في المشهد المعاصر لأشباه الموصلات الضوئية المعاصرة، فإن مقياس التفوق في وحدة ديود الليزر من طاقة الخرج الخام إلى “السطوع الطيفي” و“المتانة النظامية”. بالنسبة للطاقة العالية وحدة ليزر IR التطبيقات، تمثل إدارة عامل جودة الشعاع ($M^2$) والقدرة على الحماية الذاتية في البيئات البصرية غير الخطية الحد الفاصل بين النموذج الأولي المختبري والأداة الصناعية.

فيزياء السطوع: لماذا لا تكفي الطاقة

في التكامل الصناعي بالليزر الصناعي، يبرز سؤال متكرر: لماذا لا يوجد وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء كلا الوحدتين، المصنفتين بقدرة 100 واط، نتائج مختلفة تمامًا في اللحام الدقيق أو التصنيع المضاف؟ تكمن الإجابة في “السطوع” - الذي يُعرّف بأنه الطاقة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زاوية صلبة.

بالنسبة لباعث أحادي الباعث ديود ليزر وحدة, فإن التباعد في المحور السريع يكون عادةً شديدًا للغاية، حيث يتراوح بين $30^circ$ إلى $40^circ$، بينما يظل المحور البطيء ضيقًا نسبيًا عند $6^circ$ إلى $10^circ$. يستلزم هذا التباين المتأصل عدم التناسق المتأصل الدقة البصرية الدقيقة لتحويل الشعاع. إذا كان ديود ليزر ومحرك فشل النظام في الحفاظ على التوازن الحراري، فإن التحولات الناتجة على نطاق الميكرومتر في المحاذاة البصرية تؤدي إلى “انحراف التأشير”، مما يؤدي إلى عدم كفاءة الاقتران وتدهور كارثي في نهاية الألياف.

الحماية من الانعكاس الخلفي: القاتل الصامت لوحدات الليزر بالأشعة تحت الحمراء

عند معالجة مواد عاكسة للغاية - مثل الذهب أو الفضة أو النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ المطلي بمرآة - فإن ir وحدة الليزر يواجه أكبر تهديد له: الانعكاس الخلفي. حيث يمكن للفوتونات المنعكسة من سطح الهدف أن تعود إلى تجويف الليزر من خلال ألياف التوصيل.

يؤدي هذا الانعكاس الخلفي إلى سلسلة من ردود الفعل الكارثية:

1. حرق الثقب المكاني: إحداث تأثيرات غير خطية في وسيط الكسب، مما يؤدي إلى زعزعة نقاء النمط.
2. التلف البصري الكارثي للوجه (COD): يتم امتصاص الضوء المرتد بواسطة واجهة أشباه الموصلات، مما يخلق نقاطًا ساخنة موضعية تذيب بنية البئر الكمي.
3. عدم استقرار السائق: يمكن أن يؤدي الضوء المنعكس إلى تشبع الصمام الثنائي الضوئي الداخلي للشاشة (PD)، مما يؤدي إلى ديود ليزر ومحرك حلقة التحكم لإجراء تعديلات خاطئة للتيار.

وللتخفيف من هذه المشكلة، فإن وحدة ديود الليزر يجب أن تدمج التصاميم مرشحات ثنائية أو عوازل بصرية. وعلاوة على ذلك، على مستوى المحرك، يلزم رصد الانعكاس على نطاق النانو ثانية لتحويل التيار في حدود $ <10 \mu s$ عند اكتشاف الطاقة المتناثرة الخلفية.

الكلمات المفتاحية الاستراتيجية طويلة الذيل

• تكامل وحدة الصمام الثنائي الليزري الليزري الأزرق عالي السطوع
• مصادر الضخ المثبتة الطول الموجي لأشعة الليزر الليفية
• تعديل النبض عالي السرعة لأشعة الليزر بالأشعة تحت الحمراء الصناعية

الإرهاق الحراري واختيار المواد في التغليف

العمر التشغيلي لـ وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء لا تحدده فقط رقاقة أشباه الموصلات ولكن أيضًا حدود إجهاد مواد التغليف. أثناء تدوير الطاقة العالية، يولد عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE) بين الرقاقة والغطاء الفرعي إجهاد قص كبير.

على المستوى الهندسي، ننتقل من المشتتات الحرارية النحاسية القياسية إلى مركبات النحاس-التنجستن (CuW) أو النحاس-الماس. على الرغم من أن النحاس-الماس معروف بصعوبة تصنيعه، إلا أن الموصلية الحرارية تتجاوز $600 واط/(م \cdot K)$، مما يضاعف أداء النحاس النقي بشكل فعال. ويؤدي هذا الانخفاض في المقاومة الحرارية ($R_{th}$) إلى خفض درجة حرارة الوصلة؛ ووفقًا لمعادلة أرهينيوس، يمكن أن يؤدي انخفاض $10^^^/دائرة C$ فقط إلى مضاعفة متوسط الوقت بين الأعطال (MTBF) للرقاقة نظريًا.

دراسة حالة صناعية: مصدر مضخة متعدد الكيلوواط لليزر فائق السرعة

سيناريو التطبيق

طلب مختبر ليزر فائق السرعة رائد في مجال الليزر فائق السرعة 976 نانومتر وحدة ديود الليزر صفيف للعمل كمصدر مضخة لمضخم تجدد الفيمتو ثانية. يتطلب النظام تدويرًا شديدًا للطاقة (60 دورة تشغيل/إيقاف تشغيل في الدقيقة) مع متطلبات انجراف طيفي أقل من $\pm 0.5nm$.

التحديات التقنية

تحت تأثيرات النبضات المتكررة، تولد مصادر الطاقة التقليدية مجالاً كهربائيًا خلفيًا حثيًا استقرائيًا يُعرِّض ديود ليزر ومحرك الاستقرار. وبالإضافة إلى ذلك، فإن نطاق الامتصاص عند 976 نانومتر ضيق للغاية؛ وأي تذبذب حراري يتسبب في انخفاض كفاءة المضخة بشكل كبير.

تكوين المعلمات

تضمن الحل بنية التغذية المرتدة الموزعة (DFB) مع قفل الطول الموجي ثنائي المراحل ومحرك متكامل متوافق مع المعاوقة.

بيانات الموثوقية

بعد ستة أشهر من التشغيل المستمر، فإن وحدة ليزر IR أظهرت المصفوفة صفرًا من حالات الفشل. أكدت البيانات أن مطابقة المعاوقة التكيفية في ديود ليزر ومحرك تخلص من التذبذبات الطفيلية الناتجة عن محاثة الكابل، مما يحسن دقة القفل الطيفي بمقدار 40%.

الأسئلة الشائعة حول التكنولوجيا العميقة: رؤى تشغيلية متقدمة

لماذا تنخفض كفاءة انحدار وحدة الصمام الثنائي الليزري عند التيارات العالية؟

يحدث هذا بسبب تآزر “تسرب الناقل” و“التسخين الذاتي”. فمع زيادة تيار الحقن، تكتسب الناقلات طاقة كافية للهروب من البئر الكمومي والدخول إلى طبقات الكسوة. وفي الوقت نفسه، يؤدي تراكم الحرارة إلى تغيير توزيع فيرمي-ديراك. ينطوي التحسين على تصميم إمكانات بئر كمومية أعمق واستخدام محركات عالية التردد لتقليل وقت السكون الحراري.

هل يجب أن أختار وضع التيار المستمر (ACC) أم وضع الطاقة المستمرة (APC)؟

بالنسبة للاستشعار والبحث العلمي، يُفضل وضع APC لأنه يستخدم تغذية راجعة للصمام الثنائي الضوئي لتثبيت الإخراج. ومع ذلك، بالنسبة للمعالجة الصناعية عالية الطاقة، يكون وضع ACC مع التحكم الدقيق في درجة الحرارة أكثر أمانًا. في وضع APC، إذا أصبح المسار البصري ملوثًا وانخفضت التغذية الراجعة، فقد يزيد المشغل التيار بشكل أعمى للتعويض، مما يؤدي في النهاية إلى تدمير وحدة ديود الليزر.

ما مدى أهمية متجرد طاقة الكسوة (CPS) للوحدات المقترنة بالألياف؟

للحصول على طاقة عالية وحدة ليزر IR, فإن الضوء المتبقي في كسوة الألياف هو السبب الرئيسي لانصهار الموصلات. يقوم جهاز CPS بتحويل ضوء الكسوة إلى حرارة يمكن التحكم فيها. إذا كان التطبيق الخاص بك ينطوي على اهتزازات عالية، يزداد تسرب ضوء الكسوة مما يجعل من الضروري استخدام متجرد عالي الكفاءة في مرحلة الإخراج.

كيف تمنع التيار المتدفق أثناء بدء تشغيل برنامج التشغيل؟

متفوقة ديود ليزر ومحرك تستخدم التصميمات مرشحات تمرير منخفضة مزدوجة ومولدات منحدرات تناظرية. على مستوى الدائرة، من الضروري التأكد من أن MOSFET الدافعة تعمل في المنطقة الخطية بدلاً من التشبع الكامل خلال النانو ثانية الأولية، مما يسمح للتغذية المرتدة ذات الحلقة المغلقة بتحديد ميل $dI/dt$.

الآفاق المستقبلية: تكامل ضوئيات السيليكون

مستقبل وحدة ديود الليزر يكمن في الابتعاد عن تجميع المكونات المنفصلة. نحن نتجه نحو دمج الموجهات الموجية الضوئية السيليكونية مباشرة في واجهة الليزر لدمج الحزمة الطيفية على الرقاقة. وهذا سيسمح للجيل القادم من وحدة ليزر IR لتحقيق مخرجات متعددة الكيلوواط دون زيادة البصمة المادية. علاوة على ذلك، فإن ديود ليزر ومحرك ستصبح رقمية على نحو متزايد، وتتميز بمصادر تيار ثابت قابلة للبرمجة مع تشخيصات لشكل الموجة في الوقت الفعلي تعتمد على الإيثرنت.

بالنسبة للمستخدمين الصناعيين الذين يطالبون بالاستقرار المطلق، فإن فهم هذه القيود المادية والتحسينات الهندسية أمر ضروري للحفاظ على الميزة التنافسية في بيئات الإنتاج عالية الكثافة.