فيزياء السطوع: لماذا يعتبر اقتران الألياف حدوداً هندسية

في التسلسل الهرمي للأنظمة الضوئية، فإن ليزر مقترن بالألياف يقف كجسر بين انبعاث أشباه الموصلات الخام والتطبيق الدقيق. في حين أن الميزة الأساسية لـ ليزر ديود مقترن بالألياف غالبًا ما يُشار إلى مرونتها أو قدرتها على التوصيل عن بُعد، يكمن التحدي التقني الحقيقي في الحفاظ على السطوع. والسطوع، الذي يُعرّف بأنه القدرة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زاوية صلبة، يحكمه قانون حفظ الإيتندو. وبالنسبة للمهندس، فإن الهدف هو ضغط أكبر قدر ممكن من الضوء في أصغر نواة ألياف ممكنة بأقل فتحة عددية (NA).

A وحدة الليزر المقترنة بالألياف الليزرية متعددة الأوضاع عادةً ما تكون مبنية حول صمامات ليزر ثنائية عالية الطاقة واسعة النطاق (BALs). هذه البواعث لها مخرجات غير متماثلة إلى حد كبير: محور سريع محدود الحيود ومحور بطيء متعدد الأوضاع إلى حد كبير. عملية الاقتران ليست مسألة تركيز بسيطة؛ إنها عملية تحويل هندسي معقدة. يمكن أن يبلغ عرض “المحور البطيء” لباعث الصمام الثنائي 100 ميكرومتر مع تباعد 10 درجات، بينما يبلغ عرض “المحور السريع” ميكرومتر واحد فقط مع تباعد 40 درجة. ويتطلب التوفيق بين هذين البعدين في قلب ألياف دائرية مجموعة متطورة من البصريات الدقيقة، بما في ذلك موازانات المحور السريع (FAC) وموازانات المحور البطيء (SAC)، تليها بنية الجمع المكاني أو الاستقطاب.

اختيار الألياف هو القيد الأساسي. في الضخ الصناعي أو الجراحة الطبية، تعتبر الألياف الميكرومترية 105/125 ميكرومتر (قلب 105 ميكرومتر، وكسوة 125 ميكرومتر) مع نسبة صافي التحييد الصافي 0.22 هي المعيار الصناعي. لإقران 100 واط أو 200 واط من الطاقة في مثل هذا القلب الصغير، يجب على الشركة المصنعة إدارة منتج معلمة الشعاع (BPP). إذا تجاوز منتج بارامتر الحزمة (BPP) لأشعة الليزر المدمجة منتج بارامتر الحزمة (BPP) للألياف، فسوف يدخل الضوء إلى الكسوة، مما يؤدي إلى فشل حراري كارثي في الضفيرة أو الوحدة نفسها.

بنية ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي المقترن بالألياف: متعدد الباعثات الأحادية الباعثات مقابل القائم على شريط

هناك مدرستان فكريتان أساسيتان في بناء الطاقة العالية ديود ليزر مقترن بالألياف:: نهج شريط الليزر ونهج الباعث المتعدد الأحادي (MSE). ومن منظور الموثوقية و“التكلفة لكل واط على مدى العمر الافتراضي”، شهدت الصناعة تحولاً حاسماً نحو تكنولوجيا الباعثات المتعددة الأحادية للتطبيقات ذات الموثوقية العالية.

ميزة الباعث الفردي المتعدد (MSE)

في MSE متعدد الأوضاع وحدة ليزر مقترنة بالألياف, يتم تركيب العديد من رقائق الصمام الثنائي الليزري المستقل على حوامل فرعية فردية ويتم دمج أشعتها باستخدام مرايا متدرجة أو صفائف منشور. وتتمثل ميزة هذه البنية في العزل الحراري. فلكل رقاقة مسار حراري خاص بها. إذا فشلت رقاقة واحدة أو تدهورت حراريًا، فإنها لا “تسمم” الرقائق المجاورة حراريًا، وهي مشكلة شائعة في التصميمات القائمة على القضبان حيث تتشارك البواعث ركيزة واحدة من أشباه الموصلات.

وعلاوة على ذلك، تسمح تصميمات MSE بوحدات “مثبتة الطول الموجي” باستخدام مشابك براغ الحجم (VBG). من خلال تثبيت الطول الموجي لكل باعث على حدة، يمكن للشركة المصنعة إنتاج وحدة ذات عرض طيفي أقل من 0.5 نانومتر، وهو أمر بالغ الأهمية لضخ ليزر الألياف (مثل الليزر المشبع بالإيتربيوم) حيث تكون ذروة الامتصاص ضيقة للغاية.

دمج الشعاع والاستقطاب

لمضاعفة الطاقة دون زيادة BPP، يستخدم المهندسون دمج الاستقطاب. وباستخدام لوحة نصف موجية لتدوير استقطاب مجموعة من البواعث ودمجها مع مجموعة أخرى عبر مقسِّم الحزمة المستقطبة (PBS)، يمكن للوحدة توصيل ضعف الطاقة في نفس قلب الألياف. هذه هي السمة المميزة للسطوع العالي ليزر مقترن بالألياف التصميم. ومع ذلك، يتطلب هذا دقة مطلقة في التجميع البصري الميكانيكي؛ حيث إن إزاحة حتى بضعة ميكرومترات في موضع العدسة سيؤدي إلى اختلال الحزم، مما يؤدي إلى “ضوء الكسوة” والتسخين الموضعي.

الإدارة الحرارية: القاتل الصامت للوحدات المقترنة بالألياف

موثوقية ليزر ديود مقترن بالألياف تتناسب عكسيًا مع درجة حرارة الوصلة. ومن المزالق الشائعة في شراء هذه الوحدات التركيز فقط على طاقة الخرج مع تجاهل المقاومة الحرارية (Rth) للحزمة.

اللحام الصلب مقابل اللحام الناعم

تستخدم الوحدات عالية الأداء لحام AuSn (الذهب والقصدير) الصلب لربط الرقاقة على الرقاقة الفرعية (CoS). في حين أن الإنديوم (اللحام اللين) أرخص وأسهل في المعالجة، إلا أنه عرضة “للإجهاد الحراري” و“الهجرة الكهربائية للإنديوم”، مما قد يؤدي إلى فشل مفاجئ بعد بضعة آلاف من ساعات التشغيل. يوفر الترابط AuSn، على الرغم من ارتفاع تعقيد التصنيع بسبب ارتفاع نقطة الانصهار وإدارة الإجهاد، واجهة مستقرة تتحمل عشرات الآلاف من دورات التشغيل والإيقاف.

كتلة الألياف وتجريد وضع الكسوة

عندما يقترن الضوء في الألياف، لا يدخل الضوء كله إلى القلب. يمكن أن تحمل “أوضاع الكسوة” طاقة كبيرة. في الألياف عالية الطاقة ليزر مقترن بالألياف, ، سيضرب ضوء الكسوة هذا في نهاية المطاف طلاء الألياف أو الموصل، مما يتسبب في نشوب حريق. تشتمل الوحدات من الدرجة الصناعية على “متجرد وضع الكسوة” (CMS) بالقرب من ضفيرة الإخراج. يمتص هذا المكون الضوء غير المرغوب فيه ويبدده في المشتت الحراري للوحدة. الوحدة النمطية التي تفتقر إلى CMS أرخص بكثير في الإنتاج ولكنها تشكل خطرًا كبيرًا على النظام البصري النهائي.

بيانات الأداء: حجم نواة الألياف الأساسية مقابل معايير كثافة الطاقة

يوضح الجدول التالي الحدود التقنية لتقنية الاقتران الحالية. وتمثل هذه القيم مناطق التشغيل “الآمنة” حيث لا تتجاوز كثافة الطاقة عتبة التلف لوجه الألياف أو حد BPP للألياف.

دراسة حالة مفصلة: الضخ عالي السطوع لليزر الألياف الصناعية الليزرية عالية السطوع

خلفية العميل

كانت إحدى الشركات المصنعة لليزر الألياف الليزرية ذات الموجة المستمرة (CW) بقدرة 2 كيلو وات تعاني من فشل سابق لأوانه في وحدات المضخة الخاصة بها. كان نظامهم يستخدم توصيل ألياف قياسية 105/125 ميكرومتر. تم تحديد وضع العطل باستمرار على أنه “احتراق الألياف” في ضفيرة الإخراج، ويحدث بعد حوالي 1200 ساعة من التشغيل.

التحديات التقنية

كان العميل يستخدم 140 واط منخفض التكلفة 140 واط مقترن بالألياف ليزر ديود الوحدة. عند التحليل الفني، تم اكتشاف مشكلتين:

1. عدم استقرار BPP: ومع ارتفاع درجة حرارة الوحدة، ازداد التباعد البطيء في المحور البطيء للصمامات الثنائية (وهي ظاهرة تُعرف باسم “التفتح الحراري”)، مما تسبب في تجاوز التباعد البطيء في المحور البطيء لزاوية قبول الألياف.
2. ضرر الانعكاس الخلفي: كان ضوء 1080 نانومتر من ليزر الألياف يتسرب مرة أخرى إلى وحدات الضخ. وبما أن الوحدات كانت تفتقر إلى مرشح داخلي ثنائي النانومتر 1080 نانومتر، فإن الانعكاس الخلفي كان يؤدي إلى إزالة لحام البصريات الداخلية.

المعلمات والإعدادات الفنية

لحل المشكلة، تم إنشاء وحدة الليزر المقترنة بالألياف الليزرية متعددة الأوضاع صُممت بالمواصفات التالية:

• الطول الموجي التشغيلي: 976 نانومتر +/- 0.5 نانومتر (VBG مغلق).
• طاقة الإخراج: 200 وات CW 200 واط إلى ألياف 105/125 ميكرومتر.
• NA (طاقة 95%): < 0.18 (تاركًا هامش أمان 20% للألياف 0.22 NA).
• حماية الملاحظات: مرشح ثنائي النانومتر 1030-1100 نانومتر مدمج مع عزل > 30 ديسيبل.
• التبريد: صفيحة تبريد سائل بقناة دقيقة عند 25 درجة مئوية.

مراقبة الجودة (QC) والتنفيذ

تم تنفيذ “اختبار الإجهاد المتدرج” الصارم. تم تشغيل الوحدات عند 120% من التيار المقنن لمدة 168 ساعة. خلال هذا الوقت، تمت مراقبة “نمط المجال البعيد” (FFP) لمخرجات الألياف باستخدام جهاز تحديد الشعاع. إذا زادت نسبة NA للشعاع بأكثر من 0.01، تم رفض الوحدة باعتبارها ذات تلامس حراري ضعيف. وعلاوة على ذلك، تم اختبار مرشح التغذية المرتدة عن طريق إطلاق ليزر بقوة 100 واط 1080 نانومتر مباشرة في ألياف خرج المضخة لضمان عدم حدوث أي ضرر للثنائيات.

الخلاصة

ومن خلال التحول إلى وحدة مزودة بحماية مدمجة للتغذية المرتدة ومراقبة صارمة لـ BPP، تخلص العميل من أعطال الضفيرة. كما تحسنت أيضًا كفاءة ليزر الألياف الليزرية الحائطية لأن الطول الموجي 976 نانومتر المثبت في وحدة VBG المثبتة على شكل حرف VBG ظل ثابتًا تمامًا على ذروة امتصاص ألياف الإيتربيوم، حتى مع تغير درجة الحرارة المحيطة. تثبت هذه الحالة أن “سعر الواط” لـ ليزر مقترن بالألياف غير ذي صلة إذا كان “توافر النظام” معرضًا للخطر بسبب سوء الهندسة البصرية.

من جودة المكونات إلى تكلفة الماكينة: معضلة المتكامل

عندما يقوم أحد مصنعي المعدات الأصلية الطبية أو الصناعية بتقييم ديود ليزر مقترن بالألياف, فإنها غالبًا ما تقع في “فخ السلعة”. فمن المغري النظر إلى هذه الوحدات على أنها مصابيح كهربائية قابلة للاستبدال. ومع ذلك، من من منظور الشركة المصنّعة، فإن الوحدة النمطية هي النظام الفرعي الأكثر تعقيدًا في الماكينة.

تكلفة عدم التوافق البصري

ضع في اعتبارك وحدة نمطية حيث يتم تأمين العدسات بإيبوكسي إيبوكسي منخفض Tg (درجة حرارة التحول الزجاجي). في نظام تبريد الهواء، قد تصل درجة الحرارة الداخلية إلى 50 أو 60 درجة مئوية. عندما يلين الإيبوكسي، تنزاح العدسة بمقدار 5 ميكرومتر. وينتج عن ذلك انخفاض في كفاءة الاقتران بمقدار 10%. للحفاظ على خرج 200 وات، سيزيد نظام التحكم في الماكينة من تيار الصمام الثنائي. يؤدي ذلك إلى توليد المزيد من الحرارة، مما يزيد من تليين الإيبوكسي - وهي حلقة هروب حراري كلاسيكية. تفشل الماكينة في النهاية، وتفوق تكلفة وقت التعطل وزيارة الفني بكثير تكلفة $200 التي تم توفيرها على وحدة ليزر أرخص.

عزل التغذية الراجعة كتأمين

في العديد من العمليات الصناعية، مثل لحام النحاس أو الألومنيوم بالليزر، يكون الانعكاس الخلفي أمرًا حتميًا. A ليزر مقترن بالألياف بدون حماية داخلية هي مسؤولية. تستخدم الوحدات عالية الجودة مزيجًا من طلاءات الواقع المعزز المحسّنة للطول الموجي للمضخة وطلاءات الموارد البشرية لعكس الطول الموجي للمعالجة. هذا “الدرع البصري” الداخلي هو ما يسمح بتشغيل آلة الليزر لمدة 5 سنوات دون صيانة.

مستقبل تقنية الألياف متعددة الأنماط المقترنة بالألياف الضوئية

خارطة الطريق لـ وحدة الليزر المقترنة بالألياف الليزرية متعددة الأوضاع يركز التطوير على اتجاهين: توسيع نطاق الطاقة وتوسيع الطول الموجي. ونحن نشهد الآن ظهور ليزر الصمام الثنائي الأزرق (450 نانومتر) المقترن بألياف 100 ميكرومتر لمعالجة المعادن غير الحديدية. وتصبح التحديات الهندسية أكثر حدة هنا، حيث إن طاقة الفوتون أعلى، كما أن تدهور الطلاءات الضوئية أسرع.

بالإضافة إلى ذلك، يتسارع الاتجاه نحو الوحدات “الذكية”. المستقبل ليزر ديود مقترن بالألياف ستتضمن الوحدات مستشعرات داخلية للرطوبة ودرجة الحرارة والانعكاس الخلفي، مما يوفر بيانات في الوقت الفعلي إلى “التوأم الرقمي” للآلة. سيكون هذا التحول من الصيانة التفاعلية إلى المراقبة الصحية التنبؤية هو المعيار التالي لمصنعي الليزر المتطورين.

الأسئلة الشائعة: الاستفسارات الفنية المهنية

س1: ما أهمية “95% Power NA” في الليزر المقترن بالألياف؟

ج: تقتبس معظم الشركات المصنّعة صافي انبعاثات الصافي الصافي عند مستوى الكثافة “5%” أو 10%. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، فإن "95% من الطاقة" NA أكثر أهمية. إذا كان 5% من طاقتك التي تبلغ 200 واط خارج NA للألياف، فأنت تقوم بإلقاء 10 واط في الكسوة. هذا يكفي لإذابة موصل الألياف في ثوانٍ. اسأل دائمًا عن قياس صافي انبعاثات الطاقة المغلق.

س2: هل يمكنني استخدام ألياف 200 ميكرومتر مع وحدة مصممة ل 105 ميكرومتر؟

جواب: نعم، يمكنك دائمًا الانتقال إلى قلب ليفي أكبر، حيث إن نقطة تعادل القوة الشاردة للألياف ستكون أكبر بكثير من نقطة تعادل القوة الشاردة لليزر. ومع ذلك، ستفقد السطوع. ستنخفض كثافة الطاقة ($W/سم^2$) بشكل كبير، مما قد يقلل من فعالية العملية (على سبيل المثال، سرعات قطع أبطأ أو اختراق جراحي أقل).

السؤال 3: لماذا تنخفض طاقة الليزر المقترن بالألياف عندما أقوم بثني الألياف؟

ج: يرجع ذلك إلى “فقدان الانحناء الكلي”. عندما تقوم بثني الألياف متعددة الأوضاع، تتغير زاوية السقوط عند واجهة الكسوة واللب. فالأنماط التي كان يتم احتواؤها في السابق عن طريق الانعكاس الداخلي الكلي (TIR) تتسرب الآن إلى الكسوة. تُعد أجهزة الليزر المقترنة بالألياف عالية السطوع أكثر حساسية لهذا الأمر لأنها تستخدم المزيد من الانعكاس الداخلي الكلي المتاح.

س4: ما هو “قفل VBG” وهل أحتاجه؟

ج: يستخدم قفل شبكة براغ الحجمية (VBG) عنصرًا بصريًا متخصصًا لإجبار الصمام الثنائي الليزري على الانبعاث بطول موجي محدد للغاية. تحتاج إليه إذا كان تطبيقك حساسًا للطول الموجي، مثل ضخ ليزر الحالة الصلبة أو أنواع معينة من التحليل الطيفي. أما إذا كنت تقوم بمعالجة حرارية بسيطة مثل التصلب أو الكسوة، فإن ليزر الصمام الثنائي الليفي القياسي “غير المقفل” المقترن بالألياف عادة ما يكون كافياً وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

السؤال 5: كيف يمكنني التعرف على ضفيرة الألياف الفاشلة قبل أن تحترق؟

ج: راقب درجة حرارة موصل الألياف. يجب أن تكون درجة حرارة الموصل السليم أعلى من درجة الحرارة المحيطة ببضع درجات فقط. إذا بدأت درجة حرارة الموصل بالارتفاع بمرور الوقت أثناء التشغيل بنفس الطاقة، فهذا يشير إلى أن “متجرد وضع الكسوة” قد طغى على "متجرد وضع الكسوة" أو أن المحاذاة الداخلية لليزر المقترن بالألياف قد تغيرت.