كشف النقاب عن بنية قضبان الليزر: "محرك المصفوفات الدقيقة" وراء الليزر عالي الطاقة

في مجال الليزر عالي القدرة، تُعدّ قضبان الليزر مكونات أساسية لا غنى عنها. فهي لا تُمثّل الوحدات الأساسية لإنتاج الطاقة فحسب، بل تُجسّد أيضًا دقة وتكامل الهندسة البصرية الإلكترونية الحديثة.—مما أكسبها لقب "محرك" أنظمة الليزر. ولكن ما هو هيكل قضيب الليزر تحديدًا، وكيف يُنتج عشرات أو حتى مئات الواط من حجم لا يتجاوز بضعة مليمترات؟ يستكشف هذا المقال البنية الداخلية والأسرار الهندسية الكامنة وراء قضبان الليزر.

1. ما هو شريط الليزر؟

شريط الليزر هو جهاز إصدار عالي الطاقة، يتكون من عدة شرائح ليزر ثنائية الصمامات، مرتبة أفقيًا على ركيزة واحدة. وبينما يشبه مبدأ عمله ليزر أشباه الموصلات، يستخدم شريط الليزر تصميمًا متعدد الباعثات لتحقيق قوة بصرية أعلى وعامل شكل أكثر إحكامًا.

تُستخدم قضبان الليزر على نطاق واسع في القطاعات الصناعية والطبية والعلمية والدفاعية، إما كمصدر ليزر مباشر أو كمصدر مضخة لليزر الألياف والليزر الحالة الصلبة.

2. التركيب الهيكلي لقضيب الليزر

يُحدد الهيكل الداخلي لشريط الليزر أداءه بشكل مباشر. ويتألف بشكل أساسي من المكونات الأساسية التالية:

①مجموعة الباعثات

تتكون قضبان الليزر عادةً من ١٠ إلى ١٠٠ باعث (تجاويف ليزر) مرتبة جنبًا إلى جنب. يبلغ طول كل باعث حوالي ٥٠ سم.-150μيبلغ عرضه مترًا، ويعمل كمنطقة كسب مستقلة، ويضم وصلة PN، وتجويفًا رنانًا، وبنية موجه موجي لتوليد وإصدار ضوء الليزر. وبينما تشترك جميع الباعثات في نفس الركيزة، فإنها عادةً ما تُدار كهربائيًا بالتوازي أو عبر مناطق.

②بنية طبقة أشباه الموصلات

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

- الطبقات الطلائية من النوع P والنوع N (تشكل الوصلة PN)

- الطبقة النشطة (على سبيل المثال، بنية البئر الكمي)، والتي تولد انبعاثًا محفزًا

- طبقة الموجات الموجهة، لضمان التحكم في الوضع في الاتجاهات الجانبية والرأسية

- عاكسات براج أو طلاءات HR/AR، التي تعمل على تعزيز الإخراج الاتجاهي لليزر

③هيكل إدارة الركيزة والحرارة

تُزرع الباعثات على ركيزة شبه موصلة متجانسة (عادةً ما تكون GaAs). لتحقيق تبديد حراري فعال، يُلحم شريط الليزر على حوامل فرعية عالية التوصيل مثل النحاس، أو سبيكة W-Cu، أو الماس المُرَكَّب بترسيب بخاري، ويُزوَّد بمشتتات حرارية وأنظمة تبريد نشطة.

④سطح الانبعاث ونظام التوازي

نظرًا لزوايا التباعد الكبيرة للأشعة المنبعثة، تُجهّز قضبان الليزر عادةً بمصفوفات عدسات دقيقة (FAC/SAC) لمحاذاة وتشكيل الأشعة. في بعض التطبيقات، تُستخدم بصريات إضافية—مثل العدسات الأسطوانية أو المنشورات—يتم استخدامها 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. ومن بين الجوانب الرئيسية:

①تصميم الإدارة الحرارية

تتميز قضبان الليزر بكثافة طاقة عالية وحرارة مركزة. وتُعدّ المقاومة الحرارية المنخفضة أساسية، ويتم تحقيقها من خلال لحام AuSn أو ربط الإنديوم، بالإضافة إلى تبريد القنوات الدقيقة لتبديد الحرارة بالتساوي.

②تشكيل الشعاع ومحاذاته

غالبًا ما تعاني الباعثات المتعددة من ضعف التماسك وعدم محاذاة واجهة الموجة. يُعدّ تصميم العدسات الدقيق ومحاذاتها أمرًا بالغ الأهمية لتحسين جودة شعاع المجال البعيد.

③التحكم في الإجهاد والموثوقية

قد يؤدي عدم تطابق معاملات التمدد الحراري للمواد إلى تشوهها أو تشققها. يجب تصميم العبوات لتوزيع الضغط الميكانيكي بالتساوي، وتحمل الدورة الحرارية 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 1.5μم ونطاقات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة

②التصغير: تمكين الاستخدام في الأجهزة المدمجة والوحدات المتكاملة للغاية

③التغليف الذكي: دمج أجهزة استشعار درجة الحرارة وأنظمة ردود الفعل على الحالة

④التكديس عالي الكثافة: مجموعات طبقية لتحقيق إنتاج بمستوى الكيلووات في مساحة صغيرة

5. الخاتمة

كما هو الحال"قلب”في أنظمة الليزر عالية الطاقة، يؤثر التصميم الهيكلي لقضبان الليزر بشكل مباشر على الأداء البصري والكهربائي والحراري للنظام ككل. إن دمج عشرات الباعثات في هيكل بعرض بضعة ملليمترات لا يُبرز فقط المواد المتقدمة وتقنيات التصنيع، بل يُمثل أيضًا المستوى العالي من التكامل في أنظمة الليزر اليوم.'صناعة الفوتونيات.

وبالنظر إلى المستقبل، ومع استمرار ارتفاع الطلب على مصادر الليزر الفعالة والموثوقة، فإن الابتكارات في بنية قضبان الليزر ستظل المحرك الرئيسي في تطوير صناعة الليزر إلى آفاق جديدة.

إذا كنت'إذا كنت تبحث عن دعم متخصص في تغليف قضبان الليزر، أو الإدارة الحرارية، أو اختيار المنتجات، فلا تتردد في التواصل معنا.'نحن هنا لتقديم حلول مصممة خصيصًا لتتناسب مع احتياجات تطبيقك المحددة.