تطور الإشعاع: تحديد الطاقة في أنظمة الصمام الثنائي عالي الإنتاجية

في قطاع الضوئيات الصناعية، يعد التحرك نحو كثافة طاقة أعلى هو التحدي الحاسم في هذا العقد. بينما تتفوق الصمامات الثنائية أحادية الوضع في التماسك المكاني، فإن ليزر ثنائي الصمام الثنائي الليزري المقترن بالألياف عالية الطاقة هو محرك الصناعة، حيث يقود التطبيقات من الضخ بالليزر الليفي إلى المعالجة المباشرة للمواد والتجميل الطبي عالي الطاقة. عندما نناقش الأطوال الموجية مثل 808 نانومتر أو 915 نانومتر أو 940 نانومتر، فإننا نعمل في نظام يجب فيه موازنة القوة الكهربائية الخام مع “السطوع” - وهو مقياس مقدار الطاقة التي يمكن ضغطها في قطر قلب ألياف معين وفتحة عدديّة (NA).

يُعرّف السطوع تقنيًا بأنه القدرة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زاوية صلبة. بالنسبة للشركة المصنعة، فإن زيادة قوة 915 نانومتر ليزر مقترن بالألياف بسيطة نسبيًا؛ يمكن للمرء إضافة المزيد من البواعث. ومع ذلك، فإن الحفاظ على السطوع بحيث يظل الضوء مفيدًا لليزر الألياف الضوئية في المصب هو تمرين في الحفاظ على البصريات. فكل سطح بصري وكل محاذاة عدسة وكل تدرج حراري يهدد “بتشويش” الشعاع، مما يزيد من ناتج معلمة الشعاع (BPP) ويقلل من فائدته. ولفهم نسبة التكلفة إلى الأداء لهذه الوحدات، يجب أن ننظر إلى ما وراء القوة الكهربائية على ورقة البيانات ونفحص هندسة المسار البصري ووجه أشباه الموصلات.

فيزياء أشباه الموصلات: عنق الزجاجة الحراري وحماية الأوجه

تبدأ رحلة الفوتون عالي الطاقة في المنطقة النشطة من رقاقة الليزر واسع النطاق (BAL). بالنسبة إلى صمام ليزر ثنائي ليزر 808 نانومتر أو صمام ليزر ثنائي ليزر 940 نانومتر, ، وعادةً ما يتم استخدام نظام المواد AlGaAs/GaAs. لا يتمثل الحد الأساسي لتوسيع نطاق الطاقة في هذه الرقائق في تيار الحقن نفسه، بل في الحرارة المتولدة عند الوصلة p-n وهشاشة واجهة الخرج.

تلف المرآة الضوئية الكارثية (COMD) والتخميل

عندما تصل كثافة الطاقة في واجهة الليزر إلى عدة ميجاوات لكل سنتيمتر مربع، تبدأ المادة شبه الموصلة في امتصاص الضوء الخاص بها. يؤدي هذا الامتصاص إلى تسخين موضعي، مما يؤدي إلى انكماش فجوة النطاق، مما يؤدي إلى مزيد من الامتصاص. وينتج عن هذا الهروب الحراري انصهار فيزيائي لمرآة الليزر. تستخدم الصمامات الثنائية عالية الطاقة الاحترافية تقنية المرآة غير الممتصة (NAM) أو طبقات تخميل متخصصة للوجه (مثل AlN أو SiN) المودعة في بيئات مفرغة من الهواء فائقة التفريغ. من خلال نقل إعادة تركيب الناقلات بعيدًا عن السطح، يمكننا دفع 940 نانومتر ديود ليزر إلى كثافات تيار أعلى دون التعرض لخطر الموت المفاجئ.

المقاومة الحرارية ومواد التثبيت الفرعي

الحرارة هي العامل الأساسي في انحراف الطول الموجي وتدهور الطاقة. قد تقوم رقاقة قياسية عالية الطاقة بتحويل 50% إلى 60% من الطاقة الكهربائية إلى ضوء؛ أما الـ 40% المتبقية فهي عبارة عن حرارة يجب إزالتها من بصمة أصغر من حبة الملح. تُعد المقاومة الحرارية ($R_{th}$) للقطعة الفرعية أمرًا بالغ الأهمية. غالبًا ما يختار المهندسون نيتريد الألومنيوم (AlN) أو حتى الماس الاصطناعي للحوامل الفرعية نظرًا لتوصيلها الحراري العالي ومطابقة معامل التمدد الحراري (CTE) مع GaAs. إذا كان معامل التمدد الحراري غير متطابق، فإن التدوير الحراري أثناء التشغيل سيؤدي إلى إجهاد ميكانيكي في الشبكة البلورية، مما يؤدي إلى “عيوب الخط المظلم” (DLDs) التي تخفت ببطء على مدى آلاف الساعات.

البنية البصرية: الباعث المتعدد الأحادي المتعدد مقابل قضبان الليزر

في تصميم طاقة عالية ديود ليزر مقترن بالألياف الوحدة النمطية، هناك مدرستان فكريتان أساسيتان: “شريط الصمام الثنائي” وبنية “الباعث الفردي المتعدد” (MSE).

مشكلة “الابتسامة” في قضبان الليزر

يتكون شريط الليزر من بواعث متعددة تنمو على ركيزة واحدة. وفي حين أنها توفر طاقة عالية في حزمة مدمجة، فإنها تعاني من ظاهرة ميكانيكية تعرف باسم “الابتسامة”. أثناء عملية اللحام، قد ينحني الشريط قليلاً (غالباً بمقدار 1-2 ميكرومتر فقط). ويجعل هذا الانحناء من المستحيل موازاة جميع البواعث في ليف واحد في وقت واحد، حيث يكون المحور السريع لكل باعث على ارتفاع مختلف قليلاً. ويؤدي ذلك إلى تدهور كفاءة اقتران BPP وانخفاض كفاءة الاقتران.

التجميع متعدد الباعثات الأحادية المتعددة (MSE)

معظم الحديث ليزر مقترن بألياف 915 نانومتر تستخدم وحدات الضخ الليزري الليفي بالليزر الآن بنية MSE. في هذا الإعداد، يتم تركيب رقاقات الليزر الفردية على أحواض حرارية منفصلة ويتم دمج أشعتها مكانيًا أو من خلال الاستقطاب.

1. الموازاة سريعة المحور (FAC): تحصل كل شريحة على عدسة دقيقة مخصصة لها. نظرًا لأن كل شريحة تتم محاذاة كل شريحة بشكل مستقل، يتم التخلص من تأثير “الابتسامة”.
2. أنظمة تحويل الشعاع (BTS): نظرًا لأن البواعث “عريضة” (على سبيل المثال، 100-200 ميكرومتر)، فإن جودة الشعاع في المحور البطيء رديئة. تعمل عدسة BTS على تدوير الحزم الفردية بمقدار 90 درجة، مما يسمح بموازنة جودة الحزمة “الجيدة” للمحور السريع مع الجودة “الرديئة” للمحور البطيء، مما يؤدي إلى الحصول على حزمة أكثر تناسقًا تتناسب بسهولة أكبر مع قلب الألياف الدائرية.
3. الدمج المكاني: يتم “تدرج” الحزم أو “تكديسها” باستخدام المناشير الدقيقة أو المرايا قبل تركيزها في الألياف.

اقتران الألياف: قانون إتندو وإدارة المدمنين المجهولين

يتطلب اقتران 200 واط من الطاقة في ألياف مقاس 105 ميكرومتر مع NA 0.22 الالتزام الصارم بقانون إيتندو. لا يمكن تقليل حاصل ضرب حجم المصدر وزاوية تباعده بواسطة أي نظام بصري سلبي. لذلك، فإن “عنق الزجاجة” هو دائمًا نقطة دخول الألياف.

التعبئة بفتحة عدديّة (NA)

الخطأ الشائع في الوحدات الأرخص هو الإفراط في ملء الـ NA الخاص بالألياف. في حين أن الوحدة قد تدعي أنها 0.22 NA، إذا كانت 95% من الطاقة مركزة في 0.15 NA، فهي مصدر “ساطع” أعلى جودة بكثير من مصدر ينتشر فيه الضوء إلى حافة حد 0.22. من المرجح أن يتسرب الضوء عند حافة حد الـ NA من القلب ويدخل إلى الكسوة، خاصةً إذا كانت الألياف منحنية. يمكن أن تؤدي “قوة الكسوة” هذه إلى ذوبان غلاف الألياف أو تدمير نظام الليزر في اتجاه المصب. عالية النهاية ليزر ثنائي الصمام الثنائي الليزري المقترن بالألياف عالية الطاقة تشتمل الوحدات النمطية على “أجهزة تعرية الطاقة المكسوة” أو حواجز داخلية لضمان خروج الضوء داخل نطاق NA الآمن فقط من الوحدة النمطية.

الموثوقية والهندسة للذيل الطويل

القيمة الحقيقية لـ صمام ليزر ثنائي ليزر 808 نانومتر يوجد في أداء “منحنى حوض الاستحمام” - تقليل معدل وفيات الرضع من خلال الاحتراق وإطالة مرحلة “البلى” من خلال علم المواد.

لحام AuSn الصلب مقابل لحام الإنديوم اللين

تاريخيًا، تم استخدام لحام الإنديوم لمرونته، لكنه عرضة لـ “هجرة الإنديوم”، حيث يتحرك اللحام جسديًا ويقصر الصمام الثنائي بمرور الوقت. تستخدم الوحدات الحديثة عالية الموثوقية لحام الذهب والقصدير (AuSn) الصلب. على الرغم من صعوبة معالجته، إلا أن AuSn يوفر واجهة حرارية وميكانيكية أكثر استقرارًا، وهو أمر حيوي لعمر أكثر من 50,000 ساعة المطلوبة في بيئات التصنيع الصناعية.

دراسة حالة: ضخ 915 نانومتر لليزر ليزر الألياف الليفي CW بقوة 2 كيلو وات

خلفية العميل:

مصنع ليزر صناعي متخصص في أنظمة قطع الصفائح المعدنية. كانت الشركة تعمل على تطوير ليزر ليفي بموجة مستمرة (CW) بقوة 2 كيلو وات وتحتاج إلى مصادر ضخ موثوقة.

التحديات التقنية:

كان العميل يعاني من “فشل المضخة” في نماذجهم الأولية. كشفت التحقيقات أن الانعكاسات الخلفية من القلب النشط لليزر الليفي كانت تدخل مرة أخرى إلى ثنائيات المضخة، مما تسبب في ارتفاع درجة حرارة رقائق 915 نانومتر وفشلها. وبالإضافة إلى ذلك، كان معدل الكثافة الضوئية للمضخات السابقة مرتفعًا جدًا، مما أجبرهم على استخدام ألياف 200 ميكرومتر، مما قلل من الكفاءة الكلية لليزر الليفي.

المعلمات الفنية والإعدادات الفنية:

• المتطلبات: خرج 200 واط من ألياف 135 ميكرومتر (NA 0.22).
• الطول الموجي: 915 نانومتر ± 3 نانومتر لمطابقة ذروة الامتصاص للألياف المخدرة بالإيتربيوم.
• الحماية: فلتر ثنائي ثنائي النانومتر 1064 نانومتر مدمج لحجب الانعكاسات الخلفية من شعاع الليزر الرئيسي.
• الهندسة المعمارية: الجمع بين 20 باعثًا مكانيًا باستخدام رقائق AuSn المرتبطة بـ.

حل مراقبة الجودة (QC):

تم اختبار كل وحدة باستخدام “محدد ملامح شعاع الألياف” للتأكد من احتواء 95% من الطاقة ضمن صافي سالب 0.18، مما يوفر هامش أمان لنظام العميل البالغ 0.22 صافي سالب 0.22. قمنا أيضًا بتنفيذ “اختبار الانعكاس الخلفي عالي الطاقة” حيث أطلقنا عمدًا ليزر 1064 نانومتر في ألياف خرج المضخة للتحقق من فعالية الطلاء الداخلي ثنائي الشقوق.

الخلاصة:

من خلال الترقية إلى ليزر مقترن بالألياف عالية السطوع 915 نانومتر عالي السطوع مع حماية متكاملة من الانعكاس، زاد العميل من كفاءة الليزر الليفي البصري إلى البصري من 65% إلى 72%. وقد أدى استخدام وحدات اللحام الصلب إلى التخلص من مشكلات التدهور التي شهدوها مع منافسيهم المعتمدين على الإنديوم، وسمح لهم استخدام مجمّع مضخة أصغر نواةً، مما أدى إلى زيادة تحسين جودة الشعاع للإخراج النهائي بقدرة 2 كيلو وات.

جدول المواصفات الفنية: وحدات متعددة الأنماط عالية الطاقة

الأسئلة الشائعة الاحترافية: استفسارات الصمام الثنائي الليزري عالي الطاقة

س 1: لماذا يعتبر 915 نانومتر و940 نانومتر أكثر شيوعًا من 976 نانومتر لضخ ألياف الليزر؟

في حين أن 976 نانومتر لديها مقطع عرضي امتصاص أعلى في الإيتربيوم، إلا أنها ذروة ضيقة للغاية. ويتطلب هذا أن يكون الصمام الثنائي للمضخة مستقرًا في الطول الموجي (باستخدام VBG) وأن يكون نظام التبريد دقيقًا للغاية. يحتوي 915 نانومتر و940 نانومتر على نطاقات امتصاص أوسع بكثير، مما يجعل النظام أكثر “تسامحًا” مع تقلبات درجة الحرارة وانحراف الطول الموجي.

س2: كيف تؤثر “قوة الكسوة” على عمر نظام الليزر؟

طاقة الكسوة هي الضوء الذي لم يعد محصورًا في قلب الألياف. يتم امتصاص هذا الضوء بواسطة طلاء البوليمر الخاص بالألياف، مما يتسبب في احتراقه أو تفحمه. في الأنظمة ذات الطاقة العالية، تكون طاقة الكسوة هي السبب في “احتراق الألياف الخلفية”. تقلل الوحدات الاحترافية من هذا الأمر من خلال ضمان جودة الحزمة العالية (BPP منخفضة) عند المصدر.

س3: ما فائدة “الألياف القابلة للفصل” مقابل “الضفيرة الدائمة”؟

توفر الضفيرة الدائمة (الألياف الثابتة) أقل خسارة ممكنة وأعلى موثوقية لأنه لا توجد فجوة هوائية أو واجهة موصل. وتوفر الألياف القابلة للفصل (SMA905 أو FC/PC) مزيدًا من المرونة للتطبيقات الطبية حيث تعتبر الألياف من المواد الاستهلاكية، ولكنها عرضة للتلوث ولها عتبات طاقة أقل.

س4: هل يمكن تشغيل هذه الثنائيات في الوضع “النبضي”؟

نعم، ولكن بحذر. في حين أنه يمكن تبديل الصمام الثنائي بسرعة، فإن الإجهاد الحراري لدورة “التشغيل/إيقاف التشغيل” أعلى بكثير من التشغيل CW. إذا كان النبض مطلوبًا، فمن المهم التأكد من أن مزود الطاقة لا يحتوي على تجاوز للتيار، حيث إن ميكروثانية واحدة من التيار الزائد يمكن أن تسبب اضطراب COMD.

س5: ما هو دور “الثرمستور” في وحدة 300 واط؟

في وحدة الطاقة العالية، الثرمستور ليس للمراقبة فقط؛ بل هو قفل أمان. إذا تعطل ماء التبريد أو انفصل المبدد الحراري، سيكتشف الثرمستور الارتفاع السريع في درجة الحرارة ويرسل إشارة إلى المشغل لإيقاف التشغيل قبل أن تذوب رقائق الليزر.