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

نظرة عامة على الطاقة العاليةليزر أشباه الموصلاتالجزء الأول من التطوير

مع استمرار تحسن الكفاءة والطاقة، أصبحت ثنائيات الليزر (مشغل ثنائيات الليزرستستمر هذه التقنية في استبدال التقنيات التقليدية، مما سيغير طريقة التصنيع ويُمكّن من تطوير تقنيات جديدة. ولا يزال فهم التحسينات الكبيرة في ليزرات أشباه الموصلات عالية الطاقة محدودًا. وقد تم إثبات تحويل الإلكترونات إلى ليزرات عبر أشباه الموصلات لأول مرة عام ١٩٦٢، وتلتها مجموعة واسعة من التطورات التكميلية التي دفعت إلى تحقيق تقدم هائل في تحويل الإلكترونات إلى ليزرات عالية الإنتاجية. وقد دعمت هذه التطورات تطبيقات مهمة، بدءًا من التخزين الضوئي ووصولًا إلى الشبكات الضوئية، مرورًا بمجموعة واسعة من المجالات الصناعية.

يُبرز استعراض هذه التطورات وتقدمها التراكمي إمكانية إحداث تأثير أكبر وأوسع نطاقًا في العديد من قطاعات الاقتصاد. في الواقع، مع التحسين المستمر لأشعة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة، سيتسارع توسع مجال تطبيقاتها، وسيكون له أثر بالغ على النمو الاقتصادي.

الشكل 1: مقارنة بين شدة الإضاءة وقانون مور لأشعة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة

ليزرات الحالة الصلبة المضخّمة بالديود وليزر الألياف

وقد أدت التطورات في ليزرات أشباه الموصلات عالية الطاقة أيضًا إلى تطوير تكنولوجيا الليزر في المراحل اللاحقة، حيث تُستخدم ليزرات أشباه الموصلات عادةً لإثارة (ضخ) البلورات المشوبة (ليزر الحالة الصلبة المضخ بالديود) أو الألياف المشوبة (ليزر الألياف).

على الرغم من أن ليزرات أشباه الموصلات توفر طاقة ليزرية فعالة وصغيرة الحجم ومنخفضة التكلفة، إلا أنها تعاني من قيدين رئيسيين: فهي لا تخزن الطاقة، وسطوعها محدود. لذا، تتطلب العديد من التطبيقات ليزرين فعالين؛ أحدهما لتحويل الكهرباء إلى شعاع ليزر، والآخر لزيادة سطوع هذا الشعاع.

ليزرات الحالة الصلبة المضخّة بالديود.
في أواخر ثمانينيات القرن الماضي، بدأ استخدام ليزرات أشباه الموصلات لضخ ليزرات الحالة الصلبة يكتسب اهتمامًا تجاريًا كبيرًا. وقد ساهمت ليزرات الحالة الصلبة المضخّة بالديود (DPSSL) بشكل كبير في تقليل حجم وتعقيد أنظمة إدارة الحرارة (وخاصة المبردات الدورية) ووحدات التضخيم، التي كانت تستخدم تاريخيًا مصابيح القوس الكهربائي لضخ بلورات ليزر الحالة الصلبة.

يُختار طول موجة ليزر أشباه الموصلات بناءً على تداخل خصائص الامتصاص الطيفي مع وسط التضخيم في ليزر الحالة الصلبة، مما يُقلل بشكل ملحوظ من الحمل الحراري مقارنةً بطيف الانبعاث واسع النطاق لمصباح القوس الكهربائي. ونظرًا لشعبية ليزرات النيوديميوم المُطعّمة التي تُصدر طول موجة 1064 نانومتر، فقد أصبح ليزر أشباه الموصلات بطول موجة 808 نانومتر المنتج الأكثر إنتاجية في صناعة ليزرات أشباه الموصلات لأكثر من 20 عامًا.

أصبح تحسين كفاءة ضخ الثنائيات في الجيل الثاني ممكنًا بفضل زيادة سطوع ليزرات أشباه الموصلات متعددة الأنماط، والقدرة على تثبيت عرض خطوط الانبعاث الضيقة باستخدام محززات براغ الحجمية (VBGS) في منتصف العقد الأول من الألفية الثانية. وقد أثارت خصائص الامتصاص الطيفي الضعيفة والضيقة حول 880 نانومتر اهتمامًا كبيرًا بثنائيات الضخ عالية السطوع والمستقرة طيفيًا. تُمكّن هذه الليزرات عالية الأداء من ضخ النيوديميوم مباشرةً عند مستوى الليزر العلوي 4F3/2، مما يقلل من العجز الكمي، وبالتالي يُحسّن استخلاص النمط الأساسي عند قدرة متوسطة أعلى، والتي كانت ستُحدّ لولا ذلك بسبب العدسات الحرارية.

مع بداية العقد الثاني من هذا القرن، شهدنا زيادة ملحوظة في قدرة ليزرات النمط المستعرض الأحادي بطول موجة 1064 نانومتر، بالإضافة إلى ليزرات تحويل التردد الخاصة بها العاملة في نطاقي الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية. ونظرًا لطول عمر الطاقة العليا لليزر Nd:YAG وNd:YVO4، فإن عمليات التبديل Q لهذه الليزرات ذات النبضات المفردة المستقطبة (DPSSL) توفر طاقة نبضية عالية وقدرة ذروة عالية، مما يجعلها مثالية لمعالجة المواد بالاستئصال وتطبيقات التصنيع الدقيق للغاية.