يمثل الانتقال من انبعاثات الصمام الثنائي المباشر إلى أنظمة التوصيل التي تعمل بالألياف الضوئية أحد أهم التطورات في مجال الضوئيات. بالنسبة لخبراء تكامل الأنظمة والمصنعين، فإن اختيار ديود ليزر مقترن بالألياف ليس مجرد قرار شراء بل هو مفاضلة هندسية معقدة تتضمن سطوع الشعاع والتبديد الحراري والاستقرار الطيفي طويل المدى. يعد فهم فيزياء حقن الضوء والقسوة الميكانيكية للمحاذاة البصرية الدقيقة أمرًا ضروريًا للتمييز بين الموثوقية العالية وحدة ليزر الليفي من بديل منخفض التكلفة وعالي الفشل.

فيزياء تحويل الشعاع وكفاءة الاقتران

في قلب كل ليزر ديود وحدة تكمن رقاقة شبه موصلة تبعث شعاعًا غير متماثل ومتباعدًا للغاية. يكون الضوء المنبعث من الوصلة الليزرية محدود الحيود في “المحور السريع” (عمودي على الوصلة)، ولكنه يظل متعدد الأوضاع بدرجة كبيرة في “المحور البطيء” (موازٍ للوصلة). ويشكل هذا الاستجماتيزم المتأصل التحدي الأساسي لـ ليزر مقترن بالألياف:: كيفية حقن هذه الطاقة في قلب الألياف الدائرية مع الحفاظ على أقصى قدر من السطوع.

يُعرَّف سطوع مصدر الليزر بقوته مقسومًا على حاصل ضرب خصر الشعاع وتباعده (منتج معلمة الشعاع، أو BPP). عندما يقترن الضوء في الألياف، لا يمكن أن يكون BPP للنظام أفضل من BPP للمصدر. في الواقع، نظرًا لعدم التطابق بين انبعاث الصمام الثنائي المستطيل وهندسة الألياف الدائرية، يتم دائمًا التضحية ببعض السطوع.

تركز الهندسة المتطورة على تقليل هذه الخسارة من خلال البصريات الدقيقة المتطورة. يتم وضع عدسة موازٍ للمحور السريع (FAC)، وهي عادةً عدسة أسيلندريّة ذات مؤشر انكسار عالٍ، في نطاق ميكرون من وجه الصمام الثنائي. ويتمثل دورها في تقليل تباعد المحور السريع من 40 درجة تقريبًا إلى أقل من درجة واحدة. بعد ذلك، يقوم مصادم المحور البطيء (SAC) وهدف التركيز النهائي بتحويل الحزمة إلى حجم بقعة يتناسب مع قطر قلب الألياف - عادةً 105 ميكرومتر أو 200 ميكرومتر أو 400 ميكرومتر - مع فتحة عدديّة (NA) تتطابق مع زاوية قبول الألياف.

سلامة المواد: أساس موثوقية الصمام الثنائي

عند تحليل البناء الداخلي لـ ليزر ديود الليفي نظام، فإن اختيار المواد يحدد العمر الافتراضي للجهاز. وتميز الصناعة بين تقنيات “اللحام اللين” (الإنديوم) و“اللحام الصلب” (الذهب والقصدير أو AuSn).

في حين أن الإنديوم أسهل في المعالجة بسبب انخفاض نقطة انصهاره وليونته، إلا أنه عرضة “لهجرة الإنديوم” و“الزحف الحراري” في ظل كثافة التيار العالي. على مدى آلاف الساعات، يمكن أن يطور الإنديوم فراغات مجهرية في واجهة اللحام، مما يؤدي إلى “نقاط ساخنة” موضعية تسبب تلفًا كارثيًا في المرآة البصرية (COMD).

وعلى النقيض من ذلك، تستخدم الشركات المصنعة عالية الموثوقية لحام AuSn الصلب على نيتريد الألومنيوم (AlN) أو التنجستن والنحاس (WCu). وتوفر هذه المواد تطابقًا ممتازًا مع معامل التمدد الحراري (CTE) لشريحة الليزر GaAs (زرنيخيد الغاليوم). ومن خلال مطابقة معامل التمدد الحراري (CTE)، يضمن الفريق الهندسي عدم تعرض الرقاقة للإجهاد الميكانيكي خلال آلاف الدورات الحرارية المتأصلة في التشغيل النبضي أو المعدل.

وعلاوة على ذلك، يجب أن تكون عملية “توصيل الألياف” - أي الربط الدائم للألياف بالوحدة النمطية - محكمة الإغلاق. فأي دخول للرطوبة أو الملوثات العضوية يمكن أن يؤدي إلى “الكربنة” في طرف الألياف، حيث تؤدي كثافة الطاقة العالية (التي غالباً ما تتجاوز ميجاوات/سم²) إلى حرق الملوثات، مما يؤدي إلى فقدان دائم للطاقة وفشل الوحدة في نهاية المطاف.

الإدارة الحرارية و“قاعدة ال 10 درجات”

كفاءة وحدة ليزر ديود تتراوح عادةً بين 40% و60%. يتم تحويل الطاقة المتبقية إلى حرارة. بالنسبة لوحدة 100 واط، هذا يعني أنه يجب إزالة 100 واط من الحرارة من مساحة سطح أصغر من طابع بريدي.

في فيزياء أشباه الموصلات، تُعد درجة حرارة الوصلة ($T_j$) المتغير الأكثر أهمية. فمع ارتفاع درجة حرارة $T_j$، تضيق فجوة نطاق أشباه الموصلات، مما يؤدي إلى “انزياح أحمر” في الطول الموجي للانبعاثات - عادةً حوالي 0.3 نانومتر لكل درجة مئوية. وعلاوة على ذلك، فإن ارتفاع درجة الحرارة يعزز نمو مراكز إعادة التركيب غير الإشعاعي (الخلع)، مما يقلل من الكفاءة ويسرع الشيخوخة.

تشير “قاعدة 10 درجات مئوية” في مجال الضوئيات إلى أنه مقابل كل 10 درجات مئوية زيادة في درجة حرارة التشغيل، ينخفض متوسط وقت فشل الصمام الثنائي (MTTF) إلى النصف تقريبًا. ولذلك، فإن هندسة كتلة التبريد - باستخدام مبردات القنوات الدقيقة (MCC) أو القواعد النحاسية عالية التوصيل - أمر حيوي مثل المحاذاة البصرية. وغالبًا ما يظهر التزام الشركة المصنعة بالجودة في سمك الطلاء الذهبي على الصفيحة الأساسية ودقة تسطيح سطح التركيب، والذي يجب أن يكون مثاليًا في حدود 5 ميكرون لضمان التلامس الحراري الأمثل مع المشتت الحراري.

التوسيع الدلالي: تشكيل الشعاع وتثبيت الطول الموجي

لتحقيق أداء فائق، فإن ليزر مقترن بالألياف تتضمن الأنظمة ميزات متقدمة تتجاوز مجرد التوصيل البسيط:

1. تشكيل الشعاع والتجانس: بالنسبة لتطبيقات مثل الكسوة بالليزر أو إزالة الشعر، يُفضل استخدام شكل شعاع “القبعة العلوية” على الشكل الجانبي الغاوسي. ويتحقق ذلك من خلال استخدام مصفوفات العدسات الدقيقة أو الأشكال الهندسية المتخصصة للألياف الأساسية (مثل الألياف المربعة النواة).
2. شبكات براغ الحجمية (VBG): في العديد من التطبيقات، مثل ضخ ليزر الحالة الصلبة أو ليزر البخار القلوي، يلزم وجود عرض خطي طيفي ضيق. من خلال دمج VBG في المسار البصري، يمكن “تثبيت” الطول الموجي على قيمة محددة (على سبيل المثال، 976 نانومتر ± 0.5 نانومتر)، مما يجعل خرج الوحدة مستقلًا تقريبًا عن تقلبات التيار ودرجة الحرارة.
3. حماية من الانعكاس الخلفي: تواجه أجهزة الليزر الصناعية المستخدمة في معالجة المواد العاكسة للغاية (مثل النحاس أو الذهب) خطر الضوء المنعكس الذي ينتقل مرة أخرى إلى الألياف ويدمر واجهة الصمام الثنائي. وغالبًا ما تشتمل الوحدات عالية الطاقة على عوازل ضوئية مدمجة أو “متجردات وضع الكسوة” لتحويل هذه الطاقة المنعكسة إلى الخلف إلى مكب آمن.

دراسة حالة: حل مشكلة عدم الاستقرار الحراري في الليزر الجراحي الطبي عالي الدورة

خلفية العميل:

كانت إحدى الشركات المصنعة لأجهزة الليزر الجراحية المتطورة 980 نانومتر للاستئصال بالليزر الوريدي (EVLA) تعاني من معدل فشل في المجال الجراحي يبلغ 15%. كانت الأجهزة تفقد الطاقة بعد ما يقرب من 300 ساعة من الاستخدام السريري، خاصة في البيئات ذات التبريد المحيط الضعيف.

التحديات التقنية:

1. انخفاض الطاقة: بدأت الوحدات بقدرة 30 وات لكنها انخفضت إلى 22 وات بعد 15 دقيقة من التشغيل المتواصل.
2. التحول الطيفي: وتحول الطول الموجي من 980 نانومتر إلى 988 نانومتر، مما أدى إلى الانتقال خارج نطاق ذروة امتصاص الماء/الهيموجلوبين، مما قلل من الفعالية الجراحية.
3. حرق الألياف الظهر: أظهرت نقطة دخول الألياف علامات ذوبان، مما يشير إلى أن الضوء الشارد كان يضرب الكسوة بدلاً من القلب.

التحليلات والمعايير الهندسية:

كشفت الاختبارات الأولية أن الوحدات المنافسة استخدمت لحام إنديوم وألياف منخفضة الحمض النووي (0.15 حمض نووي سالب). تسببت دورة التشغيل العالية في زحف الإنديوم، مما أدى إلى إمالة الصمام الثنائي قليلاً وتسبب في إزاحة البقعة المركزة عن قلب الألياف. تم امتصاص هذا “الضوء الشارد” بواسطة الإيبوكسي الذي يحمل الألياف، مما أدى إلى حدوث هروب حراري.

الحل المعاد تصميمه:

• الطول الموجي: 980 نانومتر ± 3 نانومتر
• الألياف الأساسية: 200 ميكرومتر (متعدد الأوضاع)
• الفتحة العددية (NA): 0.22 (تمت ترقيته من 0.15 لتحسين تحمل الاقتران)
• تقنية اللحام: لحام AuSn (الذهب والقصدير) الصلب للتخلص من ميل الرقاقة.
• الحساب الفرعي: نيتريد الألومنيوم (AlN) لتوصيل حراري فائق (170 واط/م كلفن).
• المراقبة المتكاملة: تمت إضافة ثرمستور (10k NTC) وصمام ثنائي ضوئي لتوفير تغذية راجعة في الوقت الفعلي إلى لوحة تحكم النظام.

بروتوكول مراقبة الجودة (QC):

خضعت الوحدات الجديدة لعملية احتراق لمدة 72 ساعة في درجة حرارة محيطة تبلغ 45 درجة مئوية عند أقصى تيار تشغيل. تم رفض أي وحدة تُظهر انخفاضًا في الطاقة يزيد عن 2% أو انزياحًا طيفيًا خارج نافذة ± 3 نانومتر.

النتائج:

وانخفض معدل الفشل الميداني من 15% إلى أقل من 0.2% على مدى 12 شهرًا. حافظ الليزر الجراحي على معدلات استئصال أنسجة ثابتة بغض النظر عن طول الإجراء، وتم التخلص من “انخفاض الطاقة”.

بيانات مقارنة: مواصفات الصمام الثنائي الليزري الليزري المقترن بالألياف

يوضح الجدول التالي الاختلافات الفنية بين الدرجات المختلفة للوحدات المقترنة بالألياف المستخدمة عادةً في الصناعة.

المنطق الاقتصادي: جودة المكونات مقابل التكلفة الإجمالية للملكية

بالنسبة لشركات تكامل الأنظمة، فإن السعر الأولي لـ وحدة ليزر الليفي هو عنصر واحد فقط من “التكلفة الإجمالية للملكية” (TCO). فالوحدة التي تكون أرخص بـ 201 تيرابايت 3 تيرابايت ولكن معدل فشلها في الميدان أعلى بـ 51 تيرابايت 3 تيرابايت ستكون في النهاية أكثر تكلفة بسبب:

• بدائل الضمان: تكلفة الشحن والعمالة والمكون نفسه.
• سمعة العلامة التجارية: خسارة المبيعات المستقبلية بسبب عدم الموثوقية المتصورة.
• وقت التوقف: بالنسبة للعملاء الصناعيين، قد يكلف تعطل الليزر في خط الإنتاج آلاف الدولارات في الساعة الواحدة.

تركز الهندسة عالية الأداء على “هامش الأمان”. من خلال الإفراط في هندسة التبديد الحراري واستخدام البصريات الدقيقة المتفوقة، تعمل الوحدة بأقل بكثير من حدودها المادية. هذا التحفظ هو ما يفصل بين المستوى الأول وحدة ليزر ديود عن بقية السوق.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

1. لماذا غالبًا ما يتم تثبيت 976 نانومتر باستخدام VBG بينما لا يتم تثبيت 915 نانومتر؟

يُستخدم الطول الموجي 976 نانومتر لضخ ليزر الألياف المخدرة بالإيتربيوم الذي يتميز بذروة امتصاص ضيقة للغاية. يؤدي التحول الطفيف في الطول الموجي إلى انخفاض كبير في الكفاءة. يتميز الطول الموجي 915 نانومتر بنطاق امتصاص أوسع بكثير، مما يجعل التثبيت أقل أهمية للكفاءة، على الرغم من أنه لا يزال يستخدم في التطبيقات عالية الدقة.

2. هل يمكنني استخدام الألياف 105 ميكرومتر إذا كان الصمام الثنائي الخاص بي مقترنًا في الأصل بألياف 200 ميكرومتر؟

بشكل عام، لا. تحتوي الألياف 105 ميكرومتر على مساحة أصغر وغالبًا ما تكون فتحة عدديّة أصغر. ستؤدي محاولة فرض نفس الكمية من الضوء في قلب أصغر إلى خسائر عالية ومن المحتمل أن تحرق كسوة الألياف. قم دائمًا بمطابقة الوحدة مع قلب الألياف الذي صُممت من أجله.

3. ما هو السبب الرئيسي “لاحتراق الألياف” في الوحدات عالية الطاقة؟

والسبب الأكثر شيوعًا هو “عدم تطابق الوضع” أو اختلال المحاذاة الميكانيكية. إذا دخل الضوء إلى الألياف بزاوية تتجاوز NA، أو إذا كانت البقعة أكبر من القلب، يدخل الضوء إلى الكسوة. لا يتم احتواء ضوء الكسوة ويتم امتصاصه بواسطة البوليمرات الواقية/الحاجز الواقي، مما يسبب الحرارة والاحتراق في نهاية المطاف.

4. كيف يؤثر الانعكاس الخلفي من النحاس على الصمام الثنائي؟

يعكس النحاس أكثر من 90% من ضوء الأشعة تحت الحمراء عند 1 ميكرون. يمكن أن يدخل هذا الضوء المنعكس مرة أخرى إلى الألياف، وينتقل إلى الخلف، ويتم تركيزه بواسطة البصريات الدقيقة الداخلية على وجه رقاقة الليزر. وهذا يسبب ضررًا كارثيًا فوريًا. يعد استخدام وحدات مزودة بمرشحات انعكاس مدمجة إلزاميًا لمعالجة المعادن غير الحديدية.

5. هل “المحور البطيء” أم “المحور السريع” أكثر صعوبة في الاقتران؟

المحور البطيء أكثر صعوبة بشكل عام لأن جودة الشعاع ($M ^ 2$) أسوأ بكثير. في حين أن المحور السريع يمكن موازاته بشكل مثالي تقريبًا، فإن المحور البطيء يحتوي على العديد من الأوضاع المكانية التي تجعل من الصعب التركيز في بقعة صغيرة جدًا وعالية الكثافة.