في التسلسل الهرمي لأشباه الموصلات الضوئية صمام ليزر ثنائي ليزر أحادي النمط عالي الطاقة يمثل ذروة هندسة الدليل الموجي المتدرج. في حين أن الثنائيات متعددة الأوضاع يمكن أن تصل إلى مئات الواط عن طريق توسيع فتحة الانبعاث ببساطة، يجب أن يحافظ الجهاز أحادي الوضع على وضع مستقر ومستعرض ($TEM_{00}$) مع دفع حدود كثافة الناقل. والتحدي الأساسي هو تحدٍ فيزيائي: فمع زيادة تيار الحقن لتحقيق خرج أعلى، يتغير معامل انكسار أشباه الموصلات بسبب الحرارة وتركيز الناقل - وهي ظاهرة تعرف باسم “التخديد” أو “التفتيل”.”

لمنع ذلك، فإن مصنع الصمام الثنائي الليزري الصيني يجب تصميم الدليل الموجي للحافة بدقة (RWG). يجب أن يكون عرض الحافة، الذي يتراوح عادةً بين 1.5 $\mu m$ و3.0 $\mu m$، ضيقًا بما يكفي لتوفير توجيه جانبي كافٍ للمؤشر لقمع الأوضاع ذات الترتيب الأعلى. ومع ذلك، فإن هذه الفتحة الضيقة تركز كثافة طاقة ضوئية هائلة على وجه الخرج. بالنسبة لـ ليزر أخضر 100 ميجاوات أخضر أو ليزر الصمام الثنائي 405 نانومتر, يمكن أن تتجاوز كثافة الطاقة عدة ميجاوات لكل سنتيمتر مربع. وهذا يستلزم تخميل الأوجه المتخصصة وهياكل “المرآة غير الممتصة” (NAM) لتجنب الأضرار البصرية الكارثية (COD).

بالنسبة لجهاز التكامل، توجد قيمة الجهاز أحادي الوضع في عامل $M ^ 2$، والذي عادة ما يكون أقل من 1.1. وتسمح جودة الحزمة شبه المثالية هذه بتركيز الضوء على بقعة محدودة الحيود أو اقترانها بألياف أحادية الوضع بكفاءة تتجاوز 701TPT3T. في المقابل، فإن صمام ليزر ثنائي ليزر منخفض الطاقة المستخدمة في المؤشر الأساسي قد يكون لها تيار عتبة أقل، ولكنها تفتقر إلى الخطية “الخالية من التواء” المطلوبة للتطبيقات العلمية أو الطبية عالية الدقة.

حدود النيتريد: فيزياء الانبعاثات 405 نانومتر و505 نانومتر

يهيمن نظام مادة نيتريد الغاليوم (GaN) على المناطق الطيفية الزرقاء والبنفسجية والخضراء. إن ليزر الصمام الثنائي 405 نانومتر ربما تكون الأكثر نضجًا بين النيتريدات، حيث تستفيد من تطوير التخزين البصري عالي الكثافة. ومع ذلك، بالنسبة للاستشعار الصناعي والطبي، تحولت المتطلبات نحو طاقة أعلى واستقرار طيفي. يستخدم الصمام الثنائي 405 نانومتر منطقة نشطة متعددة البئر الكمي (MQW) من نيتريد الإنديوم الغاليوم (InGaN). وتتمثل العقبة التقنية الأساسية هنا في تنشيط منشطات المغنيسيوم (Mg) في طبقات الكسوة من النوع p من AlGaN. يؤدي تركيز الثقب المنخفض إلى مقاومة عالية في السلسلة وتسخين جول موضعي، وهذا هو السبب في أن صمام ليزر ثنائي ليزر أحادي النمط عالي الطاقة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والأزرق يتطلب تدويرًا حراريًا متقدمًا بالترسيب الكيميائي المعدني العضوي بالبخار (MOCVD) “لتنشيط” الطبقة p بفعالية.

عندما ننتقل إلى ليزر 505 نانومتر, ندخل منطقة الانتقال “السماوي”. يحظى هذا الطول الموجي بتقدير كبير في طب العيون والفحص المجهري الفلوري لأنه يقع بالقرب من ذروة امتصاص بعض الفلوروفورات مع توفير رؤية أفضل من اللون الأزرق النقي. إن 505 نانومتر أكثر صعوبة من الناحية التقنية من 405 نانومتر بسبب ارتفاع محتوى الإنديوم المطلوب في آبار InGaN. تؤدي هذه الزيادة في الإنديوم إلى “انفصال الإنديوم”، أي تكوين عناقيد غنية بالإنديوم تعمل كمراكز إعادة التركيب غير الإشعاعي.

تتغلب إحدى الشركات المصنعة عالية المستوى على ذلك باستخدام “الآبار الكمية المعوضة للإجهاد”. من خلال تبديل طبقات InGaN مع حواجز AlGaN، يتم موازنة الإجهاد الشبكي، مما يقلل من “تأثير ستارك المحصور الكمومي” (QCSE). هذه التفاصيل الهندسية هي ما يسمح لـ ليزر أخضر 100 ميجاوات أخضر (التي تعمل عند 505 نانومتر أو 520 نانومتر) للحفاظ على طول موجي مستقر دون “الاهتزاز الطيفي” السريع الذي يظهر في المكونات الأقل جودة.

من الطاقة المنخفضة إلى الطاقة العالية: توسيع نطاق التلال

التمييز بين صمام ليزر ثنائي ليزر منخفض الطاقة ونظيرتها ذات الطاقة العالية غالبًا ما توجد في نسبة “الكسوة إلى النواة” وإدارة “تسرب” الوضع البصري إلى الركيزة. A صمام ليزر ثنائي ليزر منخفض الطاقة تعمل عادةً بقدرة 5 ميجاوات إلى 30 ميجاوات وتعطي الأولوية لتيار عتبة منخفض ($I_{th}$). ويتحقق ذلك من خلال تعظيم “عامل الحصر”، أي حبس أكبر قدر ممكن من الضوء داخل المنطقة النشطة.

ومع ذلك، كلما توسعنا إلى صمام ليزر ثنائي ليزر أحادي النمط عالي الطاقة, ، يصبح الحصر العالي عائقًا، لأنه يزيد من خطر حدوث COD في الوجه. لتوسيع نطاق الطاقة بأمان، يستخدم المهندسون تصميم “التجويف البصري الكبير” (LOC). من خلال توسيع طبقات الدليل الموجي مع الحفاظ على البئر الكمي النشط رقيقًا، ينتشر الوضع البصري على مساحة أكبر، مما يقلل من كثافة الطاقة القصوى عند الواجهة. وهذا يسمح للجهاز بالوصول إلى 100 ميجاوات أو 200 ميجاوات أو حتى 500 ميجاوات في وضع عرضي واحد.

وتتمثل المفاضلة في أن تصميم LOC يجعل الصمام الثنائي أكثر حساسية لـ “ثبات التوجيه” وتقلبات درجة الحرارة. وهذا هو السبب في أن ليزر أخضر 100 ميجاوات أخضر يجب إقران النظام بمبرد كهربائي حراري عالي الدقة (TEC). وبدون تثبيت درجة الحرارة النشطة، سيؤدي انزياح معامل الانكسار إلى “تسرب” الوضع إلى الكسوة، مما يؤدي إلى انخفاض مفاجئ في جودة الحزمة وانزياح في تباعد المجال البعيد.

البيانات الفنية: مصفوفة أداء الوضع الواحد

يوجز الجدول التالي خصائص الأداء النموذجية للصمامات الثنائية أحادية الوضع عالية الأداء عبر طيف الأشعة فوق البنفسجية إلى الخضراء. وتمثل هذه القيم المعيار الصناعي لدمج مصنعي المعدات الأصلية.

إدارة النقاء الطيفي: ضوضاء الشدة النسبية (RIN)

بالنسبة لتطبيقات مثل تسلسل الحمض النووي أو قياس التداخل، تكون الطاقة الخام ثانوية بالنسبة إلى “النقاء الطيفي”. A صمام ليزر ثنائي ليزر أحادي النمط عالي الطاقة لا تزال تعاني من ارتفاع ضوضاء الشدة النسبية (RIN). يحدث RIN بسبب الانبعاث التلقائي “الضرب” التلقائي ضد أنماط الانبعاث المستحث داخل التجويف.

في ليزر 505 نانومتر, ، غالبًا ما يكون RIN أعلى مما هو عليه في الثنائيات الحمراء أو ثنائيات الأشعة تحت الحمراء لأن مادة InGaN لديها “عامل تعزيز عرض الخط” ($\ألفا $) أعلى. ويقرن هذا العامل التغيرات في كثافة الناقل مباشرةً بالتغيرات في معامل الانكسار، مما يؤدي بدوره إلى تذبذب طور الليزر وشدته. لتقليل RIN إلى الحد الأدنى، يجب على الشركة المصنعة تحسين “التغذية المرتدة البصرية”. حتى أن انعكاس 1% من طرف الألياف إلى تجويف الليزر يمكن أن يؤدي إلى “انهيار التماسك”، حيث يتحول خرج الوضع الأحادي إلى فوضى فوضوية واسعة الطيف. عالية النهاية ليزر 505 نانومتر وغالبًا ما تشتمل الوحدات على عازل بصري مدمج لمنع ذلك.

دراسة حالة: التصوير الفلوري عالي الدقة في الموائع الدقيقة

خلفية العميل:

تعمل شركة ناشئة في مجال الطب الحيوي في كوريا الجنوبية على تطوير نظام “مختبر على رقاقة” محمول للكشف السريع عن مسببات الأمراض. ويستخدم النظام الكشف القائم على التألق، ويتطلب مصدر ليزر مستقر للغاية يبلغ 505 نانومتر لإثارة فلوروفورات خضراء محددة.

التحديات التقنية:

كان التحدي الأساسي هو “نسبة الإشارة إلى الضوضاء” (SNR). استخدم العميل في البداية صمام ليزر ثنائي ليزر قياسي منخفض الطاقة (30 ميجاوات)، ولكن كان تباعد الشعاع مرتفعًا جدًا، وكانت تقلبات الشدة (RIN) تحجب إشارات التألق الضعيفة من مسببات الأمراض. وقد احتاجوا إلى الترقية إلى محلول ليزر أخضر بقوة 100 ميجاواط، ولكن كان يجب أن يظل “أحادي الوضع” للسماح بالتركيز الدقيق في قناة ميكروفلويديك 50$\mu m$. وعلاوة على ذلك، كان على النظام أن يعمل في بيئة غير مختبرية حيث يمكن أن تختلف درجات الحرارة بمقدار 15 درجة مئوية.

المعلمات والإعدادات الفنية:

• الطول الموجي: 505 نانومتر ± 2 نانومتر.
• طاقة الإخراج: 100 ميجاواط (مضبوط على التشغيل بقدرة 80 ميجاواط لطول العمر).
• الوضع: وضع عرضي واحد ($M ^ 2 < 1.1$).
• إعدادات TEC: يتم التحكم في PID حتى 25 درجة مئوية ± 0.05 درجة مئوية.
• دائرة القيادة: تيار ثابت منخفض الضوضاء منخفض الضوضاء مع <10$\mu A$ تموج A$.

مراقبة الجودة (QC) والحل:

قدمنا صمام ليزر ثنائي ليزر أحادي النمط عالي الطاقة في عبوة TO-56 مع ثرمستور مدمج. اشتمل بروتوكول مراقبة الجودة على “احتراق عالي الإجهاد” لمدة 168 ساعة عند درجة حرارة 50 درجة مئوية وتيار تشغيل 1.2 ضعف لضمان استقرار آبار InGaN. كما أجرينا أيضًا “تخطيط المجال البعيد” للتأكد من أن تناظر الحزمة كان في حدود 5% من المثالي الغاوسي.

ولحل المشكلة الحرارية، قمنا بتصميم بالوعة حرارية نحاسية مخصصة لعلبة TO-Can، والتي تم تركيبها بعد ذلك على عنصر بلتيير. ومن خلال “تجميع الطول الموجي” - اختيار ثنائيات ذات طول موجي مركزي يبلغ 505.5 نانومتر بالضبط - تأكدنا من أنه حتى مع وجود انحراف حراري طفيف، ظل الإثارة داخل نافذة امتصاص الفلوروفور.

الخلاصة:

أدى الانتقال إلى مصدر عالي الجودة أحادي الوضع إلى زيادة حساسية الكشف عن مسببات الأمراض بمعامل 10. سمح الثبات الذي يوفره الصمام الثنائي الليزري أحادي الوضع عالي الطاقة للعميل بتقليل وقت تكامل الإشارة، مما زاد من إنتاجية الجهاز من عينتين في الساعة إلى 12 عينة في الساعة. تثبت هذه الحالة أن سعر الصمام الثنائي الليزري عامل ثانوي مقارنةً بمكاسب الكفاءة النظامية للمكونات عالية المواصفات.

دور مصنع الصمام الثنائي لليزر الصيني في عام 2026

التصور العالمي لـ مصنع الصمام الثنائي الليزري الصيني قد تغيرت. لم تعد مجرد مصدر لوحدات “الصمام الثنائي الليزري منخفض الطاقة” للألعاب الاستهلاكية، فقد تحركت المنشآت الصينية من الدرجة الأولى نحو “التكامل الرأسي”. من خلال امتلاك نمو MOCVD، وعملية الترقيق/التنقيح، والتجميع البصري النهائي، يمكن لهذه المصانع التحكم في “الكفاءة الكمية الداخلية” ($\eta_i$) إلى درجة لم تكن تُرى في السابق إلا في المختبرات اليابانية أو الألمانية.

يُعد “الفحص البصري الآلي” (AOI) جزءًا مهمًا من هذا التطور. في عام 2026، كل جانب من جوانب صمام ليزر ثنائي ليزر أحادي النمط عالي الطاقة يتم فحصها عن طريق الفحص المجهري الذي يعتمد على الذكاء الاصطناعي للكشف عن “الخدوش الدقيقة” أو “التلف تحت السطح” الناتج عن عملية التقطيع. هذه العيوب، غير المرئية للعين البشرية، هي “القنابل الموقوتة” التي تؤدي إلى الفشل بعد 2000 ساعة من التشغيل. بالنسبة لمصنعي المعدات الأصلية، فإن المورد الذي يوفر إمكانية التتبع الكامل من الرقاقة إلى الوحدة النهائية هو الطريقة الوحيدة لضمان فترة الـ 20,000 ساعة من الزمن اللازم للماكينات الصناعية.

الأسئلة الشائعة المهنية

س: لماذا غالبًا ما يكون ليزر 505 نانومتر أغلى من ليزر 520 نانومتر الليزر؟

ج: يتطلب الطول الموجي 505 نانومتر تركيز إنديوم محدد للغاية يصعب “قفله” أثناء نمو MOCVD دون التحول نحو 515 نانومتر أو 520 نانومتر. يكون العائد “الحقيقي 505 نانومتر حقيقي” أقل، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف لكل وحدة مثبتة. ومع ذلك، غالبًا ما يكون 505 نانومتر متفوقًا في الرؤية وتداخل التألق.

س: هل يمكنني تشغيل ليزر أخضر بقوة 100 ميجاوات باستخدام مصدر طاقة قياسي بجهد 5 فولت؟

ج: لا، يجب أن يتم تشغيل الصمام الثنائي الليزري بواسطة مصدر تيار ثابت، وليس جهدًا ثابتًا. وعلاوة على ذلك، نظرًا لأن النيتريد الأخضر له جهد أمامي مرتفع ($V_f$ يصل إلى 7 فولت)، فإن مصدر 5 فولت غير كافٍ حتى للوصول إلى تيار العتبة. يلزم وجود مشغل مخصص بجهد 9 فولت أو 12 فولت مع دائرة تحد من التيار.

س: ما فائدة الصمام الثنائي “أحادي الوضع” إذا كنت أستخدمه للإضاءة فقط؟

ج: حتى في الإضاءة، يسمح لك الصمام الثنائي أحادي الوضع باستخدام بصريات أصغر وأخف وزنًا بكثير لإنشاء مجال موحد تمامًا. تنتج الصمامات الثنائية متعددة الأنماط “بقع” و“تخطيط” في نمط الإضاءة، مما قد يتداخل مع خوارزميات الرؤية الآلية أو التصوير الطبي.

سؤال: كيف يمكنني معرفة ما إذا كان الصمام الثنائي الليزري أحادي النمط عالي الطاقة الخاص بي “ملتويًا”؟

ج: يجب ملاحظة منحنى L-I (الضوء مقابل التيار). “العقدة” هي انخفاض أو قفزة غير خطية في المنحنى. عند هذه النقطة، غالبًا ما ينقسم نمط المجال البعيد للشعاع أو ينزاح، مما يشير إلى أن النمط الأعلى اكتسب ما يكفي من الكسب لبدء التذبذب.