في التسلسل الهرمي لأشباه الموصلات الضوئية ديود ليزر متعدد الأوضاع تمثل ذروة كثافة الطاقة الخام. وفي حين أن الباعثات أحادية الوضع هي جراح العالم البصري - التي تُقدَّر بنقائها الطيفي وتركيزها المحدود الحيود - فإنثنائيات الليزر متعددة الأوضاع هي مراكز الطاقة، وهي مصممة لتوفير تدفق فوتوني هائل للمعالجة الصناعية والتجميل الطبي وضخ الليزر في الحالة الصلبة. ومع ذلك، فإن الانتقال من أجهزة أحادية الوضع ذات مستوى الميلي واط إلى أجهزة أحادية الوضع ذات قدرات متعددة ديود ليزر عالي الطاقة الأنظمة ليست مجرد عملية تحجيم؛ فهي تنطوي على تحول أساسي في ديناميكيات الناقل وفيزياء الدليل الموجي والإدارة الحرارية.

بالنسبة لمهندس مصنِّع المعدات الأصلية أو مدمج الأنظمة، يعد فهم بنية “الباعث واسع النطاق” (BAE) أمرًا بالغ الأهمية. على عكس حواف $mu$m الضيقة $m للصمامات الثنائية أحادية الوضع، فإن ديود ليزر متعدد الأوضاع يتميز بعرض منطقة نشطة يتراوح من 50 $mu$m إلى أكثر من 200 $mu$m. وتقلل هذه الفتحة المتزايدة من كثافة الطاقة الضوئية عند الواجهة، مما يسمح بدفع الجهاز إلى تيارات أعلى بكثير قبل مواجهة الحدود الفيزيائية لمادة أشباه الموصلات. ومع ذلك، يقدم هذا العرض مشهدًا نمطيًا معقدًا حيث تتعايش وتتنافس أنماط عرضية متعددة، مما يحدد المظهر الجانبي المكاني للحزمة والسطوع النهائي للنظام.

ديناميكيات الوضع الجانبي والفتيل في الليزر متعدد الأنماط

السمة المميزة لـ ليزر متعدد الأنماط هو قدرتها على دعم الأنماط المستعرضة ذات الترتيب الأعلى. في منطقة واسعة ديود ليزر عالي الطاقة, فإن البُعد الجانبي للدليل الموجي يساوي عدة أضعاف الطول الموجي للضوء المنبعث. وبالتالي، فإن المجال الضوئي ليس بقعة غاوسية بسيطة بل هو تراكب للعديد من الأنماط. وعادةً ما يكون توزيع الشدة الناتج عبر “المحور البطيء” (الموازي للتوصيل) على شكل قبعة علوية أو “ظهر جمل”.

من التحديات الكبيرة في هندسة متعدد الأوضاع ديود ليزر هو “الفتيل”. مع زيادة تيار الحقن، تؤدي الاختلافات الموضعية في كثافة الناقل ودرجة الحرارة إلى تغيرات في معامل الانكسار - وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير كير والعدسة الحرارية. ويمكن أن تؤدي هذه الاختلافات إلى تفكك الحزمة العريضة إلى “خيوط” عالية الكثافة. ويُعد التشعير ضارًا لسببين: فهو يقلل من جودة الحزمة (عامل $M^2$) ويخلق نقاطًا ساخنة موضعية على وجه الخرج، مما يزيد بشكل كبير من خطر حدوث تلف بصري كارثي (COD).

وللتخفيف من ذلك، تركز الشركات المصنعة المتطورة على “هندسة الفهرس الجانبي”. من خلال التحكم الدقيق في شكل المنشطات وهندسة الحافة، من الممكن تثبيت الأوضاع الجانبية وتقليل التخريش. بالنسبة للمشتري، فإن توحيد “المجال القريب” لـ ديود ليزر عالي الطاقة هو مؤشر أساسي على الجودة الداخلية للرقاقة. يشير المظهر الجانبي غير المنتظم للمجال القريب إلى سوء توزيع الحامل، مما سيؤدي حتماً إلى تقادم سابق لأوانه وعدم القدرة على التنبؤ بتوجيه الشعاع في النظام المتكامل.

التدفق الحراري والاختناق $R_{th}$

في ديود ليزر متعدد الأوضاع, فإن الإدارة الحرارية هي الحد الفاصل بين الأداة الموثوقة والمكوّن الفاشل. نموذجية ديود ليزر عالي الطاقة قد تعمل بكفاءة توصيل جدارية (WPE) تتراوح بين 50% إلى 60%. وفي حين أن هذه الكفاءة عالية بالنسبة لليزر، فإنها تعني أنه مقابل كل 10 واط من الضوء المنتج، يتم تحويل ما يقرب من 8 إلى 10 واط إلى حرارة داخل حجم أصغر من حبة رمل.

إن المقاومة الحرارية ($R_{th}$) للحزمة هي المواصفات الأكثر أهمية لموثوقية الشركة المصنعة للمعدات الأصلية. يجب أن تنتقل الحرارة من الآبار الكمومية InGaN أو AlGaAs، من خلال طبقات الكسوة، وواجهة اللحام (عادةً ما تكون من الذهب والقصدير)، وأخيرًا إلى الغلاف الفرعي (C-Mount أو F-Mount أو COS). إذا كان $R_{th}$ أعلى قليلاً من مواصفات التصميم - بسبب الفراغات المجهرية في اللحام أو مادة التركيب الفرعية الرديئة - فإن درجة حرارة الوصلة ($T_j$) سترتفع بشكل كبير.

يؤدي الارتفاع في $T_j$ إلى “تحول أحمر” في الطول الموجي (عادةً 0.3 نانومتر/درجة مئوية) وانخفاض في كفاءة الانحدار. والأخطر من ذلك أنه يسرع من هجرة العيوب البلورية إلى المنطقة النشطة. عند تقييم ديود ليزر متعدد الأوضاع للتطبيقات ذات الموثوقية العالية، يجب أن تكون نقطة “التمديد الحراري” - أي التيار الذي تتوقف عنده الطاقة عن الزيادة بسبب الحرارة - أعلى بكثير من تيار التشغيل المقصود. وهذا يوفر “الإرتفاع الحراري” اللازم للاستقرار على المدى الطويل.

منطق السطوع: من الباعث إلى الألياف

في القطاعين الصناعي والطبي، غالبًا ما تكون الطاقة مقياسًا ثانويًا للسطوع. السطوع هو مقياس للقدرة لكل وحدة مساحة ووحدة زاوية صلبة. بالنسبة لـ ثنائيات الليزر متعددة الأوضاع, فإن السطوع محدود بسبب عدم تناسق “المحور السريع” و“المحور البطيء”. يكون المحور السريع (العمودي على الوصلة) محدودًا بالحيود ويتباعد بسرعة، في حين أن المحور البطيء (الموازي للوصلة) متعدد الأوضاع بدرجة كبيرة ويتباعد ببطء.

دمج ديود ليزر متعدد الأوضاع في نظام مقترن بالألياف يتطلب “الحفاظ على السطوع”. لضخ ليزر ليفي أو توصيل الطاقة من خلال مسبار طبي، يجب تركيز الضوء في قلب ليفي صغير بفتحة عدديّة محددة (NA). إذا كان ديود ليزر عالي الطاقة لديها محور $M^2$ بطيء المحور ضعيف، فإن الكثير من الطاقة “ستضيع” لأنه لا يمكن تركيزها بإحكام بما يكفي لدخول قلب الألياف.

وهنا يتضح منطق “تكلفة المكوّن مقابل تكلفة النظام”. أرخص ديود ليزر متعدد الأوضاع قد يوفر 10 واط من الطاقة الخام ولكن مع باعث 100$\mu$m عريض وجودة شعاع رديئة. ولإقران هذا في ألياف 105$\mu%sP4Tm، قد يحتاج المُدمج إلى بصريات دقيقة باهظة الثمن ومحاذاة نشطة. وعلى العكس من ذلك، قد يكون الصمام الثنائي عالي السطوع المزود بباعث 50$\Tu$m أكثر تكلفة على مستوى المكونات، ولكنه يسمح ببصريات أبسط وكفاءة اقتران أعلى، مما يقلل في النهاية من “التكلفة الإجمالية لكل واط ساطع” للمستخدم النهائي.

علم المواد وتخميل الأوجه (منع تخميل الأوجه)

وضع الفشل النهائي لأي ديود ليزر عالي الطاقة هو التلف البصري الكارثي (COD). يحدث الضرر البصري الكارثي عندما تكون كثافة الطاقة الضوئية في الواجهة عالية بما يكفي لإحداث امتصاص موضعي، مما يؤدي إلى التسخين، الذي يؤدي إلى انكماش فجوة النطاق، مما يؤدي إلى مزيد من الامتصاص. تحدث حلقة التغذية المرتدة الإيجابية هذه في نانو ثانية، مما يؤدي إلى ذوبان واجهة البلورة.

عصري ليزر متعدد الأنماط استخدام “المرايا غير الممتصة” (NAM) أو تقنيات تخميل الأوجه المتخصصة. من خلال إنشاء طبقة على الواجهة ذات فجوة نطاق أوسع من المنطقة النشطة، يمكن للمصنعين ضمان عدم امتصاص الضوء على السطح. علاوة على ذلك، يحمي استخدام التخميل E2 أو الطلاءات المماثلة المملوكة من قبل الشركة المصنعة AlGaAs أو InGaN من الأكسدة. بالنسبة لمصنعي المعدات الأصلية، فإن عتبة COD هي هامش الأمان لنظامهم. فالصمام الثنائي المصنّف بقدرة 10 واط الذي تبلغ عتبة التخميل المؤقت 25 واط أكثر موثوقية من الصمام الثنائي المصنّف بقدرة 15 واط، خاصة في تطبيقات الوضع النبضي حيث تكون طفرات التيار شائعة.

بيانات الأداء الفني: مقارنة بنيات الباعثات واسعة النطاق

يقدم الجدول التالي مقارنة فنية بين المعايير ديود ليزر متعدد الأوضاع تكوينات توضح المفاضلة بين عرض الباعث والطاقة وجودة الشعاع.

دراسة حالة: ضخ عالي الكفاءة لأنظمة ليزر الألياف الليزرية بقدرة 2 كيلو وات

خلفية العميل

تطلبت إحدى الشركات المصنعة لليزر الليفي عالي الطاقة المستخدم في قطع الصفائح المعدنية جهاز ليزر 976 نانومتر أكثر موثوقية ديود ليزر عالي الطاقة المصدر. وقد عانت سلسلة التوريد السابقة من “انجراف الطول الموجي” والأعطال المتكررة في الوحدات، والتي أرجعوها إلى عدم اتساق الترابط الحراري في وحدات الصمام الثنائي.

التحديات التقنية

• القفل الطيفي: 976 نانومتر هي ذروة امتصاص ضيقة للألياف المخدرة بالإيتربيوم. حتى انجراف 2 نانومتر في ليزر متعدد الأنماط سيؤدي إلى خسارة 40% في كفاءة الضخ.
• الإجهاد البيئي: تعمل ماكينات القطع في أرضيات المصانع غير الخاضعة للتحكم في المناخ مع اهتزازات عالية.
• الكثافة: احتاج العميل إلى تركيب 200 واط من طاقة المضخة في لوحة مبردة مدمجة.

إعدادات المعلمات الفنية

• نوع الباعث: 100$\mu$M ديود ليزر متعدد الأوضاع على COS (رقاقة على رقاقة فرعية).
• تيار التشغيل: 12.5 أمبير عند 976 نانومتر.
• التحكم الطيفي: شبكة VBG مدمجة (مقياس حجم براغ) لقفل الطول الموجي في حدود ± 0.5 نانومتر عبر نطاق 20 درجة مئوية.
• الترابط: اللحام الصلب (AuSn) على تركيبات AlN (نيتريد الألومنيوم) لتقليل $R_{th}$ والتخلص من “زحف” اللحام.”
• الاحتراق: 100% من الثنائيات التي خضعت لاختبار تقادم معجّل مدته 168 ساعة عند درجة حرارة 45 درجة مئوية.

بروتوكول مراقبة الجودة (QC)

انصب تركيز مراقبة الجودة على “اتساق كفاءة الانحدار”. إذا تفاوتت كفاءة الانحدار ($W/A$) بأكثر من 3% عبر دفعة واحدة، فهذا يشير إلى وجود تباين في جودة الطبقة الفوقية. وعلاوة على ذلك، تم إجراء “تخطيط كثافة المجال القريب” للتأكد من عدم وجود “خيوط ساخنة” والتي يمكن أن تلحق الضرر بالطبقة الفوقية البصرية أو الألياف البصرية المقترنة.

الخلاصة

من خلال التحويل إلى قفل VBG مغلق ديود ليزر متعدد الأوضاع بنية ذات تركيب أقل $R_{th}$، حقق العميل مصدر مضخة “ضبط ونسيان”. وزادت كفاءة النظام الإجمالية بمقدار 15%، حيث لم يعودوا بحاجة إلى زيادة سرعة الثنائيات لتعويض الانجراف الطيفي. والأهم من ذلك، انخفض معدل الأعطال الميدانية لأنظمتهم بقدرة 2 كيلوواط من 2.41 تيرابايت إلى أقل من 0.11 تيرابايت سنويًا. أظهر هذا الانتقال أن التكلفة الحقيقية لـ ديود ليزر عالي الطاقة لا يقاس بالدولار لكل واط، ولكن بوقت تشغيل النظام وتشغيله بدون صيانة.

التوريد الاستراتيجي: قائمة مراجعة تقييم مصنعي المعدات الأصلية

عند تقييم ثنائيات الليزر متعددة الأوضاع للتكامل عالي المخاطر، يجب على المهندسين النظر إلى ما وراء الصفحة الأولى من ورقة البيانات. توفر المقاييس الهندسية التالية نظرة أعمق على سلامة المكوّن:

1. خطية المنحنى P-I المنحنى الخطي: هل يظل منحنى تيار الطاقة - التيار خطيًا حتى 1.5 ضعف تيار التشغيل المقدر؟ تشير أي “التواءات” في المنحنى إلى عدم استقرار الوضع أو عدم الاستقرار الحراري.
2. العرض الطيفي (FWHM): بالنسبة لـ ليزر متعدد الأنماط, ، يشير العرض الطيفي الأضيق (عادةً <3 نانومتر) إلى وجود شبكة بلورية ذات جودة أعلى مع تقلب تركيبي أقل.
3. تباعد المحور السريع (FAD): على الرغم من أن FAD مرتفع دائمًا، إلا أن انخفاض FAD (على سبيل المثال، <35 درجة مقابل 40 درجة) يجعل بصريات الموازاة أرخص بكثير وأكثر كفاءة.
4. $TDV/dI$ المقاومة التفاضلية: المقاومة الداخلية العالية هي أحد أعراض ضعف التلامس الأومي، مما يؤدي إلى زيادة تسخين الجول وانخفاض طاقة وضع الماء.

في laserdiode-ld.com, ينصب التركيز على “الكفاءة الكلية” للفوتون. من خلال تحسين النمو الفوقي من أجل تقليل الفقد الداخلي وتعظيم التدفق الحراري من خلال هندسة التركيب الفرعي المتقدمة، فإن الهدف هو توفير ديود ليزر متعدد الأوضاع التي تعمل كمحرك قوي للتقدم الصناعي والطبي.

الأسئلة الشائعة: الهندسة المتقدمة للأنظمة متعددة الأنماط

س1: لماذا يكون تباعد “المحور البطيء” أقل بكثير من “المحور السريع” في الصمام الثنائي الليزري متعدد الأوضاع؟

ج: يرجع ذلك إلى فيزياء الحيود. يأتي المحور السريع من فتحة العدسة 1$\mu$m، مما يجعلها تتباعد عند 30°-40° بسبب مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ المطبق على كمية حركة الفوتون. أما المحور البطيء فيأتي من فتحة مقدارها 1001TP4\TP4Tm، لذا فإن تباعده “الهندسي” أقل بكثير، عادةً ما بين 8° و10°، على الرغم من كونه متعدد الأوضاع.

س2: هل يمكنني تعديل الصمام الثنائي الليزري عالي الطاقة بترددات عالية؟

ج: يمكن تعديل ثنائيات الليزر متعددة الأوضاع عند عدة ميغاهيرتز، ولكن سعة الوصلة الكبيرة تجعل سرعاتها الكبيرة تجعل سرعات الجيجاهيرتز (مثل تلك الموجودة في الاتصالات السلكية واللاسلكية) مستحيلة. أما بالنسبة للتطبيقات النبضية مثل LIDAR أو الجماليات الطبية، فيمكنها بسهولة التعامل مع عرض نبضات النانو ثانية.

س3: كيف يؤثر تأثير “الابتسامة” على قضبان الليزر متعددة الأوضاع؟

ج: “الابتسامة” هي الانحناء المجهري لقضيب الليزر أثناء عملية اللحام. إذا كان الشريط يحتوي على “ابتسامة” تزيد عن 1$\mu$m، يصبح من المستحيل موازاة المحور السريع لجميع البواعث في وقت واحد، مما يؤدي إلى خسارة كبيرة في السطوع وكفاءة اقتران الألياف.

س4: ما هي ميزة الصمام الثنائي 976 نانومتر على الصمام الثنائي 915 نانومتر لضخ الألياف؟

ج: يتطابق 976 نانومتر مع ذروة امتصاص أعلى بكثير في الإيتربيوم، مما يسمح بألياف نشطة أقصر وعتبات غير خطية أعلى. ومع ذلك، فإنه يتطلب صمامًا ثنائي ليزر متعدد الأوضاع أكثر استقرارًا لأن الذروة ضيقة جدًا؛ فإذا انحرف الطول الموجي لليزر تنخفض كفاءة الضخ بشكل كارثي.