Trong lĩnh vực laser công suất cao, thanh laser là thành phần cốt lõi không thể thiếu. Chúng không chỉ đóng vai trò là đơn vị cơ bản của năng lượng đầu ra mà còn thể hiện độ chính xác và tính tích hợp của kỹ thuật quang điện tử hiện đại.—mang lại cho chúng biệt danh: "động cơ" của hệ thống laser. Nhưng cấu trúc của thanh laser chính xác là gì, và làm thế nào nó có thể tạo ra hàng chục, thậm chí hàng trăm watt công suất đầu ra chỉ từ kích thước vài milimet? Bài viết này khám phá kiến trúc bên trong và bí mật kỹ thuật đằng sau các thanh laser.
1. Thanh Laser là gì?
Thanh laser là một thiết bị phát xạ công suất cao bao gồm nhiều chip diode laser được sắp xếp theo chiều ngang trên một đế duy nhất. Mặc dù nguyên lý hoạt động của nó tương tự như laser bán dẫn đơn, thanh laser này sử dụng bố cục đa bộ phát để đạt được công suất quang học cao hơn và kích thước nhỏ gọn hơn.
Thanh laser được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, y tế, khoa học và quốc phòng, có thể là nguồn laser trực tiếp hoặc nguồn bơm cho laser sợi quang và laser thể rắn.
2. Cấu tạo của thanh laser
Cấu trúc bên trong của thanh laser quyết định trực tiếp hiệu suất của nó. Nó chủ yếu bao gồm các thành phần cốt lõi sau:
①Mảng phát xạ
Thanh laser thường bao gồm 10 đến 100 bộ phát (khoang laser) được sắp xếp cạnh nhau. Mỗi bộ phát có kích thước khoảng 50–150μ1 m rộng và hoạt động như một vùng khuếch đại độc lập, có tiếp giáp PN, khoang cộng hưởng và cấu trúc ống dẫn sóng để tạo ra và phát ra ánh sáng laser. Mặc dù tất cả các bộ phát đều dùng chung một đế, nhưng chúng thường được điều khiển bằng điện song song hoặc theo vùng.
②Cấu trúc lớp bán dẫn
Phần lõi của thanh laser là một chồng các lớp bán dẫn, bao gồm:
- Lớp epitaxy loại P và loại N (tạo thành mối nối PN)
- Lớp hoạt động (ví dụ, cấu trúc giếng lượng tử), tạo ra phát xạ kích thích
- Lớp dẫn sóng, đảm bảo điều khiển chế độ theo hướng ngang và hướng dọc
- Bộ phản xạ Bragg hoặc lớp phủ HR/AR, giúp tăng cường đầu ra định hướng của tia laser
③Cấu trúc quản lý nhiệt và chất nền
Các bộ phát được lắp trên một đế bán dẫn nguyên khối (thường là GaAs). Để tản nhiệt hiệu quả, thanh laser được hàn vào các đế phụ dẫn điện cao như đồng, hợp kim W-Cu hoặc kim cương CVD, và được kết hợp với bộ tản nhiệt và hệ thống làm mát chủ động.
④Hệ thống bề mặt phát xạ và chuẩn trực
Do góc phân kỳ lớn của các chùm tia phát ra, các thanh laser thường được trang bị các mảng thấu kính siêu nhỏ (FAC/SAC) để chuẩn trực và định hình chùm tia. Đối với một số ứng dụng nhất định, cần bổ sung thêm các hệ thống quang học—chẳng hạn như thấu kính hình trụ hoặc lăng kính—được sử dụng để kiểm soát độ phân kỳ trường xa và chất lượng chùm tia.
3. Các yếu tố cấu trúc chính ảnh hưởng đến hiệu suất
Cấu trúc của thanh laser đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định độ ổn định, hiệu suất và tuổi thọ của nó. Một số khía cạnh chính bao gồm:
①Thiết kế quản lý nhiệt
Thanh laser có mật độ công suất cao và nhiệt tập trung. Điện trở nhiệt thấp là yếu tố thiết yếu, đạt được thông qua hàn AuSn hoặc liên kết indi, kết hợp với làm mát vi kênh để tản nhiệt đồng đều.
②Định hình và căn chỉnh chùm tia
Nhiều bộ phát thường gặp phải tình trạng kết hợp kém và lệch mặt sóng. Thiết kế và căn chỉnh thấu kính chính xác là yếu tố then chốt để cải thiện chất lượng chùm tia trường xa.
③Kiểm soát ứng suất và độ tin cậy
Sự không phù hợp về hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu có thể dẫn đến cong vênh hoặc nứt nhỏ. Bao bì phải được thiết kế để phân bổ đều ứng suất cơ học và chịu được chu kỳ nhiệt mà không bị suy giảm chất lượng.
4. Xu hướng tương lai trong thiết kế thanh laser
Khi nhu cầu về công suất cao hơn, kích thước nhỏ hơn và độ tin cậy cao hơn ngày càng tăng, các cấu trúc thanh laser tiếp tục phát triển. Các hướng phát triển chính bao gồm:
①Sự mở rộng bước sóng: Mở rộng đến 1,5μdải hồng ngoại m và trung bình
②Thu nhỏ: Cho phép sử dụng trong các thiết bị nhỏ gọn và các mô-đun tích hợp cao
③Bao bì thông minh: Kết hợp cảm biến nhiệt độ và hệ thống phản hồi trạng thái
④Xếp chồng mật độ cao: Mảng phân lớp để đạt được công suất đầu ra ở mức kilowatt trong một diện tích nhỏ gọn
5. Kết luận
Như“trái tim"Trong số các hệ thống laser công suất cao, thiết kế cấu trúc của các thanh laser ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quang học, điện và nhiệt của toàn bộ hệ thống. Việc tích hợp hàng chục bộ phát laser vào một cấu trúc chỉ rộng vài milimét không chỉ thể hiện kỹ thuật chế tạo và vật liệu tiên tiến mà còn thể hiện mức độ tích hợp cao trong công nghệ hiện đại.'ngành công nghiệp quang tử.
Nhìn về phía trước, khi nhu cầu về nguồn laser hiệu quả và đáng tin cậy tiếp tục tăng, những cải tiến trong cấu trúc thanh laser sẽ vẫn là động lực chính thúc đẩy ngành công nghiệp laser lên tầm cao mới.
Nếu bạn'Nếu bạn đang tìm kiếm sự hỗ trợ chuyên môn về đóng gói thanh laser, quản lý nhiệt hoặc lựa chọn sản phẩm, vui lòng liên hệ với chúng tôi. Chúng tôi'Chúng tôi ở đây để cung cấp các giải pháp phù hợp với nhu cầu ứng dụng cụ thể của bạn.
Thời gian đăng: 02-07-2025