro lato del diodo è collegato con un contatto metallico, che rappresenta il catodo. Il foro la centro viene utilizzato per fissare il tutto.

Fig 13 Montaggio TO3

(50) Montaggio TO3 (fig 12).  Il numero di pin può essere fino ad un massimo di 6 o 8. Il materiale di base è CuW o CLS (acciaio laminato a freddo).

Fig 14 Montaggio a farfalla

(51) Montaggio a farfalla - E' il montaggio standard per le trasmissioni ottiche e le pompe a diodo laser. La figur mostra un tipico montaggio a afrafalla con 14 pin in cui il laser è alloggiato in un sottomontaggio in AlN. Questo è a sua volta appoggiato ad un sottomontaggio TEC che è attaccato ad una piastra di base fatta di CuW, Kovar o CuMo.

Fig 15 Montaggio Mini-DIL

(52) Montaggio Mini-DIL - Il montaggio Dual IN LIne (DIL) è utilizzato per applicazioni Telecom e di solito presenta 6 - 8 pin. Il materiale di base può essere CuW, CRS o Allumina.

Fig 16 Montaggio TOSA

(53) Montaggio TOSA - o sottoassemblaggio trasmettitore/ricevitore è utilizzato soprattutto nei tranceiver e transponders per trasmissione dati. La base è fatta tipicamente di CuW per permettere la dissipazione di calore

Fig 17 Montaggio HHL

(54) Montaggio HHL (o High Heat Load) - è lo standard più elevato per il package dei diodi laser. E' progettato per applicazioni di alta potenza e di solito presenta 9 pin. Il materiale di base varia: kovar, CuW o CuMo.

Fig 18 Montaggio ASM

(55) Montsaggio ASM - Laser Array Sub Module. Utilizzato in applicazioni di pompaggio laser con lunghezze d'onda tipiche: 803-808nm, 880nm, 885nm, 940nm (Golden bullet package) 800-1550nm (Silver bullet package) e potenze di uscita 20-40 W continui e 50-300 W pulsato. Esistono design a 1, 2 o 3 barre. La base è solitamente un dissipatore in ceramica mentre i blocchi finali su entrambi i lati sono fatti di CuW per favorire la conduzione termica ed elettrica.

Diodi laser (III)

Danneggiamento dei diodi laser e tempo di vita.

(35) I laser a semiconduttore sono soggetti a danneggiamento per diversi tipi di cause, tra cui:

• Danneggiamento ottico catatsrofico se il diodo è alimentato con una corrente eccessiva
• Invecchiamento graduale, che si manifesta mediante una diminuazione della potenza ottica in uscita ed un aumento della corrente in ingresso per mantenere la stessa potenza in uscita
• Funzionamento a temperatura eccessiva
• Scariche elettrostatiche
• Impulsi di corrente transitorio in fase di funzionamento

(36) Il degrado più serio implica un danneggiamento ottico catastrofico (DOC), che avviene quando la potenza del laser alla superficie del diodo diventa troppo alta (maggiore di 10^6 W/cm2). L'assorbimnto della lue laser alla superficie porta al riscaldamento del diodo, che fa aumentare ulteriormente l'assorbimento. Il risultato è un ciclo positivo che fa aumentare sempre più la temperatura e porta alla fusione della superficie del diodo e alla distruzione del laser. Pertanto la corrente fornita al diodo laser deve essere minore di una certa soglia, altrimenti viene innescato il processo di DOC. Il danneggiamento superficiale può interrompere completamente le funzionalità del laser, oppure più permettere un funzionamento del laser a potenze fortemente ridotte

(37) Anche in assenza di DOC, l'uscita di un laser a semiconduttore diminuisce gradualmente dopo un tempo di funzionament prolungato, probabilmente a causa dell'accumularesi di danneggiamenti attorno ai difetti presenti nel materiale originario. L'invecchiamento prograssivo si manifesta mediante una diminuazione della potenza ottica in uscita ed un aumento della corrente in ingresso per mantenere la stessa potenza in uscita ed eventualmente mediante un cambiamento nel profilo del raggio emesso o nella lunghezza d'onda o nel contenuto spettrale della luce emessa. Può anche manifestarsi come sviluppo di linee di ombra, aree del dispositivo all'interno della regione attiva che non emettono più luce. L'invecchiamento graduale può essere causato da funzionamento a temperatura eccessiva o corrente eccessiva, ma sembra associato principalmente con i difetti presenti all'interno del semiconduttore. Questi effetti possono variare sensibilmente tra un lotto di produzione ed un altro.

(38) Se la corrente è tenuta ragionevolamente bassa è la temperatura di funzionamento è mantenuta bassa, la vita utile del laser a semiconduttore più risultare piuttosto lunga, anni o anche decenni.

(39) La vita utile di funzionamento di un diodo laser è ridotta significativamente alle temperature elevate. La vita utile è ridotta di un fattore che varia con la temperatura assoluta T (K) come:

exp(Ea/kT)

Dove Ea è una energia di attivazione, tipicamente compresa tra 0,5 e 0,7 eV, k è la costante di Boltzmann. Un aumento di temperatura di 40 gradi diminuisce la vita utile di un fattore 30.

(39) Le scariche di elettricità statica sono potenzialmente dannose per i diodi laser. La presenza di elettricità statica nell'area di lavoro può facilmente bruciare il diodo. I diodi lasre sono più sensibili di altri dispositivi elettronici a questo tipo di danneggiamento

(40) Un altro pericolo per i diodi laser a semiconduttore è l'eccessiva tensione, che può scaturire da picchi transitori nell'alimentazione. Molti alimentatori producono picchi di tensione quando sono accessi o spenti. Questi picchi possono essere abbastanta pronunciati da danneggiare il laser a semiconduttore

(41) In pratica una grossa percentuale dei laser a semicinduttore si guastano a causa della "elettrocuzione" in una qualche forma, o per transienti elettrici nella alimentazione o per scariche di elettricità statica. La probabilità che questo avvenga dipende dalla abilità e dalla esperienza dell'utente e dalla particolare applicazione. Se il laser a semiconduttore è utilizzato in condizioni controllate di temperatura e corrente, può durare molto a lungo.

Diodi laser (II)

(22) Molti dei materiali per laser a semiconduttore appartengono ai cosidetti composti III-V, cioè composti formati da elementi della colonna III e della colonna V della tavola periodica degli elementi. Un esempio è l'arseniuro di gallio, che in effetti è stato il primo materiale utilizzato per laser a semiconduttore. I primi laser a semiconduttore erano frabbricati con cristalli formati dall'unione di arseniuro di gallio di tipo n e p. Questi laser sono stati sostituiti da strutture formate da da leghe che contengono tre o quattro elementi dalle colonne III e V della tavola degli elementi. Queste leghe sono chiamate semiconduttori composti ternari o quaternari. Esepi sono Al(1-x)Ga(x)As (arseniuro di gallio alluminio) un composto ternario, e In(1-x)Ga(x)As(1-y)P(y) (fofato di indio arseniuro di gallio) un composto quaternario. In questa notazione i parametri x e y sono parametri di composizione che possono assumere un valore variabile da 0 o 1. Così il sistema Al(1-y)Ga(x)As può variare continuamente da AlAS (x=0) a GaAs (x=1).

Fig. 7 Variazione del salto di energia di banda e dell'indice di rifrazione al variare del parametro di composizione x per Al(1-x)Ga(x) As

(23) Anche le proprietà del materiale variano in maniera continua al variare di x e y. La fig. 7 mostra la variazione del gap di banda e dell'indice di rifrazione nel sistema Al(1-x)Ga(x)As al variare del parametro x

(24) I laser a semiconduttore più comuni sono i laser Al(1-x)Ga(x)As. La lunghezza d'onda in uscita varia con x e i dispositivi commerciali sono disponibili con uscite tra i 780 e gli 880 nm. Sono utilizzati per applicazioni quali i dischi ottici, le comunicazioni ottiche su fibra e le stampanti laser.

(25) Un'altro comune materiale per semiconduttori laser è la lega quaternaria In(1-x)Ga(x)As(1-y)Py, che ha due parametri di composizione , x e y, ognuno dei quali può essere variato indipendentemente per aggiustare la lunghezza d'onda nominale e per adattarsi la costante cristallina del substarto sul quale viene fatto crescere il materiale. I laser In(1-x)Ga(x)As(1-y)Py sono disponibili con lunghezza d'onda compresa tra 1150 e 1650 nm e sono comunemente utilizzati per le comunicazioni in fibra ottica.

(26) Un altro importante tipo di laser è Al(x)Ga(y)In(1-x-y)P, nel quale AL, Ga e P sono tutti nella colonna III degli elementi e la cui somma totale deve eguagliare quella egli atomi di fosforo. Queste leghe operano nella porzone rossa dello spettro visibile, a lunghezze d'onda dai 630 ai 680 nm.

Tavola 1 – Materiali per laser semiconduttori
Materiale	Range lunghezza d'onda
Al(1-x)Ga(x)As	780-880
In(1-x)Ga(x)As(1-y)Py	1150-1650
Al(x)Ga(y)In(1-x-y)P	630-680

(27) La Tabella 1 riassume i tre principali materiali per laser a semiconduttore

Struttura dei diodi laser

Fig. 8 Struttura laser multistrato

(28) Finora abbiamo descritto la più semplice (ed oggi obsoleta) struttura per un diodo laser a semiconduttore, un blocco rettangolare di materiale con una regione di tipo p, una regione di tipo n ed una giunzione n-p col iano parallelo ad una delle superfici. I diodi laser moderni sono formati da strutture che contengono diversi strati di materiale di composizione diversa. Una delle molte strutture possibli è mostrata in fig. 8, che mostra la complessità delle strutture sviluppate. Il materiale è accresciuto in starti sottili, tipicamente di spessore dell'ordine del micron, a partire da un substrato di materiale semiconduttore. Lo spessore è ottenuto attraverso tecniche di crescita epitassiale controllata. Queste tecniche consentono di depositare sottili strati di materiale specificato come un singolo cristallo con pochissimi difetti.

Fig 9 Esempio di diodo con struttura a striscie metalizzate

(29) La struttura può contenere diversi strati di materiale di varia composizione e livello di drogaggio. In una certa regione viene formata la giunzone p-n. Le notazioni p+ e n+ si riferiscono a regioni conduttive altamente drogate con materiali p ed n rispettivamente. La figura mostra anche alcune altre caratteristiche, come l'uso di aree bombardate con protoni che presentano una bassa conduzione elettrica. Le arre bombardate con protoni costituiscono i confini dell'are in cui avviene il fenomeno laser. L'incorporazione di una striscia, o in questo modo o mediante metallizzazione selettiva della superficie, è una caratteristica comune nei diodi laser. La fig. 9 mostra l'incorporazione di una striscia attraverso isolamento e metallizzazione selettivi, la corrente scorre solo nella regino in cui la metallizzazione è a contatto con il semiconduttore.

(30) Consideriamo adesso le funzioni dei diversi strati di materiale semiconduttore, come illustrato nella fig. 8 e 9. Gli strati fortemente drogati sono elettricamente conduttivi, e facilitano la creazione dei contatti elettrici. La sequenza di strati AlGaAs GaAs AlGaAs formano quella che è definita una eterostruttura doppia, nella quale ci sono due variazioni nella composizione del materiale passando attraverso la regione di emissione laser.

Fig. 10 Indici di rifrazione per omogiunzioni ed eterogiunzioni

(31) Per capire la funzione dalla eterostruttura oppia, consideriamo in primo luogo i disposiztivi originari, nei quali la giunzione era formata dall'unione di mmateriale GaAs di tipo p e di tipo n. Questo era un materiele a composizione singola, detto omogiunzione. La fig. 10 mostra una struttuta omogiunzione e come cambia l'indice di rifrazione attraverso lo spessore del dispositivo, passando per la zona di giunzione. E' chiamato omogiunzone perchè il materiale, da entrambe le parti della giunzione ha la stessa composizione. La variazione nel drogaggio fornisce un certo intrappolamento della luce nella regione di giunzione attraverso il fenomeno della riflessione interna della luce. Tuttavia, il gradini nell'indice di riflessione è molto basso ed il confinamento che si ottiene non è molto buono. Le perdite dovute alla diffusione della luce fuori della zona attiva sono ingenti, cosicchè la corrente di pilotaggio deve essere elevata, pertanto questi dispositivi hanno vita ridotta e sono soggetti a danneggiamento. Oggi non esistono più diodi laser omogiunzione.

(32) L'uso di una singola eterogiunzione, come mostrato nella figura al centro, fornisce un confinamento migliore della luce. In questo tipo di struttura, si incontra un cambio di materiale lungo lo spessore e il dipsosito è detto a eterogiunzione singola. Questa struttura fornisce una variazione più accentuata dell'indice di rifrazione. In questo modo si crea un effetto guida d'onda che riduce le perdite di luce nelle zone p+ . Questo comporta perdite minori, minori correnti di pilotaggio, danneggiamenti ridotti e vita utile del dispositivo maggiore. I diodi laser a etrogiunzione singola sono ancora in uso, anche se largamente sostituiti dai disodi laser ad etrogiunzione doppia.

(33) La parte in basso della figura mostra una eterogiunzione doppia, così chiamata perchè si incontrano due variazioni di materiale all'interno dello spessore del dispositivo. Questa struttura confina la luce in entrambi i lati della guida e ridice ulteriormente i requisiti di corrente di pilotaggio. Oggigiorno quasi tutti i diodi laser sono a doppia eterogiunzione. Infatti essi permetto (se correttamente utilizzati) una vita utile del dispositivo di parecchie decine di migliaia di ore.

Fig. 11 Diodo laser a striscia multipla

(34) Lo sviluppo di array lineari ad alta densità di potenza ha portato alla reazione di sorgenti ad alta irradianza adatte ad applicazioni laser di pompaggio. L'array è fabbricato come una barra con un certo numero di laser. La fig. 11 mostra una struttura tipca. Le striscie sono divise tra loro mediante una impiantazione di protoni , che aumenta la resistività delle regioni tra le aree di emissione. Esiste sufficiente accoppiamento di luce tra le varie strisce cosicchè il l'intero dispositivo si comporta come un singolo laser. Questi dispositivi sono in grado di emettere parecchi watt di potenza ottica. 

Diodi laser (I)

(1) I diodi laser rappresentano una classe di laser molto differenti dai lasre a gas. Un laser a semiconduttore utilizza un piccolo chip di materiale semiconduttivo come zona attiva. Il più comune materiale utilizzato è una lega di arseniuro di gallio.

(2) Un recente sviluppo nella tecnologia dei diodi laser è stata l'introduzione degli array di diodi laser di potenza. Questi array offrono sorgenti ad alta radianza adatti al processamento di materiali ed al pompaggio di laser allo stato solido. Gli array sono solitamente fabbricati in forma di barre con una striscia di diodi laser sorgenti. C'è abbastanza accoppiamento tra la luce emmessa nell striscia tale da far comportare il dispositivo come un laser unico. Questi dispositivi sono in grado di emettere parecchi watt di potenza ottica.

(3) Gli array di diodi laser sono disponibili in strurre a barre, con lunghezza dell'ordine dei centimetri. Un barra da 1-cm può emettre fini a decine di watt di potenza in modo continuo ( e test di laboratorio hanno consentito di raggiungere potenze di centinaia di watt)

(4) Uncerto numero di arry può essere impilato per formare un array bidimensionale. Questi array sono costosi, ma rappresentano un campo in rapida evoluzione nell'industria dei semiconduttori. Sono disponibili modelli commerciali fino a 50 array lineari impilati assieme, in grado di emettere kilowatt di ptenza.

(5) Nelle dimensioni e nella forma esteriore, i laser a semiconduttore è simile ad un transistor o ad un diodo a semiconduttore. Le sue proprietà e le richieste in termini di alimentazione elettrica sono molto differenti dai laser a gas o allo stato solido. I laser a semiconduttore richiedono voltaggi molto bassi (qualche volt invece dei kvolt richiesti dagli altri tipi di laser)

(6) Il fenomeno di emissione laser avviene in corrispondenza della giunzione p-n, cioè alla zona di confine tra il materiale di tipo p ed il materiale di tipo n. Questa giunzione viene utilizzata come diodo rettificatore nei circuiti elettrici, ma è anche una regione critica per l'emissione laser. Nei pressi della giunzione, le bende energetiche sono piegate. Una barriera enegtica impedice agli elettroni nella banda di conduzione di saltare nella bamda di valenza.

Fig 1 - struttura a bande in prossimità della giunzione

(sinistra) senza polarizzazione (destra) con polarizzazione

(7) La parte sinistra della figura mostra la situazione quando nessuna tensione viene applicata al dispositivo. Gli elettroni alla sinistra del dispositivo e le lacune alla destra rimangono separati. La parte destra dell'immagine mostra la situazione quando viene applicata una tensione al dispositivo. L'altezza della barriera viene ridotta e gli elettroni in banda di conduzione si sovrappongono alle lacune in banda di valenza. Cioè si ha la presenza di stati riempiti ad energia maggiore che quella di stati vuoti. In altre parole una inversione di popolazione, cioà la condizione necessarie per dare luogo ad un fenomeno laser.

(8) In questa situazione può avvenire una ricombinazione tra gli elettroni e le lacune, Gli elettroni decadono dal gap di energia e si ricombinano con le lacune. La differenza di energia viene emessa sotto forma di luce, indicata in figura come hn, l'energia di un fotone. Allora si può indurre una emissione stimolata e la regione di giunzione agisce come una sorgente laser.

(9) Lo spessore della giunzione è molto piccolo, circa un micron, Cosicchè la luce che viaggia nel piano della giunzione viene amplificata di più della luce che viaggia nel piano ortogonale alla giunzione. La emissione laser avviene quindi parallelalmente al piano della giunzione.

(10) Poichè, operativamente, gli elettroni vengono iniettati nel dispositivo dal lato del materiale di tipo n, di solito questi laser sono definiti laser ad iniezione. Il laser a semiconduttore è un dispositivo controllato in corrente. Questo determina la progettazione della alimentazione.

Fig. 2 Diodo Laser - geometria tipica

(11) Il laser tipicamente è un parallelepipedo rettangolare come mostrato in fig.2. Le dimensioni sono tipicamente da qualche centinaio di micron fino ad un millimetro. La giunzione è un piano all'interno della struttura. Due dei piani laterali alla giunzione sono artificialmente resi rugosi in modo da ostacolare l'uscita della luce, mentre gli altri due piani laterali sono resi piatti e paralleli. Queste due ultime superfici rappresentano gli specchi della cavità laser. La riflettività al confibne tra aria e semicinduttore è sufficiente a non richiedere una superficie riflettente, sebbene in alcuni casi venga deposta una superficie riflettente aggiuntiva per migliorare le prestazioni del laser. La figura mostra anche la metallizzazione per i contatti elettrici e per la dispersione del calore.

(12) Per consentire al dispositivo di operare come un laser, l'inversione di popolazione deve essere abbastanza alta cosicchè il guadagno ottico superi le pedite ottiche. Pertanto la corrente che passa attraverso la giunzione deve essere superiore ad una soglia minima, in modo da fornire abbastanza elettroni e lacune in modo che il guadagno ottico sia superiore alle perdite. Le perdite derivano da diverse cause, come luce che diffonde fuori dalla regione attiva, riflessione solo parziale nelle due superfici specchio, assorbimento della luce da portatori liberi all'interno della giunzione.

Fig. 3 Caratteristica del diodo laser

(13) La figura 3 mostra il funzionamento del diodo laser in funzione della corrente di input. A bassi valori di corrente, il dispositivo si comporta come un LED, producendo una relativamente bassa quantità di luce incoerente. Esiste un valore di soglia, quello per cui il guadagno ottico supera le perdite ottiche, dopo il quale è stimolata l'emissione laser. Dopo tale soglia, la luce emessa dal dispositivo aumenta molto più velocemente che nella regione LED. La luce emessa nella regione laser è luce coerente. Idealmente la luce emessa dovrebbe crescre linearmente con la corrente fornita.

(14) Si può definire una pendenza dell'efficienza per caratterizzare l'efficienza del diodo laser in questa regione. La pendenza dell'efficienza è definita come l'aumeto della potenza ottica in uscita diviso l'aumento della potenza elettrica in ingresso. Questa definizione si applica solo nella regione in cui la potenza in uscita del diodo laser cresce in maniera lineare. Sono disponibili diodi laser con pendenza dell'efficienza di circa il 30%.

(15) La fig. 3 mostra anche l'esistenza di una soglia di danneggiamento, un valore della corrente di ingresso oltre il quale avviene un Danneggiamento Ottico Catastrofico (DOC). Oltre questa soglia avviene un danno permanente del dispositivo con una ulteriore aumento della corrente.
 

Fig. 4 Caratteristica diodo laser con presenza di nodi

(16) In alcuni casi la curva caratteristica di uscita del diodo laser può presentare dei nodi, come mostrato in fig.4. Questa situazione è di solito indesiderata, perchè riduce le capacità del dispositivo in parecchie applicazioni. Se sono presenti dei nodi non è più possibile applicare la definizione di pendenza dell'efficienza.

Fig 5 Variazione della caratteristica del diodo laser con la temperatura

(17) Le caratteristiche di uscita del diodo laser sono fortemente dipendenti dalla temperatura operativa. La fig. 5 mostra la variazione della caratteristica di uscita al variare della temperatura per un tipico diodo laser. Al crecsre della temperatura, cresce la soglia di innesco del laser; la potenza di uscita diminuisce all'aumentare della temperatura. Normalmente il fabbricante specifica una qualche temperatura massima operativa di utilizzo del diodo laser.

18) La corrente di soglia dipende dalla teperatuta operativa in maniera esponenziale:

Is(T2) = Is(T1) exp[(T2-T1)/T0]

In cui Is(T1) e Is(T2) sono le correnti di soglia alle temperature operative T1 e T2 e T0 è un fattore di scala con valore tipico di 150 K.

 

Fig. 6 Profilo del raggio di un diodo laser

(19) Il raggio emesso dal diodo laser presenta tipicamente un profilo ellittico, come mostrato in fig. 6. La causa del profilo è dovuta alla diffrazione. Nella direzione perpendicolare all giunzione, il raggio è confinato in uno spazio piccolo, con spessore tipico di circa un micron. In tale direzio la diffrazione agisce sul raggio espandendolo di varie decine di gradi. Nella direzione parallela alla giunzione, il raggio non è confinato così strettamente e la diffrazioe risulta minore, circa dieci gradi. Il raggio è detto astigmatico.

(20) L'astigmastimo risulta dal fatto che le sorgenti apparenti di emisiione della radiazione parallela e perpendicolare all giunzione non coincidono nello stesso punto. Il grado di astigmatismo è specificato come la distanza tra questi due punti. Un valore tipico di astigmatismo è attorno ai 10 micron.

(21) L'astigmatismo può essere parzialmente corretto mediante l'utilizzo di lenti cilindriche. Tuttavia la divergenza dei laser a semiconduttore è sostanzialmente maggiore di quella dei laser a gas. Un laser a gas, con un raggio di diffrazione che emerge da una apertura di circa 1,5 mm di diametro, è un raggio circolare con divergenza di qualche decimo di grado. Il raggio di un diodo laser non può essere focalizzato così precisamente come nel caso dei laser a gas.

SLS (parte II)

Un problema che si pone sono le caratteristiche dell'oggetto prodotto tramite SLS rispetto allo stesso oggetto prodotto con tecniche tradizionali (vedi). In particolare:

• La densità dell'oggetto (presenza di porosità interne)
• La qualità delle superfici esterne dell'oggetto
• Le proprietà meccaniche dell'oggetto
• La microstruttura interna
• Gli stress residui

Fig. 1 Schema che mostra in sezione il processo di SLS

Densità
L'obiettivo è quello di ottenere degli oggetti fabbricati con tecnica SLS aventi densità  100% (pari alla densità ottenuta con tecniche di fusione tradizionali). Questo obiettivo è difficile da ottenere in quanto il processo avviene in assenza di pressione meccanica ed il materiale fuso riempie le cavità solo per effetti termici, gravità e capillarità. Inoltre delle bolle di gas create dalla fusione possono rimanere intrappolate nel materiale creando della zopne di vuoto.
La densità ottenibile dipende da due serie di parametri:

1. Parametri di controllo del processo.
2. Parametri del materiale utilizzato.

I parametri di controllo di processo utilizzabili sono:

1. Lo spessore dell strato di polvere (w mm)
2. La potenza istantanea del laser (P Watt)
3. La misura del diametro dello spot (d mm)
4. La velocità di scansione (v mm/sec)
5. La spaziatura tra i vari pasaaggi di scansione (h mm)

La densità di energia fornita dal laser può essere definita come:

(1)     Q = (pi * eta * P)/(4*d*v) [Ws/mm3]

Con pi = pi greco e eta = efficienza di accoppiamento - cioè la quantità di energia laser che viene ceduta alla polvere come energia termica. In ogni passaggio di scanning esiste una sovrapposizione con il passaggio precedente. La frazione di sovrapposizione è definita come:

(2)    O = d/h  [%]

Quindi la densità di energia fornita per passaggio di scansione è data da:

(3)   Q = (pi * eta * P)/(4*v*h*w) [J/mm3]

Se definiamo psi = input energetico totale per ogni singolo passaggio:

(4)  psi = P/(v*h*w) [J/mm3]


Si ricava, per l'energia:

(5)  Q = (pi*eta°psi)/4  [J/mm3]

psi è direttamente proporzionale a P (potenza istantanea del laser) ed inversamente proporzionale a v (velocità di scansione), h (spaziatura tra i vari passaggi di scansione) e w (spessore dello strato).
Oltre a questi parametri di controllo di processo, esiste un altro insieme di parametri che sono legati al materiale utilizzato. In particolare:

1. Capacità termica del materiale utilizzato (C J/kg °K)
2. Calore latente di fusione del materiale (H J/kg)
3. Densità relativa del materiale (ro )
4. Frazione vuota massima(etab ) - massima percentuale di vuoto nel materiale
5. Frazione vuota minima(etas) - minima percentuale di vuoto ottenibile nel materiale

 Se chiamiamo eta la frazione di vuoto residua nel materiale dopo il processo di SLS, possiamo definire un parametro detto densificazione come:

(6)   D = (eta - etab)/(etas - etab)

Cioè D=1 quando il processo riesce ad ottenere la frazione di vuoto minima possibile: in questo caso la densificazione è massima.
Sperimentalmente, nel caso di SLS con fusione completa, si è trovata la relazione:

(7)  ln(1 - D) = -K*psi 

Cioè la densità del materiale è ricavabile come funzione di psi, parametri di processo,  e di K chiamato coefficiente di densificazione, e che riunisce in sè tutti i parametri relativi al materiale.
Dato un materiale ( e quindi fissato K) per controllare la densità dell'oggetto risultante si può agire sul valore di psi, ossia sulla potenza istantanea del laser, sulla velocità di scansione, sullo spessore dello strato di polvere e sulla spaziatura tra i vari passaggi di scansione.

Qualità della superficie

La qualità superficiale ottenibile con la tecnica di Sinterizzazione Laser è considerata uno dei principali svantaggi del processo. Sono disponibili un certo numero di tecnologie di post processamento per superare questa difficoltà (metodi meccanici, metodi chimici e processi termici). La rifusione superficiale laser (Laser Surface Re-melting - LSR) consente di migliorare l'aspetto delle superfici senza muovere il pezzo dallo spazio di lavoro.
La qualità di parti fabbricate con tecniche SLS e poi trattate con LSR mostrano un significativo miglioramentio in termini di riduzione di rugosità misurata. La tecnica consiste nel ripassare sulle superfici gia fuse con un set di parametri diverso (potenza del laser e velocità di scansione).

SLS (parte I)

SLS = Selective Laser Sintering (Sinterizzazione Laser Selettiva) è un processo di fabbricazione a strati successivi che permette di generare oggetti in 3 dimensioni costruendoli mediante successivi strati di materiale in polvere che vengono deposti uno sopra all'altro.
Il legame del materiale (binding) avviene avviene fornendo energia termica attraverso un raggio laser focalizzato.
La tecnologia SLS viene utilizzate in diversi ambiti:

• Prototpazione rapida (Rapid Prototyping RP) : viene realizzato un prototipo utilizzato per studiare le caratteristiche dimensionali dell'oggetto finale.
• Fabbricazione rapida (Rapid Manufacturing RM) : viene realizzato direttamente l'oggetto finale
• Fabbricazione rapida di intermedi (Rapid Tooling RT) : viene realizzato il tool intermedio (esempio stampo per estrusioni in plastica) necessario a produrre gli oggetti finali.

La classificazione dei processi RT e RM può essere fatta in base a diverse categorie.

1. Tipo di materiale utilizzato (plastica, metallo, ceramica o compositi)
2. Tipo di meccanismo di legame realizzato

La figura seguente mostra i diversi meccanismi di legame che possono essere coinvolti nella tecniche di SLS

(tratto da http://utwired.engr.utexas.edu/lff/symposium/proceedingsArchive/pubs/Manuscripts/2004/2004-06-Kruth.pdf)


Il tipo di legame realizzato dipende dal tipo di materiale utilizzato. In particolare:

• SSS = Sinterizzazione allo Stato Solido: detta TF la temperatura di fusione del materiale, il processo SSS avviene a temperatura comprese tra TF/2 e TF. Tali temperature non sono in grado di portare il materiale in fusione, ma danno avvio ad una serue di reazioni chimiche e fisiche (di cui la più importante è la diffusione) che portano alla creazione di ponti di collegamento tra i vari granuli di materiale.
• Legame indotto chimicamente: in questo caso l'impulso laser fornisce energia bastante a ditruggere i legami chimici dei composti. Gli elementi liberati si ricombinano chimicamente a formare nuovi legami che tengono insieme i granuli.
• LPS = Liquid Phase Sintering (Sinerizzazione in fase liquida - fusione parziale): in questo caso si utilizzano dei composti che sono una miscela di meteriale strutturale e materiale legante. L'energia fornita dal raggio laser è sufficiente a fondere il legante ( o parte di esso) che in tal modo tiene assieme i granuli di materiale strutturale.
• Fusione completa : in questo caso il materiale viene completamente fuso e, raffreddandosi, forma nuovi legami che solidifucano la forma. Questo tipo di legame permette di avere materiali più densi (con poche microcavità interne) e con caratteristiche fisiche e meccaniche comparabili con quelle ottenute con altri tipi di lavorazioni meccaniche (fusione + lavorazioni meccaniche sottrattive)