تطورت ضوئيات أشباه الموصلات من مجرد انبعاث ضوئي بسيط إلى تحكم معقد في المساحة والطيف. بالنسبة للمهندسين ومتخصصي تكامل الأنظمة، فإن اختيار وحدة ديود الليزر لم يعد الأمر مجرد مسألة ميلاوات؛ بل أصبح تمرينًا في إدارة كفاءة حقن الموجة الحاملة والمقاومة الحرارية واستقرار التعديل عالي السرعة. مع تجاوزنا حدود السطوع في الطيف تحت الأحمر، فإن التآزر بين ديود ليزر ومحرك يصبح العامل الحاسم في طول العمر التشغيلي وجودة الحزمة.

هندسة وحدات الليزر بالأشعة تحت الحمراء عالية السطوع

لفهم الحداثة الأشعة تحت الحمراء وحدة الليزر, ، يجب النظر إلى ما وراء الغلاف النحاسي. أداء وحدة ليزر IR محدود بشكل أساسي بعتبة الضرر البصري الكارثي (COD) لوجه أشباه الموصلات وقدرات تبديد الحرارة للقاعدة السفلية. في التطبيقات عالية الطاقة، خاصة تلك التي تتراوح من 808 نانومتر إلى 980 نانومتر، يمثل الانتقال من حزم TO-can ذات الباعث الواحد إلى مصفوفات معقدة مقترنة بالألياف أو متعددة البواعث تحولًا في فلسفة الحرارة.

تستخدم الوحدة عالية الأداء تقنية تركيب “junction-down”. من خلال وضع المنطقة النشطة من الرقاقة بالقرب من المبدد الحراري — غالبًا ما يكون مبردًا ذو قنوات دقيقة أو سيراميك AlN (نتريد الألومنيوم) عالي التوصيل الحراري — فإننا نقلل من المقاومة الحرارية ($R_{th}$). وهذا أمر بالغ الأهمية لأن طول موجة الليزر تحت الأحمر يتغير عادةً بمقدار 0.3 نانومتر تقريبًا لكل درجة مئوية. وبدون التحكم الحراري الدقيق، فإن اتساع الطيف يجعل الوحدة عديمة الفائدة في تطبيقات مثل ضخ الليزر الصلب أو التحليل الطيفي الراماني.

الكلمات المفتاحية الاستراتيجية طويلة الذيل

• أنظمة ليزر مقترنة بألياف عالية الكثافة الطاقية
• إدارة الحرارة لمصفوفات الليزر متعددة البواعث
• محركات دقيقة لمصدر التيار لثنائيات الليزر GaAs

الصلة الحاسمة: تزامن الصمام الثنائي الليزري والمحرك

العلاقة بين ديود ليزر والسائق غالبًا ما يكون الحلقة الأضعف في أنظمة الليزر الصناعية. الصمام الثنائي الليزري هو جهاز منخفض المقاومة وحساس للغاية للتغيرات المؤقتة في التيار. يمكن أن يتسبب ارتفاع التيار الأمامي لمدة نانو ثانية واحدة، حتى لو لم يتجاوز متوسط تصنيف الطاقة، في ذوبان موضعي لهياكل البئر الكمومية.

يجب على المحركات المتقدمة تنفيذ آلية “بدء تشغيل سلس” وحماية صارمة من التيار الزائد (OCP). في عمليات الوضع النبضي، مثل LiDAR أو معالجة المواد، فإن قدرة المحرك على الحفاظ على موجة مربعة نظيفة مع الحد الأدنى من التجاوز أمر بالغ الأهمية. يؤدي التبديل عالي السرعة إلى حدوث محاثة طفيلية في الأسلاك التي تربط المحرك بالوحدة. للتخفيف من ذلك، فإن المحركات الحديثة وحدة ديود الليزر تفضل التصميمات هياكل السائق المدمجة على اللوحة، حيث يقلل قرب مكثفات التخزين من الصمام الثنائي من المعاوقة ويسمح بزمن صعود في نطاق البيكو ثانية.

علوم المواد المتقدمة في تصميم وحدات الليزر بالأشعة تحت الحمراء

أداء وحدة ليزر IR يتم تحديده من خلال النمو الفوقي لرقائق أشباه الموصلات. باستخدام تقنية MOCVD (الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي)، يقوم المهندسون بإنشاء آبار كمية ذات طبقة مشدودة تعمل على تحسين معامل الكسب مع تقليل كثافة التيار العتبي ($J_{th}$). في الطيف تحت الأحمر، خاصة بالنسبة للوحدات التي تتراوح من 1450 نانومتر إلى 1550 نانومتر المستخدمة في تحديد المدى “الآمن للعين”، فإن استخدام ركائز InP (فوسفيد الإنديوم) يطرح تحديات فريدة مقارنة بمنصات GaAs (زرنيخيد الغاليوم) القياسية.

تتضمن عبوات هذه الرقائق لحامًا صلبًا من الذهب والقصدير (AuSn). على عكس اللحامات اللينة القائمة على الرصاص، يمنع AuSn “زحف اللحام”، وهي ظاهرة تنتقل فيها مادة الواجهة تحت تأثير الدورات الحرارية، مما يؤدي في النهاية إلى إجهاد ميكانيكي على الرقاقة ويؤدي إلى فشل مبكر. وهذا أمر حيوي بشكل خاص بالنسبة لـ وحدة ديود الليزر تستخدم في خطوط الإنتاج الصناعي على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.

دراسة حالة صناعية: تكسية دقيقة باستخدام وحدات ليزر IR متعددة البواعث

سيناريو التطبيق

احتاجت شركة متخصصة في تكامل مكونات الطيران من المستوى الأول إلى مصباح LED عالي السطوع بطول موجي 915 نانومتر. وحدة ديود الليزر نظام للتكسية بالليزر الموضعية لأطراف شفرات التوربينات. كان المطلوب هو خرج ثابت بقدرة 200 واط في قلب ألياف بقطر 135 ميكرومتر وفتحة عدسية (NA) تبلغ 0.22، يعمل في بيئة عالية الاهتزاز.

التحديات التقنية

كانت العقبة الرئيسية هي تعدد الإرسال المكاني لعدة بواعث بقوة 20 واط في ألياف واحدة مع الحفاظ على كثافة طاقة عالية. علاوة على ذلك، فإن ديود ليزر ومحرك الإعداد اللازم للتعامل مع التعديل السريع (حتى 10 كيلوهرتز) للتحكم في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) على ركيزة السبائك الفائقة. كان التداخل الحراري بين البواعث المكتظة يهدد بزعزعة استقرار الطول الموجي، مما يتسبب في عدم تطابق مع طيف امتصاص مسحوق التغليف.

تكوين المعلمات

تضمن الحل وحدة متعددة البواعث تستخدم تصميم خلية متدرجة حيث يتم تعويض ارتفاع كل باعث للسماح بالتوازي الفردي عبر أجهزة التوازي السريعة المحور (FAC) وأجهزة التوازي البطيئة المحور (SAC).

بيانات الموثوقية والنتائج

بعد 5000 ساعة من الاختبار المتواصل للتعجيل العمر (ALT) عند درجة حرارة مرتفعة للوحة الأساسية تبلغ 45 درجة مئوية، أظهرت الوحدة انخفاضًا في الطاقة أقل من 2.4%. المدمج ديود ليزر ومحرك حافظ النظام على استقرار نبضي أقل من 1% RMS. أظهرت طبقات التغليف الناتجة مسامية صفرية وبنية حبيبية دقيقة، مما يؤكد دقة توصيل الليزر بالأشعة تحت الحمراء.

تحسين النقاء الطيفي: VBG وتثبيت الطول الموجي

بالنسبة للكثيرين وحدة ليزر IR التطبيقات، مثل الضخ البصري بتبادل الدوران (SEOP) أو استشعار الغاز، فإن عرض الخط الطبيعي للديود البالغ 3-5 نانومتر يكون واسعًا جدًا. لمعالجة هذه المشكلة، نستخدم شبكات براج الحجمية (VBG). عن طريق وضع شبكة براج حجمية في التجويف الخارجي للديود وحدة ديود الليزر, ، يمكننا “تثبيت” الطول الموجي على ذروة معينة بواسطة FWHM (العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى) أقل من 0.5 نانومتر.

لا يؤدي قفل الطول الموجي هذا إلى تحسين نقاء الطيف فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى استقرار خرج الطاقة في مواجهة تقلبات درجة الحرارة. نظرًا لأن الشبكة تحدد تردد التغذية المرتدة بدلاً من فجوة النطاق للصمام الثنائي وحده، يمكن تقليل معامل $d\lambda/dT$ من 0.3 نانومتر/درجة مئوية إلى 0.05 نانومتر/درجة مئوية. وهذا يلغي الحاجة إلى المبردات الكهروحرارية (TEC) الضخمة والمستهلكة للطاقة في بعض التطبيقات المحمولة.

الأسئلة الشائعة حول التكنولوجيا المتقدمة: استفسارات هندسية

لماذا تتعطل وحدة الصمام الثنائي الليزري إذا كانت أرضية المحرك مشتركة مع محركات عالية الطاقة؟

ويعود ذلك أساسًا إلى الضوضاء المشتركة وحلقات الأرض. عندما ديود ليزر ومحرك تشترك في مسار أرضي مع أحمال حثية مثل المحركات، يمكن أن يتسبب التيار الكهربائي المعاكس (EMF) في حدوث ارتفاعات مؤقتة في الجهد الكهربائي. ونظرًا لأن الصمام الثنائي الليزري عبارة عن وصلة PN ذات جهد كهربائي منخفض جدًا في حالة الانحراف العكسي (غالبًا ما يصل إلى 2 فولت)، فإن هذه الارتفاعات يمكن أن تتسبب في حدوث عطل كارثي فوري. يعد العزل عبر المقرنات الضوئية أو مصادر الطاقة العائمة المخصصة أمرًا إلزاميًا للتكامل الصناعي.

كيف يؤثر “تأثير الابتسامة” على جودة شعاع شريط الصمام الثنائي الليزري؟

يشير مصطلح “تأثير الابتسامة” إلى الاختلال الرأسي أو الانحناء في بواعث الليزر في شريط الليزر بسبب الضغط الميكانيكي أثناء عملية اللحام. في وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء, ، حتى “ابتسامة” بحجم 1 ميكرومتر يمكن أن تقلل بشكل كبير من السطوع عند محاولة توصيل الضوء بألياف ذات قطر صغير. استخدام اللحامات الصلبة (AuSn) والركائز المطابقة لمعامل التمدد الحراري (CTE) المُحسّن مثل النحاس والتنغستن (CuW) هو الحل الهندسي القياسي لضمان ملف إرسال خطي.

ما هي ميزة وحدة الليزر بالأشعة تحت الحمراء 1550 نانومتر على 980 نانومتر في الاستشعار؟

يقع الطول الموجي 1550 نانومتر ضمن منطقة “Retina Safe” من الطيف تحت الأحمر. يمتص السائل الزجاجي للعين البشرية الضوء عند هذا الطول الموجي قبل أن يصل إلى الشبكية، مما يسمح بطاقات نبضية أعلى بكثير (تصل إلى $10^4$ مرة أعلى) مقارنة بـ 905 نانومتر أو 980 نانومتر. وهذا يجعل 1550 نانومتر وحدة ليزر IR الخيار المفضل للاتصالات LiDAR طويلة المدى والاتصالات في الهواء الطلق حيث تعتبر سلامة العين قيدًا تنظيميًا.

هل يمكنني تشغيل وحدة ديود ليزر بدون TEC؟

يعتمد ذلك على دورة العمل والاستقرار الطيفي المطلوب. إذا كان ديود ليزر ومحرك تُستخدم في التطبيقات الحرارية البسيطة (مثل لحام البلاستيك)، قد يكفي استخدام مبدد حراري سلبي. ومع ذلك، بالنسبة لأي تطبيق يتضمن اقتران الألياف أو الامتصاص الدقيق (مثل ضخ بلورة Nd:YAG)، سيؤدي عدم وجود تبريد نشط إلى انحراف الطول الموجي واحتمال حدوث انحراف حراري.

مستقبل وحدات الصمام الثنائي عالية الطاقة: محركات مدعومة بالذكاء الاصطناعي

الحدود التالية في وحدة ديود الليزر التكنولوجيا هي دمج “المحركات الذكية”. تستخدم هذه المحركات القياس عن بعد في الوقت الفعلي — مراقبة الجهد الأمامي ($V_f$) وتيار التسرب وإشارات الصمام الثنائي الضوئي لمراقبة الجانب الخلفي — للتنبؤ بـ “نهاية العمر الافتراضي” (EOL) للوحدة. من خلال استخدام خوارزميات التعلم الآلي، يمكن للمحرك ضبط معلمات التشغيل بدقة لتعويض التقادم، مما يطيل بشكل فعال العمر الافتراضي للوحدة. وحدة ليزر IR في المهام الطبية أو الفضائية الحرجة.

في مجال الضوئيات عالية الطاقة، أصبح الفرق بين مصدر الضوء والإلكترونيات غير واضح. النظام القوي حقًا يعالج ديود ليزر ومحرك ككائن حي واحد متكافل، حيث تتم إدارة المجالات الحرارية والكهربائية والبصرية في بيئة مغلقة. مع تقدمنا نحو كثافات طاقة أعلى ومساحات أصغر، يظل التركيز الهندسي ثابتًا على هدف واحد: التحكم الصارم في الفوتونات.