Processi di assemblaggio di diodi laser di alta potenza: studio dell’influenza di stress meccanici sul grado di polarizzazione

Nowadays, in the medical (surgery, cosmetic) and industrial processing of metallic materials field (cutting, soldering, additive manufacturing), high power semiconductor lasers play a key role as an energy source. High power is required in these applications and it is often obtained through the combination of laser beams emitted by single sources (Chip on Carrier, CoC). Among the many ways to combine beams, the most efficient is the spatial beam combining, however it requires very strict characteristics of single emitters. Among them, there is the polarization purity of the emitted beam, which means the power percentage standing in a pure polarization state (typically transverse electric, TE) compared to the total power emitted. The polarization purity, also defined as “Degree of Polarization” (DoP), is strongly influenced by mechanical characteristics, in particular the stress induced by technological operations by the processing of the semiconductor crystal in the laser diode. Technology adopted for the assembly in multi-emitter modules for spatial beam combining of single sources is particularly relevant. In this thesis, the influence of assembly processes (soldering) on the Degree of Polarization of industrially produced laser diodes is studied through the evaluation of the mechanical stress effects induced on the semiconductor in function of the different soldering parameter combinations. Data obtained makes it possible to identify some assembly conditions which are highly critical for polarization state preservation and they suggest some possible optimizations to increase the power emitted and to get better performances in the production process.

Nell’ambito medico (chirurgia, estetica) e del processing industriale di materiali metallici (taglio, saldatura, additive manufacturing), i sistemi laser a semiconduttore ad alta potenza ad oggi rivestono un ruolo chiave come sorgenti di energia. Le alte potenze richieste in queste applicazioni sono spesso ottenute mediante l’accoppiamento di fasci laser emessi da sorgenti singole (Chip on Carrier, CoC). Tra i vari schemi di accoppiamento, la cosiddetta multiplazione spaziale (beam combining) è tra le più efficaci ma richiede stringenti caratteristiche dei singoli emettitori. Tra queste la purezza di polarizzazione del fascio emesso, rappresentante la percentuale di potenza in uno stato di polarizzazione puro (tipicamente trasverso elettrico, TE) rispetto alla potenza totale emessa. La purezza di polarizzazione, anche definita come “grado di polarizzazione” (Degree of Polarization, DoP) è fortemente influenzata da caratteristiche meccaniche, in particolare dagli stress indotti dalle operazioni tecnologiche di processamento del cristallo di semiconduttore in diodo laser. Di particolare impatto sono le tecnologie adottate nell’assemblaggio in moduli mediante multiplazione spaziale delle singole sorgenti. Nella presente tesi di laurea è stata studiata l’influenza dei processi di assemblaggio (saldature) sul grado di polarizzazione di diodi laser prodotti industrialmente, attraverso la valutazione degli effetti degli stress meccanici indotti sul semiconduttore in funzione di diverse combinazioni di parametri di saldatura. I dati ottenuti hanno permesso di individuare alcune condizioni di assemblaggio fortemente critiche rispetto alla preservazione dello stato di polarizzazione e di suggerire possibili ottimizzazioni per l’incremento delle potenze emesse e delle rese del processo produttivo.