Как да оценим продължителността на живота на диодите в оборудването за лазерна терапия?

1, Основните фактори, влияещи върху продължителността на живота на диода
Продължителността на живота на лазерните диоди е ограничена от множество фактори, сред които температура, ток и оптична мощност са трите ключови променливи:

температурен ефект
За всеки 10 градуса увеличение на температурата на диодния преход, продължителността на живота се намалява с 50% -70%. Например, за GaAlAs лазерен диод с дължина на вълната 850 nm, праговият ток се увеличава с около 1% за всеки 1 градус увеличение на температурата; Праговият ток на InGaAs лазерен диод с дължина на вълната 1300nm се увеличава с около 2% за всеки 1 градус повишаване на температурата. Високата температура може да ускори окисляването на повърхността на кухината, растежа на дислокациите и дифузията на метала, което води до разграждане на електрода или повреда на свързването.
Текущ стрес
Когато управляващият ток надвиши 80% от номиналната стойност, диодът влиза в състояние на висок стрес, нерадиационната рекомбинация се увеличава и светлинната ефективност намалява. Например, определен модел лазерен диод ускорява стареенето при 70 градуса и 1,2 пъти номиналния ток, а изчисленото средно време между отказите (MTTF) надхвърля 100 000 часа. Въпреки това, при реална употреба, ако токът варира често, продължителността на живота може значително да се съкрати.
оптична плътност на мощността
Високата плътност на мощността може да влоши оптичното увреждане на повърхността на кухината (COD), особено в импулсен работен режим, където моментната пикова мощност може да надхвърли прага на увреждане на повърхността на кухината, което води до катастрофална повреда. Например високо{1}}мощен лазерен диод има среден живот от 2,19 × 10 ⁹ импулси при работен цикъл от 10%, ток от 90 A и температура на водата от 20 градуса; Когато температурата на водата се повиши до 35 градуса, продължителността на живота намалява до 1,65 × 10 ⁹ импулси.
2, Стандартизирани методи за изпитване за оценка на живота
За да съкрати цикъла на оценка, индустрията обикновено приема тест за ускорено стареене (ALT), който симулира дългосрочни-сценарии на употреба чрез повишаване на температурата или тока и комбинира статистически модели за изчисляване на действителния живот:

Тестов режим на ускорено стареене
Режим на постоянна мощност (APC): поддържа изходната оптична мощност постоянна чрез верига за обратна връзка, симулиращ действителното работно състояние. Например, определена система за тестване използва външни фотодетектори или вътрешни диоди за наблюдение, за да наблюдава мощността в реално време. Когато изходната мощност намалее с 20% или захранващият ток се увеличи с 20%, продължителността на живота се определя като прекратена.
Режим на постоянен ток (ACC): Поддържайте тока на задвижване постоянен и наблюдавайте промените в оптичната мощност във времето. Този метод е подходящ за изследване на механизмите на разграждане, но се различава значително от реалните условия на работа.
Основни параметри на тестване
Прагов ток (Ith): отразява нарастването на дефектите в активната област. По време на процеса на стареене Ith нараства логаритмично с времето. Когато Ith достигне 1,5 пъти първоначалната стойност, обикновено се счита, че диодът е повреден.
Ефективност на наклона (η): характеризира ефективността на фотоелектричното преобразуване. 30% намаление на η или 50% намаление на изходната мощност може да се използва като критерий за край-на-живот.
Право напрежение (Vf): отразява промяната в контактното съпротивление на електрода. Необичайно увеличение на Vf може да показва влошаване на свързването или дифузия на метал.
Статистически модели и екстраполация на продължителността на живота
Въз основа на уравнението на Арениус екстраполирайте продължителността на живота при стайна температура чрез данни от теста за високо{0}}температурно ускорение. Например животът на определен лазерен диод е 2300 часа при 70 градуса, а животът при стайна температура (25 градуса) може да се екстраполира до над 100 000 часа чрез изчисляване на енергията на активиране (Ea=0.7eV). Освен това моделът на нормалното логаритмично разпределение може да се използва за анализиране на средния живот и разпределението на честотата на отказите.
3, Анализ на режима на отказ и стратегия за оптимизиране на живота
Повредите на лазерните диоди могат да бъдат разделени на три категории и трябва да се предприемат целенасочени мерки за оптимизация:

Ранен провал
Причинени от производствени дефекти (като дислокации, замърсяване на повърхността на кухината) или проблеми с опаковката (като виртуално запояване на радиатора), обикновено възникващи в рамките на 50-100 часа след първоначалната работа. Решението включва:
Строга проверка: Устройствата с ранна повреда се отстраняват чрез високо{0}}тест за стареене при висока температура.
Оптимизирано опаковане: Възприемане на евтектично заваряване, радиатор с ниско термично съпротивление и херметично опаковане за намаляване на топлинния стрес.
Случайна повреда
Причинени от външни фактори като електростатичен разряд (ESD), електрически удари или механични вибрации. Защитните мерки включват:
ESD защита: Интегрирайте TVS диоди във веригата на драйвера, за да ограничите пиковете на напрежението.
Потискане на пренапрежението: Използване на верига за плавен старт за избягване на внезапни промени в тока.
Отказ от износване
Основната причина за края-на-живот е разграждането на материала, като окисление на повърхността на кухината и дифузия на метал. Насоките за оптимизация включват:
Подобряване на материала: Възприемане на технологията за неабсорбираща кухина (NAB) за намаляване на термичните щети, причинени от абсорбцията на светлина.
Дизайн на разсейване на топлината: Използвайте микроканални охладители или полупроводникови охладители (TECs), за да контролирате температурата на прехода в безопасен диапазон.
Стратегия на шофиране: Използване на модулация на ширината на импулса (PWM) или динамично управление на мощността за намаляване на средната оптична плътност на мощността.
4, Случаи на приложение в индустрията и поддръжка на данни
Калъф за медицинско лазерно оборудване
Определен модел твърдотелен -лазер (DPL) с диодна помпа се използва за дерматологично лечение и неговият живот се определя като приключващ, когато изходната мощност е под 70% от номиналната стойност. Чрез оптимизиране на процеса на полиране на кристала за удвояване на честотата (KTP) и контролиране на плътността на мощността вътре в кухината, продължителността на живота на лазера е удължена от 5000 часа до над 10000 часа.
Данни за високомощен лазерен диод
Лазерният диод с квази непрекъсната вълна (QCW) има изходна мощност от 91 W, ефективност на наклона от 1,16 W/A и средна продължителност на живота от 2,19 × 10 ⁹ импулси при стайна температура и работен цикъл от 10%. Чрез подобряване на процеса на опаковане на много-слойно запояване толерантността към температурата на околната среда е увеличена от 20 градуса на 35 градуса, а скоростта на влошаване на продължителността на живота е намалена с 25%.