يعتمد المشهد الصناعي الحديث بشكل متزايد على التوصيل الدقيق للضوء. في التسلسل الهرمي للضوئيات، فإن ديود ليزر مقترن بالألياف تمثل قمة التكامل الكهروميكانيكي البصري. وعلى عكس الصمامات الثنائية الباعثة للضوء المباشر، التي تسلط الضوء في الفضاء الحر بتباعد وعدم تناسق عالٍ، فإن وحدة ليزر الليفي يغلف فيزياء تشكيل الحزمة المعقدة لتقديم حزمة دائرية ومتجانسة ومرنة. ويكمن التحدي بالنسبة لمهندس المشتريات أو مصمم النظام في التغلب على الفجوة بين المواصفات النظرية والواقع القاسي للتدهور الحراري والميكانيكي طويل الأجل.

الاتندة الضوئية وفيزياء كفاءة الاقتران

لفهم جوهر وحدة ليزر ديود, ، يجب أولاً تناول مفهوم الإيتندو - “المدى الهندسي” للضوء. في أي نظام بصري سلبي، لا يمكن تقليل Etendue (حاصل ضرب مساحة المصدر وزاويته الصلبة). تقاطع أشباه الموصلات في نظام بصري عالي الطاقة ديود ليزر يبلغ ارتفاعه عادةً 1 ميكرومتر (المحور السريع) وعرضه من 100 ميكرومتر إلى 200 ميكرومتر (المحور البطيء).

يُظهر المحور السريع، نظرًا لكونه محدود الحيود، تباعدًا يتراوح بين $30^\circ$ إلى $40^\circ$، في حين أن المحور البطيء، لكونه متعدد الأوضاع، لديه تباعد أقل من $6^\circ$ إلى $10^\circ$ ولكن مساحة انبعاث أكبر بكثير. الهدف الهندسي لـ ليزر مقترن بالألياف هو تخطيط هذا الانبعاث المستطيل والبعيد النظر للغاية في القلب الدائري للألياف الضوئية (عادةً 105 ميكرومتر أو 200 ميكرومتر) دون تجاوز الفتحة العددية للألياف (NA).

يتم تحقيق اقتران عالي الكفاءة من خلال سلسلة من العدسات الدقيقة. ويُعد المصادم سريع المحور (FAC) هو المكون الأكثر أهمية. ونظرًا للتباعد الشديد، يجب أن يكون المصادم سريع المحور عدسة لا كروية ذات معامل انكسار عالٍ (عادةً $n > 1.8$)، وموضوعة على مسافة عمل غالبًا ما تكون أقل من 100 ميكرومتر من وجه الصمام الثنائي. ويؤدي أي ميل دون الميكرون في مركز التحكم في الألياف الضوئية إلى “خطأ في التوجيه”، والذي يظهر على شكل طاقة مفقودة عند نقطة دخول الألياف وتسخين موضعي يمكن أن يدمر الوحدة.

الإدارة الديناميكية الحرارية وموثوقية تقاطعات أشباه الموصلات

A ليزر ديود الليفي النظام هو في الأساس محرك حراري بكفاءة 50% تقريبًا. يتم تحويل 50% المتبقية من المدخلات الكهربائية إلى حرارة عند وصلة PN. في التطبيقات ذات الطاقة العالية، مثل 200 واط وحدة ليزر الليفي, ، يجب تبديد 200 واط من الحرارة المهدرة من البصمة المجهرية.

وضع الفشل الأساسي للصمامات الثنائية عالية الطاقة هو تلف المرآة الضوئية الكارثي (COMD). ويحدث هذا عندما ترتفع درجة الحرارة في الواجهة بدرجة كافية لإذابة مادة أشباه الموصلات. ولمنع حدوث ذلك، يجب تحسين مسار الإغراق الحراري لمقاومة حرارية منخفضة ($R_{th}$).

1. مواد فرعية: تستخدم الوحدات عالية الأداء وحدات فرعية من نيتريد الألومنيوم (AlN) أو الماس. يوفر AlN موصلية حرارية تبلغ 170 واط/م كلفن تقريبًا، والأهم من ذلك، معامل التمدد الحراري (CTE) الذي يضاهي زرنيخيد الغاليوم (GaAs). وهذا يمنع الإجهاد الميكانيكي أثناء التدوير الحراري.
2. سلامة اللحام: أدى الانتقال من الإنديوم (اللحام الناعم) إلى AuSn (لحام الذهب والقصدير الصلب) إلى إعادة تعريف موثوقية الصناعة. في حين أن الإنديوم يمكن أن “ينزلق” تحت الضغط الحراري - مما يؤدي إلى اختلال المحاذاة البصرية - يوفر AuSn واجهة صلبة عالية الانصهار تضمن بقاء الصمام الثنائي بمحاذاة البصريات الدقيقة طوال فترة عمره الافتراضي الذي يزيد عن 20000 ساعة.
3. تبريد نشط: بالنسبة للوحدات التي تتجاوز 100 واط، غالبًا ما يكون التوصيل السلبي غير كافٍ. يتضمن التبريد بالقنوات الدقيقة (MCC) حفر مسارات مجهرية مباشرة في الصفيحة النحاسية، مما يسمح لسائل التبريد عالي الضغط بالتدفق على بعد ملليمترات من مصدر الحرارة.

التوسع الدلالي: التكنولوجيات الفرعية الحرجة في وحدات الليزر

بالإضافة إلى الانبعاثات الأساسية، هناك العديد من التقنيات المتقدمة التي تحدد جودة وحدة ليزر ديود:

• التحكم في العرض الطيفي (VBG): في تطبيقات مثل التحليل الطيفي لرامان أو ضخ الفلزات القلوية، يكون العرض الطيفي القياسي 3-5 نانومتر واسعًا جدًا. من خلال دمج مقياس حجم براغ الشبكية (VBG)، يمكن للوحدة تحقيق عرض خطي أقل من 0.1 نانومتر. ويؤدي هذا أيضًا إلى استقرار الطول الموجي المركزي ضد التحولات في درجة الحرارة، مما يقلل من الحاجة إلى دقة التبريد القصوى.
• تجريد وضع الكسوة: ينتقل الضوء الذي يفشل في دخول قلب الألياف عبر الكسوة. إذا لم تتم إزالته، يمكن لهذا الضوء أن يحرق الغلاف الليفي أو المكونات الداخلية للنظام. عالية الجودة ليزر مقترن بالألياف تتضمن التصميمات أجهزة تعرية الوضع المدمجة التي تبدد هذا الضوء الشارد بأمان في المبيت.
• مستشعرات مدمجة: الموثوقية مبنية على البيانات. تشتمل الوحدات الاحترافية الآن على ثرمستورات NTC لرصد درجة الحرارة، وصمامات ثنائية ضوئية للحصول على تغذية راجعة للطاقة في الوقت الحقيقي، ومستشعرات “Fiber-On” لاكتشاف ما إذا كان كابل الألياف مثبتًا بشكل صحيح، مما يمنع الانبعاثات العرضية عالية الطاقة.

البيانات الهندسية المقارنة: الاقتران والمعلمات الحرارية

يقارن الجدول التالي بين المتطلبات التقنية النموذجية لمختلف مقاييس اقتران الألياف. يعد فهم هذه المفاضلات أمرًا ضروريًا لاختيار البنية المناسبة لتطبيق صناعي معين.

دراسة حالة: تحسين الليزر المقترن بالألياف الليزرية 976 نانومتر للضخ بالليزر الليفي الصناعي

خلفية العميل:

واجهت إحدى الشركات المصنعة لليزر الألياف الليزرية ذات الموجة المستمرة عالية الطاقة (CW) لقطع المعادن انخفاضًا كبيرًا في الكفاءة في أنظمتها النهائية. وعلى الرغم من استخدام وحدات ضخ بقوة 200 واط، كان الناتج النهائي أقل بـ 151 تيرابايت 3 تيرابايت مما تقترحه النماذج النظرية.

التحدي التقني:

كان العميل يستخدم وحدات وحدة ليزر ليفي 976 نانومتر بدون تثبيت الطول الموجي. تكون ذروة امتصاص الإيتربيوم (الوسيط النشط في ليزر الألياف) ضيقة للغاية عند 976 نانومتر (بعرض 2 نانومتر تقريبًا فقط). مع ارتفاع درجة حرارة ثنائيات المضخة أثناء التشغيل، تحول طولها الموجي إلى 982 نانومتر، مما أدى إلى الخروج من نطاق الامتصاص وتسبب في “ضخ من خلال” - حيث يصل ضوء المضخة غير الممتص إلى نهاية النظام دون المساهمة في كسب الليزر.

تعديلات المعلمات الفنية:

1. قفل الطول الموجي: قمنا بتنفيذ شبكة براج الحجم (VBG) لتثبيت الطول الموجي عند 976.0 نانومتر ± 0.5 نانومتر بالضبط.
2. الإدارة الحرارية: تم تسطيح سطح التركيب إلى درجة تسطيح أقل من 5 ميكرومتر لتقليل مقاومة الواجهة الحرارية.
3. حماية التغذية الراجعة البصرية: نظرًا لأن قطع المعادن ينطوي على انعكاس خلفي، فقد أضفنا مرشحًا داخليًا 1030 نانومتر - 1080 نانومتر لمنع شعاع القطع عالي الطاقة من العودة إلى الصمام الثنائي للمضخة والتسبب في حدوث تشوه ثنائي الصمام الثنائي.

مراقبة الجودة (QC) والاختبار:

وخضعت الوحدات لاختبار صدمة حرارية لمدة 100 دورة من -20 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية لضمان ثبات محاذاة VBG والبصريات الدقيقة. استخدمنا محللًا طيفيًا للتحقق من أن العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) ظل أقل من 0.7 نانومتر عبر النطاق الحالي بأكمله (2 أمبير إلى 22 أمبير).

الخلاصة:

من خلال تثبيت الطول الموجي، زادت كفاءة النظام لدى العميل بمقدار 18%، وانخفض الحمل الحراري على ألياف الكسب بشكل كبير. وقد سمح لهم ذلك بتقليص حجم وحدة التبريد، مما قلل من التكلفة الإجمالية للنظام بمقدار 101 تيرابايت 3 تيرابايت على الرغم من التكلفة الأولية الأعلى للوحدات المستقرة ذات الطول الموجي المنخفض.

الواقع الاقتصادي لمشتريات الليزر: فشل المكونات مقابل فشل النظام

من من منظور وحدة ليزر ديود الشركة المصنعة، فإن السعر غالبًا ما يكون انعكاسًا لـ “عائد الدقة”. إن إنتاج وحدة ذات 0.15 صافي صافي ناتج داخلي أصعب بكثير من إنتاج وحدة ذات 0.22 صافي ناتج داخلي لأن تفاوتات المحاذاة أضعافًا مضاعفة.

بالنسبة للمشتري، فإن اختيار المشتري ليزر مقترن بالألياف غالبًا ما يقدم تكاليف خفية:

• إعادة تصميم النظام: إذا كانت جودة شعاع الصمام الثنائي الليزري رديئة، يجب أن تكون البصريات النهائية أكبر وأكثر تكلفة للتعويض عن ذلك.
• تكاليف الطاقة: تعني كفاءة الاقتران المنخفضة أن هناك حاجة إلى مزيد من الكهرباء لنفس الإخراج البصري، مما يزيد من التكلفة التشغيلية مدى الحياة.
• إمكانية الخدمة: وغالبًا ما تستخدم الوحدات الرخيصة الثمن محاذاة قائمة على الإيبوكسي والتي تتحلل بمرور الوقت. وعلى الرغم من أن وحدات AuSn ذات اللحام الصلب، رغم أنها أغلى ثمناً، إلا أنها توفر موثوقية “ملائمة ونسيان” وهي ضرورية لخطوط الإنتاج الصناعي على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

1. ما الفرق بين اقتران الألياف “متعددة الأنماط” و“أحادية النمط”؟

ينطوي اقتران الألياف أحادية الوضع على قطر أساسي يبلغ حوالي 9 ميكرومتر تقريبًا وهو أمر صعب للغاية بالنسبة للصمامات الثنائية عالية الطاقة بسبب عدم تطابق M². معظم ديود ليزر مقترن بالألياف الوحدات المخصصة للاستخدام الصناعي متعددة الأوضاع (105 ميكرومتر أو 200 ميكرومتر)، مما يوفر توازنًا بين الطاقة وجودة الشعاع.

2. كيف يؤدي الانعكاس الخلفي إلى تلف الصمام الثنائي الليزري؟

عند معالجة مواد مثل الألومنيوم أو النحاس، يمكن أن ينعكس الضوء مرة أخرى على الألياف. تقوم العدسات الداخلية بتركيز هذا الضوء المنعكس مرة أخرى على واجهة الصمام الثنائي. يمكن حتى لكمية صغيرة من الطاقة المنعكسة أن تخلق كثافة طاقة عالية بما يكفي لإحداث تلف كارثي في المرآة الضوئية (COMD).

3. لماذا 976 نانومتر أفضل من 915 نانومتر لضخ ليزر الألياف؟

976 نانومتر لديه مقطع عرضي امتصاصي أعلى بكثير في الألياف المخدرة بالإيتربيوم، مما يسمح بألياف كسب أقصر وكفاءة أعلى. ومع ذلك، فإنه يتطلب وحدة ليزر ليفي مع تثبيت الطول الموجي (VBG) لأن ذروة الامتصاص ضيقة للغاية.

4. ما هي “المحاذاة النشطة” في التصنيع؟

المحاذاة النشطة هي العملية التي يتم فيها تشغيل الصمام الثنائي الليزري أثناء تجميع البصريات الدقيقة. تتم مراقبة الإخراج في الوقت الفعلي بواسطة أجهزة استشعار للعثور على “ذروة” الكفاءة قبل أن يتم لحام العدسات بالليزر أو لحامها في مكانها بشكل دائم.

5. كيف تؤثر الرطوبة على وحدة ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي؟

إذا لم تكن الوحدة النمطية محكمة الإغلاق، يمكن أن تتكثف الرطوبة على واجهة الصمام الثنائي المبردة. عندما يتم تشغيل الليزر، تتفاعل هذه الرطوبة مع الفوتونات عالية الكثافة، مما يؤدي إلى أكسدة سريعة للوجه وفشل.