الحدود الهندسية: توسيع نطاق الطاقة دون التضحية بالسطوع

في قطاع الليزر الصناعي، الطلب على طاقة أعلى ثابت، ومع ذلك فإن الطاقة وحدها مقياس خادع. يتمثل التحدي الحقيقي الذي تواجهه الشركة المصنعة في الحفاظ على السطوع المكاني عند التدرج من باعث واحد إلى طاقة عالية وحدة الليزر المقترنة بالألياف الليزرية متعددة الأوضاع. عندما نقوم بتجميع المزيد من رقائق الصمام الثنائي في ألياف واحدة، فإننا نواجه حتمًا قيود منتج معلمة الحزمة (BPP). إذا تجاوز ناتج بارامتر الحزمة (BPP) للنظام المدمج سعة قبول ألياف التوصيل، يتم تحويل الطاقة الزائدة إلى حرارة، مما يؤدي إلى التدهور السريع للطلاءات البصرية وكسوة الألياف.

توسيع نطاق ليزر مقترن بالألياف يتطلب أكثر من مجرد “تكديس” ميكانيكي للبواعث. فهو ينطوي على نهج حتمي لإدارة طول المسار البصري والتحكم في حالة الاستقطاب والكثافة الطيفية. تبحث هذه المقالة في تقنيات الدمج المتطورة - المكانية والاستقطابية والطيفية - التي تسمح بتقنيات الجمع الحديثة ليزر ديود مقترن بالألياف أنظمة للوصول إلى مستويات كيلووات مع الحفاظ على قابلية التركيز المطلوبة لمعالجة المواد بدقة.

القيد المكاني: المرايا المتدرجة وإدارة BPP

كل منطقة واسعة النطاق ديود ليزر (BAL) يمتلك عدم تناسق مميز. يكون المحور السريع (الرأسي) شبه محدود الحيود، بينما يكون المحور البطيء (الأفقي) متعدد الأوضاع بدرجة كبيرة. في ديود ليزر مقترن بالألياف, ، فإن الهدف الأساسي للبصريات الدقيقة الداخلية هو إعادة تشكيل هذه الحزم المتباعدة في حزمة متناظرة تتطابق مع القلب الدائري للألياف.

هندسة المرآة المتدرجة

لدمج عدة بواعث مفردة مكانيًا، يستخدم المهندسون ترتيب “المرآة المتدرجة” أو “الدرج”. تتم موازاة شعاع كل باعث بواسطة مصادم فردي سريع المحور (FAC) ومصادم بطيء المحور (SAC). ثم تنعكس هذه الحزم الموازِنة بواسطة سلسلة من المرايا ذات الزوايا الدقيقة التي “تكدس” الحزم عموديًا.

دقة هذا التكديس أمر بالغ الأهمية. إذا كانت هناك فجوات بين الحزم المتراصة، فإن ذلك يؤدي إلى إهدار دقة التكديس؛ وإذا تداخلت هذه الحزم، فإن السطوع يضيع. جودة عالية وحدة الليزر المقترنة بالألياف الليزرية متعددة الأوضاع تستخدم التصميمات المحاذاة النشطة الآلية لضمان تقليل “المساحة الميتة” بين الحزم إلى أقل من 5 ميكرومتر. هذه الكثافة هي ما يسمح باقتران وحدة 200 واط في ألياف بطول 105 ميكرومتر مع نسبة صافي سالب 0.15، مما يوفر هامش أمان كبير لحد 0.22 من حد الصافي الصافي السالب للألياف الصناعية القياسية.

الاستقطاب والتركيب الطيفي: كثافة المضاعفة

عندما يصل التراص المكاني إلى الحدود الفيزيائية لقطر قلب الألياف، يجب على المصنعين أن يتحولوا إلى الخصائص الأخرى للضوء: الاستقطاب والطول الموجي.

دمج الحزمة الاستقطابية (PBC)

من خلال الاستفادة من حقيقة أن صمامات الليزر الثنائية تبعث ضوءًا مستقطبًا بشكل طبيعي (عادةً ما يكون في وضع TE)، يمكن دمج مجموعتين متطابقتين من الحزم المكدسة مكانيًا. يتم تمرير مجموعة واحدة من خلال لوحة نصف موجية لتدوير استقطابها بمقدار 90 درجة. ثم يتم توجيه كلتا المجموعتين إلى مقسم الحزمة المستقطبة (PBS). يسمح ذلك للوحدة بمضاعفة طاقة الخرج لـ ليزر مقترن بالألياف من دون زيادة البصمة المكانية أو تعادل القوة الشرائية.

ومع ذلك، يقدم PBC حساسية حرارية. يجب أن تحتوي PBS واللوحات الموجية على طلاءات امتصاص منخفضة للغاية (< 5 جزء في المليون). يمكن لأي حرارة تمتصها هذه المكونات أن تسبب “عدسة حرارية”، مما يؤدي إلى تغيير النقطة البؤرية للحزم ويقلل من كفاءة الاقتران في الألياف.

الجمع بين الحزم الطيفية (SBC) و WDM

يستفيد الدمج الطيفي من قمم الامتصاص المختلفة للمواد المستهدفة أو وسائط الكسب لليزر الليفي. من خلال الجمع بين مصدر 915 نانومتر و940 نانومتر و976 نانومتر في ليف واحد باستخدام مرشحات ثنائية (تعدد تقسيم الطول الموجي)، فإن ليزر ديود مقترن بالألياف يمكن أن تحقق مستويات طاقة غير مسبوقة. هذه التقنية ضرورية للضخ عالي الطاقة في قطاعي الدفاع والفضاء، حيث يتم تنظيم نسب الوزن إلى الطاقة بشكل صارم.

سلامة المواد: من اختيار اللحام إلى حماية التغذية الراجعة البصرية

طول عمر متعدد الأوضاع وحدة ليزر مقترنة بالألياف غالبًا ما يتم تحديده في غرفة تنظيف التجميع، قبل وقت طويل من إطلاق الليزر لأول مرة. يعتبر الانتقال من رقاقة أشباه الموصلات إلى المشتت الحراري هو الواجهة الحرارية الأكثر أهمية.

تفوق لحام AuSn الصلب AuSn

في الطاقة العالية ليزر مقترن بالألياف الوحدات النمطية، يُنظر بشكل متزايد إلى استخدام لحام الإنديوم (اللين) على أنه خطر على الموثوقية. فالإنديوم عرضة “للزحف” والإجهاد الحراري في ظل التدوير عالي التيار المعتاد في اللحام الصناعي. وبمرور الوقت، يؤدي ذلك إلى “الابتسامة الحرارية” - وهو اختلال في المحاذاة حيث تميل الرقاقة فعليًا بسبب هجرة اللحام. تستخدم الوحدات الاحترافية لحاماً صلباً من الذهب والقصدير (AuSn). وعلى الرغم من أن هذا يتطلب هياكل أكثر تعقيدًا لتخفيف الضغط (بسبب الاختلاف في التمدد الحراري بين الرقاقة والقطعة الفرعية)، فإنه يضمن بقاء المحاذاة البصرية مستقرة لمدة 50,000 ساعة أو أكثر.

إدارة الانعكاس الخلفي في المعالجة الصناعية

عندما ليزر ديود مقترن بالألياف يُستخدم في لحام المعادن العاكسة مثل النحاس أو الذهب، ينعكس جزء من طاقة الليزر إلى الألياف. وبدون حماية، يمكن أن يصيب هذا الضوء المنعكس العدسات الداخلية أو جوانب الصمام الثنائي، مما يتسبب في حدوث عطل فوري.

تدمج الوحدات الحديثة “مرشحات الانعكاس الخلفي” أو ماصات ثنائية الانعكاس. هذه المكونات مصممة للسماح بمرور الطول الموجي للمضخة (على سبيل المثال، 915 نانومتر) أثناء امتصاص أو تحويل الطول الموجي للمعالجة (على سبيل المثال، 1080 نانومتر أو 450 نانومتر). بالنسبة لمصنِّع المعدات الأصلية، فإن إدراج هذه الحماية هو شكل من أشكال التأمين؛ فهو يمنع وحدة ليزر $5000 من التلف بسبب اختلال بسيط في محاذاة قطعة العمل.

مصفوفة المواصفات الفنية: ديناميكيات الاقتران الخاصة بالطول الموجي

شروط الحصول على ليزر مقترن بالألياف تختلف بشكل كبير اعتمادًا على الطول الموجي، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى طاقة الفوتونات وكفاءة المواد شبه الموصلة.

دراسة حالة: لحام النحاس عالي الكفاءة لتصنيع بطاريات السيارات الكهربائية

خلفية العميل

كان أحد موردي الفئة الأولى لصناعة السيارات الكهربائية (EV) يعاني من مشكلة “الترشيش” وعدم الاستقرار في لحام قضبان التوصيل النحاسية الرقيقة باستخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء التقليدي 1064 نانومتر. حيث إن امتصاص النحاس للأشعة تحت الحمراء أقل من 5%، مما يتطلب طاقة عالية للغاية والتي غالبًا ما تؤدي إلى “احتراق” أو ضعف القوة الميكانيكية.

التحديات التقنية

احتاج العميل إلى الانتقال إلى مصدر ليزر أزرق (أزرق) 450 نانومتر، والذي يتميز بامتصاص >65% في النحاس. ومع ذلك، من المعروف أن ليزر الصمام الثنائي الأزرق يصعب توصيله في الألياف الصغيرة بسبب تباعده العالي والطاقة العالية للفوتونات الزرقاء، والتي يمكن أن “تشمس” أو تغمق الطلاءات البصرية القياسية بمرور الوقت. كان الهدف هو توصيل 300 واط من الضوء الأزرق من خلال ألياف بطول 200 ميكرومتر مع ثبات عالٍ.

المعلمات والإعدادات الفنية

• مصدر الليزر: 450 نانومتر وحدة الليزر المقترنة بالألياف الليزرية متعددة الأوضاع.
• الهندسة المعمارية الداخلية: تجميع مكاني لـ 24 باعثًا منفردًا.
• واجهة الألياف: 200/220 ميكرومتر، 0.22 نيوتن مكشاف، مع متجرد وضع الكسوة.
• وضع التشغيل: الموجة المستمرة (CW) مع التعلية المعدلة.
• تقنية الطلاء: الطلاءات المرشوشة بالأشعة الأيونية (IBS) لمنع التدهور الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية.

مراقبة الجودة (QC) والتنفيذ

ولضمان ثبات الوحدة على المدى الطويل، خضعت الوحدة لاختبار “التقادم المتسارع” لمدة 500 ساعة في بيئة عالية الرطوبة. راقبنا “ثبات توجيه البقعة”، أي حركة الشعاع داخل قلب الألياف. وباستخدام حامل مثبت بستة محاور من Invar لعدسة التركيز النهائية، حافظنا على انحراف التأشير إلى أقل من 2 ميكرومتر، مما يضمن بقاء كثافة الطاقة في موقع اللحام ثابتة.

الخلاصة

من خلال تنفيذ 450 نانومتر ليزر ديود مقترن بالألياف, حقق العميل لحام “وضع التوصيل” بدلاً من لحام “ثقب المفتاح” العنيف الذي يتميز به ليزر الأشعة تحت الحمراء. وقد أدى ذلك إلى تقليل الترشيش بمقدار 95% وزيادة التوصيل الكهربائي لوصلات قضبان التوصيل. يعمل النظام الآن لمدة 14 شهرًا دون أي تدهور في الطاقة، مما يثبت أن الاقتران المتقدم بالطول الموجي الأزرق هو حل صناعي قابل للتطبيق عندما يتم تصميم البصريات من أجل طاقة فوتونية عالية.

الثقة الاقتصادية: من “دولار لكل واط” إلى “دولار لكل جزء”

في عالم تصنيع المعدات الأصلية عالي المخاطر، فإن شراء ليزر مقترن بالألياف غالبًا ما يتم تقييمها من منظور خاطئ. فإذا كانت وحدة ما أرخص بـ 201 تيرابايت لكل واط ولكن معدل فشلها أعلى بـ 101 تيرابايت لكل واط أو تتطلب صيانة متكررة أكثر، فإن مقياس “الدولار لكل واط” لا معنى له.

قيمة الملاحظات التشخيصية

تشتمل الوحدات المتطورة الآن على مستشعرات داخلية من أجل:

1. الرطوبة: الكشف عن التكثيف المحتمل الذي قد يؤدي إلى تعفير البصريات الداخلية.
2. كثافة الانعكاس الخلفي: توفير “درجة صحية” في الوقت الفعلي لألياف التوصيل.
3. درجة حرارة الحالة: التأكد من أن المشتت الحراري يعمل على النحو المطلوب.

إن الشركة المصنعة التي توفر هذا المستوى من الشفافية لا تبيع مصدر ضوء فحسب؛ بل تبيع “وقت تشغيل تنبؤي”. بالنسبة لجهة تكامل الأنظمة، فإن امتلاك القدرة على إخبار العميل بأن وحدة الليزر تحتاج إلى صيانة قبل فشلها هو الميزة التنافسية المطلقة.

التوقعات المستقبلية: الطباعة ثلاثية الأبعاد وتطورات الصمام الثنائي المباشر

الحدود التالية لـ وحدة الليزر المقترنة بالألياف الليزرية متعددة الأوضاع هو التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد) للمعادن التفاعلية. بينما نزيد من سطوع الثنائيات المقترنة بالألياف الزرقاء والخضراء، سنشهد تحولاً بعيداً عن ليزر الألياف الباهظة الثمن نحو أنظمة “الصمام الثنائي المباشر”. توفر هذه الأنظمة كفاءة أعلى في التوصيل الحائطي وبصمة أصغر، شريطة أن تتمكن الصناعة من الاستمرار في دفع حدود إدارة الصمام الثنائي الثنائي الباعث للضوء والاستقرار الحراري.

الأسئلة الشائعة: الاستشارات الفنية الاحترافية

س 1: لماذا يعد “متجرد وضع الكسوة” (CMS) ضروريًا في وحدة متعددة الأوضاع؟

ج: في الليزر المقرون بالألياف عالية الطاقة، فإن أي ضوء ينحرف أو ينعكس إلى الخلف سيدخل إلى كسوة الألياف بدلاً من القلب. لا يتم توجيه ضوء الكسوة مثل ضوء القلب؛ فهو يتسرب من خلال الغلاف الواقي، والذي عادةً ما يكون من البلاستيك. وبدون وجود نظام إدارة المحتوى لامتصاص وتبديد هذا الضوء “المارق” بأمان في المشتت الحراري المعدني، ستشتعل النيران في ضفيرة الألياف.

س2: كيف يؤثر “الازدهار الحراري” على اقتران الألياف؟

ج: يحدث الازدهار الحراري عندما ترتفع درجة حرارة البصريات الداخلية أو الصمام الثنائي الليزري نفسه، مما يتسبب في تغير معامل الانكسار أو تمدد الحوامل الميكانيكية قليلاً. ويؤدي ذلك إلى زيادة تباعد الشعاع. إذا زاد التباعد أكثر من اللازم، فإن الحزمة “تزدهر” متجاوزة حواف قلب الألياف، مما يؤدي إلى انخفاض فوري في الطاقة المقترنة.

س3: هل هناك فائدة من استخدام نواة ليفية أكبر من اللازم؟

ج: يقلل استخدام ألياف 200 ميكرومتر لوحدة يمكن أن تتلاءم مع 105 ميكرومتر من كثافة الطاقة على واجهة الألياف، مما قد يزيد من عمر الموصل. ومع ذلك، فإنه يقلل أيضًا من السطوع. إذا كان التطبيق الخاص بك يتطلب بقعة صغيرة جدًا ومكثفة (مثل القطع)، فإن الألياف الأكبر حجمًا تعد عيبًا. أما إذا كنت تقوم فقط بالتسخين أو الكسوة في منطقة واسعة، فإن الألياف الأكبر حجمًا هي خيار أكثر أمانًا وقوة.

س4: ما هو تأثير الضخ “المستقر في الطول الموجي”؟

ج: في ليزر الصمام الثنائي الليفي المقترن بالألياف المستخدم في الضخ، يضمن التثبيت (عبر VBG) عدم انحراف الطول الموجي عند تغيير الطاقة (التيار). وهذا أمر بالغ الأهمية بالنسبة لليزر الليفي لأن امتصاصه يكون فعالاً فقط عند طول موجي محدد للغاية (على سبيل المثال، 976 نانومتر). وبدون التثبيت، كلما زادت طاقة المضخة، ينحرف الطول الموجي وينخفض الامتصاص ويصبح النظام غير مستقر.

س5: هل يمكنني تشغيل هذه الوحدات بدورة تشغيل 100%؟

ج: صُممت وحدات وحدة الليزر المقترنة بالألياف الليزرية متعددة الأوضاع من الدرجة الصناعية للتشغيل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع في دورة عمل 100%، شريطة أن يتمكن نظام التبريد (المبرد أو المشتت الحراري) من الحفاظ على درجة حرارة اللوحة الأساسية ضمن النطاق المحدد (عادةً 20-30 درجة مئوية).