اختيار طول موجة الضخ: ما الذي يخبرك به عيب الكم وعمر التألق فعليًا

معظم قرارات اختيار طول موجة المضخة تُتخذ بطريقة خاطئة. يختار شخص ما 808 نانومتر لأن البنيات الثلاث الأخيرة استخدمت 808 نانومتر، والبلورة تمتصه، والدايودات رخيصة. ثم تظهر العدسة الحرارية عند 60% من طاقة التصميم، وتنهار جودة الحزمة، ويصبح الحل مبددًا حراريًا أكبر بدلاً من مضخة مختلفة.

تكلفة هذا الاختصار حقيقية. كل واط تضخه عند طول موجة خاطئ يتحول إلى حرارة داخل وسط الكسب، والحرارة داخل وسط الكسب هي ما يحد من طاقة الخرج، ومعامل M²، واستقرار الاتجاهية. لا يمكنك التغلب على اختيار طول الموجة بالتبريد.

رقمان يحسمان معظم هذا قبل أن تطلب أي شيء: العيب الكمي، وعمر التألق لوسط الكسب. كلاهما يأتي مباشرة من فيزياء التألق، وكلاهما مطبوع في بيانات تمتلكها بالفعل.

اختيار طول موجة المضخة يتلخص في كميتين. العيب الكمي (1 − λ_مضخة/λ_ليزر) يحدد مقدار طاقة المضخة التي تتحول إلى حرارة داخل البلورة. عمر التألق لمستوى الليزر العلوي يحدد مقدار الطاقة التي يمكن لوسط الكسب تخزينها بين النبضات. اختر أطول طول موجة مضخة لا يزال الوسط يمتصه بكفاءة، ثم تحقق من أن الدايود يحافظ على ذلك الطول عبر نطاقك الحراري الكامل.

[ صورة 1 — استبدل هذه الفقرة بكتلة الصورة ]
لقطة: صورة رئيسية — صف من وحدات دايود الليزر المقرونة بالألياف من LUMEXIS (808، 888، 976 نانومتر) موضوعة على طاولة محايدة مع ملفات توصيلها، بالإضافة إلى بلورة Nd:YVO4 صغيرة على حامل في المقدمة.
الملف: lumexis-pump-wavelength-selection-1.webp
النص البديل: وحدات مضخة ليزر دايود مقرونة بالألياف عند 808 و888 و976 نانومتر بجانب بلورة ليزر Nd:YVO4

العيب الكمي هو حرارة صممتها مسبقًا

عندما يتم امتصاص فوتون مضخة، يصعد الأيون إلى حالة مثارة. لا يبقى هناك. يسترخي نزولاً إلى مستوى الليزر العلوي، مطلقًا فرق الطاقة في الشبكة البلورية كفونونات، وعندها فقط يصدر فوتون ليزر. خطوة الاسترخاء هذه غير مرئية في ورقة البيانات ولا يمكن تجنبها في الفيزياء.

الحساب بسيط. اضخ عند 808 نانومتر لإخراج 1064 نانومتر والخسارة الكسرية هي 1 − 808/1064، أي حوالي 24%. اضخ نفس الانتقال عند 888 نانومتر وتنخفض إلى 16.5%. لم يتغير شيء آخر في النظام. لقد حذفت فقط حوالي ثلث الحمل الحراري.

هذا الصف الأخير هو سبب تحول الإتيربيوم إلى الحصان العامل في ليزرات الألياف عالية الطاقة. جزء حراري بنسبة 5% هو مشكلة هندسية مختلفة عن جزء بنسبة 24%.

المشكلة أن العيب الكمي الأقل يعني دائمًا تقريبًا امتصاصًا أضعف. قمة امتصاص النيوديميوم عند 888 نانومتر هي جزء صغير من ارتفاع قمة 808 نانومتر. تحصل على الفائدة الحرارية بقبول أن ضوء المضخة يقطع مسافة أطول قبل امتصاصه، مما يعني بلورة أطول، أو تشويبًا أعلى، أو كليهما. عمليًا، القضبان المضخوخة داخل النطاق تعمل عادةً قرب 30 ملم حيث كان تصميم 808 نانومتر يتوقف عند حوالي 8 ملم. هذا تغيير حقيقي في تخطيط تجويفك، وليس استبدالًا مباشرًا.

عمر التألق يحدد تنسيق النبض الذي يمكنك بناؤه

الرقم الثاني هو عمر الحالة العلوية، ويسمى أحيانًا عمر التألق. هو المدة التي ينتظرها الأيون المثار، في المتوسط، قبل أن يعيد فوتونه تلقائيًا. يخبرك كم من الوقت سيحتفظ الوسط بالطاقة لك.

بالنسبة لليزرات المبدلة Q المضخوخة باستمرار، هذه هي اللعبة كلها. عمر طويل يتيح لك تجميع السكان بين النبضات وإطلاقهم في طلقة واحدة. عمر قصير يعني أن الطاقة تتسرب كتألق قبل فتح مفتاح Q الخاص بك.

يوضح Nd:YVO₄ المفاضلة بوضوح. مقطع انبعاثه أكبر بنحو خمس مرات من Nd:YAG، مما يمنحك كسبًا عاليًا وعتبة منخفضة، لكن عمره أقل من النصف. ممتاز لليزر وسم بتردد 100 كيلوهرتز. ضعيف لنبضة عالية الطاقة بتردد 10 هرتز.

العمر يقيد أيضًا طريقة الضخ. إذا كنت تستخدم ضخ QCW، فإن نبضة ضخ أطول بكثير من عمر التألق هي طاقة مهدرة: الجزء الأمامي من نبضة الضخ قد تلاشى بالتألق قبل وصول الجزء الخلفي. طابق مدة نبضة الضخ مع زمن التخزين، أو اقبل الخسارة عن علم.

النيوديميوم: ثلاثة خيارات داخل النطاق ليست قابلة للتبادل

بمجرد أن تقرر الابتعاد عن 808 نانومتر، تواجه خيارًا بين 878.6 و885 و888 نانومتر. يدرجها الموردون جنبًا إلى جنب كما لو كانت متغيرات. إنها تحل مشاكل مختلفة.

6 نانومتر يضخ Nd:YVO₄ مباشرة إلى مستوى الليزر العلوي. من بين الثلاثة، يتطلب أضيق تحكم في الطول الموجي، لأن ميزة الامتصاص التي يستهدفها ضيقة. سلسلتنا المقترنة بالألياف بطول 878.6 نانومتر محددة عند 878.1–879.1 نانومتر مع انجراف حراري قدره 0.015 نانومتر/درجة مئوية، وهو أضيق رقم في كتالوج الضخ لدينا. هذا الرقم موجود لأن التطبيق لا يمكنه تحمل أي تساهل أكبر.

885 نانومتر هو النظير لـ Nd:YAG، ويستهدف انتقال ⁴I₉/₂ إلى ⁴F₃/₂ مباشرة. نفس المنطق، مضيف مختلف.

888 نانومتر يفعل شيئًا لا يفعله الآخران. عند 888 نانومتر، يمتص Nd:YVO₄ بشكل شبه متطابق للضوء المستقطب على طول المحورين a وc. الامتصاص المستقل عن الاستقطاب يعني أنه يمكنك ضخ ضوء غير مستقطب يُسلَّم عبر الألياف إلى البلورة دون القلق بشأن الاتجاه أو إزالة الاستقطاب في ألياف التوصيل، ويظل توزيع الطاقة الممتصة متوقعًا. بالنسبة لتصميمات TEM₀₀ عالية الطاقة فإن ذلك يستحق أكثر من 0.9% الإضافية من العيب الكمي الموفر.

النمط الذي يجب قراءته هنا: الأطوال الموجية داخل النطاق تشتري هامشًا حراريًا بانضباط الطول الموجي. إذا لم يتمكن بناؤك من تثبيت الطول الموجي للديود، فإن الضخ داخل النطاق سيكون أداءه أقل من 808 نانومتر العادي.

الإتيربيوم: 915 نانومتر و976 نانومتر فلسفتان تصميميتان مختلفتان

بالنسبة لألياف المشوبة بالإيتربيوم، الخيار ليس دقيقًا، والسبب لا علاقة له بالعيب الكمي وحده.

قمة امتصاص الإيتربيوم عند 976 نانومتر طويلة وضيقة، بعرض بضعة نانومترات فقط. كتفه عند 915 نانومتر قصير وعريض، بعرض عشرات النانومترات بشكل مريح. هذا الاختلاف الوحيد يدفع كل ما يليه.

قم بإجراء الحساب الذي تتجاهله معظم أدلة الاختيار. ديود Fabry-Pérot غير المثبت ينحرف بنحو 0.35 نانومتر/درجة مئوية. عبر تأرجح 20 درجة مئوية في درجة حرارة المبرد، هذا يعني 7 نانومتر من التيه. قمة 976 نانومتر بعرض بضعة نانومترات لن تنجو ببساطة من ذلك: يبتعد الديود عن ميزة الامتصاص وتمر طاقة الضخ مباشرة عبر الألياف إلى مجرد الطلاء. نفس الانجراف البالغ 7 نانومتر على كتف 915 نانومتر يغير الامتصاص بنسبة قليلة ولا يحدث شيء سيء.

لذا فإن مضخة 976 نانومتر المثبتة ليست ميزة فاخرة. إنها متطلب. سلسلتنا A-series بطول 976 نانومتر مثبتة عند 975.5–976.5 نانومتر بعرض طيفي 0.8 نانومتر وانجراف 0.02 نانومتر/درجة مئوية، مقابل سلسلة C-series عريضة عند 973–979 نانومتر بعرض 5–6 نانومتر و0.3–0.4 نانومتر/درجة مئوية للتطبيقات التي لا تحتاج إلى القمة.

اختر بهذه الطريقة:

• 976 نانومتر مثبت عندما تكون الكفاءة وطول الامتصاص القصير أكثر أهمية من البساطة الحرارية: مذبذبات من فئة الكيلوواط، ألياف نشطة قصيرة، أنظمة ذات تحكم دقيق في المبرد.
• 915 نانومتر عندما تريد التسامح: بيئات حرارية متسامحة، أطوال امتصاص طويلة توزع الحمل الحراري على طول الألياف، تشغيل بدون TEC، وتكلفة أقل لكل واط.

خيار 915 نانومتر يستحق ائتمانًا أكثر مما يحصل عليه عادةً. نشر امتصاص الضخ على ألياف أطول يقلل الحمل الحراري الأقصى لكل وحدة طول، وهو بالضبط ما تريده عندما يكون عدم استقرار الوضع العرضي هو سقفك بدلاً من الكفاءة الخام.

الثوليوم عند 793 نانومتر: حيث يكذب رقم العيب الكمي عليك

إذا أخذت الصيغة حرفيًا، فإن ضخ ليزر ثوليوم بطول 1940 نانومتر عند 793 نانومتر يبدو فظيعًا. العيب الكمي يقارب 59%. على الورق يجب أن تحترق البلورة.

لا يحدث ذلك بسبب الاسترخاء المتقاطع. يمكن لفوتون واحد ممتص عند 793 نانومتر أن ينتج أيونين مثارين في نطاق الليزر العلوي، مما يدفع الكفاءة الكمية نحو 200% ويقلل الكسر الحراري الفعال إلى شيء أقرب إلى 18%. هذه حالة يتفوق فيها هيكل مستويات الطاقة على حساب الطول الموجي، ولهذا يظل 793 نانومتر هو الضخ القياسي لألياف المشوبة بالثوليوم على الرغم من الأرقام الخام.

راقب مواصفة الانعكاس الخلفي هنا. أنظمة الثوليوم ترسل ضوء 2 ميكرومتر مرة أخرى عبر ألياف التوصيل، ووحدة ضخ بدون عزل في نطاق 1850–2100 نانومتر ستتدهور. وحداتنا بطول 792 و793 نانومتر تحمل هذا العزل لهذا السبب بالضبط. إنه نوع البند الذي لا يظهر أبدًا في جدول مقارنة الأطوال الموجية لكنه ينهي الضمانات.

زجاج الإربيوم عند 1535 نانومتر: دفع عيب كبير عن قصد

ضخ مصدر زجاج الإربيوم عند 976 نانومتر للانبعاث عند 1535 نانومتر يعني قبول عيب كمي بنسبة 36%. لا يوجد بديل داخل النطاق يصلحه على هذا المستوى.

أنت تتحمل الخسارة لأن 1535 نانومتر يقع في النطاق الآمن للعين وفق IEC 60825، حيث يكون الحد الأقصى للتعرض المسموح به أعلى بمراتب من 1064 نانومتر. بالنسبة لمحدد المدى المحمول باليد أو المثبت على طائرة بدون طيار، فإن هذا التصنيف هو متطلب المنتج. الكفاءة قابلة للتفاوض؛ أما سلامة العين فلا.

عمر الفلورة هو ما يجعل هذه المقايضة قابلة للاستمرار. يحتفظ الإربيوم في الزجاج بالطاقة لمدى ميلي ثانية بدلاً من ميكروثانية، لذا يمكن لصمام ضخ صغير منخفض القدرة المتوسطة أن يملأ الوسط ببطء ويمكن لمفتاح Q أن يحررها كنبضة من فئة الميلي جول. سلوك التخزين هذا هو السبب في أن محدد مدى 5 كم يتسع في راحة اليد.

قراءة ورقة بيانات دايود المضخة بتشكك

أربعة أسطر تحدد ما إذا كانت وحدة الضخ ستفعل في نظامك ما فعلته على طاولة المورد.

مواصفة الانحراف، وليس الطول الموجي المركزي. يُقاس الطول الموجي المركزي عند درجة حرارة واحدة للعلبة. اضرب معامل الانحراف في نافذة التشغيل الفعلية لديك وانظر أين يقع الطول الموجي عند كلا الطرفين. إذا كانت النتيجة تخرج عن سمة الامتصاص، فإن الطول الموجي المركزي لم يكن الرقم ذا الصلة أبداً.

نطاق القدرة الذي يصمد فيه القفل. عادةً ما تضمن الوحدات المثبتة طولياً القفل بين حوالي 30% و100% من القدرة المقدرة. تحت هذا الحد يمكن أن يتوقف المحزوز عن السيطرة ويعود الصمام إلى سلوك التشغيل الحر. إذا كان نظامك يخفت الضخ أثناء الإحماء أو الاستعداد، فتحقق مما يحدث هناك.

نطاق عزل الانعكاس الخلفي. اسأل عن الأطوال الموجية المعزولة، وليس عما إذا كان العزل موجوداً. يحتاج ضخ 808 نانومتر لـ Nd إلى حماية حول 1030–1200 نانومتر. ويحتاج ضخ الثوليوم إلى 1850–2100 نانومتر. إنهما ليسا القطعة نفسها.

قطر القلب وNA مقابل الاقتران الفعلي لديك. قلب 200 ميكرومتر عند 0.22 NA وقلب 105 ميكرومتر عند القدرة نفسها هما شعاعان مختلفان يدخلان بلورتك. القلب الأصغر يركز شدة الضخ، مما يرفع الكسب ويرفع أيضاً التدرج الحراري الموضعي. طابقه مع النمط الذي تحاول ضخه، وليس مع أي منهما هو المتوفر في المخزون.

كيف نتعامل مع هذا

نحن نبني مصادر ضخ لأشخاص يصممون ليزراً، لا يشترون واحداً جاهزاً، لذا تبدأ المحادثة عادةً بوسط الكسب بدلاً من رقم قطعة. أي مضيف، أي تشويب، أي صيغة نبض، أي نطاق مبرد. الطول الموجي ينتج من تلك الإجابات.

المواصفات التي تجعل الضخ داخل النطاق يعمل هي نتائج تصنيعية، وليست ادعاءات تسويقية. رقم انحراف 0.015 نانومتر/°س يعتمد على كيفية تثبيت المحزوز وكيفية إحكام العلبة. يتضمن خط إنتاجنا فحص الواردات، واختبار الشريحة، وربط القالب، واقتران الألياف والمحاذاة، واللحام المحيطي المحكم، ثم الفرز بالإحراق ودورات الحرارة الكاملة قبل الاختبار النهائي. يتم فرز إخفاقات الحياة المبكرة على أنظمة تعتيق COS بدلاً من اكتشافها في وحداتك الميدانية. هذا ما يقف خلف مواصفة طول موجي مقفلة.

إذا كنت لا تزال تقرر، فإن صفحة حلول الضخ بالليزر تربط عائلات الأطوال الموجية بأوساط الكسب وفئات الأنظمة النموذجية.

ترتيب عملي للخطوات

1. حدد وسط الكسب وطول الموجة الخرج أولاً. كل شيء آخر يتبع.
2. احسب العيب الكمي لكل طول موجة ضخ مرشح. لاحظ فرق الكسر الحراري بالواط، وليس بالنسبة المئوية، عند قدرة التصميم لديك.
3. تحقق من عمر الفلورة مقابل صيغة النبض لديك. تأكد من أن مدة نبضة الضخ ومعدل التكرار منطقيان مقابل زمن التخزين.
4. ابحث عن عرض نطاق الامتصاص للسمة الهدف. قارنه بانحراف الصمام عبر نافذة الحرارة الحقيقية لديك.
5. قرر ما إذا كان بإمكانك استيعاب طول الامتصاص الأطول الذي يتطلبه الضخ داخل النطاق. إذا لم تستطع إطالة البلورة أو رفع التشويب، فابقَ عند 808 نانومتر وتحكم في الحرارة.
6. حدد نطاق العزل، ونطاق القفل، والقلب، وNA قبل طلب عرض سعر.

الأسئلة الشائعة

ما هو العيب الكمي في الليزر؟

العيب الكمي هو الجزء من طاقة فوتون الضخ المفقود كحرارة بدلاً من تحويله إلى خرج ليزر، ويُحسب كـ 1 − λ_pump/λ_laser. ضخ Nd:YAG عند 808 نانومتر لخرج 1064 نانومتر يعطي 24%. وضخ الخرج نفسه عند 888 نانومتر يعطي 16.5%. يظهر الفرق مباشرة كحمل حراري منخفض في البلورة.

لماذا استخدام 888 نانومتر بدلاً من 808 نانومتر لـ Nd:YVO₄؟

ثلاثة أسباب: حوالي ثلث أقل من الحرارة المتولدة في البلورة، امتصاص شبه مستقل عن الاستقطاب بحيث يعمل ضوء المضخة الليفي غير المستقطب بشكل متوقع، وامتصاص أضعف يسمح ببلورات أطول مع تدرجات حرارية ألطف. الثمن هو متطلب طول موجي أدق وعنصر كسب أطول.

هل 915 نانومتر أم 976 نانومتر أفضل لضخ ألياف الإيتربيوم؟

لا أحدهما أفضل عالمياً. يعطي 976 نانومتر كفاءة أعلى وطول امتصاص أقصر لكنه يحتاج صماماً مثبتاً طولياً لأن قمة امتصاص Yb هناك بعرض بضعة نانومترات فقط. يمتص 915 نانومتر بشكل أضعف عبر نطاق أوسع بكثير، ويتحمل الانحراف الحراري، ويوزع الحرارة على طول ليف أطول.

ماذا يخبرك عمر التألق عن وسط الكسب؟

يخبرك كم من الوقت يخزن الوسط الطاقة قبل أن يحررها الانبعاث التلقائي. الأعمار الطويلة مثل زجاج الإربيوم في مدى الميلي ثانية تدعم طاقة نبضة عالية من قدرة ضخ متواضعة. الأعمار القصيرة مثل Nd:YVO₄ عند 90–100 ميكروثانية تفضل معدل تكرار عالٍ على طاقة عالية لكل نبضة.

هل أحتاج إلى صمام ثنائي مضخة مثبت الطول الموجي؟

تحتاج إلى واحد كلما كانت ميزة الامتصاص التي تستهدفها أضيق من انزياح الطول الموجي عبر نطاق درجة حرارة التشغيل لديك. اضرب معامل الانجراف في نافذة درجة الحرارة الخاصة بك أولاً. ضخ النيوديميوم داخل النطاق وضخ الإيتربيوم عند 976 نانومتر يتطلبان دائمًا تقريبًا تثبيتًا؛ بينما 808 نانومتر و915 نانومتر غالبًا لا يتطلبان ذلك.

هل يعني انخفاض عيب الكم دائمًا كفاءة أعلى؟

لا. انخفاض عيب الكم يقلل الكسر الحراري، لكن إذا كان الامتصاص الأضعف عند ذلك الطول الموجي يترك ضوء المضخة غير ممتص، فقد تنخفض الكفاءة الكلية. الثوليوم عند 793 نانومتر يُظهر الحالة العكسية: عيب كمي كبير يقابله استرخاء متقاطع ينتج أيونين مثارين لكل فوتون مضخة.

الخطوة التالية

أرسل لنا وسط الكسب، وطول الموجة الخرج الهدف، وصيغة النبض، ونطاق درجة حرارة المبرد. سيعود مهندسونا بخيارات الأطوال الموجية التي تناسب فعلاً، بما في ذلك تلك التي لا نبيعها إذا كان ذلك هو الجواب الصحيح. ابدأ محادثة تقنية.

المراجع

1. موسوعة RP Photonics — التألق
2. موسوعة RP Photonics — الضخ داخل النطاق و عمر الحالة العليا
3. ماكدوناغ، كنابي وآخرون، “ضخ 888 نانومتر لـ Nd:YVO₄ من أجل ليزرات TEM₀₀ عالية القدرة وعالية الكفاءة”، Proc. SPIE 6451 (2007)
4. Laser Focus World — عزز ليزر DPSS المطعم بالنيوديميوم بمضخة ذات طول موجة أطول
5. IEC 60825-1، سلامة منتجات الليزر — تصنيف المعدات والمتطلبات