1. نظرة عامة

في المختبرات العلمية وشركات الأجهزة الطبية وأنظمة القياس الصناعية، فإن وحدة ديود الليزر لا تزال واحدة من أهم الأنظمة الفرعية البصرية. وقد تحول الطلب من أدوات الإضاءة البسيطة إلى أنظمة عالية التنظيم ومُحسّنة حرارياً ومنخفضة الضوضاء وقادرة على إخراج طول موجي مستقر على مدى أشهر من التشغيل المستمر.

مع زيادة الحساسية التجريبية، لم يعد من المقبول وجود انحراف حراري غير متحكم فيه وعدم استقرار المحرك. تكامل وثيق ديود ليزر ومحرك أصبح التكوين الآن إلزاميًا في معدات OEM، خاصةً عندما يتطلب الأمر استقرارًا في الطول الموجي على مستوى النانومتر أو كثافة شعاع عالية الاتساق. وفي الوقت نفسه، فإن وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء أصبح ضروريًا في التحليل الطيفي الطبي الحيوي والتصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة والأجهزة الإلكترونية الضوئية طويلة المدى.

يقدم هذا المقال مراجعة فنية لتصميم هذه الأنظمة ووظائفها وحالات استخدامها، تليها دراسة حالة علمية من ميونيخ، ألمانيا، في ديسمبر 2023.

2. الهيكل الداخلي والسلوك البصري

2.1 بنية أشباه الموصلات الفوقية

تحدد طبقة البلورة الخارجية لرقاقة الصمام الثنائي ما يلي:

• طاقة فجوة النطاق
• طول موجة الانبعاث
• عمر الناقل
• تحمل الحرارة

غالبًا ما تستخدم الوحدات عالية الدقة طبقات مزروعة بتقنية MOCVD مع تباين أقل من 1% عبر الرقائق.

2.2 عناصر تشكيل الحزمة

تظهر معظم الثنائيات انحرافًا غير متماثل في الحزمة.
استخدام الوحدات النمطية:

• عدسات FAC (موازن المحور السريع)
• SAC (موازن المحور البطيء)
• العدسات الأسطوانية
• عناصر بصرية انكسارية

وهذا يضمن تماثل شكل الحزمة في أجهزة الطيف الضوئي والأجهزة الطبية.

2.3 الغلاف الميكانيكي والحراري

تصميم جيد وحدة ديود الليزر الاستخدامات:

• ألومنيوم مطلي بالأنود الصلب أو نحاس مطلي بالنيكل
• غرف مغلقة بإحكام للاستخدامات المختبرية
• تصميم مقاوم للصدمات للمعدات الميدانية

3. إلكترونيات المحرك وأهميتها على مستوى النظام

ال ديود ليزر ومحرك يمكن النظر إلى هذا المزيج على أنه محرك كهروضوئي واحد. يحدد السائق ما إذا كان الصمام الثنائي سيعمل ضمن نطاقه المثالي أم سينحرف إلى حالة الانفلات الحراري.

متطلبات السائق

• خرج تيار ثابت
• Ripple <0.3% للإعدادات العلمية
• حماية سريعة للغاية من التيارات العابرة
• تعديل تناظري أو رقمي قابل للبرمجة
• بدء تشغيل سلس لمنع الإجهاد الحراري الفوري

في أنظمة NIR طويلة المدى، تؤثر استقرار السائق بشكل مباشر على SNR (نسبة الإشارة إلى الضوضاء).

4. الدور المتزايد لوحدات الليزر بالأشعة تحت الحمراء

An وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء يحظى بتأييد قوي في:

• التحليل الطيفي للأنسجة (780-850 نانومتر)
• التصوير بالتشتت العميق (900-1100 نانومتر)
• أجهزة طبية حيوية حساسة للطول الموجي
• أنظمة LiDAR الفرعية للسيارات (905 نانومتر، 940 نانومتر، 1550 نانومتر)

تقلل أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء من الامتصاص في الماء والدهون، مما يجعلها مثالية للمراقبة الطبية الحيوية غير الجراحية.

5. التطبيقات العلمية والطبية

5.1 التحليل الطيفي بالرامان

تُستخدم الوحدات النمطية عند 785 نانومتر أو 808 نانومتر لإثارة الاهتزازات الجزيئية مع تجنب ضوضاء الفلورة.

5.2 التصوير المقطعي التوافقي البصري (OCT)

وحدات الأشعة تحت الحمراء 1050 نانومتر و 1310 نانومتر:

• تخترق الأنسجة بعمق
• تقليل التشتت
• توفير تصوير هيكلي عالي التباين

5.3 تجميع الأجهزة الطبية

تعمل وحدات الليزر كمراجع للمحاذاة عندما تتطلب المكونات وضعًا بدقة أقل من المليمتر.

5.4 مراقبة البيئة

تكتشف وحدات الأشعة تحت الحمراء خطوط امتصاص الغاز، مما يتيح:

• استشعار الميثان
• تحليل تركيز ثاني أكسيد الكربون
• محطات أبحاث جودة الهواء

6. المعلمات الهندسية لمُدمجي الأنظمة

6.1 استقرار الطول الموجي

يتطلب مدمجو OEM ما يلي:

• استقرار ±0.5 نانومتر للتحليل الطيفي
• <1% انحراف الخرج تحت 40 درجة مئوية
• تغذية راجعة لدرجة الحرارة يتحكم فيها السائق

6.2 التحكم في الضوضاء والوضع

مكبوت الضوضاء ديود ليزر ومحرك تحافظ الأنظمة على:

• الوضع الطولي الفردي
• القفز في الوضع الأدنى
• ضوضاء منخفضة الشدة

6.3 الموثوقية على المدى الطويل

يجب أن تتحمل وحدات الصمام الثنائي الليزري ما يلي:

• تشغيل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع
• تقلبات الرطوبة
• تكرار الدورات الحرارية

توفر الوحدات التي تستخدم أسلاك ربط ذهبية وأغلفة محكمة الإغلاق أطول عمر افتراضي.

7. دراسة حالة علمية حقيقية (2023)

“مشروع معايرة التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء — معهد ميونيخ للبصريات الطبية الحيوية”

في ديسمبر 2023, ، باحثون في معهد ميونيخ للبصريات الطبية الحيوية أجرى ترقية للمعايرة على منصة التحليل الطيفي بالرامان. احتاج المختبر إلى مصدر إثارة مستقر بالقرب من الأشعة تحت الحمراء لتحليل التغيرات الأيضية الدقيقة في عينات الأنسجة.

المشاركون

• الباحث الرئيسي: الدكتورة آنا روث
• مهندس أجهزة: لوكاس فرانك
• باحث متدرب: وي تشو (الصين)

المشكلة

انحرف نظام الصمام الثنائي القديم 785 نانومتر بنحو 2 نانومتر بعد 30 دقيقة من التشغيل. تسبب ذلك في حدوث تحول طيفي أدى إلى إفساد نتائج البصمات البيوكيميائية.

الحل

استبدل فريق المهندسين الوحدة القديمة بوحدة من الجيل التالي وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء 785 نانومتر, ، مقترنًا بدقة منخفضة الضوضاء ديود ليزر ومحرك مجموعة تضم:

• 0.1% تموج التيار
• التحكم في TEC في الوقت الحقيقي
• تغذية مرتدة رقمية للطول الموجي

أدى التحديث إلى استقرار خط الإثارة بشكل كبير.

النتائج

• انخفض انحراف الطول الموجي من 2.0 نانومتر إلى 0.12 نانومتر
• انخفض وقت الحصول على البيانات بنسبة 27%
• تحسن SNR بنسبة 31%
• زادت دقة تصنيف عينات الأنسجة من 86% إلى 96%

أفاد الدكتور روث لاحقًا أن الوحدة النمطية الجديدة للأشعة تحت الحمراء أتاحت نشر مجموعات بيانات رامان عالية الدقة في أوائل عام 2024.

8. الخاتمة

تعد وحدات الصمام الثنائي الليزري عالية الجودة أكثر من مجرد أدوات إضاءة — فهي مكونات دقيقة بالغة الأهمية تدعم الأجهزة العلمية والصناعية والطبية الحديثة. عند إقرانها بشكل صحيح مع ديود ليزر ومحرك, ، وخاصةً عند تكوينه كـ وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء, ، فهي توفر استقرارًا لا مثيل له في الطول الموجي وموثوقية تشغيلية. وتؤكد دراسة الحالة التي أجريت في ميونيخ مدى تأثير هذه الأنظمة بشكل حاسم على دقة الأبحاث والأداء في العالم الواقعي.