ليزر الحالة الصلبة المضخّم بالديود

الليزر ذو الحالة الصلبة المضخ بواسطة الصمام الثنائي ( DPSSL ) هو ليزر ذو حالة صلبة مصنوع عن طريق ضخ وسط كسب صلب ، على سبيل المثال، الياقوت أو بلورة YAG المشوبة بالنيوديميوم ، بواسطة صمام ثنائي ليزري .

تتمتع ليزرات DPSSL بمزايا في صغر الحجم والكفاءة مقارنة بالأنواع الأخرى، وقد حلت ليزرات DPSSL عالية الطاقة محل ليزرات الأيونات والليزر المضخ بواسطة مصباح الوميض في العديد من التطبيقات العلمية، وتظهر الآن بشكل شائع في مؤشرات الليزر الخضراء وغيرها من مؤشرات الليزر الملونة .

يتم ضبط الطول الموجي لثنائيات الليزر عن طريق درجة الحرارة لتحقيق التوازن الأمثل بين معامل الامتصاص في البلورة وكفاءة الطاقة (أقل طاقة ممكنة لفوتون الضخ). وبما أن الطاقة المهدرة محدودة بواسطة العدسة الحرارية، فإن هذا يعني كثافة طاقة أعلى مقارنةً بمصابيح التفريغ عالية الكثافة .

تستخدم الليزرات عالية الطاقة بلورة واحدة، لكن العديد من ثنائيات الليزر تُرتّب في شرائح (ثنائيات متعددة متجاورة على ركيزة واحدة) أو في رُزم (رُزم من الركائز). يمكن تصوير شبكة الثنائيات هذه على البلورة باستخدام عدسة . ويتحقق سطوع أعلى (مما يؤدي إلى تحسين شكل الشعاع وإطالة عمر الثنائيات) عن طريق إزالة المناطق المظلمة بين الثنائيات بصريًا، وهي ضرورية للتبريد وتوصيل التيار. ويتم ذلك على مرحلتين:

1. يتم تجميع "المحور السريع" بواسطة شبكة محاذية من العدسات الدقيقة الأسطوانية .
2. ثم تُصوَّر الحزم الضوئية المتوازية جزئيًا بحجم مصغر داخل البلورة. ويمكن ضخ البلورة طوليًا من كلا وجهيها النهائيين أو عرضيًا من ثلاثة جوانب أو أكثر.

يمكن أيضًا دمج الحزم الضوئية الصادرة من عدة ثنائيات ضوئية عن طريق توصيل كل ثنائي بليف بصري ، يوضع بدقة فوق الثنائي (ولكن خلف العدسة المجهرية). عند الطرف الآخر لحزمة الألياف، تُدمج الألياف معًا لتشكيل شكل دائري منتظم ومتجانس على البلورة. وهذا يسمح أيضًا باستخدام مصدر طاقة خارجي.

أكثر أنواع ليزر DPSSL شيوعًا هو مؤشر الليزر الأخضر بطول موجي  532 نانومتر . يقوم صمام ليزر GaAlAs بالأشعة تحت الحمراء ذو ​​قدرة عالية (>200 ميلي واط ) بطول موجي 808 نانومتر بضخ بلورة من غارنيت الألومنيوم الإيتريوم المطعّم بالنيوديميوم (Nd:YAG) أو بلورة من أورثوفانادات الإيتريوم المطعّم بالنيوديميوم (Nd:YVO4 ₎ ، مما ينتج ضوءًا بطول موجي 1064 نانومتر ناتجًا عن الانتقال الطيفي الرئيسي لأيون النيوديميوم . ثم يُضاعف تردد هذا الضوء باستخدام عملية بصرية غير خطية في بلورة KTP ، لينتج ضوءًا بطول موجي 532 نانومتر. تتراوح كفاءة ليزرات DPSSL الخضراء عادةً حول 20%، مع أن بعضها قد يصل إلى 35%. بمعنى آخر، من المتوقع أن يُخرج ليزر DPSSL أخضر يستخدم صمام ضخ بقدرة 2.5 واط ضوءًا بطول موجي 532 نانومتر بقدرة تتراوح بين 500 و900 ميلي واط .     

في الظروف المثلى، تبلغ كفاءة تحويل Nd:YVO _{4 نسبة 60%،} ^{[ 1 ]} بينما تبلغ كفاءة تحويل KTP نسبة 80%. ^{[ 2 ]} بعبارة أخرى، يمكن نظرياً أن تصل الكفاءة الإجمالية لمصباح DPSSL الأخضر إلى 48%.

في نطاق القدرات العالية جدًا، تصبح بلورة KTP عرضةً للتلف الضوئي. لذا، تتميز ليزرات DPSSL عالية القدرة عمومًا بقطر شعاع أكبر، حيث  يتمدد شعاع الليزر بطول موجة 1064 نانومتر قبل وصوله إلى بلورة KTP، مما يقلل من شدة الإشعاع الناتج عن الأشعة تحت الحمراء. وللحفاظ على قطر شعاع أصغر، تُستخدم بلورة ذات عتبة تلف أعلى، مثل بلورة ثلاثي بورات الليثيوم (LBO).

تستخدم ليزرات DPSSL الزرقاء عمليةً متطابقةً تقريبًا، باستثناء أن  الضوء بطول موجي 808 نانومتر يُحوَّل بواسطة بلورة Nd:YAG إلى  ضوء بطول موجي 946 نانومتر (عن طريق اختيار هذا الخط الطيفي غير الرئيسي للنيوديميوم في نفس البلورات المُطعَّمة بالنيوديميوم)، والذي يُضاعف تردده بعد ذلك إلى 473  نانومتر بواسطة بلورة بيتا بورات الباريوم (BBO) أو بلورة LBO. ونظرًا لانخفاض كسب هذه المواد، فإن الليزرات الزرقاء ضعيفة نسبيًا، وتتراوح كفاءتها بين 3 و5% فقط. في أواخر العقد الأول من الألفية الثانية، اكتُشف أن بلورات ثلاثي بورات البزموت (BiBO) أكثر كفاءةً من BBO أو LBO في توليد التوافقي الثاني في الليزرات ذات النمط المُقفل، كما أنها لا تعاني من عيب استرطابية البلورة ^{[ 3 ]،} التي تُؤدي إلى تدهورها عند تعرضها للرطوبة. مع ذلك، في تطبيقات الليزر ذي الموجة المستمرة، قد تُظهر بلورات BiBO عدم استقرار يُؤدي إلى تدهور أدائها ^{[ 4 ] .}

تستخدم مصابيح DPSSL الصفراء عملية أكثر تعقيدًا:  حيث يُستخدم صمام ثنائي ضخ بطول موجي 808 نانومتر لتوليد ضوء بطول موجي 1064  نانومتر و1342  نانومتر، يتم جمعهما بالتوازي ليصبحا بطول موجي 593.5  نانومتر. ونظرًا لتعقيدها، فإن كفاءة معظم مصابيح DPSSL الصفراء لا تتجاوز 1%، وعادةً ما تكون أغلى ثمنًا لكل وحدة طاقة.

ثمة طريقة أخرى تتمثل في توليد  ضوء بطول موجي 1064 و1319 نانومتر، يتم جمعهما للحصول على 589  نانومتر. ^{[ 5 ]} هذه العملية أكثر كفاءة، حيث يتم تحويل حوالي 3% من طاقة صمام الضخ الثنائي إلى ضوء أصفر. ^{[ 6 ]}

تُعد ليزرات الحالة الصلبة ذات الطور المزدوج (DPSSLs) وليزر الديود من أكثر أنواع ليزرات الحالة الصلبة شيوعاً. ومع ذلك، لكل نوع مزاياه وعيوبه.

تتميز ليزرات DPSSL عمومًا بجودة شعاع أعلى، ويمكنها الوصول إلى قدرات عالية جدًا مع الحفاظ على جودة شعاع جيدة نسبيًا. ولأن البلورة التي يضخها الصمام الثنائي تعمل كليزر مستقل، فإن جودة شعاع الخرج مستقلة عن جودة شعاع الدخل. في المقابل، لا يمكن لليزر الصمام الثنائي الوصول إلا إلى بضع مئات من الميلي واط ما لم يعمل في وضع عرضي متعدد. تتميز هذه الليزرات متعددة الأوضاع بقطر شعاع أكبر وتباعد أكبر، مما يجعلها غالبًا أقل تفضيلًا. في الواقع، يُعد التشغيل أحادي الوضع ضروريًا في بعض التطبيقات، مثل محركات الأقراص الضوئية . ^{[ 7 ]}

من ناحية أخرى، تُعدّ ليزرات الديود أرخص وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. ولأن بلورات ليزر الديود ذات الطور الصلب (DPSSL) لا تصل كفاءتها إلى 100%، فإن جزءًا من الطاقة يُفقد عند تحويل التردد. كما أن ليزرات الديود ذات الطور الصلب أكثر حساسية لدرجة الحرارة، ولا يمكنها العمل بكفاءة مثالية إلا ضمن نطاق ضيق. وإلا، سيعاني الليزر من مشاكل في الاستقرار، مثل التذبذب بين الأنماط وتقلبات كبيرة في طاقة الخرج. وتتطلب ليزرات الديود ذات الطور الصلب أيضًا تصميمًا أكثر تعقيدًا.

يمكن أيضًا تعديل ليزرات الديود بدقة بتردد أعلى من ليزرات DPSSL.

لا تزال ليزرات الحالة الصلبة المشوبة بالنيوديميوم الخيار الأمثل لمصادر الليزر في التطبيقات الصناعية. يوفر الضخ المباشر لمستوى ليزر النيوديميوم العلوي عند 885 نانومتر (بدلاً من النطاق العريض التقليدي عند 808 نانومتر) إمكانية تحسين الأداء من خلال تقليل العيب الكمي لليزر، مما يُحسّن كفاءة النظام، ويقلل متطلبات التبريد، ويُمكّن من زيادة قدرة ليزر TEM00. نظرًا لضيق نطاق امتصاص 885 نانومتر في ليزر Nd:YAG، قد تستفيد بعض الأنظمة من استخدام مصادر ضخ ثنائية مُقفلة الطول الموجي، والتي تعمل على تضييق نطاق طيف انبعاث الضخ وتثبيته للحفاظ على توافقه مع نطاق الامتصاص هذا. حتى الآن، لم تُطبّق على نطاق واسع أنظمة قفل ليزر الثنائيات عالية القدرة، مثل محززات براغ ذات التغذية الراجعة الموزعة الداخلية وبصريات محززات الهولوغرام الحجمية المُحاذية خارجيًا (VHG)، نظرًا لارتفاع التكلفة وانخفاض الأداء المتوقع لهذه التقنية. مع ذلك، فإن التطورات الحديثة في تصنيع مصادر ضخ الصمام الثنائي المستقرة، والتي تستخدم تثبيت الطول الموجي الخارجي، توفر الآن خصائص طيفية محسّنة مع تأثير ضئيل أو معدوم على القدرة والكفاءة. ^{[ 8 ]} تشمل فوائد هذا النهج تحسينات في كفاءة الليزر، وعرض الخط الطيفي، وكفاءة الضخ.

• أسئلة وأجوبة سام حول الليزر