Ожидаемый срок службы RBA и RBAT квантронов

 

 

Райан FeelerPh.D.2, Джей Doster, доктор философии, и Faming Сю, доктор философии  Northrop Grumman продукции Cutting Edge Optronics, 20 Вест-Пойнте, ул., Сент-Чарльз, штат Миссури США 63301

Представлены ускоренные тестовые данные по времени жизни и проведен их анализ для того, чтобы предсказать ожидаемый срок службы РБА и RBAT лазерных модулей в типичных условиях эксплуатации. Прогнозируется время жизни от 30000 - 120000 часов

Также представлена дополнительную информация о сроках службы квантронов, работающих при токах, отличающихся от номинальных значений.

 

1. ВВЕДЕНИЕ

DPSS лазеры используются в различных промышленных применениях, включая маркировку, микрообработку, резку и сварку. Во всех этих случаях очень важно для лазерной системы иметь длительный срок службы. и требовать минимального обслуживания  после установки. Жизнь лазера порядка нескольких лет сейчас требуемый стандарт в индустрии. Есть много критических факторов в производстве DPSS лазеров, пригодных для длительного использования в промышленных условиях.

Особое внимание должно быть уделено в ходе проектирования и изготовления для того, чтобы лазер не был чувствителен к типу окружающей среды, в которой, вероятно, ему придеться работать. Это требует от лазера быть стабильным в диапазоне рабочих температур и вибраций. Кроме того, должны быть использованы высокого качества оптические компоненты для того чтобы свести к минимуму деградацию лазера, связанную с изменением свойств линз, зеркал, фазовых и прочих оптических элементов.

Основой любого промышленного DPSS лазера является лазерный модуль или квантрон.  Фирмой Northrop Grumman Cutting Edge Optronics разработано несколько семейств лазерных модулей усиления - в том числе RBА и RBAT серии. Эти квантроны используются во многих тысячах лазерных установок по всему миру. Они обеспечивают отлично мощность, качество пучка и стабильность в течение нескольких лет эксплуатации. Примерами таких модулей показан на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1. RBА (слева) и RBAT (справа) квантроны производства NGCEO. Все RBА и RBAT модули выдерживают несколько  лет непрерывной эксплуатации.

Наиболее важным фактором в создании квантронов индустриального стандарта являются накачные диодные сборки с большим временем жизни. Настоящая статья посвящена недавно  полученным тестовым данным по временам жизни линеек и сборок, применяемых в квантронах NG CEO.

2. Ускоренные ресурсные испытания

Один из наиболее сложных аспектов, связанных с получением достоверных данных теста на время жизни состоит в том, что тест обычно занимает значительное время. Один из способов уменьшить время, требуемое для выполнения ускоренных испытаний на время жизни. принятый в лазерной индустрии, сть испытания при повышенных температурах и токах. NG CEO выбрало в своих тестах увеличение токов как ускоряющий фактор, сохраняя неизменным стандартное значение температуры 25С. При указанных условиях отношение скоростей деградации при  двух значениях токов выражается формулой:

где D1 и D2 темпы деградации при токах I1 и I2 соответственно. Ключ к пониманию ускорение

Таблица 1. Образцы, используемые в эксперименте,  для ускоренных ресурсных испытаний.

Эти образцы были проверены в одном из стандартных станций NGCEO для ресурсных испытаний в течение нескольких месяцев. Данные для каждого образца были использованы для расчета средней скорости деградации при каждом значении тока. Эти данные были нормированы относительно скорости для тока 20А, принятой за 1.

Полученные данные представлены голубыми ромбами на рисунке 1 вместе с расчетными кривыми для значений п  от n=1 до п = 5. Данные эксперимента хорошо согласуются с кривой для п = 4 кривой, так что этот фактор ускорения будет использоваться для дальнейшего анализа в этой статье.

 

Рисунок 2. Деградация в зависимости от тока, нормированная на 20А.

 

3. Типовые условия эксплуатации - Патара лазер

Для того чтобы понять, как интерпретировать факторы ускорения и данные тестовых ресурсных испытаний, которые будут представлены ниже, набор типичных условий эксплуатации должны быть определены. Хотя NGCEO продает RBА и RBAT лазерные модули (квантроны) для широкого круга заказчиков OEM, он также включает их в свою собственную линию DPSS лазеров, известных как серия Патара (см.Рисунок 3). Патара лазеры доступны в инфракрасном (1064) или зеленом (532 нм) конфигурациях, со средней выходной мощностью от 20-400W в инфракрасном и 16-100W на 532 нм.

 

Рисунок 3. NGCEO Патара лазер. Патара использованный для этого примера генерирует 16W средней мощности на 532 при 10 кГц (АО модуляция).

Лазер использованный для определения набора номинальных условий эксплуатации RBА и RBAT квантронов был 16W Патара зеленый лазер. Основные спецификации этого лазера приведены в таблице 2. Лазер содержит один лазерный RBAT24 модуль, который работает при номинальном токе 22-23А. Следует отметить, что при том что лазерный модуль производит 16W зеленого 532 нм излучения в данном резонаторе, он рассчитан на 50 Вт ИК излучения в многомодовом режиме.

Таблица 2. Основные технические характеристики 16W зеленого Патара лазера.

 

 

Рисунок 4 содержит данные из репрезентативной выборки (размер выборки = 96)  16W зеленых лазеров Патара, отправленных NGCEO своим заказчикам.

Каждая точка на графике соответствует измеренной мощности лазера до того, как он был отправлен с завода NGCEO.

Эта рабочая точка выбиралась на основе ряда критериев, в том числе формы пучка, мощности и стабильности. Измеренная мощность намного превышает 16W спецификации в каждом конкретном случае. Для этой выборки, средний ток был равен 22.6A. Это значение тока будет использоваться в последующих обсуждениях ожидаемого времени жизни.

               

Рис.4.  Представительные данные (для выборки из 96 штук) 16W зеленых ПАТАРА лазеров,отправленных NGCEDO своим заказчикам. По оси У - мощность излучения 532 нм в TEMoo резонаторе, по оси Х - ток CW накачки

 

4. Расширенный ресурсный тест

Для того, чтобы понять ожидаемый срок службы модулей NGCEO при номинальном токе, определенным выше, расширенный ресурсный тест был проведен в ускоренном режиме. Двадцать девять лазерных диодных линеек были корпусированы и проверены на время жизни в течении примерно 25000 часов при 28А. Этот ток примерно на 24% выше, чем номинальный раболчий ток, используемый в Патара лазере, описанном в разделе 3. На основании полученных отношений в разделе 2, это условие теста представляет собой фактор ускорения приблизительно 2.4. Таким образом, деградация показано на нижнем графике примерно в 2,4 раза сильнее, чем можно было бы ожидать при номинальном рабочем токе 22.6A в RBА и RBAT квантронах.

Рисунок 5. Ускоренное испытание на время жизни диодных линеек, используемых в RBА и RBAT квантронах NGCEO. Эти результаты коррелируют с ожидаемом временем жизни примерно 120 000 часов при номинальном рабочем токе.

 

 

NGCEO обычно определяет время жизни своих лазерных диодных линеек и лазерных модулей усиления, как время, когда мощность деградирует на 20% при постоянном токе. Худшие из всех диодов в этой серии ресурсных испытаний дошли до конца жизни за 13000 часов. Это соответствует примерно 31 000 часов при номинальном рабочем токе. 
Важно однако отметить, что каждый квантрон содержит целый ряд линеек (обычно 9-15).
Конструкция модулей усиления такова, что время жизни  модуля определяется средней деградации множества диодных линеек, а не деградации худшего диода в модуле.
Исходя из этого определения времени жизни и предыдущих ускоренных ресурсных испытаний, был рассчитан набор сводных статистических данных. Эти данные приведены в таблице 3. Худший сценарий предполагает, что все диоды в квантроне  имеют одинаковые характеристики деградации с наихудшими результатами примера на рисунке 5. Хотя это чрезмерно пессимистичный сценгарий, он всеже представляет собой продукт со временем жизни около 3,5 лет.

Таблица 3. Сводка результатов ускоренных испытаний времени жизни



Средний срок службы, приведенный в таблице 3, основан на средней скорости деградации всех 29 образцов, полученной в ходе ресурсных испытания, масштабированных на фактор ускорения (0,17% на тысячу часов). Это скорость деградации была экстраполирована, чтобы определить ожидаемое время жизни,
т.е. время, в течение которого средний образец будет деградировать на 20%, что составляет примерно 120 000 часов (13,6 года).
Хотя NGCEO всегда неохотно базируется на данные, полученные путем экстроаполяции ресурсных тестов, все же можно ожидать, что квантрлоны NGCEO, работающих при номинальном токе, должны выдерживать непрерывную работу значительную часть десятилетия. Исходя из консервативного анализа полученных результатов и данных, полученных от клиентов NGCEO,  
можно ожидать время службы больше пяти.
 

5. ВЫВОДЫ

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics разработала линию лазерных модулей усиления (квантронов), которые могут быть использованы в широком  спектре различных применений. Эти квантрлоны обладают исключительно долгим сроком жизни. Для того чтобы определить ожидаемый срок службы при номинальных условиях эксплуатации, были проведен ускоренный тест с ускорением в 2,4 раза на 29 образцах. Эти данные свидетельствуют об ожидаемом сроке службы  в 120000 часов (13 лет) при работе при номинальных условиях. Поэтому эти квантроны могут  служить прекрасным строительным блоком для многих промышленных DPSS лазеров.