درک چرخه وظیفه در لیزرهای نیمه‌هادی: معنای بزرگ پشت یک پارامتر کوچک

در فناوری مدرن اپتوالکترونیک، لیزرهای نیمه‌هادی با ساختار فشرده، راندمان بالا و پاسخ سریع خود متمایز هستند. آن‌ها نقش اساسی در زمینه‌هایی مانند ارتباطات، مراقبت‌های بهداشتی، پردازش صنعتی و حسگری/محدوده‌یابی ایفا می‌کنند. با این حال، هنگام بحث در مورد عملکرد لیزرهای نیمه‌هادی، یک پارامتر به ظاهر ساده اما بسیار مهم - چرخه وظیفه - اغلب نادیده گرفته می‌شود. این مقاله به مفهوم، محاسبه، پیامدها و اهمیت عملی چرخه وظیفه در سیستم‌های لیزر نیمه‌هادی می‌پردازد.

۱. چرخه کاری چیست؟

چرخه وظیفه یک نسبت بدون بعد است که برای توصیف نسبت زمانی که یک لیزر در حالت "روشن" در یک دوره از یک سیگنال تکرار شونده قرار دارد، استفاده می‌شود. این نسبت معمولاً به صورت درصد بیان می‌شود. فرمول آن به صورت زیر است: چرخه وظیفه = (پهنای پالس)/دوره پالس)×100%. برای مثال، اگر یک لیزر هر 10 میکروثانیه یک پالس 1 میکروثانیه‌ای منتشر کند، چرخه کار برابر است با: (1 میکروثانیه/10 میکروثانیه)×100%=10%.

۲. چرا چرخه کاری مهم است؟

اگرچه این فقط یک نسبت است، اما چرخه کار مستقیماً بر مدیریت حرارتی لیزر، طول عمر، توان خروجی و طراحی کلی سیستم تأثیر می‌گذارد. بیایید اهمیت آن را بررسی کنیم:

① مدیریت حرارتی و طول عمر دستگاه

در عملیات پالسی با فرکانس بالا، چرخه کاری پایین‌تر به معنای زمان خاموشی طولانی‌تر بین پالس‌ها است که به خنک شدن لیزر کمک می‌کند. این امر به ویژه در کاربردهای توان بالا مفید است، جایی که کنترل چرخه کاری می‌تواند تنش حرارتی را کاهش داده و عمر دستگاه را افزایش دهد.

② کنترل توان خروجی و شدت نوری

چرخه کاری بالاتر منجر به خروجی نوری متوسط ​​​​بیشتر می‌شود، در حالی که چرخه کاری پایین‌تر، توان متوسط ​​​​را کاهش می‌دهد. تنظیم چرخه کاری امکان تنظیم دقیق انرژی خروجی را بدون تغییر جریان اوج درایو فراهم می‌کند.

③ پاسخ سیستم و مدولاسیون سیگنال

در سیستم‌های مخابرات نوری و لیدار، چرخه وظیفه مستقیماً بر زمان پاسخ و طرح‌های مدولاسیون تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، در فاصله‌یابی لیزر پالسی، تنظیم چرخه وظیفه مناسب، تشخیص سیگنال پژواک را بهبود می‌بخشد و هم دقت اندازه‌گیری و هم فرکانس را افزایش می‌دهد.

۳. مثال‌های کاربردی از چرخه وظیفه

① لیدار (تشخیص و فاصله‌یابی لیزری)

در ماژول‌های فاصله‌یابی لیزری ۱۵۳۵ نانومتر، معمولاً از پیکربندی پالس با پیک بالا و سیکل کاری پایین برای اطمینان از تشخیص برد بلند و ایمنی چشم استفاده می‌شود. سیکل‌های کاری اغلب بین ۰.۱٪ تا ۱٪ کنترل می‌شوند و توان پیک بالا را با عملکرد ایمن و خنک متعادل می‌کنند.

② لیزرهای پزشکی

در کاربردهایی مانند درمان‌های پوستی یا جراحی لیزر، چرخه‌های کاری مختلف منجر به اثرات حرارتی و نتایج درمانی متفاوتی می‌شوند. چرخه کاری بالا باعث گرمایش پایدار می‌شود، در حالی که چرخه کاری پایین از سایش پالسی آنی پشتیبانی می‌کند.

③ پردازش مواد صنعتی

در حکاکی و جوشکاری لیزری، چرخه کاری بر نحوه انتقال انرژی به مواد تأثیر می‌گذارد. تنظیم چرخه کاری کلید کنترل عمق حکاکی و نفوذ جوشکاری است.

۴. چگونه چرخه کاری مناسب را انتخاب کنیم؟

چرخه کاری بهینه به کاربرد خاص و ویژگی‌های لیزر بستگی دارد:

۱. (۱)چرخه کاری پایین (<10%)

ایده‌آل برای کاربردهای پالس کوتاه با پیک بالا مانند مسافت‌یابی یا علامت‌گذاری دقیق.

②چرخه کاری متوسط ​​(۱۰٪ - ۵۰٪)

مناسب برای سیستم‌های لیزر پالسی با تکرار بالا.

۳. (۳)چرخه کاری بالا (>50%)

نزدیک شدن به عملکرد موج پیوسته (CW)، که در کاربردهایی مانند پمپاژ نوری و ارتباطات استفاده می‌شود.

عوامل دیگری که باید در نظر گرفته شوند شامل قابلیت اتلاف حرارتی، عملکرد مدار درایور و پایداری حرارتی لیزر است.

۵. نتیجه‌گیری

اگرچه چرخه کاری کوچک است، اما یک پارامتر کلیدی طراحی در سیستم‌های لیزر نیمه‌هادی است. این پارامتر نه تنها بر عملکرد خروجی، بلکه بر پایداری و قابلیت اطمینان بلندمدت سیستم نیز تأثیر می‌گذارد. در توسعه و کاربرد لیزر در آینده، کنترل دقیق و استفاده انعطاف‌پذیر از چرخه کاری برای افزایش کارایی سیستم و امکان‌پذیر کردن نوآوری بسیار مهم خواهد بود.

اگر در مورد طراحی پارامترهای لیزر یا کاربردهای آن سؤال بیشتری دارید، می‌توانید با ما تماس بگیرید یا نظر خود را بنویسید. ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم!