לייזר דיודה עם פסים בודדים

לייזר דיודה עם סרגל יחיד כולל סרגל לייזר דיודה MCC וסרגל לייזר דיודה CS. MCC Diode Laser Bar‌ מתייחס לסרגל לייזר מוליכים למחצה המשתמש במקרר מיקרו-ערוצי (MCC). MCC Laser Bar משמש בעיקר למבנה האריזה של לייזרים מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה. תכונת הליבה שלו היא ביצועי פיזור חום יעילים והיכולת לעבוד תחת גל רציף וגל מעין רציף במחזורי עבודה גבוהים.‌ סרגל לייזר דיודה ארוז ב-CS מתייחס לצורת אריזת לייזר מוליכים למחצה, כאשר "CS" מייצג קירור הולכה. צורת אריזה זו משמשת בעיקר עבור לייזרים מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה, במיוחד במחזור עבודה גבוה ובמצב פעולה מתמשך, הדורש פתרון פיזור חום יעיל.

בר MCC

בר CS

הסרת שיער בכף יד

MCC דיודה לייזר בר

סרגל לייזר דיודה CS, FAC אופציונלי

מנגנון קירור
‌קירור מים‌: קירור מים בלייזר נועד לפזר חום דרך מחזור המים. המים מוזרים בתוך הלייזר ומחוצה לו להעברת חום למים, ולאחר מכן ממוחזרים לאחר פיזור ברדיאטור. לקירור מים יש מוליכות תרמית ויכולות העברת חום גבוהות, והוא יכול להעביר חום החוצה מהר יותר, ובכך להבטיח פעולה יעילה ויציבה של הלייזר ולהפחית את שיעור הכשל‌.

‌קירור הולכה‌: קירור הולכה מתייחס בדרך כלל לשימוש בתכונות המוליכות התרמית של חומרים כגון מתכות לפיזור חום. שיטת קירור זו תלויה ביעילות המוליכות התרמית של החומר והיא משמשת בדרך כלל עבור מכשירים קטנים או פיזור חום מקומי‌.

תרחישים ישימים
‌קירור מים‌: מתאים לתרחישים הדורשים פעולה רציפה לטווח ארוך ומבטיחים יציבות. קירור מים יכול לספק אפקט פיזור חום טוב יותר ולהפחית את שיעור הכישלון. הוא מתאים ללייזרים בעלי הספק גבוה או ליישומים הדורשים יציבות גבוהה‌.
‌קירור הולכה‌: מתאים למכשירים קטנים או לצורכי פיזור חום מקומיים. מכיוון שקירור הולכה תלוי ביעילות המוליכות התרמית של החומר, השפעת פיזור החום שלו מוגבלת יחסית, והיא מתאימה למכשירים עם דרישות הספק נמוך או פיזור חום נמוך‌.

עלות תחזוקה וקושי
קירור מים: מצריך החלפה שוטפת של מסנני אבנית והוספת נוזל קירור, בעל עלויות תחזוקה גבוהות.
קירור הולכה: תחזוקה פשוטה יחסית, המצריכה רק ניקוי קבוע של רכיבי פיזור חום, ועלויות תחזוקה נמוכות.

מצב עבודה CW
מצב העבודה CW אומר שהלייזר פועל באופן רציף, והאנרגיה של קרן הפלט נשארת קבועה וללא הפרעות. מצב עבודה זה מתאים ליישומים הדורשים אנרגיית לייזר יציבה, כגון תקשורת סיבים אופטיים ועיבוד חומרים. הספק המוצא של לייזרים CW נמוך יחסית, אך הוא יכול להישאר יציב, מה שמתאים לתרחישים הדורשים פלט רציף של אנרגיית לייזר. ‌

מצב עבודה QCW
מצב העבודה QCW אומר שהלייזר פועל בצורה של פולסים, משך (רוחב) כל פולס מוגבל, ויש מרווח מסוים בין פולסים. לייזרים QCW בדרך כלל פולטים פולסים שוב ושוב בתדר גבוה, וניתן לשנות את רוחב הפולס לפי הצורך כדי לשלוט בעוצמת המוצא ובאנרגיית הפולס של הלייזר. מצב הפעלה זה מתאים לתרחישי יישום עם דרישות גבוהות לרזולוציית זמן, כגון מערכות מכ"ם וציוד רפואי. הפולסים הקצרים עתירי האנרגיה של לייזרים QCW יכולים לספק השפעות מדידה וטיפול מדויקות. ‌

תרחישי יישום ספציפיים
‌מצב עבודה CW‌: מתאים ליישומים הדורשים אנרגיית לייזר יציבה, כגון תקשורת סיבים אופטיים ועיבוד חומרים. ביישומים אלה, לייזרים CW יכולים לספק כוח פלט יציב כדי לענות על הצרכים הרציפים של שידור אותות או עיבוד חומרים.
‌מצב עבודה QCW‌: מתאים ליישומים עם דרישות גבוהות לרזולוציית זמן, כגון מערכות מכ"ם וציוד רפואי. הפולסים הקצרים עתירי האנרגיה של לייזרים QCW יכולים לספק השפעות מדידה וטיפול מדויקות.

שיטות קירור שונות: סרגל לייזר ארוז ב-CS מאמץ קירור פסיבי ולרוב אינו דורש מערכות קירור נוספות כגון מים מופחתים וקירור זרימת משאבה בלחץ גבוה. בר לייזר מיקרו-ערוצי מאמץ קירור נוזלי, במיוחד מצנן מיקרו-ערוצי (MCC), שכניסת נוזל הקירור שלו ממוקמת ליד סרגל הלייזר, עם יעילות פיזור חום גבוהה.
הבדל מבני: המבנה של סרגל דיודה ארוז ב-CS פשוט יחסית וייתכן שלא כרוך בתכנון מורכב של ערוצי קירור. בר דיודה מיקרו-ערוצי מכיל מצנן מיקרו-ערוצי, שהוא חלק חשוב מהמבנה שלו לפיזור חום יעיל.

• דרישות תחזוקה:חבילת CS: עיצוב ללא תחזוקה, ללא דיודת לייזר מיקרו-ערוצית, ללא מים מפושטים וקירור זרימת משאבה בלחץ גבוה.
• בר דיודה לייזר מיקרו-ערוצי:נדרשת תחזוקה שוטפת של מערכת הקירור.
• תרחישי יישום שונים:בשל שיטת הקירור נטולת התחזוקה והפשוטה שלו, בר דיודה ארוז CS מתאים מאוד ליישומי לייזר בדרגה תעשייתית.

בר דיודה מיקרו-ערוצי מתאים יותר לשימוש במחזור עבודה גבוה ובמצב עבודה רציף בשל יעילות פיזור החום הגבוהה שלו.

הפונקציות העיקריות של סרגל הלייזר CS עם עדשת FAC כוללות מיקוד האור, שיפור הכיוון של הקרן והקטנת זווית ההתרחקות של הקרן. ‌

האור הנפלט מפס לייזר הוא כבר אור לייזר עצמו, אך מכיוון שהוא בדרך כלל אליפטי או בצורת תרדמת כאשר הוא יוצא מהתהודה, הוא דורש עדשה כדי למקד אותו. תפקידה של העדשה הוא למקד את הקרניים הללו לנקודת אור, ובכך לשפר את הכיווניות של האלומה ולהקטין את זווית ההתרחקות של הקרן‌.

פוקוס אור
העדשה יכולה למקד ביעילות את האור הנפלט מדיודת הלייזר ליצירת כתם אור. אפקט מיקוד זה יכול להגדיל באופן משמעותי את מרחק ההקרנה ובהירות האור, מה שהופך את היישום של דיודות לייזר ליעילה ומעשית יותר.

שפר את הכיווניות של הקורה
על ידי מיקוד דרך העדשה, הקרן הנפלטת על ידי דיודת הלייזר יכולה להיות מרוכזת יותר וכיוונית יותר. המשמעות היא שהקרן יכולה להתפשט בכיוון מסוים בצורה מדויקת יותר, להפחית את הפיזור והדיפוזיה של האלומה ולשפר את יעילות השידור של האלומה‌.

הקטנת זווית סטיית האלומה
השימוש בעדשות יכול להפחית באופן משמעותי את זווית ההתרחקות של הקרן הנפלטת מדיודת הלייזר. זווית הדיברגנציה המופחתת פירושה שהקרן יכולה לשמור על פיזור קטן יותר במהלך ההתפשטות, ובכך לשפר את הקולימציה והיציבות של הקרן‌.

בעת שימוש בפסי לייזר MCC מקוררים במים, שימו לב לנקודות הבאות‌:
‌הקפידו על התקנה וחיבור נכונים של מערכת קירור המים‌: כולל מצנני מים, צנרת מים ונוזלי קירור, בדקו שהחיבור יציב והימנעו מנזילת מים או חלחול.
‌בחר נוזל קירור מתאים‌: מומלץ להשתמש בנוזל בעל תכונות פיזור חום טובות ואנטי קורוזיה, כגון מים מזוקקים או תערובת נוזל קירור, ולהימנע משימוש בנוזלים הפוגעים בציוד.
‌שלוט על הטמפרטורה של מערכת קירור המים‌: בהתאם לדרישות הלייזר וסביבת העבודה, התאם את הטמפרטורה כדי להבטיח שהציוד יפעל בטמפרטורה מתאימה. טמפרטורה גבוהה מדי או נמוכה מדי זה לא טוב.
‌נקה את מערכת קירור המים באופן קבוע‌: הימנע מצינורות מים, מצננים וכו' מלהיסתמם על ידי לכלוך, המשפיע על יעילות פיזור החום. השתמש במברשת רכה או באוויר דחוס לניקוי‌.
‌מנע הקפאה‌: בסביבת טמפרטורה נמוכה, ודא שהלייזר ומקרר המים נמצאים תמיד בסביבה שמעל 0 מעלות צלזיוס, או השאר את הלייזר ומקרר המים במצב הפעלה כדי למנוע מהמים בצינור קְפִיאָה.
‌השתמש בחומר מונע קפיאה‌: כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת ל-0 מעלות, השתמש בחומר מונע קפיאה עבור כל מי הקירור; כאשר הוא אינו בשימוש במשך זמן רב או שהחשמל כבוי, רוקן את המים במקרר המים ואחסן את הציוד בסביבה מעל 5 מעלות ‌.
באמצעות האמצעים לעיל, ניתן להבטיח שבר הלייזר MCC מקורר מים שומר על ביצועים מיטביים ומאריך את חיי השירות שלו במהלך השימוש.

רכיבי דיודות לייזר ארוזים ב-CS כוללים בעיקר את החלקים הבאים:

שבב לייזר: זהו חלק הליבה של דיודת הלייזר, האחראי על פליטת אור לייזר. שבב הלייזר מורכב בדרך כלל מצומת pn המורכבת ממוליך למחצה מסוג p וממוליך למחצה מסוג n, המכיל שכבה פעילה הפולטת אור וציפוי המחזיר אור.

שכבת מתכת: שכבת המתכת משמשת לחיבור שבב הלייזר ורכיבים אחרים. בדרך כלל היא מחולקת לרשת בידודית, והקתודה והאנודה מתוכננות על שכבה זו.

מצע הרכבה: מצע ההרכבה משמש לקיבוע ולתמוך בשבב הלייזר ולספק פיזור חום. במקרים מסוימים, מצע ההרכבה משמש גם לבידוד גוף הקירור.

נתיב פיזור חום: על מנת להבטיח שדיודת הלייזר לא תתחמם יתר על המידה במהלך הפעולה, יש בדרך כלל תכנון של נתיב פיזור חום. נתיב פיזור החום יכול להיות אנכי או אופקי, בהתאם לעיצוב האריזה

‌אפקט החיוך של קרן הלייזר‌ מתייחס לעובדה שבמערך לייזר מוליכים למחצה (LDA), עקב הלחץ התרמי המוכנס במהלך תהליך האריזה, שבב הלייזר מייצר כיפוף פולט אור בכיוון הציר המהיר, הגורם לכתמי האור של כל אחד מהם. יחידה פולטת אור שלא תהיה בקו ישר. תופעה זו ידועה בשם אפקט ה"חיוך".

לִגרוֹם
הגורם העיקרי לאפקט ה"חיוך" הוא חוסר התאמה במקדם ההתפשטות התרמית בין שבב הלייזר לחומרי אריזה כגון גוף קירור מצע במהלך תהליך האריזה, וכתוצאה מכך מתח תרמי. מתח תרמי זה מחמיר עוד יותר כאשר הלייזר פועל, גורם לשבב הלייזר להתכופף, ובכך משפיע על הליניאריות של הקרן‌.

לְהַשְׁפִּיעַ
לאפקט ה"חיוך" יש השפעה ניכרת על איכות האלומה, המתבטאת בעיקר בהידרדרות הליניאריות של האלומה ובפיזור אחיד של כתמי האור. זה יגדיל את הקושי של איסוף קרן, עיצוב וצימוד סיבים, ובכך ישפיע על הביצועים הכוללים של הלייזר.

השלכות מעשיות ופתרונות
ביישומים מעשיים, אפקט ה"חיוך" ישפיע על איכות האלומה של לייזרים מוליכים למחצה בעלי הספק גבוה, במיוחד ביישומים הדורשים יישור דיוק גבוה. על מנת להפחית את השפעת אפקט ה"חיוך", ניתן לשפר אותו על ידי ייעול תהליך האריזה, שימוש בחומרים בעלי מקדם התפשטות תרמית תואם יותר, והתחשבות בהשפעת שינויי הטמפרטורה על איכות האלומה בתכנון.

היישום של דיודות לייזר CS (LD) בטכנולוגיית ההדפסה מסתמך בעיקר על היעילות הגבוהה, צפיפות ההספק הגבוהה והשליטה המדויקת שלהן. דיודות לייזר מייצרות לייזרים באמצעות העיקרון של פליטה מעוררת, המשמשים לביטול או ריפוי מדויק של חומרים במהלך תהליך ההדפסה.

עקרון העבודה של דיודות לייזר
המבנה הבסיסי של דיודת לייזר הוא צומת PN, המורכב ממוליכים למחצה מסוג P וממוליכים למחצה מסוג N המסוימים בזיהומים שונים. כאשר מופעלת הטיה קדימה על צומת PN, אלקטרונים נעים מאזור N לאזור P, וחורים נעים מאזור P לאזור N. אלקטרונים וחורים אלה מתחברים מחדש ליד צומת PN כדי ליצור פוטונים. על מנת לייצר לייזרים, נדרשים גם פליטה מעוררת ומהודים אופטיים. פליטה מעוררת פירושה שכאשר אלקטרון קופץ מרמת אנרגיה גבוהה יותר לרמת אנרגיה נמוכה יותר, פוטון משתחרר. אם פוטון זה יוצר אינטראקציה עם אלקטרון אחר ברמת אנרגיה גבוהה, זה יגרום לאלקטרון לשחרר גם פוטון באותו תדר ופאזה, ובכך להשיג הגברה של אור. המהוד האופטי משתמש ברפלקטור כדי לשקף פוטונים בחלל, מגדיל עוד יותר את מספר הפוטונים ובסופו של דבר יוצר לייזר. ‌

יישום דיודות לייזר בטכנולוגיית הדפסה
בטכנולוגיית ההדפסה, דיודות לייזר משמשות בעיקר בהדפסת לייזר. מרכיב הליבה של מדפסת לייזר הוא סורק לייזר, הסורק את פני השטח של תוף רגיש לאור באמצעות קרן לייזר שנוצרת על ידי דיודת לייזר. כאשר קרן הלייזר מקרינה את התוף הרגיש לאור, החומר הפוטו-מוליך על התוף הרגיש לאור סופג את אנרגיית הלייזר ויוצר תמונה סמויה אלקטרוסטטית. לאחר מכן, הטונר נספג על התמונה האלקטרוסטטית הסמויה להשלמת תהליך ההדפסה.

ניתן לארוז מוטות דיודות לייזר של MCC בערימת דיודות לייזר. ‌

ניתן לארוז מוטות דיודות לייזר של MCC בערימת דיודות לייזר אחר מחסנית אנכית (מחסנית V). לייזרים מוליכים למחצה מחסנית אנכית מתגברים על בעיית איכות האלומה של לייזרים במערך אופקי, ואיכות האלומה שלהם עולה בקנה אחד עם זו של קרן לייזר בודדת, המתאימה ליישומים עם דרישות איכות אלומה גבוהות‌. בנוסף, עם שיפור טכנולוגיית האריזה, ניתן להגדיל את מספר פסי הלייזר בלייזר מוערם אנכית מכמה ל-70, והספק המוצא המקסימלי יכול להגיע גם ל-KW.

מבנה האריזה
מבנה האריזה של מוטות דיודות לייזר MCC כולל בדרך כלל קתודה, אנודה, כניסת נוזל קירור ויציאה. כניסת נוזל הקירור של נוזל הקירור קרובה לאנודה של מערך הלייזר, בעוד שמוצא נוזל הקירור קרוב לקתודה‌. מבנה זה מאפשר למוטות דיודות לייזר של MCC לפזר חום ביעילות ולנהל חום כאשר הם מוערמים במערך.

תרחישי יישום
לאחר האריזה בערימת דיודות לייזר, ניתן ליישם מוטות דיודות לייזר MCC במגוון תרחישי ביקוש לייזר בעלי הספק גבוה, כגון עיבוד תעשייתי, מחקר מדעי, ציוד רפואי וכו'. בשל תפוקת ההספק הגבוהה ואיכות האלומה הטובה שלהם, MCC מוטות דיודות לייזר יכולים לעמוד בדרישות הגבוהות לציוד לייזר בתחומים אלה לאחר אריזתם.

לייזר דיודה עם פסים בודדים זמינים בפס דיודה לייזר לא מותקן או מותקן באריזות מקוררות מוליכות או אקטיביות. רוב מוטות הדיודות פועלים באזור אורך הגל מ-755 עד 860 ננומטר או בין 940 ננומטר ל-980 ננומטר. אורכי הגל של 808 ננומטר (לשאיבת לייזרים ניאודימיום) ו-940 ננומטר (לשאיבה של Yb:YAG) בולטים ביותר. אורך גל חשוב נוסף הוא בסביבות 975-980 ננומטר לשאיבת לייזרים ומגברים בעלי הספק גבוה המסוימים בארביום או באיטרביום. דיודה טיפוסית מקוררת פסיבית מוצעת על תושבת CS, חבילה סטנדרטית התואמת מתקן הרכבה מבוסס תרמו-אלקטרי (TEC). תושבת ה-CS מתאימה לפעולת CW מעין-CW (QCW) והספק בינוני. לקירור מים אקטיבי, הוא משתמש בכיורי קירור בעלי מיקרו-תעלות. ניתן לערום ברים מרובים בכיוון האופקי או האנכי כדי להגדיל את הספק הפלט.

לייזר דיודות יחיד בעל הספק גבוה משמשים ישירות (כלייזרי דיודה ישירים) בעיבוד חומרי לייזר (למשל ריתוך לייזר וטיפולי משטח מסוימים) וכלייזרים רפואיים (למשל לטיפול פוטודינמי, הסרת קעקועים, ניתוח לייזר). מוטות דיודה מפותחים גם לשימוש צבאי כנשק לייזר בשדה הקרב. עבור הספקים גבוהים מאוד (מעל לערך 100 W), משתמשים בערימות דיודות, שהן חיוניות למספר מוטות דיודות המוערמים בכיוון האנכי. יישום נפוץ נוסף הוא שאיבה של לייזרים מוצקים בעלי הספק גבוה - גם לייזרים בתפזורת וגם לייזרים סיבים.

ל-Brandnew Technology, אחד מיצרני וספקי הלייזר הדיודות המובילים בסין, יש מפעל מקצועי המייצר באיכות גבוהה CS-mount LD, לייזר דיודות יחיד בר, לייזר דיודות CW ומוכר במחיר תחרותי. ברוכים הבאים לסיטונאי המוצרים שלנו תוצרת סין.