نظرة عامة على تطوير ليزر أشباه الموصلات عالي القدرة - الجزء الأول

نظرة عامة على الطاقة العاليةليزر أشباه الموصلاتالجزء الأول من التطوير

مع استمرار تحسن الكفاءة والطاقة، أصبحت ثنائيات الليزر (محرك ثنائيات الليزرستواصل التكنولوجيات الجديدة استبدال التقنيات التقليدية، مما يُغيّر طريقة تصنيع الأشياء ويُتيح تطوير تقنيات جديدة. كما أن فهم التحسينات الكبيرة في ليزرات أشباه الموصلات عالية القدرة محدود. فقد عُرض تحويل الإلكترونات إلى ليزرات عبر أشباه الموصلات لأول مرة عام ١٩٦٢، وتبع ذلك مجموعة واسعة من التطورات التكميلية التي قادت إلى تطورات هائلة في تحويل الإلكترونات إلى ليزرات عالية الإنتاجية. وقد دعمت هذه التطورات تطبيقات مهمة، من التخزين الضوئي إلى الشبكات الضوئية، إلى مجموعة واسعة من المجالات الصناعية.

يُسلّط استعراض هذه التطورات وتقدمها التراكمي الضوء على إمكانية تحقيق تأثير أكبر وأوسع نطاقًا في العديد من مجالات الاقتصاد. في الواقع، مع التحسين المستمر لأشعة الليزر شبه الموصلة عالية القدرة، سيُسرّع مجال تطبيقها من وتيرة التوسع، وسيكون له تأثير عميق على النمو الاقتصادي.

الشكل 1: مقارنة بين سطوع الليزر شبه الموصل عالي القدرة وقانون مور

ليزرات الحالة الصلبة المضخوخة بالديود وليزر الألياف

وقد أدى التقدم في مجال الليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة أيضًا إلى تطوير تكنولوجيا الليزر اللاحقة، حيث تُستخدم ليزرات أشباه الموصلات عادةً لإثارة (ضخ) البلورات المشوبة (ليزر الحالة الصلبة المضخوخ بالثنائيات) أو الألياف المشوبة (ليزر الألياف).

على الرغم من أن ليزرات أشباه الموصلات توفر طاقة ليزر فعالة وصغيرة ومنخفضة التكلفة، إلا أنها تعاني من عيبين رئيسيين: عدم تخزينها للطاقة، ودرجة سطوعها محدودة. في الواقع، تتطلب العديد من التطبيقات ليزرين مفيدين؛ أحدهما لتحويل الكهرباء إلى انبعاث ليزر، والآخر لتعزيز درجة سطوع هذا الانبعاث.

ليزر الحالة الصلبة المضخوخ بالديود.
في أواخر ثمانينيات القرن العشرين، بدأ استخدام ليزرات أشباه الموصلات لضخ ليزرات الحالة الصلبة يكتسب اهتمامًا تجاريًا كبيرًا. تُقلل ليزرات الحالة الصلبة المضخوخة بالثنائيات (DPSSL) بشكل كبير من حجم وتعقيد أنظمة الإدارة الحرارية (وخاصةً مبردات الدورة) ووحدات الكسب، التي استخدمت تاريخيًا مصابيح القوس لضخ بلورات ليزر الحالة الصلبة.

يُختار طول موجة ليزر أشباه الموصلات بناءً على تداخل خصائص الامتصاص الطيفي مع وسط الكسب في ليزر الحالة الصلبة، مما يُقلل الحمل الحراري بشكل كبير مقارنةً بطيف الانبعاث واسع النطاق لمصباح القوس. ونظرًا لشيوع استخدام ليزرات النيوديميوم المُشبّعة بطول موجة 1064 نانومتر، أصبح ليزر أشباه الموصلات بطول موجة 808 نانومتر المنتج الأكثر إنتاجية في إنتاج ليزر أشباه الموصلات لأكثر من 20 عامًا.

أصبح تحسين كفاءة ضخ الثنائيات من الجيل الثاني ممكنًا بفضل زيادة سطوع ليزرات أشباه الموصلات متعددة الأوضاع، والقدرة على تثبيت خطوط الانبعاث الضيقة باستخدام شبكات براغ السائبة (VBGS) في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. وقد أثارت خصائص الامتصاص الطيفي الضعيفة والضيقة، التي تبلغ حوالي 880 نانومتر، اهتمامًا كبيرًا بثنائيات الضخ عالية السطوع والمستقرة طيفيًا. تتيح هذه الليزرات عالية الأداء ضخ النيوديميوم مباشرةً عند مستوى الليزر العلوي 4F3/2، مما يقلل من العيوب الكمية، وبالتالي يُحسّن استخلاص الوضع الأساسي عند متوسط ​​طاقة أعلى، والذي كان سيُحدّ لولا ذلك بواسطة العدسات الحرارية.

بحلول أوائل العقد الثاني من هذا القرن، شهدنا زيادة ملحوظة في طاقة ليزرات 1064 نانومتر أحادية الوضع المستعرض، بالإضافة إلى ليزرات تحويل التردد العاملة في أطوال الموجات المرئية وفوق البنفسجية. ونظرًا لطول عمر الطاقة العلوي لـ Nd:YAG وNd:YVO4، توفر عمليات DPSSL Q-switched طاقة نبضية عالية وطاقة قصوى، مما يجعلها مثالية لمعالجة المواد الاستئصالية وتطبيقات التصنيع الدقيق عالية الدقة.