انتقال ليزر أشباه الموصلات من مجرد فضول مخبري هش إلى العمود الفقري للبنية التحتية الصناعية والطبية الحديثة، هو انتصار لعلوم المواد والهندسة الميكانيكية البصرية. عندما يبحث مهندس تصنيع المعدات الأصلية عن ليزر للبيع, ، فهم لا يشترون مجرد مصدر ضوء؛ بل يستثمرون في “محرك فوتون” حيث يجب أن تكون الخصائص المكانية والطيفية والزمانية للضوء محكومة بدقة بالتطبيق المقصود. محرك عالي الأداء وحدة الليزر هو المظهر الفيزيائي لهذا التحكم، حيث يسد الفجوة بين فيزياء أشباه الموصلات الخام ودقة العالم الحقيقي.

فيزياء السطوع والعامل $M ^ 2$

في عالم وحدات الليزر, ،القدرة غالبًا ما تكون ثانوية بالنسبة للسطوع. يُعرَّف السطوع، أو الإشعاع، بأنه الطاقة الضوئية لكل وحدة مساحة ووحدة زاوية صلبة. القيد الأساسي لانبعاثات الحافة ليزر أشباه الموصلات تكمن في فتحة الانبعاث غير المتماثلة. وعادةً ما تكون المنطقة النشطة بسماكة 1-2 $\mu$m فقط ولكن يمكن أن يكون عرضها مئات الميكرومترات. وتؤدي هذه الهندسة إلى “محور سريع” محدود الانعراج و“محور بطيء” متعدد الأنماط إلى حد كبير.”

تُقاس جودة الحزمة المخرجة بعامل $M^2$ (نسبة انتشار الحزمة). بالنسبة لشعاع غاوسي مثالي، $M ^ 2 = 1$. ومع ذلك، قد يحتوي الصمام الثنائي الخام عالي الطاقة على $M ^ 2$ يتجاوز 20 في المحور البطيء. محترف مودول الليزر تستخدم بصريات دقيقة متطورة لتحويل هذا الإخراج شديد الاستجماتيزم. والهدف من الهندسة المتطورة هو الحفاظ على “متغير لاغرانج” (حاصل ضرب خصر الشعاع وزاوية التباعد) مع تشكيل الشعاع في شكل دائري أو مربع مفيد.

$1T$B = \frac{P}{A \cdot \Omega} \approx \frac{P}{\lambda^2 \cdot M_x^2 \cdot M_y^2}$$

في الصيغة أعلاه، يمثل $B$ السطوع. يصبح من الواضح أن زيادة القدرة $P$ دون التحكم في جودة الشعاع $M^2$ ينتج عنه زيادة ضئيلة في السطوع الفعلي، وهو المعامل الذي يحدد مدى صغر حجم البقعة التي يمكن تركيزها أو المسافة التي يمكن أن تنتقل إليها الحزمة بأقل قدر من التباعد.

التكامل الميكانيكي البصري: هيكلية وحدة الليزر الميكانيكية

A مودولو الليزر (المصطلح ذو الجذور اللاتينية لوحدة قياسية) يجب أن تحافظ على المحاذاة البصرية دون الميكرون عبر نطاق واسع من درجات حرارة التشغيل والضغوط الميكانيكية. ويُعد اختيار مواد المبيت قرارًا هندسيًا حاسمًا يملي ثبات التأشير على المدى الطويل.

التمدد الحراري واختيار المواد

أغلفة الألومنيوم القياسية شائعة في العلب القياسية منخفضة التكلفة ليزر للبيع القوائم، ولكنها تعاني من ارتفاع معامل التمدد الحراري (CTE). في الاستشعار الصناعي الدقيق أو الجراحة الطبية الدقيقة، يمكن أن يتسبب التحول في درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية في تمدد حراري يبلغ عدة ميكرون في حامل الألومنيوم، وهو ما يكفي لإلغاء محاذاة العدسة الموازية والتسبب في “سير الشعاع”.”

راقية وحدات الليزر استخدام مواد مثل الكوفار (سبيكة من النيكل والكوبالت والحديد) أو النحاس والتنغستن (CuW). يتم اختيار هذه المواد لمطابقتها CTE مع قالب أشباه الموصلات والزجاج البصري. ومن خلال تقليل عدم تطابق CTE في الواجهة البينية حيث يتم ربط الصمام الثنائي بالقطعة الفرعية، يمنع المهندسون “إجهاد اللحام” والزحف الميكانيكي، مما يضمن بقاء الشعاع في المركز طوال عمر الجهاز الذي يبلغ 20,000 ساعة.

الإحكام وحماية البيئة

بالنسبة للبيئات الصناعية التي يوجد فيها رذاذ الزيت أو الرطوبة أو الغازات المسببة للتآكل، فإن عبوة ليزر أشباه الموصلات يجب أن تكون محكمة الإغلاق. يتضمن هذا عادةً علبة TO-علبة أو حزمة فراشة ذات جزء داخلي مطلي بالذهب وجو نيتروجين أو جو نقي بالأرجون. إذا لم يتم إحكام غلق الوحدة بشكل صحيح، يمكن أن تتكثف الرطوبة على الأوجه، مما يؤدي إلى تلف بصري كارثي (COD) أو تدهور تدريجي بسبب الأكسدة الضوئية.

الإلكترونيات حارس الصمام الثنائي

إن وضع الفشل الأكثر شيوعًا لـ مودول الليزر ليس البلى والتآكل، ولكن الإجهاد الكهربائي الزائد (EOS). ثنائيات الليزر هي في الأساس مصابيح LED عالية السرعة ذات مقاومة داخلية منخفضة للغاية. وهي عرضة لارتفاعات التيار على نطاق النانو ثانية.

التيار الثابت (ACC) مقابل الطاقة الثابتة (APC)

متطور وحدة الليزر يشتمل على محرك يمكن أن يعمل إما في وضع التحكم التلقائي في التيار (ACC) أو وضع التحكم التلقائي في الطاقة (APC). في وضع APC، يراقب الصمام الثنائي الضوئي المدمج داخل الوحدة خرج الضوء الفعلي ويضبط تيار المحرك في الوقت الفعلي للحفاظ على مستوى طاقة ثابت. وهذا يعوض الانخفاض الطبيعي في الكفاءة مع ارتفاع درجة حرارة الصمام الثنائي.

ومع ذلك، يجب أن يتضمن برنامج التشغيل أيضًا دوائر “المخل” وآليات بدء التشغيل الناعم. عندما يتم تطبيق الطاقة لأول مرة، يجب أن يقوم المشغل بزيادة التيار خطيًا لتجنب حدوث طفرات $dV/dt$ التي يمكن أن تثقب طبقات البئر الكمية الرقيقة في ليزر أشباه الموصلات.

علم المواد المقارن: قلب الوحدة

أداء وحدات الليزر تختلف بشكل كبير اعتمادًا على مادة أشباه الموصلات المستخدمة. يقدم الجدول التالي مقارنة تقنية لعائلات أشباه الموصلات الشائعة المستخدمة في الوحدات الصناعية والطبية.

توسيع النطاق التقني: كلمات دلالية ذات حركة مرور عالية

لفهم المشهد التنافسي لـ وحدات الليزر, ، يجب النظر في ثلاثة مجالات تقنية إضافية:

1. ديود ليزر تكامل السائق: يحدد قرب المحرك من الصمام الثنائي المحاثة الطفيلية. تسمح المحركات المدمجة بتعديل الترددات العالية (نطاق MHz)، وهو أمر ضروري لتطبيقات LiDAR (ToF) الخاصة بزمن الطيران (ToF).
2. جودة الشعاع ($M^2$): بالنسبة للنقش بالليزر باستخدام الحاسب الآلي أو طب العيون الطبي، فإن قيمة $M ^ 2$ هي المواصفات الأساسية. يتطلب تحقيق قيمة $M ^^2 < 1.3$ تصحيح العدسة اللاكروية عالية الترتيب والتصفية المكانية الصارمة.
3. عزل التغذية الراجعة البصرية: العديد من ليزر أشباه الموصلات الأنظمة حساسة للضوء المنعكس إلى التجويف. يمكن أن تسبب الانعكاسات ضوضاء تردد فوضوي أو حتى تدمير الصمام الثنائي. غالبًا ما تشتمل الوحدات الممتازة على عازل فاراداي لضمان انتقال الضوء “بمرور واحد”.

دراسة حالة: وحدة الألياف المقترنة بالألياف عالية السطوع 915 نانومتر للضخ الصناعي

خلفية العميل

تطلبت إحدى الشركات المصنعة لألياف الليزر عالية الطاقة المخدرة بالإيتربيوم المخدرة بالليزر للقطع الصناعي مصدر ضخ مستقر وعالي السطوع. كان من الضروري توصيل ضوء المضخة عبر ألياف أساسية 105$\mu$m بفتحة عدديّة (NA) تبلغ 0.22.

التحديات التقنية

كان التحدي الأساسي هو “الاتساع الطيفي”. فمع زيادة قوة المضخة، يزداد الطول الموجي لـ ليزر أشباه الموصلات يتغيّر ويتوسّع. إذا وقع الطول الموجي للمضخة خارج ذروة الامتصاص لألياف الإيتربيوم (حوالي 915 نانومتر ± 10 نانومتر)، تنهار كفاءة النظام بأكمله، مما يؤدي إلى حرارة زائدة وفشل محتمل لليزر الليفي.

إعدادات المعلمات الفنية

• الطول الموجي التشغيلي: 915 نانومتر مقفل بمشبك متدرج الحجم (VBG).
• طاقة الإخراج: 200 واط CW 200W من ليف واحد 105$\mu$m.
• موصّل الألياف: SMA905 مع إنهاء عالي الطاقة خالٍ من الإيبوكسي.
• WPE (كفاءة التوصيل بالحائط): >50%.
• حماية الملاحظات: مرشح ثنائي النانومتر 1030 نانومتر - 1100 نانومتر لمنع الانعكاس الخلفي من ليزر الألياف.

بروتوكول مراقبة الجودة (QC)

تم إخضاع الوحدات لاختبار “التدوير الحراري”، حيث تم تحريكها بين -20 درجة مئوية و+60 درجة مئوية لمدة 100 دورة لضمان ثبات محاذاة الألياف-الاقتران. علاوة على ذلك، تم إجراء اختبار “ثبات الطاقة” على مدار 500 ساعة، مع اشتراط أن يظل تذبذب الطاقة أقل من 0.51 تيرابايت إلى 3 تيرابايت (من الذروة إلى الذروة).

الخلاصة

من خلال الاستفادة من قفل VBG المغلق وحدة الليزر, تمكن العميل من الحفاظ على ذروة كفاءة الامتصاص بغض النظر عن تغيرات درجة الحرارة المحيطة. سمح الإخراج عالي السطوع بتصميم ليزر ليفي أكثر إحكاما، مما قلل من البصمة الكلية لماكينات القطع الصناعية الخاصة بهم بمقدار 20%. توضح هذه الحالة أنه بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، يعد تكامل حماية التغذية المرتدة البصرية والقفل الطيفي أمرًا ضروريًا لموثوقية النظام.

الاختيار الاستراتيجي: تقييم “ليزر للبيع”

عند الشراء وحدات الليزر بالنسبة لتكامل المعدات الأصلية، غالبًا ما يخفي خيار “الأقل تكلفة” ديونًا تقنية كبيرة. وينبغي أن يركز التقييم الاحترافي على:

• العرض الخطي الطيفي: يشير عرض الخط الضيق إلى مرنان مستقر ونمو فوقي عالي الجودة.
• ثبات التأشير: تُقاس بوحدة $\mu$rad/° مئوية، وهذا يشير إلى جودة الترابط البصري الميكانيكي الداخلي.
• عرض نطاق التضمين الترددي: ما مدى سرعة مودولو الليزر يمكن تشغيله وإيقاف تشغيله دون إضعاف شكل النبض؟ هذا أمر بالغ الأهمية للتصوير عالي السرعة.

الفريق الهندسي في laserdiode-ld.com يركّز على هذه المقاييس القابلة للقياس الكمي بدلاً من المبالغة في التسويق. من خلال فهم الفيزياء الأساسية لـ ليزر أشباه الموصلات والقيود الهندسية ل وحدات الليزر, ، يمكن للمشترين اتخاذ قرارات مستنيرة تعمل على تحسين “التكلفة الإجمالية للملكية” بدلاً من سعر الشراء الأولي.

الأسئلة المتداولة: رؤى تقنية متعمقة في وحدات الليزر

س1: لماذا يكون لليزر شبه الموصِّل “تيار عتبة”؟

ج: يتطلّب الليزر “انعكاساً في التجمّع السكاني”، حيث يكون عدد الإلكترونات في الحالة المثارة أكبر من عدد الإلكترونات في الحالة الأرضية. وتيار العتبة هو النقطة التي يوازن فيها الكسب من الانبعاث المحفّز بالضبط بين الفقد الداخلي وانتقال الأوجه. وتحت هذا التيار، يعمل الجهاز كجهاز LED غير فعال.

س2: ما هي فائدة وحدة الليزر “VBG-locked” (مقفلة على شكل حرف VBG)؟

ج: تعمل شبكة براغ الحجمية (VBG) كمرآة انتقائية انتقائية خارجية للتردد. وهو يجبر مودول الليزر على العمل بطول موجي دقيق ويقلل بشكل كبير من الانزياح الطيفي الناجم عن تغيرات درجة الحرارة، وهو أمر حيوي للضخ والتحليل الطيفي.

س3: كيف تؤثر الفتحة العددية (NA) للألياف على أداء وحدة الليزر؟

ج: يمثل NA مخروط الضوء الذي يمكن للألياف قبوله. إذا لم يتم موازاة خرج أشباه الموصلات الليزرية وتركيزه بشكل مثالي ضمن هذا الملحق الضوئي NA، فإن الضوء “غير المطابق” سيدخل إلى كسوة الألياف بدلاً من القلب، مما يتسبب في ذوبان غلاف الألياف عند القوى العالية.

س4: هل يمكن استخدام هذه الوحدات في بيئات الفراغ؟

ج: غالبًا ما تستخدم وحدات الليزر القياسية مواد إيبوكسية أو شحوم ذات غازات خارجية. وللتوافق مع التفريغ، يجب تحديد التركيب “الفضائي” أو “المتوافق مع التفريغ”، والذي يستخدم مواد لاصقة منخفضة الغازات وفتحات لولبية ذات فتحات تهوية لمنع الجيوب الهوائية المحتبسة.