نظرة عامة على تطوير ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة الجزء الأول

نظرة عامة على الطاقة العاليةليزر أشباه الموصلاتالتطوير الجزء الأول

مع استمرار تحسن الكفاءة والطاقة، فإن صمامات الليزر الثنائية (سائق الثنائيات الليزر) سوف تستمر في استبدال التقنيات التقليدية، وبالتالي تغيير الطريقة التي يتم بها صنع الأشياء وتمكين تطوير أشياء جديدة. إن فهم التحسينات المهمة في أجهزة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة محدود أيضًا. تم عرض تحويل الإلكترونات إلى أشعة ليزر عبر أشباه الموصلات لأول مرة في عام 1962، وتلا ذلك مجموعة واسعة من التطورات التكميلية التي أدت إلى تقدم هائل في تحويل الإلكترونات إلى أشعة ليزر عالية الإنتاجية. وقد دعمت هذه التطورات تطبيقات مهمة بدءًا من التخزين البصري وحتى الشبكات الضوئية وحتى مجموعة واسعة من المجالات الصناعية.

إن مراجعة هذه التطورات والتقدم التراكمي الذي أحرزته يسلط الضوء على إمكانية إحداث تأثير أكبر وأكثر انتشارًا في العديد من مجالات الاقتصاد. في الواقع، مع التحسين المستمر لأشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة، فإن مجال تطبيقها سوف يسرع التوسع، وسيكون له تأثير عميق على النمو الاقتصادي.

الشكل 1: مقارنة النصوع وقانون مور لأشعة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة

ليزر الحالة الصلبة الذي يتم ضخه بالديود وليزر الألياف

وقد أدى التقدم في ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة أيضًا إلى تطوير تكنولوجيا الليزر، حيث يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات عادةً لإثارة (ضخ) البلورات المخدرة (ليزر الحالة الصلبة الذي يتم ضخه بواسطة الصمام الثنائي) أو الألياف المنشطات (ليزر الألياف).

على الرغم من أن ليزر أشباه الموصلات يوفر طاقة ليزر فعالة وصغيرة ومنخفضة التكلفة، إلا أن لها أيضًا عيبين رئيسيين: فهي لا تخزن الطاقة وسطوعها محدود. في الأساس، تتطلب العديد من التطبيقات جهازي ليزر مفيدين؛ يستخدم أحدهما لتحويل الكهرباء إلى انبعاث ليزر، والآخر يستخدم لتعزيز سطوع ذلك الانبعاث.

ليزر الحالة الصلبة الذي يتم ضخه بالديود.
في أواخر الثمانينات، بدأ استخدام ليزر أشباه الموصلات لضخ أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة يكتسب اهتمامًا تجاريًا كبيرًا. تعمل ليزرات الحالة الصلبة التي يتم ضخها بالديود (DPSSL) على تقليل حجم وتعقيد أنظمة الإدارة الحرارية بشكل كبير (مبردات الدورة في المقام الأول) وكسب الوحدات، التي استخدمت تاريخيًا مصابيح القوس لضخ بلورات ليزر الحالة الصلبة.

يتم تحديد الطول الموجي لليزر أشباه الموصلات بناءً على تداخل خصائص الامتصاص الطيفي مع وسط الكسب لليزر ذو الحالة الصلبة، والذي يمكن أن يقلل بشكل كبير من الحمل الحراري مقارنة بطيف الانبعاث عريض النطاق لمصباح القوس. بالنظر إلى شعبية أشعة الليزر المطلية بالنيوديميوم التي ينبعث منها طول موجي 1064 نانومتر، أصبح ليزر أشباه الموصلات 808 نانومتر المنتج الأكثر إنتاجية في إنتاج ليزر أشباه الموصلات لأكثر من 20 عامًا.

أصبحت كفاءة ضخ الصمام الثنائي المحسنة للجيل الثاني ممكنة بفضل زيادة سطوع أشعة ليزر أشباه الموصلات متعددة الأوضاع والقدرة على تثبيت عروض خطوط الانبعاث الضيقة باستخدام شبكات Bragg السائبة (VBGS) في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. أثارت خصائص الامتصاص الطيفي الضعيفة والضيقة التي تبلغ حوالي 880 نانومتر اهتمامًا كبيرًا بثنائيات المضخة عالية السطوع والمستقرة طيفيًا. تتيح هذه الليزرات ذات الأداء العالي ضخ النيوديميوم مباشرة عند مستوى الليزر العلوي 4F3/2، مما يقلل العجز الكمي وبالتالي تحسين استخلاص الوضع الأساسي عند متوسط ​​طاقة أعلى، والذي قد يكون محدودًا بالعدسات الحرارية.

بحلول أوائل العقد الثاني من هذا القرن، كنا نشهد زيادة كبيرة في الطاقة في أجهزة الليزر أحادية الوضع العرضي 1064 نانومتر، بالإضافة إلى ليزر تحويل التردد الخاص بها الذي يعمل في الأطوال الموجية المرئية والأشعة فوق البنفسجية. نظرًا لعمر الطاقة العلوي الطويل لـ Nd: YAG وNd: YVO4، توفر عمليات DPSSL Q-switched هذه طاقة نبضية عالية وقدرة ذروة، مما يجعلها مثالية لمعالجة المواد الاستئصالية وتطبيقات الآلات الدقيقة عالية الدقة.