1. مقدمة

أدى التوسع السريع في مجال الضوئيات الصناعية إلى زيادة الطلب على حلول الليزر المستقرة وعالية الإنتاجية والمصغرة. ومن بين هذه الحلول، وحدة ديود الليزر أصبح مكونًا أساسيًا في الاستشعار والمحاذاة والتحليل الطيفي والاتصالات وتصنيع الأجهزة الطبية. إن حجمه الصغير وكفاءته البصرية وسلوكه المتوقع يجعله ضروريًا لمُدمجي OEM ومختبرات الأبحاث.

مع تزايد عدد الصناعات التي تتطلب تفاوتات بصرية أكثر دقة واستقرارًا حراريًا أفضل، فإن دور ديود ليزر ومحرك أصبح الزوج أكثر أهمية. لا يكون شكل الموجة الضوئية للصمام الثنائي مستقراً إلا بقدر استقرار تنظيم التيار خلفه. وبالمثل، تعتمد الأنظمة الحديثة غالباً على وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء للكشف عن مسافات بعيدة، والقياس بدون تلامس، وربط الألياف، ومهام معالجة المواد حيث تقلل الأشعة غير المرئية من تشتت انتباه المستخدم.

تقدم هذه المقالة نظرة متعمقة على معايير التصميم واستقرار الإنتاج ومبادئ الهندسة الحرارية واعتبارات النشر. وتختتم المقالة بدراسة حالة صناعية واقعية من عام 2024 تتعلق بخط إنتاج في أوساكا باليابان.

2. البنية الأساسية لوحدة الصمام الثنائي الليزري

على الرغم من صغر حجم وحدات الصمام الثنائي الليزري، إلا أن بنيتها الداخلية مصممة بدقة. نموذج وحدة ديود الليزر تتضمن:

2.1 رقاقة الصمام الثنائي الليزري

• التحكم في الطول الموجي من خلال هندسة فجوة النطاق شبه الموصلة
• تتراوح الأطوال الموجية النموذجية من 405 نانومتر إلى 1550 نانومتر.
• تستخدم الثنائيات البصرية (808 نانومتر - 1550 نانومتر) على نطاق واسع في المحاذاة والاستشعار.

2.2 نظام عدسات التوازي

• عدسات لا كروية أو زجاجية
• يصحح الشعاع الإهليلجي للديود
• يحقق التحكم في التباعد الضروري لعلم القياس

2.3 إلكترونيات المحرك

هنا ديود ليزر ومحرك يصبح التفاعل أمراً بالغ الأهمية. يتطلب الصمام الثنائي الليزري ما يلي:

• تيار أمامي منظم بدقة
• حماية سريعة من التغيرات المؤقتة
• تثبيط الضوضاء أقل من 1% rms
• قدرة التشغيل السلس
• تعويض درجة الحرارة

يؤدي السائق السيئ التنظيم إلى حدوث قفز في الوضع، وتغير في الطول الموجي، وفشل مبكر في الصمام الثنائي.

2.4 طبقة التحكم الحراري

• غلاف من الألومنيوم أو النحاس
• TEC (مبرد كهروحراري) في النماذج الدقيقة
• ثرمستور NTC لتغذية راجعة لدرجة الحرارة

تحدد إدارة الحرارة استقرار الحزمة على مدى دورات تشغيل طويلة.

3. دور وحدات الليزر بالأشعة تحت الحمراء في الصناعات الحديثة

An وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء (وحدة IR) تعمل في نطاق 700-1700 نانومتر وتقدم مزايا كبيرة:

• الشعاع غير المرئي يقلل من التلوث البصري في الأنظمة البصرية
• قدرة اختراق عالية من خلال الأبخرة أو غرف المعالجة
• مثالي للأنظمة المزودة بألياف ضوئية
• تشتت أقل في البيئات المتربة أو شديدة الضباب
• آمن لتطبيقات الرؤية الآلية حيث تتداخل الأطوال الموجية المرئية مع الكاميرات

تشمل الصناعات التي تعتمد بشكل كبير على وحدات الأشعة تحت الحمراء ما يلي:

• فحص المنسوجات
• مسح خط التعبئة والتغليف
• معالجة الصلب والمعادن
• تصنيع الأجهزة الطبية
• لحام السيارات ومحاذاة الأجزاء

4. التطبيقات عالية الدقة

4.1 الأتمتة الصناعية

تعمل وحدات الصمام الثنائي الليزري كمحفزات لـ:

• التعرف على الأشياء على الحزام الناقل
• وضع الذراع الروبوتية
• أنظمة الفحص الآلي

4.2 أنظمة التحليل الطيفي

وحدات الأشعة تحت الحمراء (980 نانومتر / 1064 نانومتر / 1470 نانومتر / 1550 نانومتر) الطاقة:

• قياس الامتصاص
• تحليل التشتت
• التحديد الكيميائي

4.3 القياس والمواءمة

تسهل أشعة الليزر الخطية وأشعة الليزر المتقاطعة وأشعة الليزر النقطية ما يلي:

• محاذاة CNC
• رسم خرائط الرؤية الآلية
• قياس المسافة بدقة عالية

4.4 أنظمة القياس المقترنة بالألياف

إلى جانب محركات الدقة، تضمن وحدات الأشعة تحت الحمراء المقترنة بالألياف الاستقرار على مسافات طويلة ودرجات حرارة متقلبة.

5. الاعتبارات الهندسية لتكامل OEM

5.1 استقرار السائق

ال ديود ليزر ومحرك يجب أن تتطابق:

• لتجنب ارتفاعات التيار الزائد
• للحفاظ على خرج طول موجي ثابت
• لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي

تعد المحركات المزودة بدورات حرارة PID ضرورية لوحدات الأشعة تحت الحمراء التي تتأثر بسهولة بالحرارة.

5.2 الإسكان والبصريات

عند اختيار وحدة ديود الليزر, ، يقوم المُدمجون بتقييم:

• مادة العدسة والطلاء
• شكل الحزمة (غاوسية، موحدة، منظمة)
• شكل السكن (أسطواني، مستطيل، وحدة صغيرة)
• توافق الترابط

5.3 التصميم الحراري

تتطلب الوحدات التي تعمل في دورات تشغيل >50% ما يلي:

• تبريد TEC
• أغلفة معدنية موصلة
• قراءة درجة الحرارة في الوقت الحقيقي

6. دراسة حالة صناعية حقيقية (2024)

“دمج وحدة الليزر بالأشعة تحت الحمراء لفحص المحاقن الآلي — أوساكا، اليابان”

في يوليو 2024, تاكامورا ميديكال سيستمز, ، مزود أتمتة OEM يقع في أوساكا, ، قامت بتحديث خط فحص المحاقن الخاص بأحد عملائها في مجال الأدوية. كان النظام القديم الذي يعتمد على الكاميرات فقط يواجه صعوبات في الكشف عن الشقوق الدقيقة بسبب مشاكل الانعكاس على المحاقن البوليمرية الشفافة.

المشاركون

• مهندس رئيسي: هيروشي تانابي
• أخصائي تكامل: ماريا كلاين (الولايات المتحدة)
• العميل: مركز أوساكا للتغليف الصيدلاني، نيشي-كو، أوساكا

المشكلة

أسطوانات المحاقن البوليمرية تعكس الضوء المرئي بشكل غير منتظم. تقلب تباين الكاميرا، مما تسبب في أخطاء في الكشف.

الحل

اختار الفريق وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء 980 نانومتر مقترن بدقة ديود ليزر ومحرك مجموعة.
المزايا:

• طول موجة الأشعة تحت الحمراء اخترق البوليمر بشكل متساوٍ
• تقليل انعكاس الضوء على السطح
• تعريض مستقر عبر إطارات الصورة
• توفير إسقاط ثابت وضيق الخطوط

النتائج

• تحسن دقة الفحص من 91.7% إلى 99.3%
• زادت سرعة الإنتاج بنسبة 18%
• حافظت الوحدة على انحراف طاقة أقل من 0.7% خلال دورات اختبار مدتها 10 ساعات.
• عدم حدوث أي أعطال في الصمامات الثنائية بعد 6 أشهر من التشغيل المتواصل

أصبحت هذه الحالة نموذجًا مرجعيًا للعديد من المصانع في منطقة كانساي في عامي 2024 و2025.

7. الخاتمة

تستمر وحدات الصمام الثنائي الليزري في التوسع في القطاعات عالية الدقة. عند إقرانها بالصحيح ديود ليزر ومحرك, ، المرئية وغير المرئية وحدة ليزر الأشعة تحت الحمراء توفر الأنظمة مخرجات بصرية يمكن التنبؤ بها وطويلة الأمد، وهي ضرورية للأتمتة الصناعية. توضح دراسة الحالة في أوساكا كيف تعمل وحدات الأشعة تحت الحمراء على تحسين دقة التصنيع وكفاءة التشغيل، مما يوفر معيارًا حقيقيًا لمتكاملين OEM.