Hãy tưởng tượng một tia laser chính xác xuyên qua bầu khí quyển Trái đất từ không gian bao la, phát hiện những biến đổi tinh tế của trường gió. Công nghệ có vẻ tương lai này dựa vào một thành phần quan trọng: mảng điốt laser (LDA). Tuy nhiên, công nghệ LDA hiện tại đối mặt với những thách thức đáng kể về độ tin cậy, tuổi thọ và hiệu quả, đặc biệt khi được sử dụng làm nguồn bơm cho laser trạng thái rắn kết hợp bước sóng 2-micron.
Các mảng điốt laser tạo nên cốt lõi của hệ thống laser trạng thái rắn bơm bằng điốt, với hiệu suất của chúng quyết định trực tiếp khả năng của toàn bộ hệ thống. Là nguồn bơm, LDA cung cấp năng lượng cho môi chất laser trạng thái rắn, tạo ra các chùm tia laser kết hợp với chất lượng không gian và phổ cao. Thiết kế của laser trạng thái rắn và đặc tính của vật liệu laser quyết định bước sóng hoạt động, thời lượng xung và yêu cầu công suất của điốt laser.
So với laser 1-micron được sử dụng rộng rãi, laser trạng thái rắn 2-micron có năng lượng xung cao đặt ra những thách thức lớn hơn đáng kể trong yêu cầu bơm của chúng. Hơn nữa, các ứng dụng như đo gió toàn cầu dựa trên không gian và phát hiện nhiễu loạn không khí trong suốt bằng máy bay đòi hỏi độ tin cậy và tuổi thọ vượt xa khả năng LDA hiện tại.
Những tiến bộ gần đây trong LDA bán liên tục (quasi-continuous-wave) có công suất đỉnh xung cao trong các gói làm mát bằng dẫn nhiệt cho thấy tiềm năng giải quyết các thách thức kỹ thuật trong các thiết bị lidar trạng thái rắn. Tuy nhiên, bất chấp những phát triển này, LDA đáp ứng yêu cầu lidar kết hợp dựa trên không gian và trên không vẫn đối mặt với các vấn đề về tuổi thọ và độ tin cậy.
Laser trạng thái rắn 2-micron có năng lượng xung trung bình đến cao yêu cầu LDA bán liên tục công suất cao với thời lượng xung tối thiểu 1 mili giây ở bước sóng 792 nanomet. Thời lượng xung tương đối dài này đóng góp đáng kể vào tuổi thọ hạn chế của mảng, vì nó đặt các vùng hoạt động của điốt laser vào nhiệt độ cao và chu kỳ nhiệt nghiêm ngặt. Chu kỳ nhiệt trong vùng hoạt động được coi là nguyên nhân chính gây suy giảm công suất LDA nhanh chóng, trong khi sự gia tăng nhiệt độ quá mức dẫn đến hỏng hóc sớm.
Sự gia tăng nhiệt độ cực đoan trong các xung tạo ra ứng suất đáng kể bên trong các thanh phát xạ riêng lẻ do gia nhiệt cục bộ và các sự không tương thích nhiệt khác nhau giữa các thanh, đế và vật liệu kết dính. Mặc dù thiết kế đầu laser cẩn thận có thể giảm thiểu suy giảm nhiệt bằng cách cải thiện tản nhiệt và vận hành điốt dưới mức tối đa, các giải pháp toàn diện hơn là cần thiết.
Một nền tảng đặc tả mảng điốt laser chuyên dụng (LDCF) đã được phát triển để điều tra kỹ lưỡng hiệu suất LDA. Nền tảng bao gồm hai trạm đo chính:
Để nâng cao tuổi thọ và hiệu quả của LDA, một gói được thiết kế tùy chỉnh bao gồm sáu thanh phát xạ 100W đã được phát triển. LDA thử nghiệm này sử dụng đế kim cương và bộ tản nhiệt thay vì đế BeO và bộ tản nhiệt đồng thông thường, giúp cải thiện đáng kể khả năng tản nhiệt từ vùng hoạt động.
Hiệu suất nhiệt được đánh giá bằng cách vận hành mảng ở dòng điện không đổi 80A và tốc độ lặp 10Hz trong khi đo bước sóng đầu ra và hiệu quả điện-quang trên các độ rộng xung khác nhau. Phân tích so sánh cho thấy gói dựa trên kim cương thể hiện điện trở nhiệt thấp hơn, cho thấy khả năng tản nhiệt vượt trội có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ hoạt động.
Các mảng điốt laser công suất cao vẫn là những thành phần quan trọng đối với laser trạng thái rắn kết hợp 2-micron, với hiệu suất của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng của toàn bộ hệ thống. Nghiên cứu đang tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế gói, cải thiện vật liệu nhiệt và khám phá các cấu trúc điốt laser mới để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng lidar tiên tiến.
Thông qua đổi mới liên tục, các nhà nghiên cứu hướng tới việc khắc phục những hạn chế hiện tại, cho phép triển khai rộng rãi laser trạng thái rắn kết hợp 2-micron trong các ứng dụng quan trọng bao gồm lập bản đồ trường gió dựa trên không gian và giám sát khí quyển.
Người liên hệ: Mr. Frank
Tel: +8613826474063
Vietnamese
