زاوية تباعد قضبان ثنائيات الليزر: من الحزم العريضة إلى التطبيقات عالية الكفاءة

مع استمرار توسع تطبيقات الليزر عالي الطاقة، أصبحت قضبان ثنائيات الليزر عنصرًا لا غنى عنه في مجالات مثل ضخ الليزر، والمعالجة الصناعية، والمعدات الطبية، والبحث العلمي. وبفضل كثافة الطاقة الممتازة، وقابلية التوسع المعياري، والكفاءة الكهروضوئية العالية، تُعد هذه الأجهزة جوهر العديد من أنظمة الليزر الحديثة. ومع ذلك، من بين مؤشرات الأداء العديدة لقضيب ثنائي الليزر، غالبًا ما يتم إغفال أحد المعايير بالغة الأهمية: زاوية التباعد. تستكشف هذه المقالة خصائص زاوية التباعد في قضبان ثنائيات الليزر، وأصولها الفيزيائية، وآثارها، وكيف يمكن للتصميم البصري التحكم بها بفعالية.

1. ما هي زاوية التباعد؟

تصف زاوية التباعد كيفية انتشار شعاع الليزر أثناء انتقاله في الفضاء الحر. وهي تشير إلى مدى تمدد الشعاع من سطح الانبعاث. في قضبان ثنائيات الليزر، تُظهر زاوية التباعد تباينًا كبيرًا في اتجاهين رئيسيين:

المحور السريع: عمودي على سطح القضيب. منطقة الانبعاث ضيقة للغاية (عادةً 1-2 ميكرومتر)، مما يؤدي إلى زوايا تباعد كبيرة، غالبًا 30°-45° أو أكثر.

المحور البطيء: موازٍ لطول القضيب. منطقة الانبعاث أوسع بكثير (مئات الميكرونات)، مما ينتج عنه زوايا تباعد أصغر، تتراوح عادةً بين 5° و15°.

يمثل هذا التباين غير المتماثل تحديًا رئيسيًا في تصميم تكامل الأنظمة التي تتضمن قضبان ثنائيات الليزر.

2. الأصل المادي للاختلاف

تتحدد زاوية التباعد بشكل أساسي من خلال بنية الدليل الموجي وحجم سطح الانبعاث:

في المحور السريع، تكون مساحة الانبعاث صغيرة للغاية. ووفقًا لنظرية الحيود، تؤدي الفتحات الأصغر إلى تباعد أكبر.

في المحور البطيء، يتوسع الشعاع على طول القضيب عبر عدة مصادر باعثة، مما يؤدي إلى زاوية تباعد أصغر.

ونتيجة لذلك، تُظهر قضبان الصمام الثنائي الليزري بطبيعتها تباعدًا عاليًا في المحور السريع وتباعدًا منخفضًا في المحور البطيء.

3. كيف تؤثر زاوية التباعد على تصميم النظام

① التكلفة العالية للتوجيه وتشكيل الحزمة

نظراً لعدم تناظر الشعاع الخام بشكل كبير، يجب استخدام بصريات التجميع السريع (FAC) والتجميع البطيء (SAC). وهذا يزيد من تعقيد النظام ويتطلب دقة عالية في التركيب واستقراراً حرارياً.

② كفاءة اقتران الألياف المحدودة

عند توصيل قضبان الليزر بألياف متعددة الأنماط، أو أنظمة بصرية، أو عدسات لا كروية، قد يؤدي التباعد الكبير على المحور السريع إلى "انتشار" الشعاع، مما يقلل من كفاءة التوصيل. ويُعد التباعد مصدراً رئيسياً للفقد البصري.

③ جودة الشعاع في تكديس الوحدات

في الوحدات المكدسة متعددة القضبان، يمكن أن يتسبب التباعد الذي يتم التحكم فيه بشكل سيئ في تداخل غير متساوٍ للشعاع أو تشويه المجال البعيد، مما يؤثر على دقة التركيز والتوزيع الحراري.

4. كيفية التحكم في تباعد أشعة الليزر وتحسينه في قضبان ثنائيات الليزر

على الرغم من أن التباين يتحدد إلى حد كبير ببنية الجهاز، إلا أنه يمكن استخدام العديد من الاستراتيجيات على مستوى النظام لتحقيق التحسين:

①استخدام العدسات اللاصقة للوجه

يؤدي وضع عدسة تجميع المحور السريع بالقرب من السطح الباعث إلى ضغط الشعاع وتقليل التباعد في المحور السريع - وهذا أمر ضروري في معظم التصميمات.

٢عدسات SAC لتشكيل إضافي

على الرغم من أن تباعد المحور البطيء أصغر، إلا أن التشكيل لا يزال مطلوبًا في المصفوفات أو مصادر الضوء الخطي لتحقيق إخراج موحد.

③تصميم دمج الحزم وتشكيلها البصري

يمكن أن يساعد استخدام مصفوفات العدسات الدقيقة أو العدسات الأسطوانية أو البصريات المهيكلة في تشكيل حزم الليزر المتعددة إلى ناتج عالي السطوع وموحد.

④تحسين الدليل الموجي على مستوى الجهاز

يمكن لتعديل سمك الطبقة النشطة وتصميم الدليل الموجي وهياكل الشبكة أن يزيد من تحسين تباعد المحور السريع من مستوى الشريحة.

5. التحكم في التباعد في التطبيقات العملية

①مصادر ضخ الليزر

في أنظمة الليزر الصلبة أو الليفية عالية الطاقة، تعمل قضبان ثنائيات الليزر كمصادر ضخ. ويؤدي التحكم في التباعد - وخاصة في المحور السريع - إلى تحسين كفاءة الاقتران وتركيز الشعاع.

٢الأجهزة الطبية

بالنسبة لأنظمة مثل العلاج بالليزر وإزالة الشعر، فإن إدارة التباعد تضمن توصيل طاقة أكثر تجانسًا وعلاجًا أكثر أمانًا وفعالية.

③معالجة المواد الصناعية

في عمليات اللحام والقطع بالليزر، يساهم التباعد الأمثل في زيادة كثافة الطاقة، وتحسين التركيز، وزيادة دقة وكفاءة المعالجة.

6. الخاتمة

تُعد زاوية تباعد شريط الصمام الثنائي الليزري نقطة تحول حاسمة - من فيزياء الرقائق على المستوى الميكروي إلى الأنظمة البصرية على المستوى الماكروي.
يُعدّ مؤشرًا لجودة الشعاع وحدودًا تصميمية للتكامل. ومع استمرار ارتفاع متطلبات التطبيقات وتعقيد الأنظمة، يصبح فهم التباعد والتحكم فيه كفاءة أساسية لمصنعي الليزر ومكامليه على حد سواء، لا سيما للتقدم نحو طاقة وسطوع وموثوقية أعلى.