في مشهد الإلكترونيات الضوئية الحديثة، فإن اختيار مصدر الضوء تمليه الفيزياء الأساسية للتفاعل بين الفوتون والمادة. بالنسبة للمهندسين ومصممي المعدات الأصلية، غالبًا ما تبدأ عملية الاختيار بمتطلبات طاقة محددة - ربما ضوء ليزر 5 ميجاوات لنظام المسح الضوئي أو ليزر 10 مللي واط لمستشعر التداخل. ومع ذلك، فإن الفارق التقني الحقيقي يكمن أعمق من القدرة الخام؛ فهو يكمن في التماسك الزمني والمكاني للمصدر.

هناك بنيتان أساسيتان تهيمنان على سوق مصادر ضوء أشباه الموصلات: البنية التقليدية باعث ديود ليزر و الصمام الثنائي الفائق الإضاءة (SLD). في حين يعتمد كلاهما على حقن الناقلات في بنية البئر الكمية لتحقيق الكسب، إلا أنهما يختلفان بشكل حاد في كيفية إدارتهما للتغذية المرتدة البصرية. ويُعد فهم هذا الاختلاف أمرًا بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتراوح بين التصوير المقطعي البصري التوافقي (OCT) والقياس الدقيق.

باعث الصمام الثنائي الليزري: الانبعاث المحفز وقفل الطور

A باعث ديود ليزر يعمل على مبدأ الانبعاث المحفز داخل تجويف رنيني. وتتطلب فيزياء هذا الجهاز ثلاثة مكونات أساسية: وسيط كسب (طبقة أشباه الموصلات النشطة)، ومصدر ضخ (تيار الحقن)، وتغذية راجعة بصرية (المرايا التي تتكون عادةً من الأوجه المشقوقة للبلورة).

وعندما يتجاوز تيار الحقن عتبة محددة، يصبح انعكاس التعداد في المنطقة النشطة كافياً للتغلب على الفقد الداخلي. وعند هذه النقطة، تؤدي الفوتونات المرتدة بين الأوجه إلى انبعاث المزيد من الفوتونات المتطابقة في الطور والتردد والاتجاه. وينتج عن هذا القفل المرحلي خاصية التماسك الزمني العالي لليزر. بالنسبة لـ ليزر 10 مللي واط, عادةً ما يكون عرض الخط الطيفي ضيقًا جدًا، وغالبًا ما يكون أقل من 0.1 نانومتر، مما يعني أن الضوء له طول تماسك طويل.

ومع ذلك، فإن هذا التماسك العالي سلاح ذو حدين. في تطبيقات التصوير، يؤدي التماسك العالي إلى “ضوضاء البقع”، وهو نمط تداخل حبيبي يقلل من دقة الصورة. أما بالنسبة للاستشعار الدقيق، فهي الميزة ذاتها التي تسمح بقياسات إزاحة دون النانومتر.

الصمام الثنائي الفائق الإضاءة (SLD): الأرضية الوسطى

ال الصمام الثنائي الفائق الإضاءة يمثل فئة فريدة من الباعثات التي تجمع بين الطاقة العالية والسطوع العالي لليزر مع التماسك المنخفض لمصباح LED. ومن الناحية المعمارية، فإن SLD هو باعث ديود ليزر بدون التغذية المرتدة. ومن خلال استخدام موجه موجي مائل أو إضافة طلاء مضاد للانعكاس (AR) إلى الأوجه، تقوم الشركة المصنعة بكبح رنين فابري-بيرو.

وبدون حلقة التغذية المرتدة، يعمل الجهاز عن طريق الانبعاث التلقائي المضخم (ASE). يتم تضخيم الفوتونات المتولدة من خلال الانبعاث التلقائي أثناء انتقالها على طول وسيط الكسب، ولكنها لا تخضع لعملية قفل الطور الموجودة في الليزر. والنتيجة هي ناتج طيفي واسع النطاق - عادةً من 10 نانومتر إلى 100 نانومتر - وهو ما يترجم إلى طول تماسك قصير جدًا (ميكرون بدلاً من متر).

بالنسبة للمشترين من مصنعي المعدات الأصلية، فإن جهاز SLD هو المعيار الذهبي للإضاءة “الخالية من البقع”. في التشخيص الطبي، وخاصة في مسح شبكية العين، يسمح التماسك المنخفض لجهاز SLD بالتقطيع العميق عالي الدقة المطلوب لرؤية الطبقات الفردية للعين.

فيزياء الصمام الثنائي الأخضر المباشر: تحدي الليزر الأخضر بقدرة 100 ميجاوات

البحث عن مستقر ليزر أخضر 100 ميجا وات تاريخيًا، كان هناك صراع بين تقنية DPSS (الصمام الثنائي المضخوم الصلب) وثنائيات الغاليوم نيتريد (نيتريد الغاليوم) ذات الانبعاثات المباشرة. التقليدية ليزر 532 نانومتر استخدم الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء لضخ بلورة Nd:YVO4، ثم استخدم بلورة غير خطية لمضاعفة التردد. ومن المعروف أن هذه العملية متعددة الخطوات حساسة لدرجة الحرارة والاهتزاز.

التحول نحو الانبعاثات المباشرة ليزر أخضر 100 ميجا وات (عادةً 520 نانومتر) قد أعادت تعريف المشهد الصناعي. تستخدم هذه الأجهزة الآبار الكمومية InGaN (نيتريد غاليوم الإنديوم). ويتمثل التحدي الهندسي عند 100 ميجاوات في “انخفاض الكفاءة” - وهي ظاهرة تتناقص فيها الكفاءة الكمية الداخلية للصمام الثنائي GaN مع زيادة كثافة التيار. ويُعزى ذلك إلى حد كبير إلى إعادة تركيب أوجيه حيث تنتقل الطاقة من زوج إلكترون-ثقب إلى ناقل ثالث على شكل حرارة بدلاً من الضوء.

يتطلب الحفاظ على خرج مستقر بقدرة 100 ميجاوات إدارة مقاومة حرارية متطورة. يجب نقل الحرارة المتولدة في المنطقة النشطة عبر طبقات الكسوة p وطبقات الكسوة n إلى الغطاء الفرعي. في المكوِّنات عالية الجودة باعث ديود ليزر, ، فإن استخدام نيتريد الألومنيوم (نيتريد الألومنيوم) أو وحدات الماس الفرعية أمر شائع لمنع “التمديد الحراري” حيث تبدأ طاقة الليزر في الانخفاض على الرغم من زيادة التيار.

من جودة المكونات إلى التكلفة الإجمالية للنظام: منطق مصنعي المعدات الأصلية

عند البحث عن مصدر ضوء ليزر 5 ميجاوات أو ليزر 10 مللي واط, ، غالبًا ما تركز فرق المشتريات على سعر الوحدة. ومع ذلك، فإن نسبة “المكون إلى التكلفة” غير خطية. فالنسبة المنخفضة باعث ديود ليزر قد تكلّف 30% أقل من وحدة صناعية متميزة، ولكنها تُدخل تكاليف خفية في نظام المستخدم النهائي.

الاستقرار الطيفي وتكاليف التصفية

غالبًا ما يُظهِر الصمام الثنائي منخفض الجودة “قفزات في الوضع” - قفزات لا يمكن التنبؤ بها في الطول الموجي للانبعاث مع تغير درجة الحرارة. إذا كان المنتج النهائي يستخدم مرشحات ضوئية ضيقة النطاق، يمكن أن يؤدي قفز النمط إلى تحريك تردد الليزر خارج نطاق مرور المرشح، مما يجعل النظام عديم الفائدة. “التكلفة” هنا ليست فقط الصمام الثنائي، ولكن التعقيد الإضافي لوحدة التحكم في درجة الحرارة ذات الحلقة المغلقة (TEC) التي ربما لم تكن ضرورية مع باعث أكثر استقرارًا.

تباعد الشعاع والتعقيد البصري

الناتج الخام لـ باعث ديود ليزر شديدة التباعد والاستجماتيزم. تحدد دقة نقش الدليل الموجي للحافة مدى “نظافة” الشعاع الخام. إن دقة ليزر أخضر 100 ميجا وات بعامل $M ^ 2$ منخفض يسمح ببصريات موازاة أبسط وأرخص. وعلى العكس من ذلك، تتطلب الحزمة ذات الجودة الرديئة عدسات لا كروية باهظة الثمن أو مرشحات مكانية لتصبح قابلة للاستخدام، وغالبًا ما يتجاوز التوفير الأولي على الصمام الثنائي نفسه.

الأداء المقارن: SLD مقابل باعث الصمام الثنائي الليزري

للمساعدة في عملية الاختيار التقني، يقارن الجدول التالي الخصائص النموذجية لبواعث أشباه الموصلات المتطورة في نطاق 5 ميجاوات إلى 100 ميجاوات.

السياق الدلالي المتقدم: ما وراء المواصفات الأساسية

لفهم الوضع الحالي للصناعة بشكل كامل، يجب دمج ثلاثة مفاهيم إضافية ذات حركة مرور عالية في فلسفة التصميم:

1. كفاءة التوصيل بالجدار (WPE): مناسب بشكل خاص لـ ليزر أخضر 100 ميجا وات, ، يقيس WPE مقدار الطاقة الكهربائية التي يتم تحويلها إلى ضوء. ويقلل ارتفاع WPE من متطلبات التبريد، مما يسمح بتزويد الأجهزة المحمولة باليد بمزيد من الأجهزة المدمجة.
2. ضوضاء الشدة النسبية (RIN): في الاتصال أو الاستشعار عالي السرعة، يمكن أن يحد “الوميض” أو التشويش في طاقة الليزر من نسبة الإشارة إلى الضوضاء. قسط بواعث الصمام الثنائي الليزري يتم فحصها للتأكد من عدم وجود RIN منخفض لضمان سلامة البيانات.
3. استقرار الوضع المستعرض: لأجل ليزر 10 مللي واط, ، يعد الحفاظ على وضع $TEM_{00}$ واحدًا ضروريًا للاقتران المتسق في الألياف أحادية الوضع. يمكن أن يؤدي عدم استقرار الوضع إلى “تقلبات اقتران”، والتي غالبًا ما يتم تشخيصها بشكل خاطئ على أنها ضوضاء إلكترونية.

دراسة حالة: تنفيذ جهاز SLD بقدرة 10 ميجاوات لاستشعار الألياف الصناعية

خلفية العميل

كانت إحدى شركات مراقبة الصحة الإنشائية تعمل على تطوير نظام استجواب بمشبك الألياف الضوئية (FBG). تُستخدم هذه الأنظمة لمراقبة سلامة الجسور وأجنحة الطائرات من خلال قياس انزياح الطول الموجي للضوء المنعكس من مستشعرات الألياف.

التحديات التقنية

استخدم العميل في البداية معيار ليزر 10 مللي واط لكنهم وجدوا أن التماسك العالي لليزر خلق “تداخلات متداخلة” في الألياف، مما حجب إشارات المستشعر. وقد احتاجوا إلى مصدر ذي طاقة كافية لقطع مسافة 5 كيلومترات من الألياف ولكن بطول تماسك قصير بما يكفي لتجنب التداخل الطفيلي.

إعدادات المعلمات الفنية

• المصدر: 850 نانومتر الصمام الثنائي الفائق الإضاءة.
• الطاقة الناتجة: 10 ميجاوات (في الألياف).
• عرض النطاق الترددي الطيفي: 25 نانومتر (FWHM).
• طول التماسك: ~30 $\mu$M.
• تيار التشغيل: 120 مللي أمبير.
• التعبئة والتغليف: حزمة الفراشة مع TEC وثرمستور حراري مدمج.

بروتوكول مراقبة الجودة (QC)

كان الشاغل الرئيسي هو “التموج الطيفي”. في جهاز SLD، يتسبب أي انعكاس متبقٍ من الأوجه في حدوث تموجات في الطيف الواسع، والتي يمكن أن تُخطئ في اعتبارها إشارة استشعار. قمنا بتنفيذ بروتوكول صارم لرسم الخرائط الطيفية باستخدام محلل الطيف الضوئي (OSA) لضمان أن التموج كان أقل من 0.1 ديسيبل عبر النطاق 25 نانومتر بالكامل. علاوة على ذلك، تم إخضاع الوحدات لنقعها في درجة حرارة عالية لمدة 100 ساعة لضمان عدم تدهور طلاءات الواقع المعزز.

الخلاصة

من خلال الانتقال من ليزر ضيق النطاق إلى جهاز SLD عالي الطاقة، زاد العميل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء في نظام المراقبة الخاص بهم بمقدار 18 ديسيبل. وأدى التماسك المنخفض لجهاز SLD إلى القضاء على التداخلات المتداخلة، مما سمح لهم باكتشاف الشقوق الدقيقة في هيكل الجسر التي كانت غير مرئية في السابق. تسلط هذه الحالة الضوء على أنه بالنسبة لشبكات الألياف المعقدة، غالبًا ما يكون “العرض” الطيفي أكثر أهمية من “النقاء” الطيفي.”

التكامل الاستراتيجي: تحديد مصادر الباعث المناسب

ما إذا كان الطلب يستدعي ضوء ليزر 5 ميجاوات لمحاذاة بسيطة أو عالية الكثافة ليزر أخضر 100 ميجا وات للمعالجة الصناعية، يجب أن ينظر الفريق الهندسي إلى “استقرار الطاقة على المدى الطويل” (LTPS).

الشركة المصنعة مثل laserdiode-ld.com البيانات التي تسمح بإجراء هذا الحساب. عند تقييم ليزر للبيع, اطلب “منحنى L-I” (الضوء مقابل التيار) عند درجات حرارة متعددة. إذا لم تكن المنحنيات متوازية، فهذا يشير إلى ضعف انحصار الناقل، مما يؤدي إلى الشيخوخة المبكرة.

في النطاق من 5 ميجاوات إلى 10 ميجاوات، يكون “تيار العتبة” هو المقياس الرئيسي. يشير تيار العتبة المنخفض عمومًا إلى نمو بلوري عالي الجودة مع عيوب أقل. بالنسبة لنطاق 100 ميجاوات، ركز على “المقاومة الحرارية” ($R_{th}$) من الوصلة إلى العلبة. إن انخفاض $R_TR_{th}$ هو الضمان الوحيد لبقاء الليزر الأخضر على قيد الحياة لآلاف دورات التشغيل دون اضمحلال كبير في الطاقة.

الأسئلة الشائعة: وجهات نظر مهنية حول تقنية الصمام الثنائي

س1: هل يمكن تركيز الصمام الثنائي الفائق الإضاءة بإحكام مثل الصمام الثنائي الليزري؟

ج: نعم. في حين أن جهاز SLD لديه تماسك زمني منخفض (طيف واسع)، إلا أنه يمكن أن يكون لديه تماسك مكاني عالٍ (وضع عرضي واحد). وهذا يعني أنه يمكن تركيز جهاز SLD على بقعة محدودة الحيود، وهو ما يعني أنه مطابق تقريبًا لباعث الصمام الثنائي الليزري بنفس الطول الموجي.

س2: لماذا يُعد الليزر الأخضر المباشر 520 نانومتر أكثر موثوقية من ليزر DPSS 532 نانومتر؟

ج: الصمام الثنائي 520 نانومتر عبارة عن شريحة واحدة من أشباه الموصلات. ويتضمن ليزر DPSS 532 نانومتر بلورات متعددة وبصريات حساسة للمحاذاة. يمكن تعديل الصمام الثنائي المباشر بسرعات ميجاهرتز وهو أكثر مقاومة بكثير لـ “ارتفاع الطاقة” الناجم عن درجة الحرارة.”

س3: كيف يمكنني الاختيار بين 5 ميجاوات و10 ميجاوات لمنتج معتمد للسلامة؟

ج: يعتمد ذلك على فئة سلامة الليزر (الفئة 3R مقابل الفئة 3B). غالبًا ما يكون ضوء الليزر بقوة 5 ميجاوات هو الحد الأقصى للفئة 3R، والتي لها متطلبات تنظيمية أقل في العديد من الولايات القضائية. ومع ذلك، يوفر ليزر 10 ملي واط نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل للمستشعرات. استشر دائمًا معايير IEC 60825-1 أثناء مرحلة التصميم.

س4: هل يتسبب الطيف الواسع لجهاز SLD في حدوث انحراف لوني؟

ج: نعم. نظرًا لأن عدسات SLD ذات عرض نطاق ترددي واسع، فإن العدسات الفردية القياسية ستركز أطوال موجية مختلفة في نقاط مختلفة. بالنسبة لأنظمة SLD، يوصى بشدة باستخدام العدسات المزدوجة اللونية للحفاظ على حجم بقعة حادة.