تطور عامل الشكل المحوري: الكفاءة مقابل الدقة

في المشهد الضوئي الحديث، دفعت الحاجة إلى التصغير إلى الليزر المقرون بالألياف المحورية من مكوّنات الاتصالات السلكية واللاسلكية الصديقة للميزانية إلى عالم الأجهزة الصناعية والطبية عالية الدقة. تاريخياً، غالباً ما كانت الحزمة المحورية تُستبعد في كثير من الأحيان لصالح حزمة الفراشة ذات 14 سنون الأكثر قوة حرارياً. ومع ذلك، شهدت هندسة الغلاف المحوري تحولاً جوهرياً. من خلال التركيز على الميكانيكا الهيكلية للغطاء الأسطواني وتقدم اللحام الآلي بالليزر، تمكنت الصناعة من سد الفجوة بين البصمة المدمجة والثبات الصارم المطلوب للنشر على المدى الطويل.

بنية الوحدة المحورية هي بطبيعتها دراسة في التناظر. وعلى عكس حزمة الفراشة، التي تستخدم وحدة فرعية مسطحة، يعتمد التصميم المحوري على سلسلة من الأسطوانات متحدة المركز. ويعتمد التصميم ديود ليزر يتم توصيل الرقاقة، المثبتة على رأس علبة TO-can، بالألياف من خلال مبيت من الفولاذ المقاوم للصدأ أو مبيت كوفار مُشكَّل بدقة. عملية “التوصيل” هذه هي المكان الذي تحدث فيه معظم الأعطال الفنية. لا يكمن التحدي في تحقيق الاقتران الأولي فحسب، بل في ضمان بقاء المحاذاة دون الميكرون ثابتة عبر آلاف الدورات الحرارية.

فيزياء صيانة الاستقطاب: الانشطارية والأجزاء المطبقة للإجهاد

عندما يتطلب النظام ليزر ليفي يحافظ على الاستقطاب, يزيد تعقيد البصريات الداخلية بأضعاف مضاعفة. تم تصميم ألياف الحفاظ على الاستقطاب (PM) للحفاظ على حالة الاستقطاب الخطي للضوء المنطلق من الصمام الثنائي الليزري. في الألياف القياسية أحادية الوضع، يؤدي أي إجهاد ميكانيكي أو تغير في درجة الحرارة إلى انجراف حالة الاستقطاب بشكل عشوائي، وهو أمر كارثي بالنسبة للمستشعرات القائمة على التداخل أو تطبيقات مضاعفة التردد.

المبدأ الكامن وراء الألياف PM هو “الانكسار المتعمد”. من خلال إدخال الأجزاء المطبقة للإجهاد (SAPs) - وهي عادةً هياكل PANDA أو هياكل ربط القوس - في كسوة الألياف، يتعرض قلب الألياف لإجهاد ميكانيكي دائم. يكسر هذا الإجهاد انحطاط وضعي الاستقطاب المتعامدين (المحورين “السريع” و“البطيء”). ينتقل الضوء المنطلق في المحور البطيء بسرعة طور مختلفة عن الضوء في المحور السريع. ويمنع عدم تطابق الطور هذا الضوء من الاقتران بين المحورين، وبالتالي الحفاظ على حالة الاستقطاب الأصلية.

بالنسبة للمهندس، المقياس الحرج هو نسبة انقراض الاستقطاب (PER). إذا لم تتم محاذاة وضع الصمام الثنائي الليزري (المستعرض الكهربائي) في الصمام الثنائي الليزري (TE) بشكل مثالي مع المحور البطيء للألياف، فإن نسبة الانقراض (PER) سوف تتدهور. وينتج عن المحاذاة الخاطئة بمقدار درجة واحدة فقط حد أقصى نظري لنسبة الانقراض يبلغ 35 ديسيبل تقريبًا. في التصنيع في العالم الحقيقي، يؤدي تحقيق معدل PER من 20 ديسيبل إلى 25 ديسيبل في الليزر المقرون بالألياف المحورية تتطلب أنظمة محاذاة نشطة ذات دقة زاوية تبلغ 0.1 درجة أو أفضل.

المحاذاة الضوئية وهندسة الواجهة المحورية

كفاءة الاقتران في محوري ليزر مقترن بالألياف هي دالة عدم تطابق قطر مجال الوضع (MFD). بالنسبة لليزر 1310 نانومتر أو 1550 نانومتر، يكون قطر مجال الوضع (MFD) عادةً حوالي 9 إلى 10 ميكرومتر. ولربط الضوء في هذا المركز، يتم وضع عدسة دقيقة (غالبًا ما تكون عدسة كروية أو عدسة شبه كروية) بين واجهة الليزر وطرف الألياف.

تأثير اختلال المحاذاة العرضية والمحورية

1. اختلال المحاذاة المستعرضة: يمكن أن يؤدي إزاحة بمقدار ميكرومتر واحد فقط في المحور X أو Y إلى فقدان طاقة تزيد عن 10 في المائة. في الحزمة المحورية، غالبًا ما يحدث هذا الإزاحة بسبب التبريد غير المتساوي للحامات الليزرية أثناء عملية التصنيع.
2. اختلال المحاذاة المحورية: تؤثر المسافة بين العدسة ولب الألياف على موضع “خصر الحزمة”. إذا لم يتم تركيز الحزمة بدقة على واجهة الألياف، فإن عدم تطابق الفتحة العددية (NA) سيؤدي إلى “أوضاع الكسوة”، حيث ينتقل الضوء في الكسوة بدلاً من القلب، مما يؤدي إلى التسخين وضوضاء الإشارة.
3. اختلال الزوايا: هذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص للألياف PM. إذا كان طرف الألياف مائلاً، فإنه يؤدي إلى “إمالة مقدمة الطور”، مما يؤدي إلى تدهور الاقتران ويمكن أن يؤدي إلى انعكاسات خلفية غير مرغوب فيها في تجويف الليزر.

اللحام بالليزر: معيار التثبيت غير العضوي

في البيئات ذات الموثوقية العالية، فإن استخدام الإيبوكسيات لتثبيت الألياف في الليزر المقرون بالألياف المحورية يتم التخلص التدريجي منها بشكل متزايد. وتعاني الإيبوكسيات من امتصاص الرطوبة وانبعاث الغازات ومعامل التمدد الحراري العالي (CTE). وبدلاً من ذلك، اعتمدت الصناعة “اللحام بالليزر النشط”.”

أثناء عملية التضفير يتم إمساك الألياف بواسطة قابض آلي وتحريكها حتى يتم تعظيم طاقة الخرج (ويتم تحسين PER لأنظمة PM). وبمجرد العثور على “البقعة المثالية”، يتم إطلاق أشعة ليزر Nd:YAG متعددة في وقت واحد للحام غلاف الفولاذ المقاوم للصدأ برأس العلبة. يعد التزامن أمرًا حاسمًا؛ فإذا تم لحام أحد الجانبين قبل الآخر، فإن التسخين الموضعي سيؤدي إلى سحب الغلاف من المحاذاة - وهي ظاهرة تعرف باسم "إزاحة ما بعد اللحام" (PWS).

تتطلب هندسة نظام اللحام غير العضوي من النظام فهماً عميقاً لمعادن المبيت. وباستخدام الفولاذ منخفض الكربون غير القابل للصدأ وأشكال نبضات اللحام المحسّنة، يمكن للمصنعين تحقيق رابطة مستقرة وغير عضوية تحافظ على وضع دون الميكرون من -40 إلى +85 درجة مئوية.

علم المواد والإدارة الحرارية في التصاميم المحورية

أحد الانتقادات الرئيسية ل الليزر المقرون بالألياف المحورية هو عدم وجود مبرد حراري كهربائي داخلي (TEC). فبدون وجود TEC، تتقلب درجة حرارة رقاقة الليزر مع البيئة المحيطة. وهذا يؤدي إلى عقبتين هندسيتين رئيسيتين:

• انجراف الطول الموجي: تنحرف معظم أشباه الموصلات الليزرية بمقدار 0.3 نانومتر لكل درجة مئوية. في تطبيقات الاستشعار حيث يجب أن يكون الطول الموجي مستقرًا، يجب تركيب الوحدة المحورية على مبدد حراري خارجي أو “لوح تبريد”.”
• الموثوقية: تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع تقادم وجه الليزر. لضمان موثوقية ليزر ليفي يحافظ على الاستقطاب في حزمة متحدة المحور، يجب تقليل المقاومة الحرارية بين الرقاقة والمبيت الخارجي. ويتم تحقيق ذلك من خلال لحام عالي التوصيل من الذهب والقصدير (AuSn) والوصلات النحاسية الفرعية ذات الوجه الدقيق.

من من منظور على مستوى النظام، غالبًا ما يكون اختيار الوحدة المحورية على وحدة الفراشة قرارًا يتعلق بـ “الميزانية الحرارية”. إذا كان النظام يمكن أن يستوعب حل تبريد خارجي، فإن الحزمة المحورية توفر انخفاضًا كبيرًا في كل من الحجم المادي والتكلفة دون التضحية بالأداء البصري.

تقييم الموثوقية: من سلامة المكونات إلى طول عمر النظام

عند تقييم تكلفة الليزر المقرون بالألياف المحورية, يجب على المرء أن يأخذ في الحسبان بروتوكولات “الاحتراق” و“الفحص”. إن المكوّن الذي يفشل بعد 1000 ساعة في أداة تشخيص طبية أو جهاز استشعار تحت سطح البحر يكون أغلى بكثير من وحدة ذات سعر ممتاز مع متوسط زمن معتمد للفشل (MTTF) يبلغ 100000 ساعة.

يتم بناء الموثوقية من خلال:

1. اختبار الإحكام: استخدام كاشف تسرب الهيليوم لضمان حماية رقاقة الليزر من الأكسجين والرطوبة في الغلاف الجوي.
2. تدوير درجة الحرارة: تعريض المجموعة الملحومة لتقلبات حرارية سريعة “لاختبار إجهاد” اللحامات بالليزر ومحاذاة الألياف PM.
3. الاهتزازات والصدمات: ضمان عدم تحول البصريات الدقيقة تحت الضغوط الميكانيكية للتشغيل الصناعي.

دراسة حالة: تطوير جيروسكوب الألياف البصرية عالي الدقة (FOG)

خلفية العميل:

شركة مصنعة لأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي للمركبات المستقلة تحت الماء (AUVs). تطلب التطبيق مصدر ضوء مضغوط للغاية بحجم 1550 نانومتر لمقياس جيروسكوب الألياف البصرية (FOG).

التحديات التقنية:

استخدم الحل السابق للعميل حزمة فراشة، والتي كانت ضخمة جدًا بالنسبة لمبيت المستشعر المصغر الجديد. لقد حاولوا التحول إلى ليزر قياسي مقترن بالألياف المحورية، لكن ثبات الاستقطاب لم يكن كافيًا. ويتطلب جهاز FOG نسبة عالية للغاية من PER وضوضاء كثافة نسبية منخفضة للغاية (RIN) للكشف عن تأثير Sagnac بدقة.

• التحدي 1: تحقيق معدل PER > 22 ديسيبل في حزمة محورية.
• التحدي 2: الحفاظ على ثبات الطاقة < 1% على مدى درجة الحرارة الكاملة من 0 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية.
• التحدي 3: قيود المساحة القصوى (إجمالي طول الوحدة < 25 مم).

المعلمات الفنية والإعدادات الفنية:

• المكوّن: متحد المحور 1550 نانومتر ليزر مقترن الألياف PM.
• الألياف: PM1550 (PANDA) مع مخزن مؤقت 900 ميكرومتر للحماية الميكانيكية.
• الاصطفاف: محاذاة نشطة من 6 محاور تستهدف المحور البطيء.
• التثبيت: 3 نقاط لحام بالليزر متزامن بالليزر.

حل مراقبة الجودة (QC):

قمنا بتنفيذ بروتوكول فحص 100% لـ “نسبة الانقباض على درجة الحرارة”. تم وضع الوحدة في غرفة حرارية أثناء مراقبة حالة استقطابها. تم رفض أي وحدة تُظهر “نسبة استقطاب متقاطع” أعلى من -20 ديسيبل عند أي نقطة حرارة. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار رقاقات الليزر مسبقًا لخصائص منخفضة الضوضاء لتقليل RIN.

الخلاصة:

من خلال الانتقال الناجح إلى ليزر ليفي يحافظ على الاستقطاب في شكل محوري، قلل العميل من بصمة المنضدة البصرية بمقدار 60%. وقد وفرت البنية الملحومة بالليزر الصلابة الميكانيكية اللازمة لبيئة المركبة ذاتية القيادة ذات الاهتزازات العالية، وضمنت المحاذاة النشطة PM أن يظل انحراف انحراف الجيروسكوب ضمن المواصفات المطلوبة دون درجة في الساعة.

جدول مقارنة البيانات: المحوري مقابل الفراشة لتطبيقات PM

يقدم الجدول التالي مقارنة فنية لمساعدة المهندسين على تحديد الحزمة المناسبة لتطبيقاتهم الحساسة للاستقطاب.

الأسئلة الشائعة الاحترافية: هندسة الألياف المحورية والألياف PM

س1: هل يمكن لليزر المقرون بالألياف المحورية التعامل مع الطاقة العالية؟

بشكل عام، تستخدم الوحدات المحورية لقوى أقل من 50 ميجاوات للوضع الأحادي و100 ميجاوات للوضع المتعدد. ولأنها تفتقر إلى التبريد النشط الداخلي، فإن التشغيل عالي الطاقة يؤدي إلى تدهور سريع للرقاقة ما لم يكن المسار الحراري الخارجي فعالاً بشكل استثنائي. بالنسبة للطاقة على مستوى الواتس، تكون الفراشة أو حزمة التبريد الأكبر إلزامية.

س2: ما هو “إجهاد الضفيرة” وكيف يؤثر على الألياف PM؟

عندما يتم سحب ضفيرة الألياف أو لفها بإحكام، فإنها تُحدث إجهادًا خارجيًا. في الليزر الليفي الذي يحافظ على الاستقطاب، يمكن أن يطغى هذا الإجهاد الخارجي على الإجهاد الداخلي للألياف الليفية SAPs، مما يتسبب في دوران حالة الاستقطاب. هذا هو السبب في أن الألياف PM غالبًا ما تحتوي على مخازن مؤقتة أكثر سمكًا ويجب التعامل معها بنصف قطر انحناء لا يقل عن 30 مم.

س3: هل PER وحدة نمطية دائمة؟

في حين أن المحاذاة الميكانيكية للألياف مع الرقاقة دائمة في الوحدة الملحومة بالليزر، يمكن أن يتغير “PER المرصود” في نهاية الألياف إذا تعرضت الألياف لإجهاد ميكانيكي شديد أو إذا تم تشغيل الصمام الثنائي الليزري بما يتجاوز تياره التصميمي، مما قد يغير بنية الوضع الطيفي.

س4: كيف يؤثر الانعكاس الخلفي على ليزر الألياف الليفية PM؟

يعد الانعكاس الخلفي مصدر قلق كبير. إذا انعكس الضوء عن موصل الإخراج وعاد إلى رقاقة الليزر، فقد يتسبب ذلك في أن يصبح الليزر “غير مقفل” أو صاخبًا. في أنظمة PM، يمكن أيضًا أن تكون هذه الانعكاسات مستقطبة بشكل متقاطع، مما يزيد من تدهور البير. يعد استخدام موصل التلامس الفيزيائي المائل (APC) ضروريًا لهذه الوحدات.

س5: لماذا يتم استخدام “المحور البطيء” للمحاذاة بدلاً من “المحور السريع”؟

حسب الاصطلاح، تتم محاذاة المحور البطيء للألياف PM مع محور الاستقطاب الرئيسي (وضع TE) لصمام الليزر الثنائي. يكون المحور البطيء أكثر ثباتًا ضد التغيرات البيئية لأن الأجزاء التي تطبق الضغط توفر بئرًا محتملًا أعمق لحالة الاستقطاب، مما يجعل من الصعب على الضوء “القفز” إلى المحور السريع.