เปิดเผยโครงสร้างของเลเซอร์แท่ง: “กลไกไมโครอาร์เรย์” ที่อยู่เบื้องหลังเลเซอร์กำลังสูง

ในด้านเลเซอร์กำลังสูง แท่งเลเซอร์เป็นส่วนประกอบหลักที่ขาดไม่ได้ ไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เป็นหน่วยพื้นฐานในการผลิตพลังงานเท่านั้น แต่ยังแสดงถึงความแม่นยำและการบูรณาการของวิศวกรรมอิเล็กโทรออปติกสมัยใหม่ด้วย-จึงได้รับฉายาว่า "เครื่องยนต์" ของระบบเลเซอร์ แต่โครงสร้างของเลเซอร์บาร์นั้นเป็นอย่างไร และมันสามารถสร้างกำลังขับหลายสิบหรือหลายร้อยวัตต์ได้อย่างไรจากขนาดเพียงไม่กี่มิลลิเมตร บทความนี้จะสำรวจสถาปัตยกรรมภายในและเคล็ดลับทางวิศวกรรมเบื้องหลังเลเซอร์บาร์

1. เลเซอร์บาร์คืออะไร?

เลเซอร์บาร์เป็นอุปกรณ์เปล่งแสงกำลังสูงที่ประกอบด้วยชิปไดโอดเลเซอร์หลายตัวเรียงตัวในแนวนอนบนพื้นผิวเดียวกัน หลักการทำงานคล้ายกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เดี่ยว แต่เลเซอร์บาร์ใช้การจัดเรียงแบบหลายตัวเปล่งแสงเพื่อให้ได้กำลังแสงที่สูงขึ้นและมีขนาดกะทัดรัดกว่า

แท่งเลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในภาคอุตสาหกรรม การแพทย์ วิทยาศาสตร์ และการป้องกันประเทศ ทั้งในฐานะแหล่งกำเนิดเลเซอร์โดยตรง หรือในฐานะแหล่งกำเนิดแสงเสริมสำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์และเลเซอร์โซลิดสเตท

2. โครงสร้างของแท่งเลเซอร์

โครงสร้างภายในของเลเซอร์บาร์มีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการทำงาน โดยหลักแล้วประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญดังต่อไปนี้:

①อาร์เรย์ตัวปล่อยสัญญาณ

โดยทั่วไปแล้ว แท่งเลเซอร์จะประกอบด้วยตัวปล่อยแสง (โพรงเลเซอร์) จำนวน 10 ถึง 100 ตัว เรียงกันอยู่ด้านข้าง แต่ละตัวปล่อยแสงมีขนาดประมาณ 50-150μมีความกว้าง m และทำหน้าที่เป็นบริเวณขยายสัญญาณอิสระ โดยมีโครงสร้างรอยต่อ PN, โพรงเรโซแนนซ์ และท่อนำคลื่นเพื่อสร้างและปล่อยแสงเลเซอร์ แม้ว่าตัวปล่อยแสงทั้งหมดจะใช้พื้นผิวเดียวกัน แต่โดยทั่วไปแล้วจะถูกขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าแบบขนานหรือแบบแบ่งโซน

②โครงสร้างชั้นเซมิคอนดักเตอร์

หัวใจสำคัญของเลเซอร์บาร์คือชั้นของสารกึ่งตัวนำที่เรียงซ้อนกัน ซึ่งประกอบด้วย:

- ชั้นเอพิแท็กเซียลชนิด P และชนิด N (ซึ่งก่อให้เกิดจุดเชื่อมต่อ PN)

- ชั้นแอคทีฟ (เช่น โครงสร้างควอนตัมเวลล์) ซึ่งสร้างการปล่อยแสงแบบกระตุ้น

- ชั้นนำคลื่น ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมโหมดในทิศทางด้านข้างและแนวตั้งได้

- แผ่นสะท้อนแสงแบบแบร็ก หรือสารเคลือบ HR/AR ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการส่งลำแสงเลเซอร์ในทิศทางที่กำหนด

③โครงสร้างพื้นผิวและการจัดการความร้อน

ตัวปล่อยแสงถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์แบบโมโนลิธิก (โดยทั่วไปคือ GaAs) เพื่อการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ แท่งเลเซอร์จะถูกบัดกรีเข้ากับฐานรองที่มีการนำความร้อนสูง เช่น ทองแดง โลหะผสม W-Cu หรือเพชร CVD และจับคู่กับแผ่นระบายความร้อนและระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ

④พื้นผิวการปล่อยแสงและระบบปรับลำแสง

เนื่องจากลำแสงที่ปล่อยออกมามีมุมกระจายตัวกว้างมาก แท่งเลเซอร์จึงมักติดตั้งชุดเลนส์ขนาดเล็ก (FAC/SAC) เพื่อปรับแนวลำแสงและสร้างรูปร่างลำแสง สำหรับการใช้งานบางอย่าง อาจมีการใช้อุปกรณ์ทางแสงเพิ่มเติม-เช่น เลนส์ทรงกระบอกหรือปริซึม-ใช้เพื่อควบคุมการกระจายตัวในระยะไกลและคุณภาพของลำแสง

3. ปัจจัยเชิงโครงสร้างที่สำคัญซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน

โครงสร้างของเลเซอร์บาร์มีบทบาทสำคัญในการกำหนดความเสถียร ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งาน โดยมีองค์ประกอบสำคัญหลายประการ ได้แก่:

①การออกแบบการจัดการความร้อน

เลเซอร์แท่งมีคุณสมบัติเด่นคือความหนาแน่นของกำลังสูงและความร้อนที่เข้มข้น ความต้านทานความร้อนต่ำจึงเป็นสิ่งสำคัญ ซึ่งทำได้โดยการบัดกรีด้วยทองคำและดีบุก (AuSn) หรือการเชื่อมด้วยอินเดียม ร่วมกับการระบายความร้อนด้วยไมโครแชนเนลเพื่อการกระจายความร้อนอย่างสม่ำเสมอ

②การปรับรูปร่างและจัดแนวลำแสง

แหล่งกำเนิดแสงหลายแหล่งมักประสบปัญหาเรื่องความสอดคล้องกันต่ำและการจัดเรียงหน้าคลื่นที่ไม่ตรงกัน การออกแบบและการจัดเรียงเลนส์อย่างแม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงคุณภาพลำแสงในระยะไกล

③การควบคุมความเครียดและความน่าเชื่อถือ

ความไม่สอดคล้องกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุ อาจทำให้เกิดการบิดเบี้ยวหรือรอยแตกขนาดเล็กได้ บรรจุภัณฑ์ต้องได้รับการออกแบบให้กระจายแรงทางกลอย่างสม่ำเสมอและทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยไม่เสื่อมสภาพ

4. แนวโน้มในอนาคตของการออกแบบเลเซอร์บาร์

เนื่องจากความต้องการพลังงานที่สูงขึ้น ขนาดที่เล็ลง และความน่าเชื่อถือที่มากขึ้นเพิ่มขึ้น โครงสร้างของเลเซอร์บาร์จึงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ทิศทางการพัฒนาที่สำคัญ ได้แก่:

①การขยายความยาวคลื่น: ขยายไปถึง 1.5μแถบคลื่น m และอินฟราเรดช่วงกลาง

②การย่อส่วน: ช่วยให้สามารถใช้งานในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดและโมดูลแบบบูรณาการสูง

③บรรจุภัณฑ์อัจฉริยะ: การผสานรวมเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและระบบแจ้งสถานะ

④การเรียงซ้อนความหนาแน่นสูง: การจัดเรียงเป็นชั้นเพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าระดับกิโลวัตต์ในพื้นที่ขนาดกะทัดรัด

5. บทสรุป

เนื่องจาก-หัวใจ-ในระบบเลเซอร์กำลังสูง การออกแบบโครงสร้างของแท่งเลเซอร์ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพทางด้านแสง ไฟฟ้า และความร้อนของระบบโดยรวม การรวมตัวปล่อยแสงหลายสิบตัวเข้าไว้ในโครงสร้างที่มีความกว้างเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นถึงวัสดุและเทคนิคการผลิตขั้นสูงเท่านั้น แต่ยังแสดงถึงระดับการบูรณาการที่สูงมากในปัจจุบันอีกด้วย-อุตสาหกรรมโฟโตนิกส์

ในอนาคต เมื่อความต้องการแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง นวัตกรรมในโครงสร้างของแท่งเลเซอร์จะยังคงเป็นปัจจัยสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรมเลเซอร์ไปสู่ระดับใหม่

ถ้าคุณ-หากคุณกำลังมองหาผู้เชี่ยวชาญด้านบรรจุภัณฑ์เลเซอร์บาร์ การจัดการความร้อน หรือการเลือกผลิตภัณฑ์ โปรดติดต่อเราได้เลย-เราพร้อมมอบโซลูชันที่ปรับแต่งให้เหมาะสมกับความต้องการใช้งานเฉพาะของคุณ