تلف بصري كارثي

يُعدّ التلف البصري الكارثي ( COD )، أو التلف البصري الكارثي للمرآة ( COMD )، أحد أنماط تعطل ليزرات أشباه الموصلات عالية الطاقة . يحدث هذا التلف عندما تتعرض وصلة أشباه الموصلات لحمل زائد نتيجة تجاوز كثافة الطاقة المحددة لها ، مما يؤدي إلى امتصاص كمية كبيرة من طاقة الضوء المُنتَجة، وبالتالي انصهار وإعادة تبلور مادة أشباه الموصلات عند أسطح الليزر. ويُشار إلى هذه الظاهرة عادةً باسم "احتراق الصمام الثنائي". تحتوي المنطقة المتضررة على عدد كبير من عيوب الشبكة البلورية ، مما يؤثر سلبًا على أداء الليزر. إذا كانت المنطقة المتضررة كبيرة بما يكفي، فيمكن ملاحظتها تحت المجهر الضوئي على شكل اسمرار سطح الليزر، و/أو وجود شقوق وأخاديد. يمكن أن يحدث التلف خلال نبضة ليزر واحدة، في أقل من جزء من الألف من الثانية. ويتناسب زمن حدوث التلف البصري الكارثي عكسيًا مع كثافة الطاقة.

يُعد التلف البصري الكارثي أحد العوامل المحددة لزيادة أداء ليزرات أشباه الموصلات. وهو نمط الفشل الرئيسي لليزر الأحمر AlGaInP / AlGaAs . ^{[ 1 ]}

تُعد أشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير أكثر عرضة لظاهرة التشويش الضوئي من أشعة الليزر ذات الطول الموجي الطويل.

تتراوح القيم النموذجية لـ COD في المنتجات الصناعية بين 12 و 20 ميجاوات / سم ² .

عند حافة ليزر الديود، حيث ينبعث الضوء، تُشكَّل المرآة تقليديًا عن طريق شطر رقاقة أشباه الموصلات لتكوين سطح عاكس منتظم . يُسهِّل هذا الأسلوب ضعفُ المستوى البلوري [ 110 ] في بلورات أشباه الموصلات من النوع III-V (مثل GaAs و InP و GaSb وغيرها) مقارنةً بالمستويات الأخرى. يؤدي خدشٌ على حافة الرقاقة وقوة انحناء طفيفة إلى تكوين سطح شطر شبه مثالي يشبه المرآة على المستوى الذري، وينتشر في خط مستقيم عبر الرقاقة.

لكن من المصادفة أن تتغير الحالات الذرية عند مستوى الانفلاق (مقارنةً بخصائصها داخل البلورة) نتيجةً لانتهاء الشبكة الدورية تمامًا عند ذلك المستوى. وتمتلك حالات السطح عند مستوى الانفلاق مستويات طاقة تقع ضمن فجوة النطاق (المحظورة في الأحوال العادية) لأشباه الموصلات.

يؤدي امتصاص الضوء إلى توليد أزواج الإلكترون-فجوة. قد ينتج عن ذلك كسر الروابط الكيميائية على سطح البلورة، متبوعًا بالأكسدة ، أو إطلاق الحرارة عن طريق إعادة التركيب غير الإشعاعي . يُظهر السطح المؤكسد امتصاصًا متزايدًا لضوء الليزر، مما يُسرّع من تدهوره. تُعدّ الأكسدة مشكلةً خاصةً لطبقات أشباه الموصلات التي تحتوي على الألومنيوم. ^{[ 2 ]}

نتيجةً لذلك، عندما ينتشر الضوء عبر مستوى الانقسام وينتقل إلى الفضاء الحر من داخل بلورة أشباه الموصلات، يمتص جزء من طاقة الضوء بواسطة حالات السطح، حيث تتحول إلى حرارة بفعل تفاعلات الفونون والإلكترون . يؤدي هذا إلى تسخين المرآة المشقوقة. إضافةً إلى ذلك، قد تسخن المرآة ببساطة لأن حافة ليزر الصمام الثنائي - الذي يُضخ كهربائيًا - لا تتلامس بشكل كامل مع الحامل الذي يوفر مسارًا لتبديد الحرارة. يتسبب تسخين المرآة في انكماش فجوة الطاقة لأشباه الموصلات في المناطق الأكثر سخونة. يؤدي انكماش فجوة الطاقة إلى محاذاة المزيد من انتقالات الإلكترونات بين نطاقات الطاقة مع طاقة الفوتون ، مما يتسبب في مزيد من الامتصاص. يُعرف هذا بالهروب الحراري ، وهو شكل من أشكال التغذية الراجعة الإيجابية ، وقد ينتج عنه انصهار السطح، وهو ما يُعرف بالتلف البصري الكارثي .

يؤدي تدهور أسطح الليزر مع مرور الوقت وتأثيرات البيئة (التآكل بفعل الماء والأكسجين، إلخ) إلى زيادة امتصاص الضوء من قبل السطح، وانخفاض عتبة الانهيار الضوئي. وبالتالي، قد يحدث عطل كارثي مفاجئ لليزر بسبب الانهيار الضوئي بعد آلاف الساعات من التشغيل. ^{[ 3 ]}

إحدى طرق زيادة عتبة COD في هياكل ليزر AlGaInP هي المعالجة بالكبريت ، والتي تستبدل الأكاسيد الموجودة على سطح الليزر بزجاج الكالكوجينيد . ^{[ 4 ]} هذا يقلل من سرعة إعادة التركيب لحالات السطح. ^{[ 2 ]}

يمكن أيضًا تحقيق تقليل سرعة إعادة التركيب لحالات السطح عن طريق شطر البلورات في فراغ فائق الارتفاع والترسيب الفوري لطبقة تخميل مناسبة. ^{[ 2 ]}

يمكن ترسيب طبقة رقيقة من الألومنيوم على السطح لامتصاص الأكسجين . ^{[ 2 ]}

ثمة نهج آخر يتمثل في تطعيم السطح، مما يزيد من فجوة النطاق ويقلل من امتصاص الطول الموجي لليزر، ويؤدي إلى إزاحة الحد الأقصى للامتصاص عدة نانومترات لأعلى. ^{[ 2 ]}

يمكن تجنب ازدحام التيار بالقرب من منطقة المرآة عن طريق منع حقن حاملات الشحنة بالقرب من هذه المنطقة. ويتحقق ذلك بترسيب الأقطاب الكهربائية بعيدًا عن المرآة، بمسافة لا تقل عن عدة مسافات انتشار حاملات الشحنة. ^{[ 2 ]}

يمكن تقليل كثافة الطاقة على السطح باستخدام موجه موجي يعمل على توسيع التجويف البصري ، مما يسمح بخروج نفس كمية الطاقة عبر مساحة أكبر. وبات من الممكن الآن تحقيق كثافة طاقة تتراوح بين 15 و20 ميجاواط/سم²، ^أي ما يعادل 100  ميلي واط لكل ميكرومتر من عرض الشريط. ويمكن استخدام شريط ليزر أعرض للحصول على قدرة خرج أعلى، ولكن على حساب تذبذبات النمط المستعرض ، وبالتالي تدهور جودة الحزمة الطيفية والمكانية. ^{[ 2 ]}

في سبعينيات القرن الماضي، تم تحديد هذه المشكلة، التي تُعدّ مُعقّدة بشكل خاص بالنسبة لأشعة الليزر القائمة على زرنيخيد الغاليوم (GaAs) التي تُصدر أطوال موجية تتراوح بين 1  ميكرومتر و0.630  ميكرومتر (وأقلّ حدّة بالنسبة لأشعة الليزر القائمة على فوسفيد الإنديوم (InP) المستخدمة في الاتصالات بعيدة المدى والتي تُصدر أطوال موجية تتراوح بين 1.3  ميكرومتر و2  ميكرومتر). وقد ابتكر مايكل إيتنبرغ، الباحث ونائب الرئيس لاحقًا في مركز ديفيد سارنوف للأبحاث التابع لمختبرات آر سي إيه في برينستون، نيو جيرسي ، حلًا لها. يتمثل هذا الحل في ترسيب طبقة رقيقة من أكسيد الألومنيوم على سطح الليزر. وإذا تم اختيار سُمك طبقة أكسيد الألومنيوم بشكل صحيح، فإنها تعمل كطبقة مضادة للانعكاس ، مما يُقلل من الانعكاس على السطح. وقد ساهم ذلك في تخفيف التسخين وتشتت الضوء عند سطح الليزر.

ومنذ ذلك الحين، تم استخدام العديد من التحسينات الأخرى. يتمثل أحد الأساليب في إنشاء ما يُسمى بالمرآة غير الماصة (NAM) بحيث تكون آخر 10  ميكرومترات تقريبًا قبل انبعاث الضوء من السطح المشقوق غير ماصة عند الطول الموجي المطلوب. تُسمى هذه الليزرات ليزرات النافذة .

في أوائل التسعينيات، بدأت شركة SDL بتوريد ليزرات ثنائية عالية الطاقة ذات خصائص موثوقية جيدة. وقدّم الرئيس التنفيذي دونالد سيفريس والمدير التقني ديفيد ويلش بيانات جديدة حول أداء الموثوقية في مؤتمرات SPIE Photonics West، على سبيل المثال، في تلك الفترة. واعتُبرت الطرق التي استخدمتها SDL للتغلب على تقنية COD سرية للغاية، ولم يتم الكشف عنها علنًا حتى يونيو 2006.

في منتصف التسعينيات، أعلنت شركة أبحاث آي بي إم (روشليكون، سويسرا ) أنها ابتكرت ما يُسمى "عملية E2" التي منحت الليزر القائم على زرنيخيد الغاليوم مقاومة استثنائية لظاهرة التشويه البصري. وحتى يونيو 2006، لم يتم الكشف عن هذه العملية.

رسالة ماجستير حول ظاهرة التشويش الضوئي في ليزرات الصمام الثنائي عالية الطاقة من عام 2013