رونمایی از ساختار میله‌های لیزری: «موتور ریزآرایه» پشت لیزرهای پرقدرت

در زمینه لیزرهای پرقدرت، میله‌های لیزر اجزای اصلی ضروری هستند. آنها نه تنها به عنوان واحدهای اساسی خروجی انرژی عمل می‌کنند، بلکه دقت و یکپارچگی مهندسی اپتوالکترونیک مدرن را نیز در بر می‌گیرند.—به همین دلیل به آنها لقب «موتور» سیستم‌های لیزری داده شده است. اما ساختار دقیق یک میله لیزری چیست و چگونه ده‌ها یا حتی صدها وات خروجی را از تنها چند میلی‌متر اندازه ارائه می‌دهد؟ این مقاله به بررسی معماری داخلی و اسرار مهندسی پشت میله‌های لیزری می‌پردازد.

۱. میله لیزری چیست؟

لیزر بار یک دستگاه ساطع‌کننده پرتوان است که از چندین تراشه دیود لیزری که به صورت جانبی روی یک زیرلایه قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است. اگرچه اصول کار آن مشابه یک لیزر نیمه‌هادی منفرد است، اما لیزر بار از یک طرح چند ساطع‌کننده برای دستیابی به توان نوری بالاتر و فاکتور شکل فشرده‌تر استفاده می‌کند.

میله‌های لیزری به طور گسترده در بخش‌های صنعتی، پزشکی، علمی و دفاعی، چه به عنوان منابع مستقیم لیزر و چه به عنوان منابع پمپ برای لیزرهای فیبری و لیزرهای حالت جامد، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

۲. ترکیب ساختاری یک میله لیزر

ساختار داخلی یک میله لیزر مستقیماً عملکرد آن را تعیین می‌کند. این میله در درجه اول از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:

۱. (۱)آرایه ساطع کننده ها

میله‌های لیزر معمولاً از 10 تا 100 ساطع‌کننده (حفره‌های لیزری) تشکیل شده‌اند که در کنار هم قرار گرفته‌اند. هر ساطع‌کننده حدود 50–۱۵۰μمتر عرض دارد و به عنوان یک ناحیه بهره مستقل عمل می‌کند که دارای یک پیوند PN، حفره رزونانس و ساختار موجبر برای تولید و انتشار نور لیزر است. در حالی که همه ساطع‌کننده‌ها از یک زیرلایه مشترک استفاده می‌کنند، معمولاً به صورت موازی یا توسط مناطق به صورت الکتریکی هدایت می‌شوند.

②ساختار لایه نیمه هادی

در قلب میله لیزر، مجموعه‌ای از لایه‌های نیمه‌هادی وجود دارد که شامل موارد زیر است:

- لایه‌های اپیتاکسیال نوع P و نوع N (تشکیل دهنده اتصال PN)

- لایه فعال (مثلاً ساختار چاه کوانتومی)، که گسیل القایی تولید می‌کند

- لایه موجبر، تضمین کنترل مد در جهت‌های جانبی و عمودی

- بازتابنده‌های براگ یا پوشش‌های HR/AR که خروجی جهت‌دار لیزر را افزایش می‌دهند

۳. (۳)ساختار زیرلایه و مدیریت حرارتی

گسیلنده‌ها روی یک زیرلایه نیمه‌هادی یکپارچه (معمولاً GaAs) رشد داده می‌شوند. برای اتلاف حرارت کارآمد، میله لیزر روی زیرپایه‌های با رسانایی بالا مانند مس، آلیاژ W-Cu یا الماس CVD لحیم شده و با هیت سینک‌ها و سیستم‌های خنک‌کننده فعال جفت می‌شود.

④سطح انتشار و سیستم کولیماسیون

با توجه به زوایای واگرایی زیاد پرتوهای ساطع شده، میله‌های لیزری معمولاً برای موازی‌سازی و شکل‌دهی پرتو به آرایه‌های میکرولنز (FAC/SAC) مجهز می‌شوند. برای کاربردهای خاص، اپتیک اضافی—مانند عدسی‌های استوانه‌ای یا منشورها—برای کنترل واگرایی میدان دور و کیفیت پرتو استفاده می‌شوند.

۳. عوامل ساختاری کلیدی مؤثر بر عملکرد

ساختار یک میله لیزر نقش حیاتی در تعیین پایداری، کارایی و طول عمر آن دارد. چندین جنبه کلیدی عبارتند از:

۱. (۱)طراحی مدیریت حرارتی

میله‌های لیزری دارای چگالی توان بالا و گرمای متمرکز هستند. مقاومت حرارتی پایین ضروری است که از طریق لحیم‌کاری AuSn یا پیوند ایندیم، همراه با خنک‌سازی میکروکانال برای اتلاف یکنواخت گرما، حاصل می‌شود.

②شکل‌دهی و ترازبندی پرتو

فرستنده‌های چندگانه اغلب از انسجام ضعیف و ناهماهنگی جبهه موج رنج می‌برند. طراحی و تنظیم دقیق لنز برای بهبود کیفیت پرتو میدان دور بسیار مهم است.

۳. (۳)کنترل استرس و قابلیت اطمینان

عدم تطابق مواد در ضرایب انبساط حرارتی ممکن است منجر به تاب برداشتن یا ایجاد ریزترک‌ها شود. بسته‌بندی باید به گونه‌ای طراحی شود که تنش مکانیکی را به طور یکنواخت توزیع کند و چرخه‌های حرارتی را بدون تخریب تحمل کند.

۴. روندهای آینده در طراحی میله لیزری

با افزایش تقاضا برای توان بالاتر، اندازه کوچکتر و قابلیت اطمینان بیشتر، ساختارهای میله لیزری همچنان در حال تکامل هستند. مسیرهای کلیدی توسعه عبارتند از:

۱. (۱)گسترش طول موج: گسترش به ۱.۵μباندهای m و مادون قرمز میانی

②کوچک‌سازی: امکان استفاده در دستگاه‌های فشرده و ماژول‌های بسیار یکپارچه

۳. (۳)بسته‌بندی هوشمند: شامل حسگرهای دما و سیستم‌های بازخورد وضعیت

④انباشتگی با چگالی بالا: آرایه‌های لایه‌ای برای دستیابی به خروجی در سطح کیلووات در یک فضای فشرده

۵. نتیجه‌گیری

همانطور که«قلب« ».در سیستم‌های لیزر پرقدرت، طراحی ساختاری میله‌های لیزر مستقیماً بر عملکرد نوری، الکتریکی و حرارتی کل سیستم تأثیر می‌گذارد. ادغام ده‌ها ساطع‌کننده در ساختاری با عرض فقط چند میلی‌متر، نه تنها نشان‌دهنده‌ی مواد پیشرفته و تکنیک‌های ساخت است، بلکه نشان‌دهنده‌ی سطح بالای ادغام در دنیای امروز نیز می‌باشد.'صنعت فوتونیک.

با نگاهی به آینده، همچنان که تقاضا برای منابع لیزری کارآمد و قابل اعتماد رو به افزایش است، نوآوری در ساختار میله لیزری همچنان یک عامل کلیدی در پیشبرد صنعت لیزر به ارتفاعات جدید خواهد بود.

اگر شما'اگر به دنبال پشتیبانی تخصصی در بسته‌بندی میله لیزری، مدیریت حرارتی یا انتخاب محصول هستید، با ما تماس بگیرید. ما'اینجا هستیم تا راهکارهای سفارشی متناسب با نیازهای خاص برنامه شما ارائه دهیم.