بنية الضوئيات المتكاملة: ما وراء الانبعاثات أحادية الطول الموجي

الانتقال من المكونات أحادية الباعث إلى المكونات المتكاملة وحدة ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي عالية الطاقة تمثل الأنظمة التطور الطبيعي للهندسة الضوئية. في المشهد الصناعي والطبي الحالي، لم يعد الطلب على مخرج بصري واحد يوفر أطوال موجية منفصلة متعددة ترفاً - بل أصبح ضرورة وظيفية. سواء كان ذلك لضخ الليزر الليفي متعدد المراحل أو الإجراءات الجلدية المعقدة التي تتطلب 808 نانومتر و940 نانومتر و1064 نانومتر في آن واحد، فإن وحدة ليزر متعددة الأطوال الموجية بمثابة المحرك الأساسي للأنظمة عالية الأداء.

من من منظور فيزيائي، يكمن التحدي في إنشاء نظام متكامل عالي الطاقة في الحفاظ على السطوع. فوفقاً للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن زيادة سطوع شعاع الليزر (الإشعاع) بواسطة عناصر بصرية سلبية. ولذلك، عندما نجمع عدة صمامات ليزر ثنائية في صمام ليزر واحد الألياف المقترنة ليزر ديود النظام, يجب أن يتم تصميم كل سطح بصري وعنصر تجميع بصري لتقليل الفاقد في منتج معلمة الشعاع (BPP). ولتحقيق ذلك، يجب على المهندسين إتقان التفاعل بين تجميع الحزمة الطيفية والتكديس المكاني وإدارة التداخل الحراري داخل مبيت محكم الإغلاق.

مبادئ دمج الأشعة: الاستراتيجيات الطيفية والمكانية

لإطلاق الضوء من رقائق متعددة من أشباه الموصلات في ألياف ضوئية واحدة، يجب علينا الاستفادة من درجات الحرية التي توفرها الفوتونات: موضعها المكاني وطولها الموجي وحالة استقطابها.

دمج الحزمة الطيفية (SBC) ومرشحات الأغشية الرقيقة

في الطول الموجي المتعدد وحدة الليزر, الجمع الطيفي هو الطريقة الأكثر كفاءة لزيادة الطاقة دون تدهور جودة الشعاع. وتعتمد هذه التقنية على استخدام مرشحات الأغشية الرقيقة عالية الأداء (TFFs) أو المرايا ثنائية الشعاع. وقد تم تصميم هذه المرشحات بطبقات متناوبة من مواد عازلة ذات معامل انكسار مرتفع ومنخفض (مثل $TiO_2$ و$SiO_2$).

على سبيل المثال، للجمع بين شعاع 808 نانومتر وشعاع 980 نانومتر، يتم وضع مرشح TFF بزاوية 45 درجة. تم تصميم المرشح ليكون عاكسًا للغاية عند 808 نانومتر ونافذًا للغاية عند 980 نانومتر. إن دقة الطلاء العازل أمر بالغ الأهمية؛ فأي “تموج” في طيف الإرسال أو تحول في الطول الموجي “الحاد” بسبب تغيرات درجة الحرارة سيؤدي إلى فقدان كارثي للطاقة وتوليد الحرارة داخل الحواجز الداخلية للوحدة.

الجمع بين الاستقطاب وتكديس الشعاع

عند الحاجة إلى دمج عدة بواعث من نفس الطول الموجي، ننتقل إلى الاستقطاب. باستخدام مُجمِّع الحزمة الاستقطابية (PBC)، يتم دمج شعاعين بحالتي استقطاب متعامدتين (مستقطب P ومستقطب S). يؤدي ذلك إلى مضاعفة الطاقة في الألياف بشكل فعال دون زيادة الفتحة العددية للإخراج (NA). ومع ذلك، تقتصر هذه الطريقة على باعثين لكل طول موجي. ولتوسيع نطاقها أكثر، يتم استخدام “التكديس” المكاني أو “تعدد الإرسال”، حيث يتم وضع البواعث على ارتفاعات مختلفة وتنعكس أشعتها في مسار مشترك باستخدام مصفوفات المنشور الصغير.

الهندسة الحرارية: تحدي التكامل الكثيف

نمط الفشل الأساسي لـ وحدة ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي عالية الطاقة هو التشبع الحراري. عندما يتم تعبئة عشر رقائق ليزر عالية الطاقة أو أكثر في حجم بحجم علبة الثقاب، فإن الكثافة الحرارية تتجاوز كثافة حرارة قلب المفاعل النووي. تعتبر الإدارة الحرارية في هذه الأنظمة مشكلة متعددة النطاقات.

التداخل الحراري الداخلي

يحدث التداخل الحراري عندما تؤدي الحرارة المهدرة من “الباعث A” إلى رفع درجة حرارة الوصلة الكهربائية للباعث B. في نظام ليزر الصمام الثنائي الليفي المقترن بالألياف, وهذا أمر خطير بشكل خاص لأن الطول الموجي يعتمد على درجة الحرارة. إذا قامت رقاقة 808 نانومتر بتسخين رقاقة 940 نانومتر، فإن الطول الموجي 940 نانومتر سينحرف، مما قد يؤدي إلى إبعاده عن نافذة الإرسال في البصريات المدمجة الداخلية.

وللتخفيف من هذه المشكلة، تستخدم الوحدات الاحترافية وحدات فرعية عالية التوصيل الحراري (غالبًا ما تكون من نيتريد الألومنيوم أو أكسيد البريليوم) وألواح قاعدية “ذات قنوات كبيرة” أو “قنوات صغيرة”. إن اختيار مادة الواجهة الحرارية (TIM) بين التركيب الفرعي وأرضية الوحدة هو الفرق بين إخراج مستقر بقدرة 300 واط ونظام “يتدلى” في الطاقة بعد 60 ثانية فقط من التشغيل.

عدم تطابق CTE واستقرار المحاذاة

يجب أن يظل كل مكون بصري في الوحدة النمطية - الموازن سريع المحور (FAC)، والموازن بطيء المحور (SAC)، وعدسات التركيز - مستقرًا في حدود 100 نانومتر. نظرًا لأن مبيت الوحدة (عادةً ما يكون من الكوفار أو الفولاذ المقاوم للصدأ) والمقعد البصري (عادةً ما يكون من النحاس الخالي من الأكسجين) لهما معاملات تمدد حراري مختلفة (CTE)، يمكن أن يتسبب تدوير درجة الحرارة في “الزحف البصري”. تقوم الشركة المصنعة عالية الجودة بحل هذه المشكلة باستخدام تجميعات فرعية “مطابقة لمعامل التمدد الحراري CTE” وتقنيات الربط غير العضوي مثل اللحام بالليزر أو اللحام سهل الانصهار بدلاً من الإيبوكسيات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية.

المنطق الهندسي للتكلفة الإجمالية: لماذا تتفوق “قيمة المكونات” على “سعر الوحدة”

في سياق وحدة ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي عالية الطاقة, ، غالباً ما يكون سعر الشراء هو الجزء الأقل أهمية في المعادلة الاقتصادية. وتتحقق التكلفة الحقيقية للمحرك الضوئي خلال السنة الثالثة أو الرابعة من التشغيل الميداني.

النظر في الليزر الطبي المستخدم في علاج آفات الأوعية الدموية. إذا كانت وحدة ليزر متعددة الأطوال الموجية باستخدام المحاذاة القائمة على المواد اللاصقة منخفضة التكلفة، فإن معدلات التمدد المختلفة للمواد اللاصقة ستؤدي في النهاية إلى “فصل” أشعة 1064 نانومتر و808 نانومتر عن الألياف. وهذا لا يقلل من الطاقة فحسب، بل يغير نسبة الأطوال الموجية التي تصيب جلد المريض، مما يجعل الإجراء الطبي غير فعال أو خطير. يمكن أن تصل تكلفة استبدال الوحدة، بما في ذلك عمالة مهندس الخدمة الميدانية والإيرادات المفقودة للعيادة، بسهولة إلى خمسة أضعاف فرق السعر الأولي للوحدة الملحومة بالليزر ذات التصميم المتميز.

دراسة حالة محرك الليزر الجراحي ثلاثي الطول الموجي الجراحي

خلفية العميل:

شركة مصنعة للمعدات الجراحية طفيفة التوغل للاستئصال بالليزر الوريدي (EVLA). ويتطلب النظام مزيجًا من 980 نانومتر (لامتصاص الماء) و1470 نانومتر (لتقليص الكولاجين) و635 نانومتر (كشعاع تصويب أحمر).

التحديات التقنية:

كان العميل يعاني من مشكلة “ذوبان الألياف” في واجهة الموصل. كانت وحدة المورد السابق تعاني من مشكلة “طاقة الكسوة” العالية، حيث لم يكن الضوء المنبعث من الصمام الثنائي 1470 نانومتر يتركز بشكل صحيح في قلب الألياف، وبدلاً من ذلك كان يتسرب إلى الكسوة ويحرق طلاء البوليمر.

• المتطلبات: 30 واط عند 980 نانومتر، و15 واط عند 1470 نانومتر، و100 واط عند 635 نانومتر في ليف واحد 200 ميكرومتر.
• الاستقرار: <2% تباين الطاقة على مدار ساعة واحدة من الاستخدام الجراحي المستمر.
• الحجم: يجب أن يتلاءم مع هيكل قياسي مثبت على حامل 1U.

المعلمات الفنية والإعدادات الفنية:

• الوحدة النمطية: مخصص وحدة ليزر متعددة الأطوال الموجية باستخدام مقعد بصري مشترك.
• فيزياء الاقتران: استخدم عدسة تركيز بؤري “ثلاثية” لا كروية مخصصة للتعامل مع الانحراف اللوني بين 635 نانومتر و1470 نانومتر.
• الحماية: تم دمج مرشح الشق 1064 نانومتر لمنع الانعكاسات الخلفية من موقع الجراحة (التي غالبًا ما تستخدم ليزر Nd:YAG الثانوي) من إتلاف وجه الصمام الثنائي 980 نانومتر.

حل مراقبة الجودة (QC):

قمنا بتنفيذ اختبار “ثبات مركز الشعاع”. تم تعريض الوحدة إلى 50 دورة حرارية من 15 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية، وتم تتبع موضع الشعاع في واجهة الألياف باستخدام كاميرا عالية الدقة. أدى أي تحول أكبر من 2 ميكرومتر إلى الرفض. كما أجرينا أيضًا “تحليل طاقة الكسوة” للتأكد من أن >98% من الضوء كان محصورًا داخل قلب 200 ميكرومتر.

الخلاصة:

من خلال تطبيق عدسة تصحيح لوني متخصصة واستراتيجية تركيب غير عضوية، تم التخلص تمامًا من مشكلة “ذوبان الألياف”. وازدادت موثوقية النظام الجراحي من معدل فشل ميداني قدره 5% إلى 0.1% خلال العام الأول. كما أتاح نظام ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي المقترن بالألياف المدمج للعميل تقليل بصمة الجهاز بمقدار 40%، حيث لم يعد بحاجة إلى ثلاثة مصادر طاقة منفصلة وثلاثة مسارات ألياف منفصلة.

دعم البيانات: مقارنة أداء وحدات الطول الموجي المتعدد الطول الموجي

يلخص الجدول التالي مقاييس الأداء النموذجية لمختلف أنواع الأداء المتكاملة وحدة ليزر الصمام الثنائي الصمام الثنائي عالية الطاقة التكوينات.

الأسئلة الشائعة: هندسة أنظمة الليزر متعددة الأطوال الموجية الهندسية

س1: لماذا تكون كفاءة الاقتران أقل بالنسبة للوحدات متعددة الأطوال الموجية؟

في وحدة ليزر متعددة الأطوال الموجية، يجب أن تتعامل عدسة التركيز البؤري مع الضوء مع مؤشرات انكسار مختلفة إلى حد كبير (انحراف لوني). فالعدسة التي تركز على 808 نانومتر بشكل مثالي ستكون بعيدة قليلاً عن التركيز البؤري لضوء 1064 نانومتر. بينما تساعد العدسات المزدوجة اللونية أو الكرات اللونية المتخصصة، هناك دائمًا مفاضلة مقارنةً بنظام محسّن أحادي الطول الموجي.

س2: كيف يمكنك منع جهاز ليزر من إتلاف جهاز ليزر آخر داخل الوحدة؟

نحن نستخدم “العزل الانتقائي للطول الموجي”. تعمل TFFs المستخدمة في الدمج أيضًا كدروع. على سبيل المثال، يمنع الطلاء العاكس 1064 نانومتر الذي يعكس شعاع 1064 نانومتر في الألياف أيضًا أي ضوء شارد بطول 808 نانومتر من دخول تجويف الصمام الثنائي 1064 نانومتر.

س3: هل يمكن إصلاح هذه الوحدات في حالة تعطل أحد الموجات؟

بشكل عام، لا يمكن إجراء صيانة ميدانية للوحدات المحكمّة عالية الطاقة. يؤدي فتح الوحدة إلى إدخال الرطوبة والجسيمات التي من شأنها أن تدمر على الفور جوانب الليزر المتبقية أثناء التشغيل. يجب هندسة الموثوقية “مقدمًا” من خلال الاستثناءات وجودة مصادر أشباه الموصلات.

السؤال 4: ما هو “التداخل الحراري” وكيف يؤثر على شعاع التصويب الأحمر؟

الثنائيات الحمراء (635nm-650nm) حساسة للغاية للحرارة. إذا كانت الرقائق عالية الطاقة 980 نانومتر تعمل بكامل طاقتها، فإن الحرارة التي تولدها يمكن أن ترفع درجة حرارة اللوحة الأساسية، مما يتسبب في فقدان الصمام الثنائي الأحمر للطاقة أو تعطله. هذا هو السبب في أن الثنائيات الحمراء غالبًا ما يتم تركيبها على الحافة “الباردة” الأبعد من المنضدة البصرية.

س5: ما فائدة “الألياف القابلة للفصل” في وحدة 100 واط؟

بالنسبة للتطبيقات الطبية، يكون موصل SMA905 أو D80 القابل للفصل قياسيًا. ومع ذلك، فإن هذا الأمر ينطوي على خطر “تلوث الوجه النهائي”. إذا كانت هناك بقعة واحدة من الغبار على طرف الألياف، فسوف تمتص طاقة الليزر بقدرة 100 واط وتذيب الألياف، ومن المحتمل أن تتلف نافذة إخراج وحدة ليزر الصمام الثنائي عالية الطاقة. تُستخدم المستشعرات المدمجة (مثل NTC بالقرب من الموصل) لاكتشاف هذه الحرارة وإيقاف تشغيل الليزر.