ทำความเข้าใจเกี่ยวกับวัฏจักรหน้าที่ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์: ความหมายสำคัญเบื้องหลังพารามิเตอร์ขนาดเล็ก

ในเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีความโดดเด่นด้วยโครงสร้างที่กะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง และการตอบสนองที่รวดเร็ว เลเซอร์เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสาร การดูแลสุขภาพ การแปรรูปทางอุตสาหกรรม และการตรวจจับ/วัดระยะ อย่างไรก็ตาม เมื่อกล่าวถึงประสิทธิภาพของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ พารามิเตอร์หนึ่งที่ดูเหมือนจะเรียบง่ายแต่สำคัญอย่างยิ่งยวด นั่นคือวัฏจักรหน้าที่ (duty cycle) มักถูกมองข้าม บทความนี้จะเจาะลึกแนวคิด การคำนวณ ผลกระทบ และความสำคัญในทางปฏิบัติของวัฏจักรหน้าที่ในระบบเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

1. Duty Cycle คืออะไร?

รอบการทำงาน (Duty Cycle) คืออัตราส่วนไร้มิติที่ใช้อธิบายสัดส่วนของเวลาที่เลเซอร์อยู่ในสถานะ "เปิด" ภายในช่วงเวลาหนึ่งของสัญญาณที่เกิดซ้ำ โดยทั่วไปจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ สูตรคือ: รอบการทำงาน = (ความกว้างพัลส์)/ระยะเวลาการเต้นของชีพจร)×100%. ตัวอย่างเช่น หากเลเซอร์ปล่อยพัลส์ 1 ไมโครวินาทีทุกๆ 10 ไมโครวินาที รอบการทำงานจะเป็นดังนี้: (1 μs/10 μs) × 100% = 10%.

2. เหตุใด Duty Cycle จึงสำคัญ?

แม้จะเป็นเพียงอัตราส่วน แต่รอบการทำงานก็ส่งผลโดยตรงต่อการจัดการความร้อน อายุการใช้งาน กำลังขับ และการออกแบบระบบโดยรวมของเลเซอร์ ลองมาวิเคราะห์ความสำคัญของมันกัน:

① การจัดการความร้อนและอายุการใช้งานอุปกรณ์

ในการทำงานแบบพัลส์ความถี่สูง รอบการทำงานที่ต่ำลงหมายถึงเวลา “ปิด” ระหว่างพัลส์ที่นานขึ้น ซึ่งจะช่วยให้เลเซอร์เย็นตัวลง วิธีนี้เป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานกำลังสูง ซึ่งการควบคุมรอบการทำงานจะช่วยลดความเครียดจากความร้อนและยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

② การควบคุมกำลังขับและความเข้มแสง

รอบการทำงานที่สูงขึ้นส่งผลให้เอาต์พุตออปติคัลเฉลี่ยสูงขึ้น ในขณะที่รอบการทำงานที่ต่ำกว่าจะทำให้กำลังเฉลี่ยลดลง การปรับรอบการทำงานช่วยให้สามารถปรับแต่งพลังงานเอาต์พุตได้อย่างละเอียดโดยไม่ต้องเปลี่ยนกระแสขับสูงสุด

③ การตอบสนองของระบบและการปรับสัญญาณ

ในระบบสื่อสารด้วยแสงและระบบ LiDAR รอบการทำงานจะส่งผลโดยตรงต่อเวลาตอบสนองและรูปแบบการมอดูเลต ตัวอย่างเช่น ในการวัดระยะด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ การตั้งค่ารอบการทำงานที่เหมาะสมจะช่วยปรับปรุงการตรวจจับสัญญาณสะท้อน ซึ่งช่วยเพิ่มทั้งความแม่นยำและความถี่ในการวัด

3. ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ Duty Cycle

① LiDAR (การตรวจจับและวัดระยะด้วยเลเซอร์)

ในโมดูลวัดระยะด้วยเลเซอร์ขนาด 1535 นาโนเมตร โดยทั่วไปจะใช้การกำหนดค่าพัลส์แบบรอบการทำงานต่ำและพีคสูง เพื่อให้มั่นใจถึงการตรวจจับระยะไกลและความปลอดภัยของดวงตา รอบการทำงานมักถูกควบคุมระหว่าง 0.1% ถึง 1% เพื่อสร้างสมดุลระหว่างกำลังงานสูงสุดกับการทำงานที่ปลอดภัยและเย็น

② เลเซอร์ทางการแพทย์

ในการใช้งาน เช่น การรักษาผิวหนังหรือการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ วัฏจักรการทำงานที่แตกต่างกันจะส่งผลให้เกิดผลทางความร้อนและผลลัพธ์การรักษาที่แตกต่างกัน วัฏจักรการทำงานที่สูงจะทำให้เกิดความร้อนอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่วัฏจักรการทำงานที่ต่ำจะทำให้เกิดการระเหยแบบพัลส์ทันที

③ การแปรรูปวัสดุอุตสาหกรรม

ในการทำเครื่องหมายด้วยเลเซอร์และการเชื่อม วัฏจักรหน้าที่มีผลต่อปริมาณพลังงานที่สะสมในวัสดุ การปรับวัฏจักรหน้าที่เป็นกุญแจสำคัญในการควบคุมความลึกในการแกะสลักและการเจาะทะลุในการเชื่อม

4. เลือกรอบการทำงานที่เหมาะสมอย่างไร?

รอบการทำงานที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะและคุณลักษณะของเลเซอร์:

①รอบการทำงานต่ำ (<10%)

เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีช่วงพีคสูงและพัลส์สั้น เช่น การวัดระยะหรือการทำเครื่องหมายแม่นยำ

②รอบการทำงานปานกลาง (10%–50%)

เหมาะสำหรับระบบเลเซอร์พัลส์ที่มีการทำซ้ำสูง

③รอบการทำงานสูง (>50%)

การทำงานแบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) ที่กำลังเข้าใกล้ ใช้ในแอปพลิเคชัน เช่น การสูบน้ำแบบออปติคัลและการสื่อสาร

ปัจจัยอื่นๆ ที่ต้องพิจารณา ได้แก่ ความสามารถในการระบายความร้อน ประสิทธิภาพของวงจรไดรเวอร์ และเสถียรภาพทางความร้อนของเลเซอร์

5. บทสรุป

แม้จะมีขนาดเล็ก แต่รอบการทำงาน (duty cycle) ก็เป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญในระบบเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ไม่เพียงแต่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อเสถียรภาพและความน่าเชื่อถือของระบบในระยะยาวอีกด้วย ในการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เลเซอร์ในอนาคต การควบคุมที่แม่นยำและการใช้รอบการทำงานที่ยืดหยุ่นจะเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบและส่งเสริมนวัตกรรม

หากคุณมีคำถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับการออกแบบพารามิเตอร์เลเซอร์หรือการใช้งาน โปรดติดต่อเราหรือแสดงความคิดเห็นได้เลย เรายินดีให้ความช่วยเหลือ!