وبلاگ در باره آرایه‌های دیود لیزر پرقدرت، لیزرهای همدوس ۲ میکرونی را پیش می‌برند

تصور کنید یک پرتو لیزر دقیق از پهنه فضا از میان جو زمین عبور می‌کند و تغییرات ظریف میدان باد را تشخیص می‌دهد. این فناوری که به ظاهر آینده‌نگرانه است، به یک جزء حیاتی متکی است: آرایه‌های دیود لیزر (LDA). با این حال، فناوری فعلی LDA با چالش‌های قابل توجهی در زمینه قابلیت اطمینان، طول عمر و کارایی روبرو است، به ویژه هنگامی که به عنوان منابع پمپاژ برای لیزرهای حالت جامد همدوس ۲ میکرومتری استفاده می‌شوند.

آرایه‌های دیود لیزر هسته سیستم‌های لیزر حالت جامد پمپاژ شده با دیود را تشکیل می‌دهند و عملکرد آن‌ها مستقیماً قابلیت‌های کلی سیستم را تعیین می‌کند. LDA ها به عنوان منابع پمپاژ، انرژی را به محیط لیزر حالت جامد می‌رسانند و پرتوهای لیزر همدوس با کیفیت فضایی و طیفی بالا تولید می‌کنند. طراحی لیزرهای حالت جامد و مشخصات مواد لیزر، طول موج عملیاتی، مدت زمان پالس و الزامات توان دیودهای لیزر را تعیین می‌کنند.

در مقایسه با لیزرهای ۱ میکرومتری که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، لیزرهای حالت جامد ۲ میکرومتری با انرژی پالس بالا، چالش‌های بسیار بیشتری را در الزامات پمپاژ خود ارائه می‌دهند. علاوه بر این، کاربردهایی مانند پروفیل‌بندی باد مبتنی بر فضا در سطح جهانی و تشخیص تلاطم هوای صاف از راه دور هواپیما، نیازمند قابلیت اطمینان و طول عمری هستند که بسیار فراتر از قابلیت‌های فعلی LDA است.

پیشرفت‌های اخیر در LDA های شبه پیوسته با توان پیک پالس بالا در بسته‌های خنک‌شونده با هدایت، نویدبخش حل چالش‌های مهندسی در ابزارهای لیدار حالت جامد هستند. با این حال، علیرغم این پیشرفت‌ها، LDA هایی که الزامات لیدار همدوس مبتنی بر فضا و هوابرد را برآورده می‌کنند، همچنان با مسائل طول عمر و قابلیت اطمینان روبرو هستند.

لیزرهای حالت جامد ۲ میکرومتری با انرژی پالس متوسط تا بالا، به LDA های شبه پیوسته با توان بالا با حداقل مدت زمان پالس ۱ میلی‌ثانیه در ۷۹۲ نانومتر نیاز دارند. این مدت زمان پالس نسبتاً طولانی به طور قابل توجهی به طول عمر محدود آرایه کمک می‌کند، زیرا نواحی فعال دیود لیزر را در معرض دماهای بالا و چرخه حرارتی شدید قرار می‌دهد. چرخه حرارتی در ناحیه فعال، علت اصلی تخریب سریع توان LDA در نظر گرفته می‌شود، در حالی که افزایش بیش از حد دما منجر به خرابی زودرس می‌شود.

افزایش شدید دما در طول پالس‌ها، تنش قابل توجهی را در میله‌های گسیل‌کننده منفرد به دلیل گرمایش موضعی و عدم تطابق حرارتی مختلف بین میله‌ها، زیرلایه‌ها و مواد اتصال ایجاد می‌کند. در حالی که طراحی دقیق هد لیزر می‌تواند با بهبود اتلاف گرما و کارکرد دیودها در سطحی بسیار پایین‌تر از حداکثر درجه‌بندی، تخریب حرارتی را کاهش دهد، راه‌حل‌های جامع‌تری مورد نیاز است.

یک بستر مشخصه‌یابی آرایه دیود لیزر تخصصی (LDCF) برای بررسی کامل عملکرد LDA توسعه یافته است. این بستر از دو ایستگاه اندازه‌گیری کلیدی تشکیل شده است:

• ایستگاه مشخصه‌یابی دیود لیزر: این ایستگاه پارامترهای اساسی از جمله توان، طول موج، پهنای خط و راندمان را به دست می‌آورد. همچنین اندازه‌گیری‌های تخصصی مانند پروفیل حرارتی وجوه و بسته‌های دیود لیزر، تحلیل کیفیت پرتو میدان نزدیک و دور، و اندازه‌گیری‌های طیفی با وضوح بالا را انجام می‌دهد.
• ایستگاه تست طول عمر: این تسهیلات خودکار می‌تواند هشت LDA را به طور همزمان با استفاده از ابزارهای استاندارد برای تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای دقیق اندازه‌گیری کند. سیستم به طور خودکار پارامترهای عملیاتی را تنظیم می‌کند، داده‌ها را جمع‌آوری و بایگانی می‌کند، ناهنجاری‌ها را پرچم‌گذاری می‌کند و در صورت لزوم هشدار تولید می‌کند.

برای افزایش طول عمر و کارایی LDA، یک بسته سفارشی طراحی شده که شامل شش میله گسیل‌کننده ۱۰۰ وات است، توسعه یافت. این LDA آزمایشی از زیرلایه‌های الماس و پخش‌کننده‌های حرارتی به جای زیرلایه‌های BeO معمولی و پخش‌کننده‌های حرارتی مسی استفاده می‌کند که اتلاف گرما از ناحیه فعال را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

عملکرد حرارتی با کارکرد آرایه در جریان ثابت ۸۰ آمپر و نرخ تکرار ۱۰ هرتز در حالی که طول موج خروجی و راندمان الکترواپتیکی در عرض پالس‌های متغیر اندازه‌گیری می‌شد، ارزیابی شد. تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای نشان داد که بسته مبتنی بر الماس مقاومت حرارتی کمتری از خود نشان داد که نشان‌دهنده اتلاف حرارت برتر است و می‌تواند طول عمر عملیاتی را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

آرایه‌های دیود لیزر با توان بالا اجزای حیاتی برای لیزرهای حالت جامد همدوس ۲ میکرومتری باقی می‌مانند و عملکرد آن‌ها مستقیماً بر قابلیت‌های کلی سیستم تأثیر می‌گذارد. تحقیقات جاری بر بهینه‌سازی طرح‌های بسته‌بندی، بهبود مواد حرارتی و کاوش ساختارهای جدید دیود لیزر برای برآورده کردن الزامات سخت‌گیرانه کاربردهای پیشرفته لیدار متمرکز است.

محققان از طریق نوآوری مستمر، قصد دارند بر محدودیت‌های فعلی غلبه کنند و استقرار گسترده لیزرهای حالت جامد همدوس ۲ میکرومتری را در کاربردهای حیاتی از جمله نقشه‌برداری میدان باد مبتنی بر فضا و نظارت بر جو امکان‌پذیر سازند.