لماذا تتلاشى قوة الليزر؟

يُعدّ انخفاض طاقة الليزر ظاهرة شائعة، وعادةً ما ينتج عن عوامل متعددة. يمكن تقسيم هذه الأسباب إلى فئتين رئيسيتين: انخفاض الطاقة الحتمي المتأصل، وعوامل خارجية يمكن إبطاؤها أو تجنبها. فيما يلي الأسباب الرئيسية لانخفاض طاقة الليزر، مرتبة من الأساسي إلى الثانوي:

تقادم وتلف (التوهين المتأصل) مكونات قلب الليزر

هذا هو السبب الجذري لانخفاض الطاقة، وخاصة بالنسبة لأجهزة الليزر عالية الطاقة.

1. توهين مصدر الضخ (مع أخذ ليزر أشباه الموصلات LD كمثال)

مبدأ العمل:الليزر الثنائي هو "محرك" معظم ليزرات الحالة الصلبة وليزر الألياف.

آلية التخفيف:

نمو العيوب: ستستمر عيوب الشبكة داخل شريحة الليزر في النمو والتكاثر تحت الضغط الكهربائي والحراري طويل الأمد، مما يؤدي إلى زيادة في إعادة التركيب غير الإشعاعي وانخفاض في كفاءة التحويل الكهروضوئي.

تلف كارثي بصري لسطح التجويف:في ظل كثافة طاقة عالية للغاية، فإن التلوث الطفيف أو العيوب الموجودة على سطح تجويف الإخراج ستمتص ضوء الليزر، مما يتسبب في تسخين موضعي وتسبب في انصهار سطح التجويف، وهي عملية انهيار لا رجعة فيها.

تدهور طبقة التمعدن في الأقطاب الكهربائية:ستخضع نقطة التلامس بين القطب الكهربائي ومادة أشباه الموصلات للانتشار بين الفلزات والأكسدة عند درجة حرارة عالية، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة التلامس وزيادة التسخين بشكل خطير.

أداء:سيزداد تيار العتبة لمصدر المضخة تدريجياً، وستنخفض كفاءة الميل، مما يؤدي إلى انخفاض في طاقة الخرج.

2. اكتساب تدهور متوسط ​​في الأداء

الليزر الصلب/الألياف (مثل YAG، بلورات YV04، ألياف Yb/Er المشوبة):

تكوين المركز اللوني:تحت تأثير الإشعاع طويل الأمد لضوء المضخة (خاصةً الأشعة فوق البنفسجية)

ستتولد "مراكز لونية" (مراكز امتصاص) داخل البلورة أو الألياف الزجاجية، وذلك بفضل مكونات الأشعة فوق البنفسجية. تمتص هذه المراكز اللونية ضوء الضخ وضوء الليزر المتولد، محولةً إياه إلى طاقة حرارية بدلاً من استخدامها في الإشعاع المحفز.

تأثير العدسة الحرارية وأضرار الإجهاد الحراري:على الرغم من أن تأثير العدسة الحرارية نفسه قابل للعكس، إلا أن دورات درجات الحرارة الشديدة والإجهاد الحراري على المدى الطويل يمكن أن تسبب تشققات دقيقة في البلورة، أو تغييرات دائمة في معامل الانكسار، أو اسمرار الألياف.

ليزر الغاز (مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون):سيتحلل خليط الغاز تدريجياً، أو يتم امتصاصه بواسطة القطب الكهربائي أو يتفاعل مع مادة الجدار الداخلي للأنبوب، مما يؤدي إلى عدم توازن نسبة غاز التشغيل وانخفاض الكسب.

3. تلف العنصر البصري

عدسة/نافذة تجويف رنانة:تُعد المرآة الكاملة ومرآة الإخراج والنافذة داخل الليزر هي الأماكن التي تتركز فيها الطاقة بشكل أكبر.

تلف الفيلم:سيؤدي الليزر عالي الطاقة إلى تآكل أو تشقق أو إزالة طبقة الحماية المضادة للانعكاس الموجودة على العدسة.

تلوث:ستلتصق المواد العضوية الصغيرة الموجودة في البيئة (مثل بخار الزيت) بسطح العدسة، وتتفحم بفعل الليزر، مما يشكل نقطة امتصاص دائمة، ويسبب المزيد من الضرر.

امتصاص المواد:حتى المواد البصرية عالية الجودة تمتص ضوء الليزر بشكل طفيف عند طول موجي محدد. وقد تؤدي التأثيرات طويلة الأمد إلى تغييرات بطيئة في خصائص المادة.

ظروف الاستخدام الخارجية والتشغيل غير السليم

يمكن لهذه العوامل أن تسرع بشكل كبير عملية تقادم المكونات الأساسية المذكورة أعلاه.

1. عطل في إدارة الحرارة

تنخفض كفاءة نظام التبريد:تتدهور جودة مياه التبريد مما يؤدي إلى تراكم الترسبات وانسداد مجرى المياه؛ ويؤدي تعطل مبرد المياه إلى عدم استقرار درجة حرارة الماء أو ارتفاعها بشكل مفرط؛ ويؤدي تراكم الغبار على المروحة إلى ضعف تبديد الحرارة.

عواقب:ستؤدي زيادة درجة حرارة تشغيل الليزر إلى تسريع معدل تقادم جميع أشباه الموصلات والمكونات البصرية بشكل كبير. بالنسبة لليزر الثنائي، قد ينخفض ​​عمره الافتراضي إلى النصف مع كل زيادة قدرها 10 درجات مئوية في درجة حرارة الوصلة (وفقًا لنموذج أرهينيوس).

2. بيئة العمل والتلوث

الغبار والملوثات:يدخل الغبار والدخان والزيت وما إلى ذلك الموجودة في الهواء إلى الليزر، مما يؤدي إلى تلوث السطح البصري والدائرة، مما يتسبب في امتصاص الحرارة الموضعي أو حدوث ماس كهربائي أو قوس كهربائي.

الاهتزاز والصدمة:إن عدم استقرار أساس التثبيت أو الاهتزاز الخارجي سيؤدي إلى انحراف محاذاة المكونات البصرية عن الحالة المثلى، وتقليل كفاءة الإخراج، وقد يتسبب في ارتخاء الهيكل الميكانيكي في الحالات الشديدة.

رطوبة:تؤدي الرطوبة الزائدة إلى تكثف البخار على سطح العدسة، مما قد يتسبب بسهولة في تمزق الغشاء عند تعرضه لأشعة الليزر. كما يمكن أن تؤدي الرطوبة أيضاً إلى تآكل المكونات الإلكترونية.

3. طريقة تشغيل غير مناسبة

التبديل القسري المتكرر:سيؤدي التشغيل والإيقاف الفوري والمتكرر للطاقة الكاملة لليزر إلى تأثير كهربائي وحراري هائل على مصدر المضخة ونظام الطاقة، مما يؤدي إلى تقصير عمره.

التشغيل طويل الأمد في ظل المعايير المحددة:دع الليزر يستمر في العمل بأكثر من 90٪ من الطاقة القصوى الاسمية أو حتى التحميل الزائد، مما سيجعل مكوناته الأساسية في حالة إجهاد عالية ويسرع من عملية الشيخوخة.

أحمال غير متطابقة:بالنسبة لبعض أنواع الليزر، يمكن أن يؤدي عدم تطابق الحمل والانعكاسية إلى انعكاس بعض الطاقة مرة أخرى إلى التجويف، مما يتسبب في عدم الاستقرار أو حتى التلف.

تدهور أنظمة الطاقة والتحكم

تدهور أداء وحدة تزويد الطاقة الخاصة بالمحرك:يصبح استقرار التيار/الجهد الناتج لمصدر الطاقة أسوأ، ويزداد التموج، مما لا يوفر محركًا مستقرًا ونقيًا لمصدر المضخة، مما يؤثر على أداء خرجها وعمرها الافتراضي.

تقادم دائرة التحكم:تتغير معلمات المكثفات والمقاومات والمكونات الأخرى مع مرور الوقت ودرجة الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض دقة نظام التحكم.

ملخص وتدابير وقائية

إن انخفاض طاقة الليزر هو عملية لا يمكن تجنبها تمامًا ولكن يمكن إدارتها وإبطاؤها بشكل فعال.

من أجل تأخير انخفاض الطاقة إلى أقصى حد والحفاظ على التشغيل المستقر لليزر، يوصى بما يلي:

1. توفير بيئة عمل ممتازة:حافظ على النظافة، ودرجة حرارة ثابتة، ورطوبة منخفضة، وتجنب الاهتزاز.

2. ضمان إدارة حرارية فعالة:قم بصيانة نظام التبريد بانتظام لضمان جودة المياه وتدفقها.

3. اتبع إجراءات التشغيل القياسية:تجنب التبديل المتكرر والتشغيل طويل الأمد في ظل ظروف قاسية.

4. إجراء الصيانة الوقائية الدورية:قم بفحص المكونات البصرية بانتظام، ونظف المسار البصري، واستبدل المواد الاستهلاكية (مثل الغاز وعناصر الترشيح) وفقًا لمتطلبات الشركة المصنعة.

5. استخدم مصدر طاقة مستقر:تأكد من استقرار جهد مصدر الطاقة، واستخدم مثبت الجهد عند الضرورة.

من خلال فهم آليات التوهين هذه واتخاذ الاحتياطات المناسبة، يمكن إطالة عمر الليزر بشكل كبير والحفاظ على أداء الإخراج على مدار دورة الحياة بشكل أكثر استقرارًا.