مع توسع تطبيقات الليزر عالي الطاقة، أصبحت قضبان ثنائيات الليزر ضرورية في مجالات مثل ضخ الليزر، والمعالجة الصناعية، والمعدات الطبية، والبحث العلمي. بفضل كثافتها الممتازة في الطاقة، وقابليتها للتوسع المعياري، وكفاءتها الكهروضوئية العالية، تُعدّ هذه الأجهزة جوهر العديد من أنظمة الليزر الحديثة. ومع ذلك، من بين مؤشرات الأداء العديدة لقضيب ثنائيات الليزر، هناك معيار واحد غالبًا ما يتم تجاهله، ولكنه بالغ الأهمية: زاوية التباعد. تستكشف هذه المقالة خصائص زاوية التباعد وأصولها الفيزيائية وآثارها في قضبان ثنائيات الليزر، وكيف يُمكن للتصميم البصري إدارتها بفعالية.
1. ما هي زاوية التباعد؟
تصف زاوية التباعد كيفية انتشار شعاع الليزر أثناء انتشاره في الفضاء الحر. وهي تشير إلى مدى تمدد الشعاع من سطح الانبعاث. في قضبان ثنائيات الليزر، تُظهر زاوية التباعد عدم تماثل واضح في اتجاهين رئيسيين:
المحور السريع: عمودي على سطح القضيب. منطقة الانبعاث ضيقة للغاية (عادةً ١-٢ ميكرومتر)، مما يؤدي إلى زوايا تباعد كبيرة، غالبًا ما تتراوح بين ٣٠ درجة و٤٥ درجة أو أكثر.
المحور البطيء: موازٍ لطول الشريط. منطقة الانبعاث أوسع بكثير (بمئات الميكرونات)، مما يؤدي إلى زوايا تباعد أصغر، عادةً ما تتراوح بين 5 و15 درجة.
يعد هذا التباعد غير المتماثل تحديًا تصميميًا رئيسيًا لتكامل النظام الذي يتضمن قضبان الثنائيات الليزرية.
2. الأصل الفيزيائي للتباعد
يتم تحديد زاوية التباعد في المقام الأول من خلال بنية الموجة الموجهة وحجم وجه الانبعاث:
في المحور السريع، تكون مساحة الانبعاث صغيرة جدًا. ووفقًا لنظرية الحيود، فإن الفتحات الأصغر تُؤدي إلى تباعد أكبر.
في المحور البطيء، يتمدد الشعاع على طول الشريط عبر عدة باعثات، مما يؤدي إلى زاوية تباعد أصغر.
ونتيجة لذلك، تظهر 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 للتسوية وتشكيل الشعاع
نظرًا لعدم تناسق الشعاع الخام، يجب استخدام بصريات محاذاة المحور السريع (FAC) ومحاذاة المحور البطيء (SAC). هذا يزيد من تعقيد النظام ويتطلب دقة تركيب عالية واستقرارًا حراريًا.
② كفاءة اقتران الألياف المحدودة
عند ربط قضبان الليزر بألياف متعددة الأوضاع، أو أنظمة بصرية، أو عدسات غير كروية، قد يؤدي التباعد الكبير للمحور السريع إلى "انسكاب" الشعاع، مما يقلل من كفاءة الربط. ويُعد التباعد مصدرًا رئيسيًا للفقد البصري.
③ جودة الشعاع في تكديس الوحدات
في وحدات التكديس متعددة الأشرطة، يمكن أن يؤدي التباعد الذي يتم التحكم فيه بشكل سيئ إلى تداخل غير متساوٍ للشعاع أو تشويه المجال البعيد، مما يؤثر على دقة التركيز والتوزيع الحراري.
4. كيفية التحكم في التباعد وتحسينه في قضبان ثنائيات الليزر
على الرغم من أن التباعد يتم تعريفه إلى حد كبير من خلال بنية الجهاز، إلا أنه يمكن استخدام العديد من الاستراتيجيات على مستوى النظام لتحسين الأداء:
①استخدام عدسات FAC
يؤدي وضع عدسة المحاذاة ذات المحور السريع بالقرب من الوجه الباعث إلى ضغط الشعاع وتقليل التباعد في المحور السريع - وهذا أمر ضروري في معظم التصميمات.
②عدسات SAC للتشكيل الإضافي
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 الشعاع والتشكيل البصري
يمكن أن يساعد استخدام مجموعات العدسات الدقيقة أو العدسات الأسطوانية أو البصريات المنظمة في تشكيل أشعة الليزر المتعددة إلى خرج موحد عالي السطوع.
④تحسين الموجات الموجهة على مستوى الجهاز
إن تعديل سمك الطبقة النشطة وتصميم الموجات الموجهة وهياكل الشبكة يمكن أن يساعد في تحسين تباعد المحور السريع عن مستوى الشريحة.
5. التحكم في التباعد في التطبيقات الواقعية
①مصادر مضخة الليزر
في أنظمة ليزر الحالة الصلبة أو ليزر الألياف عالية الطاقة، تُستخدم قضبان ثنائيات الليزر كمصدر للمضخات. يُحسّن التحكم في التباعد، وخاصةً في المحور السريع، كفاءة الاقتران وتركيز الشعاع.
②الأجهزة الطبية
بالنسبة لأنظمة مثل العلاج بالليزر وإزالة الشعر، فإن إدارة التباعد تضمن توصيلًا أكثر انتظامًا للطاقة وعلاجًا أكثر أمانًا وفعالية.
③معالجة المواد الصناعية
في اللحام والقطع بالليزر، يساهم التباعد الأمثل في زيادة كثافة الطاقة والتركيز بشكل أفضل والمعالجة الأكثر دقة وكفاءة.
6. الخاتمة
زاوية التباعد لشريط الصمام الثنائي الليزري هي نقطة انتقال حاسمة - من فيزياء الرقائق على نطاق صغير إلى أنظمة بصرية على نطاق كبير.
يعمل كمؤشر لجودة الشعاع وحدود تصميم للتكامل. مع تزايد متطلبات التطبيقات وتعقيد النظام، يُصبح فهم التباعد والتحكم فيه مهارة أساسية لمصنعي الليزر ومُدمجيه على حد سواء، وخاصةً للتقدم نحو مستويات أعلى من الطاقة والسطوع والموثوقية.
وقت النشر: ١٤ يوليو ٢٠٢٥