เปิดเผยโครงสร้างของแท่งเลเซอร์: “เครื่องยนต์ไมโครอาร์เรย์” เบื้องหลังเลเซอร์กำลังสูง

ในด้านเลเซอร์กำลังสูง แท่งเลเซอร์ถือเป็นส่วนประกอบหลักที่ขาดไม่ได้ ไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เป็นหน่วยพื้นฐานในการวัดพลังงานเท่านั้น แต่ยังเป็นศูนย์รวมความแม่นยำและการผสานรวมของวิศวกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่อีกด้วย-ทำให้พวกมันได้รับฉายาว่า “เครื่องยนต์” ของระบบเลเซอร์ แต่โครงสร้างของแท่งเลเซอร์คืออะไรกันแน่ และมันส่งกำลังไฟฟ้าได้หลายสิบหรือหลายร้อยวัตต์จากขนาดเพียงไม่กี่มิลลิเมตรได้อย่างไร บทความนี้จะเจาะลึกโครงสร้างภายในและความลับทางวิศวกรรมเบื้องหลังแท่งเลเซอร์

1. เลเซอร์บาร์คืออะไร?

เลเซอร์บาร์เป็นอุปกรณ์เปล่งแสงกำลังสูงที่ประกอบด้วยชิปไดโอดเลเซอร์หลายตัวที่เรียงตัวกันด้านข้างบนแผ่นรองรับเดียว แม้ว่าหลักการทำงานจะคล้ายกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ตัวเดียว แต่เลเซอร์บาร์ใช้รูปแบบตัวเปล่งแสงหลายตัวเพื่อให้ได้กำลังแสงที่สูงขึ้นและขนาดกะทัดรัดยิ่งขึ้น

แท่งเลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในภาคอุตสาหกรรม การแพทย์ วิทยาศาสตร์ และการป้องกันประเทศ ไม่ว่าจะเป็นแหล่งกำเนิดเลเซอร์โดยตรงหรือแหล่งกำเนิดปั๊มสำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์และเลเซอร์โซลิดสเตต

2. องค์ประกอบโครงสร้างของแท่งเลเซอร์

โครงสร้างภายในของแท่งเลเซอร์เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพโดยตรง ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักดังต่อไปนี้:

①อาร์เรย์ตัวปล่อย

โดยทั่วไปแท่งเลเซอร์จะประกอบด้วยตัวปล่อยแสง (ช่องเลเซอร์) 10 ถึง 100 ตัว เรียงตัวกัน โดยตัวปล่อยแสงแต่ละตัวจะมีขนาดประมาณ 50-150μกว้าง 1 เมตร และทำหน้าที่เป็นบริเวณเกนอิสระ ซึ่งประกอบด้วยรอยต่อ PN ช่องเรโซแนนซ์ และโครงสร้างท่อนำคลื่นเพื่อสร้างและปล่อยแสงเลเซอร์ แม้ว่าตัวปล่อยแสงทั้งหมดจะใช้ซับสเตรตเดียวกัน แต่โดยทั่วไปแล้วตัวปล่อยแสงเหล่านี้จะถูกขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าแบบขนานหรือโดยโซน

②โครงสร้างชั้นเซมิคอนดักเตอร์

ที่ใจกลางของแท่งเลเซอร์คือชั้นเซมิคอนดักเตอร์ซ้อนกัน ซึ่งประกอบด้วย:

- ชั้นเอพิแทกเซียลชนิด P และชนิด N (ก่อตัวเป็นรอยต่อ PN)

- ชั้นแอคทีฟ (เช่น โครงสร้างควอนตัมเวลล์) ซึ่งสร้างการปล่อยรังสีกระตุ้น

- ชั้นท่อนำคลื่น ช่วยให้ควบคุมโหมดในทิศทางด้านข้างและแนวตั้งได้

- ตัวสะท้อนแสง Bragg หรือการเคลือบ HR/AR ซึ่งช่วยเพิ่มเอาต์พุตแบบทิศทางของเลเซอร์

③โครงสร้างการจัดการพื้นผิวและความร้อน

ตัวปล่อยแสงจะถูกปลูกบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์แบบโมโนลิธิก (โดยทั่วไปคือ GaAs) เพื่อการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ แท่งเลเซอร์จะถูกบัดกรีลงบนซับเมาท์ที่มีความนำไฟฟ้าสูง เช่น ทองแดง โลหะผสมทองแดง-W หรือเพชร CVD และจับคู่กับฮีตซิงก์และระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ

④ระบบพื้นผิวการปล่อยมลพิษและการปรับลำแสง

เนื่องจากมุมกระจายของลำแสงที่ปล่อยออกมามีขนาดใหญ่ แท่งเลเซอร์จึงมักติดตั้งชุดไมโครเลนส์ (FAC/SAC) เพื่อปรับลำแสงให้ตรงแนวและปรับรูปทรงลำแสง สำหรับการใช้งานบางประเภท อาจมีออปติกเพิ่มเติม-เช่นเลนส์ทรงกระบอกหรือปริซึม-ใช้เพื่อควบคุมการแยกตัวของระยะไกลและคุณภาพของลำแสง

3. ปัจจัยโครงสร้างหลักที่มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพ

โครงสร้างของแท่งเลเซอร์มีบทบาทสำคัญในการกำหนดเสถียรภาพ ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งาน ประเด็นสำคัญหลายประการประกอบด้วย:

①การออกแบบการจัดการความร้อน

แท่งเลเซอร์มีความหนาแน่นพลังงานสูงและความร้อนเข้มข้น ความต้านทานความร้อนต่ำเป็นสิ่งสำคัญ ซึ่งทำได้โดยการบัดกรีด้วย AuSn หรือการเชื่อมด้วยอินเดียม ร่วมกับการระบายความร้อนด้วยไมโครแชนเนลเพื่อการกระจายความร้อนที่สม่ำเสมอ

②การปรับรูปร่างและการจัดตำแหน่งคาน

ตัวปล่อยแสงหลายตัวมักประสบปัญหาความสอดคล้องกันต่ำและหน้าคลื่นไม่ตรงแนว การออกแบบและการจัดวางเลนส์ที่แม่นยำเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงคุณภาพลำแสงระยะไกล

③การควบคุมความเครียดและความน่าเชื่อถือ

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกันของวัสดุอาจนำไปสู่การโก่งงอหรือรอยแตกขนาดเล็ก บรรจุภัณฑ์ต้องได้รับการออกแบบให้กระจายแรงทางกลอย่างสม่ำเสมอและทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิโดยไม่เสื่อมสภาพ

4. แนวโน้มในอนาคตของการออกแบบเลเซอร์บาร์

เนื่องจากความต้องการกำลังไฟฟ้าที่สูงขึ้น ขนาดที่เล็กลง และความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น โครงสร้างของแท่งเลเซอร์จึงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ทิศทางการพัฒนาที่สำคัญประกอบด้วย:

①การขยายความยาวคลื่น: ขยายเป็น 1.5μแถบ m และอินฟราเรดกลาง

②การทำให้มีขนาดเล็กลง: เปิดใช้งานการใช้งานในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดและโมดูลที่ผสานรวมสูง

③บรรจุภัณฑ์อัจฉริยะ: ผสานรวมเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและระบบตอบรับสถานะ

④การซ้อนความหนาแน่นสูง: อาร์เรย์แบบหลายชั้นเพื่อให้ได้เอาต์พุตระดับกิโลวัตต์ในขนาดกะทัดรัด

5. บทสรุป

ในฐานะที่เป็น-หัวใจ-ของระบบเลเซอร์กำลังสูง การออกแบบโครงสร้างของแท่งเลเซอร์ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพเชิงแสง ไฟฟ้า และความร้อนของระบบโดยรวม การรวมตัวปล่อยแสงหลายสิบตัวเข้ากับโครงสร้างที่มีความกว้างเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นถึงวัสดุและเทคนิคการผลิตขั้นสูงเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงการผสานรวมระดับสูงในปัจจุบันอีกด้วย-อุตสาหกรรมโฟโตนิกส์

เมื่อมองไปข้างหน้า ในขณะที่ความต้องการแหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง นวัตกรรมในโครงสร้างแท่งเลเซอร์จะยังคงเป็นแรงผลักดันสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรมเลเซอร์ไปสู่ระดับใหม่

หากคุณ-หากคุณกำลังมองหาผู้เชี่ยวชาญด้านการสนับสนุนด้านบรรจุภัณฑ์บาร์เลเซอร์ การจัดการความร้อน หรือการเลือกผลิตภัณฑ์ โปรดติดต่อเรา-อยู่ที่นี่เพื่อมอบโซลูชันที่เหมาะกับความต้องการการใช้งานเฉพาะของคุณ