أدى التحول الصناعي نحو ليزرات الصمام الثنائي المباشر وأنظمة الضخ عالية الطاقة إلى التركيز بشكل غير مسبوق على اللبنة الأساسية للضوئيات: وهي رقاقة ليزر أشباه الموصلات. في حين أن إجمالي طاقة الخرج غالبًا ما يكون المقياس الأساسي في المشتريات، فإن القيمة الحقيقية لـ كومة الصمام الثنائي الليزري من خلال ثباتها الطيفي وقدرتها على تحمل التدهور على مدى عشرات الآلاف من ساعات التشغيل. بالنسبة إلى شركات تكامل الأنظمة التي تبني أجهزة ليزر الألياف الضوئية عالية السطوع أو المعدات الجراحية الطبية، فإن فهم الانتقال من فيزياء مستوى الرقاقة إلى الهندسة على مستوى المكدس أمر بالغ الأهمية لتقليل التكاليف التشغيلية طويلة الأجل.

التميّز الإبيتاكسالي: دورة حياة رقاقة ليزر أشباه الموصلات

أداء صمام ليزر ثنائي ليزر عالي السطوع يتم تحديدها قبل وقت طويل من عملية الطلاء بالذهب أو تركيب مشعب التبريد. يبدأ الأمر في مفاعل MOCVD (الترسيب الكيميائي المعدني العضوي بالبخار الكيميائي)، حيث تتم زراعة الطبقات الفوقية بدقة الطبقة الذرية.

انتظام المنطقة النشطة

المنطقة النشطة لـ رقاقة ليزر أشباه الموصلات تتكون عادةً من آبار كمومية InGaAs/AlGaAs متوترة. وتتحدد الموثوقية بتوحيد هذه الطبقات عبر الرقاقة بأكملها. ويؤدي أي اختلاف في سُمك البئر الكمي ولو ببضعة أنجستروم إلى حدوث تحول في الطول الموجي للانبعاث. في صمام ليزر ثنائي ليزر متعدد الباعث شريط، إذا كانت البواعث عبر عرض 10 مم لها أطوال موجية متفاوتة، فإن “التوسيع الطيفي” الناتج يجعل من المستحيل ضخ ليزر الحالة الصلبة أو ليزر الألياف التي لها نطاقات امتصاص ضيقة (مثل الألياف المخدرة بال Yb عند 976 نانومتر) بكفاءة.

الكفاءة الكمية الداخلية مقابل الحمل الحراري

تم تصميم الرقائق عالية الأداء لزيادة الكفاءة الكمية الداخلية إلى أقصى حد، مما يضمن تحويل غالبية الإلكترونات المحقونة إلى فوتونات بدلاً من الحرارة. عند تيارات الحقن العالية، يصبح “تسرب الناقل” مشكلة كبيرة. حيث تهرب الإلكترونات من حبس البئر الكمي وتعيد الاتحاد في طبقات الكسوة. وهذا لا يقلل من الكفاءة فحسب، بل يزيد من درجة حرارة الوصلة، مما يسرع من تكوين عيوب الخط المظلم (DLDs). تتطلب الرقاقة ذات الاحتباس الفائق للناقل تبريدًا أقل قوة، مما يؤثر بشكل مباشر على تعقيد ووزن الرقاقة النهائية كومة الصمام الثنائي الليزري.

تحجيم الطاقة من خلال هندسة الصمام الثنائي الليزري متعدد الباعثات

لتحقيق الطاقة على مستوى الكيلوواط المطلوبة لقطع المعادن الصناعية أو الكسوة الصناعية، يتم تجميع البواعث المفردة في قضبان، ويتم دمج هذه القضبان في متعدد البواعث ديود ليزر التجميع.

معضلة عامل التعبئة

“عامل الملء” هو نسبة مساحة الانبعاث إلى العرض الكلي لشريط الليزر. يسمح عامل التعبئة المرتفع (على سبيل المثال، 50% أو أعلى) بإخراج طاقة هائلة ولكنه يخلق منطقة حرارة مركزة يصعب تبريدها. بالنسبة لـ صمام ليزر ثنائي ليزر عالي السطوع التطبيقات، غالبًا ما يُفضل عامل تعبئة أقل (20% إلى 30%). ويسمح هذا التباعد بتبديد الحرارة بشكل أفضل بين البواعث ويسهل استخدام البصريات الدقيقة لمضاهاة الباعث الفردية، وهو أمر ضروري للحفاظ على منتج معلمة الحزمة (BPP).

الإجهاد الميكانيكي ودقة الملعب

عند تركيب بواعث متعددة، تكون الدقة الميكانيكية ل “درجة الانحدار” (المسافة بين البواعث) أمرًا بالغ الأهمية. في التطبيقات عالية الطاقة، حتى الانحراف بمقدار 2 ميكرون في موضع الباعث يمكن أن يؤدي إلى “أخطاء توجيه” كبيرة بعد مرور الضوء عبر مصادم سريع المحور (FAC). بالنسبة لمنشئ النظام، هذا يعني أن المكدس الرخيص ذو تفاوتات التركيب الرديئة سيكون له طاقة “قابلة للاستخدام” أقل بكثير، حيث سيفشل جزء كبير من الضوء في دخول ألياف التوصيل.

الهندسة الطيفية في مكدس الصمام الثنائي الليزري

في التطبيقات الصناعية الحديثة، الطاقة وحدها غير كافية؛ “السطوع الطيفي” هو المعيار الجديد. وينطبق ذلك بشكل خاص على الطول الموجي 976 نانومتر المستخدم في الضخ الليزري الليفي، حيث تكون ذروة الامتصاص في الألياف ضيقة (حوالي 1-2 نانومتر).

تكامل شبك براغ الحجمي (VBG)

ولتحديد الطول الموجي وتضييق الطيف، غالبًا ما يتم وضع شبكة براغ الحجمية أمام كومة الصمام الثنائي الليزري. ومع ذلك، فإن نجاح قفل VBG يعتمد كليًا على “النقاء الطيفي” للجزء الأساسي من ليزر أشباه الموصلات الرقاقة. إذا كان ملف تعريف الكسب الطبيعي للرقاقة عريضًا جدًا أو إذا كان تأثير “الابتسامة” (الانحناء الميكانيكي) موجودًا، فإن VBG سيقفل جزءًا من الضوء فقط، مما يؤدي إلى قمم “طفيلية” يمكن أن تلحق الضرر بنظام الليزر من خلال الانعكاس الخلفي أو التسخين الموضعي.

استقرار الطول الموجي والتغذية المرتدة الحرارية

يحافظ المكدس المصمم جيدًا على طول موجي مستقر حتى مع زيادة التيار. وهذا يتطلب مقاومة حرارية متوازنة عبر جميع القضبان في المكدس. إذا كان القضيب العلوي من المكدس المكون من 10 قضبان أكثر حرارة بمقدار 5 درجات من القضيب السفلي، فإن الأطوال الموجية الخاصة بهم ستتباعد، مما يوسع من طيف الخرج الكلي. هذا عدم التماثل الحراري هو نقطة فشل شائعة في المداخن ذات المستوى الأدنى حيث لا يأخذ تصميم مشعب التبريد في الحسبان ديناميكيات السوائل وانخفاض الضغط عبر القضبان.

من جودة المكونات إلى التكلفة الإجمالية للملكية (TCO)

غالبًا ما يفشل منطق “الشراء بسعر رخيص” في صناعة الضوئيات بسبب التكلفة العالية لتعطل النظام. A كومة الصمام الثنائي الليزري ليست مستهلكة، بل هي المحرك الأساسي للآلة.

علاقة أرهينيوس في التحلل بالليزر

يرتبط عمر الصمام الثنائي ($L$) للصمام الثنائي أسيًا بدرجة حرارة الوصلة ($T_j$):

$L \propto \ exp(E_a / k T_j)$

حيث يمثل $E_a$ طاقة التنشيط لآلية التحلل و$k$ هو ثابت بولتزمان. يمكن أن يؤدي تخفيض 10 درجات مئوية فقط في درجة حرارة الوصلة - الذي يتحقق من خلال تحسين كفاءة الرقاقة أو التبريد الفائق للمكدس - إلى مضاعفة العمر التشغيلي للجهاز. من من منظور مالي، فإن المكدس الذي يكلف 20% أكثر ولكنه يدوم 100% أطول يقلل من التكلفة الإجمالية للملكية بمقدار النصف تقريبًا عند حساب العمالة البديلة ووقت الإنتاج الضائع.

دراسة حالة: الضخ عالي الكفاءة لليزر الألياف الصناعية الليزرية عالية الكفاءة

1. خلفية العميل

كانت إحدى الشركات المصنعة لليزر الصناعي تعمل على تطوير ليزر ليفي بقدرة 20 كيلو وات CW لتطبيقات اللحام في أحواض بناء السفن. كان النظام يتطلب مصدر مضخة موثوق به 976 نانومتر قادر على الحفاظ على عرض طيفي ضيق في ظل ظروف محيطة متفاوتة.

2. التحدي التقني

استخدم النموذج الأولي النموذج الأولي المعيار صمام ليزر ثنائي ليزر متعدد الباعث المداخن. ومع ذلك، مع زيادة طاقة المضخة، تسبب “انزياح الطول الموجي” في انحراف ضوء المضخة بعيدًا عن ذروة امتصاص الإيتربيوم. وأدى ذلك إلى وصول ضوء المضخة غير الممتص إلى مجمعات ألياف الليزر الليفية، مما تسبب في فشل حراري كارثي للمكونات البصرية.

• الطول الموجي المستهدف: 976 نانومتر (مستقر).
• العرض الطيفي: < 1.0 نانومتر (FWHM).
• بيئة التشغيل: أرضية صناعية ذات تقلبات في درجات الحرارة من 10 درجات مئوية إلى 40 درجة مئوية.

3. إعدادات المعلمات الفنية والحل

لقد نفذنا نظامًا عالي الكثافة كومة الصمام الثنائي الليزري الاستفادة من رقاقة ليزر أشباه الموصلات تقنية ذات بنية “الطول الموجي المقفل” المتخصصة.

4. مراقبة الجودة (QC) والتحقق من الصحة

• رسم الخرائط الطيفية: كل صمام ليزر ثنائي ليزر متعدد الباعث تم تعيين شريط لتوحيد الطول الموجي قبل دمجه في المكدس.
• اختبار السوائل ذات الضغط العالي: تم اختبار المبردات ذات القنوات الدقيقة عند ضغط 10 بار لضمان عدم وجود تسربات أو قيود على التدفق يمكن أن تسبب “نقاطًا ساخنة”.”
• تحديد ملامح الكفاءة الكهربائية البصرية: تم اختبار المداخن عند 110% من التيار المقنن للتأكد من أن جوانب المرآة غير الممتصة (NAM) على الرقائق يمكنها التعامل مع الارتفاعات الشديدة.

5. الخاتمة

من خلال استخدام مكدس ذو توصيل حراري فائق ورقاقات متوافقة مع VBG، حقق العميل ناتجًا مستقرًا بقدرة 20 كيلو وات. أدى الطيف الضيق إلى زيادة كفاءة امتصاص المضخة من 75% إلى 92%، مما قلل بشكل كبير من الحمل الحراري على نظام تبريد ألياف الليزر وسمح بتصميم إجمالي أكثر إحكاما.

بيانات الأداء الفني: مداخن الصمام الثنائي والتحكم الطيفي

يقارن هذا الجدول بين درجات مختلفة من كومة الصمام الثنائي الليزري تكوينات تعتمد على سلامة الرقاقة وتقنية التركيب.

الأسئلة الشائعة

1. كيف يؤثر تأثير “الابتسامة” على كفاءة اقتران الألياف؟

إن تأثير “الابتسامة” هو انحناء جسدي لـ صمام ليزر ثنائي ليزر متعدد الباعث شريط. إذا لم يكن القضيب مسطحًا تمامًا، فإن البواعث لا تكون في المستوى البؤري للمُصادم سريع المحور (FAC). يؤدي هذا إلى توجيه الحزم الفردية في اتجاهات مختلفة، مما يجعل من المستحيل تركيز الضوء في ألياف ضوئية صغيرة. تستخدم المداخن عالية الجودة لحام AuSn للحفاظ على التسطيح أقل من 0.5 ميكرون.

2. لماذا يُفضل لحام AuSn على لحام الإنديوم في المداخن الصناعية؟

إن الإنديوم عبارة عن لحام ناعم يمكن أن “يزحف” تحت الضغط الحراري، مما يؤدي إلى تدهور جودة الحزمة بمرور الوقت. AuSn (الذهب والقصدير) هو لحام صلب يوفر رابطة صلبة ومستقرة. وعلى الرغم من أنه يتطلب تصنيعًا أكثر تعقيدًا وتركيبات فرعية متطابقة مع CTE، إلا أنه يمنع رقاقة ليزر أشباه الموصلات من الحركة، مما يضمن أداءً ثابتًا على مدار سنوات من التشغيل.

3. ما الدور الذي تلعبه “المرآة غير الممتصة” (NAM) في موثوقية الرقاقة؟

إن NAM هو علاج متخصص في وجه من أوجه رقاقة ليزر أشباه الموصلات. تمنع امتصاص الفوتونات على السطح، وهو السبب الرئيسي للضرر البصري الكارثي (COD). من دون تقنية NAM، لا يمكن للرقاقة أن تعمل بأمان عند الكثافات الحالية العالية المطلوبة لـ صمام ليزر ثنائي ليزر عالي السطوع التطبيقات.

4. هل يمكن أن تؤثر جودة مياه التبريد على عمر مكدس الصمام الثنائي الليزري؟

نعم، خاصة بالنسبة للمداخن المزودة بقنوات تبريد دقيقة. إذا لم تتم إزالة الأيونات من الماء أو تصفيته بشكل صحيح، يمكن أن تسد الرواسب المعدنية أو النمو البيولوجي القنوات المجهرية. ويؤدي ذلك إلى ارتفاع فوري في درجة حرارة الوصلة للرقائق، مما يقلل بشكل كبير من عمرها الافتراضي.

5. كيف يمكنني تحديد ما إذا كان الطول الموجي للمكدس مستقرًا؟

يجب مراقبة طيف الخرج باستخدام محلل الطيف الضوئي (OSA) أثناء تغيير تيار المحرك. سيُظهر المكدس المستقر انزياحًا ضئيلًا جدًا في ذروة الطول الموجي مع زيادة التيار، خاصةً إذا كان مغلقًا بموجات VBG صمام ليزر ثنائي ليزر عالي السطوع.