الكشف عن بنية قضبان الليزر: "محرك المصفوفة الدقيقة" وراء الليزر عالي الطاقة

في مجال الليزر عالي الطاقة، تُعدّ قضبان الليزر مكونات أساسية لا غنى عنها. فهي لا تقتصر على كونها الوحدات الأساسية لإخراج الطاقة فحسب، بل إنها تجسد أيضًا دقة وتكامل الهندسة الكهروضوئية الحديثة.—مما أكسبها لقب "محرك" أنظمة الليزر. ولكن ما هو التركيب الدقيق لشريط الليزر، وكيف يُنتج عشرات أو حتى مئات الواط من طاقة لا تتجاوز بضعة ملليمترات؟ تستكشف هذه المقالة البنية الداخلية والأسرار الهندسية الكامنة وراء أشرطة الليزر.

1. ما هو شريط الليزر؟

شريط الليزر هو جهاز باعث عالي الطاقة يتكون من عدة رقائق ليزر ثنائية مرتبة جانبيًا على ركيزة واحدة. ورغم أن مبدأ عمله مشابه لمبدأ عمل ليزر أشباه الموصلات الأحادي، إلا أن شريط الليزر يستخدم تصميمًا متعدد البواعث لتحقيق طاقة بصرية أعلى وحجم أصغر.

تُستخدم قضبان الليزر على نطاق واسع في القطاعات الصناعية والطبية والعلمية والدفاعية، إما كمصادر ليزر مباشرة أو كمصادر ضخ لأشعة الليزر الليفية وأشعة الليزر الصلبة.

2. التركيب الهيكلي لقضيب الليزر

يُحدد التركيب الداخلي لشريط الليزر أداءه بشكل مباشر. ويتكون بشكل أساسي من المكونات الرئيسية التالية:

①مصفوفة البواعث

تتكون قضبان الليزر عادةً من 10 إلى 100 باعث (تجويف ليزر) مرتبة جنبًا إلى جنب. يبلغ طول كل باعث حوالي 50–150μيبلغ عرضها مترًا وتعمل كمنطقة تضخيم مستقلة، وتتميز بوصلة PN وتجويف رنين وبنية دليل موجي لتوليد وإصدار ضوء الليزر. على الرغم من أن جميع البواعث تشترك في نفس الركيزة، إلا أنها عادةً ما يتم تشغيلها كهربائيًا بالتوازي أو بواسطة مناطق.

٢بنية طبقات أشباه الموصلات

يوجد في قلب شريط الليزر مجموعة من طبقات أشباه الموصلات، بما في ذلك:

- طبقات فوقية من النوع P والنوع N (تشكل وصلة PN)

- الطبقة النشطة (مثل بنية البئر الكمومي)، التي تولد الانبعاث المحفز

- طبقة دليل الموجة، لضمان التحكم في النمط في الاتجاهين الجانبي والرأسي

- عاكسات براغ أو الطلاءات عالية/مضادة للانعكاس، والتي تعزز الإخراج الاتجاهي لليزر

③الركيزة وهيكل إدارة الحرارة

تُزرع الباعثات على ركيزة أشباه موصلات متجانسة (عادةً ما تكون من زرنيخيد الغاليوم). ولتبديد الحرارة بكفاءة، يُلحم شريط الليزر على ركائز فرعية عالية التوصيل مثل النحاس أو سبيكة التنغستن والنحاس أو الماس المُصنّع بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار، ويُقترن بمشتتات حرارية وأنظمة تبريد فعّالة.

④سطح الانبعاث ونظام التوجيه

نظراً لزوايا التباعد الكبيرة للأشعة المنبعثة، تُجهز قضبان الليزر عادةً بمصفوفات عدسات دقيقة (FAC/SAC) لتجميع وتشكيل الشعاع. وفي بعض التطبيقات، تُستخدم بصريات إضافية.—مثل العدسات الأسطوانية أو الموشورات—تُستخدم للتحكم في تباعد المجال البعيد وجودة الشعاع.

3. العوامل الهيكلية الرئيسية المؤثرة على الأداء

يلعب هيكل شريط الليزر دورًا حاسمًا في تحديد استقراره وكفاءته وعمره الافتراضي. وتشمل عدة جوانب رئيسية ما يلي:

①تصميم إدارة الحرارة

تتميز قضبان الليزر بكثافة طاقة عالية وحرارة مركزة. وتُعد المقاومة الحرارية المنخفضة أمراً بالغ الأهمية، ويتم تحقيق ذلك من خلال لحام الذهب والقصدير أو ربط الإنديوم، بالإضافة إلى التبريد عبر القنوات الدقيقة لتبديد الحرارة بشكل موحد.

٢تشكيل ومحاذاة الحزم

غالباً ما تعاني مصادر الإشعاع المتعددة من ضعف التماسك وعدم محاذاة الجبهة الموجية. ويُعد تصميم العدسات ومحاذاتها بدقة أمراً بالغ الأهمية لتحسين جودة الشعاع في المجال البعيد.

③التحكم في الإجهاد والموثوقية

قد يؤدي اختلاف معاملات التمدد الحراري للمواد إلى التواء أو تشققات دقيقة. لذا، يجب تصميم العبوات بحيث توزع الإجهاد الميكانيكي بالتساوي وتتحمل دورات التغير الحراري دون تدهور.

4. الاتجاهات المستقبلية في تصميم قضبان الليزر

مع تزايد الطلب على طاقة أعلى، وحجم أصغر، وموثوقية أكبر، تستمر هياكل قضبان الليزر في التطور. وتشمل اتجاهات التطوير الرئيسية ما يلي:

①توسيع الطول الموجي: يمتد إلى 1.5μنطاقات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة

٢التصغير: تمكين الاستخدام في الأجهزة الصغيرة والوحدات المتكاملة للغاية

③التغليف الذكي: يتضمن مستشعرات درجة الحرارة وأنظمة التغذية الراجعة للحالة

④التراص عالي الكثافة: مصفوفات متعددة الطبقات لتحقيق إنتاجية تصل إلى مستوى الكيلوواط في مساحة صغيرة

5. الخاتمة

بصفتنا"قلب"في أنظمة الليزر عالية الطاقة، يؤثر التصميم الهيكلي لقضبان الليزر بشكل مباشر على الأداء البصري والكهربائي والحراري للنظام ككل. إن دمج عشرات البواعث في هيكل لا يتجاوز عرضه بضعة ملليمترات لا يُظهر فقط تطور المواد وتقنيات التصنيع، بل يُمثل أيضًا مستوى التكامل العالي في الوقت الحاضر.'صناعة الفوتونيات.

وبالنظر إلى المستقبل، ومع استمرار ارتفاع الطلب على مصادر الليزر الفعالة والموثوقة، ستظل الابتكارات في بنية قضيب الليزر محركًا رئيسيًا في دفع صناعة الليزر إلى آفاق جديدة.

إذا كنت'إذا كنت تبحث عن دعم متخصص في تغليف قضبان الليزر، أو إدارة الحرارة، أو اختيار المنتجات، فلا تتردد في الاتصال بنا.'نحن هنا لتقديم حلول مصممة خصيصًا لتناسب احتياجات تطبيقك المحددة.