فهم دورة التشغيل في ليزرات أشباه الموصلات: المعنى الكبير وراء معيار صغير

في تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية الحديثة، تبرز ليزرات أشباه الموصلات بفضل بنيتها المدمجة وكفاءتها العالية واستجابتها السريعة. وتلعب دورًا أساسيًا في مجالات مثل الاتصالات والرعاية الصحية والمعالجة الصناعية والاستشعار/تحديد المدى. مع ذلك، عند مناقشة أداء ليزرات أشباه الموصلات، غالبًا ما يتم إغفال أحد المعايير البسيطة ظاهريًا ولكنها بالغة الأهمية، ألا وهو دورة التشغيل. تتناول هذه المقالة مفهوم دورة التشغيل وحسابها وآثارها وأهميتها العملية في أنظمة ليزر أشباه الموصلات.

1. ما هي دورة التشغيل؟

دورة التشغيل هي نسبة لا بُعدية تُستخدم لوصف نسبة الوقت الذي يكون فيه الليزر في حالة "التشغيل" خلال دورة واحدة من إشارة متكررة. وعادةً ما تُعبّر عنها كنسبة مئوية. الصيغة هي: دورة التشغيل = (عرض النبضة)/(فترة النبض) × 100%. على سبيل المثال، إذا كان الليزر يُصدر نبضة مدتها 1 ميكروثانية كل 10 ميكروثانية، فإن دورة التشغيل هي: (1 ميكروثانية / 10 ميكروثانية) × 100% = 10%.

2. لماذا تعتبر دورة التشغيل مهمة؟

على الرغم من أنها مجرد نسبة، إلا أن دورة التشغيل تؤثر بشكل مباشر على إدارة الحرارة في الليزر، وعمره الافتراضي، وطاقة خرجه، وتصميم النظام ككل. دعونا نوضح أهميتها:

① إدارة الحرارة وعمر الجهاز

في عمليات التشغيل النبضية عالية التردد، يعني انخفاض دورة التشغيل فترات توقف أطول بين النبضات، مما يساعد على تبريد الليزر. وهذا مفيد بشكل خاص في التطبيقات عالية الطاقة، حيث يمكن للتحكم في دورة التشغيل أن يقلل من الإجهاد الحراري ويطيل عمر الجهاز.

② التحكم في طاقة الخرج وشدة الإضاءة

تؤدي دورة التشغيل الأعلى إلى زيادة متوسط ​​خرج الطاقة البصرية، بينما تقلل دورة التشغيل الأقل من متوسط ​​الطاقة. ويتيح ضبط دورة التشغيل إمكانية ضبط طاقة الخرج بدقة دون تغيير ذروة تيار التشغيل.

③ استجابة النظام وتعديل الإشارة

في أنظمة الاتصالات الضوئية وأنظمة الليدار، يؤثر معدل التشغيل بشكل مباشر على زمن الاستجابة وأنماط التضمين. فعلى سبيل المثال، في قياس المدى بالليزر النبضي، يؤدي ضبط معدل التشغيل المناسب إلى تحسين اكتشاف إشارة الصدى، مما يعزز دقة القياس وتردده.

3. أمثلة تطبيقية لدورة التشغيل

① ليدار (الكشف بالليزر وتحديد المدى)

في وحدات قياس المدى بالليزر ذات الطول الموجي 1535 نانومتر، يُستخدم عادةً تكوين نبضي ذو دورة تشغيل منخفضة وذروة عالية لضمان كلٍ من الكشف بعيد المدى وحماية العين. ويتم التحكم في دورات التشغيل عادةً بين 0.1% و1%، لتحقيق التوازن بين القدرة القصوى العالية والتشغيل الآمن والبارد.

٢- الليزر الطبي

في تطبيقات مثل العلاجات الجلدية أو جراحة الليزر، تؤدي دورات التشغيل المختلفة إلى تأثيرات حرارية ونتائج علاجية متباينة. فدورة التشغيل العالية تُسبب تسخيناً مستمراً، بينما تدعم دورة التشغيل المنخفضة الاستئصال النبضي الفوري.

③ معالجة المواد الصناعية

في عمليات الوسم واللحام بالليزر، تؤثر دورة التشغيل على كيفية ترسب الطاقة في المواد. ويُعد ضبط دورة التشغيل أمرًا أساسيًا للتحكم في عمق النقش واختراق اللحام.

4. كيف يتم اختيار دورة التشغيل المناسبة؟

تعتمد دورة التشغيل المثلى على التطبيق المحدد وخصائص الليزر:

①دورة تشغيل منخفضة (<10%)

مثالي للتطبيقات ذات الذروة العالية والنبضات القصيرة مثل تحديد المدى أو وضع العلامات الدقيقة.

٢دورة تشغيل متوسطة (10٪ - 50٪)

مناسب لأنظمة الليزر النبضي ذات التكرار العالي.

③دورة تشغيل عالية (>50%)

الاقتراب من التشغيل المستمر (CW)، المستخدم في تطبيقات مثل الضخ الضوئي والاتصالات.

وتشمل العوامل الأخرى التي يجب مراعاتها قدرة تبديد الحرارة، وأداء دائرة التشغيل، والاستقرار الحراري لليزر.

5. الخاتمة

على الرغم من صغر حجمها، تُعدّ دورة التشغيل معيارًا أساسيًا في تصميم أنظمة الليزر شبه الموصلة. فهي لا تؤثر فقط على أداء النظام، بل أيضًا على استقراره وموثوقيته على المدى الطويل. وفي تطوير الليزر وتطبيقاته المستقبلية، سيكون التحكم الدقيق في دورة التشغيل واستخدامها بمرونة أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز كفاءة النظام وتمكين الابتكار.

إذا كانت لديكم أي استفسارات أخرى حول تصميم معايير الليزر أو تطبيقاته، فلا تترددوا في التواصل معنا أو ترك تعليق. نحن هنا لمساعدتكم!