[عادل الثبيتي]

تختلف ليزرات أنصاف النواقل عن ليزرات الحالة الصلبة الإعتيادية في طريقة الضخ الطاقي و في احتوائها على حزم عريضة من مستويات الطاقة بدلا من المستويات المفردة التي تحدث بينها الإنتقالات التي تشارك في عملية الإنبعاث الليزري، حيث تحتوي كل حزمة على عدد كبير من المستويات الطاقية المتقاربة و التي لا يقترن وجودها بذرات معينة و إنما تشترك فيها المادة البلورية كلا و يكون ازدياد قيمة عامل الكسب الضوئي متعلقا بمقدار التيار الذي يمر عبر وصلة الوسط شبه الموصل. إن ليزر أشباه الموصلات ( ديود الليزر) هو ليزر من مادة شبه موصلة تتميز بأنها ذات فجوة حزمية مباشرة و أكثر أنواعه شيوعا هو ديود زرنيخ الغاليوم (GaAs) الذي يصدر إشعاعا تحت أحمر بطول موجي 0.85 ميكرون .
يحدث الفعل الليزري في ديود الليزر نتيجة الإنتقال المحثوث للإلكترونات بين المستويات الإلكترونية لحزمة الوصيل(Conduction Band) و المستويات الإلكترونية لحزمة التكافؤ (Valence Band) و لذلك فإن الإنتقالات قد تحدث بين أوضاع الكترونية ذات طاقات مختلفة و ليس كالإنتقالات التي تكون بين مستويات طاقية محددة .
لقد تم اكتشاف هذا النوع من الليزر سنة 1961 وله كثير من التطبيقات العملية أهمها في حقل الإتصالات و قد استخدم أيضا في ضخ أنواع أخرى من الليزر حيث يتميز هذا النوع من الليزر(ليزر شبه الموصلات- ديود الليزر) بما يلي:
1- صغر الحجم.
2- إمكان الضخ المباشر باستخدام تيار كهربائي صغير نوعا ما (150 – 15) ميلي أمبير.
3- الكفاءة العالية التي قد تصل إلى 32%.
4- إمكانية التحكم بشدة الشعاع الخارج مباشرة بواسطة التيار الكهربائي .
5- رخيص الثمن.
6- خاصية التنغيم أي إمكانية الحصول على أي طول موجي من بين أطوال موجية متعددة من الليزر نفسه.
7- تتميز بإمكانية الفتح و الغلق بسرعة كبيرة مما يمكننا من التحكم به بشكل أفضل.
8- شدة الإضاءة العالية ( أي أنه يصدر كمية كبيرة من الضوء مركزة في منطقة ضيقة).
9- نصف قطر المنطقة المضاءة صغير نسبة لنصف قطر مقدمة الديود(على افتراض أنه دائري في أغلب الأحيان).
10- ذات عمر تشغيلي طويل مما يمكننا من الإعتماد عليه في الإستخدامات التي يكون من الصعب القيام بعمليات تبديل القطع فيها أي أنه ذو كفاءة عالية.
11- يتميز بأن يصدر كمية من الحرارة مقارنة مع المصابيح المتوهجة و هذه ميزة جيدة لصالحه.
إن لديود الليزر إنتقالات متعددة أي يمكن للإلكترونات أن تنتقل بين عدة طبقات و ذلك على اختلاف الذرات و تؤدي هذه الإنتقالات إلى حدوث انبعاث ليزري و يمكن اجمال أهم الإنتقالات بما يلي:
1- الإنتقالات بين المستويات الطاقية للذرات الشائبة المضفة إلى المادة الأصلية.
2- الإنتقالات بين المستويات الطاقية للأنطقة الموجودة في المواد النصف ناقلة النقية.
3- الإنتقالات بين المستويات المغناطيسية.
يتم تصنيع ديود الليزر للإستخدامات التي تحتاج إلى طول موجة صغير من زرنيخ الغاليوم و الألمينوم GaAlAs أما الأجهزة التي تحتاج إلى طول موجة كبير بيصنع الديود من InGaAsP.
و يبين الشكل بعض الصور الحقيقة لديودات الليزر بأشكال متنوعة:

بنية ديود الليزر:
يتكون كما ذكرنا من وصلة P-N هي عبارة عن الوسط الفعال و الذي تضخ إليه الطاقة باستخدام التيار الكهربائي و يحيط بهذا المتصل طلاء عاكس تطلى به النهايتان المتقابلتان من رقاقة الليزر نصف الناقل و لكن في بعض الأحيان يكون ذلك غير ضروري لأن معامل الإنكسار للهواء أصغر بكثير من معامل الإنكسار لمعظم المواد نصف الناقلة التي يصنع منها المتصل.
و نلاحظ وجود نوعين رئيسيين لبنية شريحة ديود الليزر و ذلك حسب الشكل و طريقة الإشعاع أو بالأحرى منطقة الضوء الصادر.
فالنوع الأول يصدر الضوء عمودي على الوسط الفعال و الآخر موازي له و الشكل المجاور يوضح ذلك

و هذا شكل مبسط لبنية ديود الليزر بشكل عام:

توضع الرقاقة نصف الناقلة المولدة لأشعة الليزر ضمن تشكيلة هيكلية لحمايتها من التعرض المباشر للبيئة المحيطة و لتأمين أسلاك التوصيل إلى الرقاقة بشكل عملي
و يضاف إليها عدسات لتقويم الإنتشار الذي قد ينشأ في بعض الأحيان و لتضيق حزمة الضوء في منطقة صغيرة أو لزيادة مساحة المنطقة المضاءة حسب الطلب و هذا ما يوضحه الشكل :

أنواع ديودات الليزر:
توجد بنيتان رئيسيتان لديود الليزر هما:
1- بينة فابري- بيترو أو FP.
2- البنية ذات التغذية العكسية المجزأة أو DFB.
يتميز النوع الأول FP بأنه اقتصادي أكثر من الثاني و لكنه أكثر ضجيجا من الثاني و أبطأ في الإستجابه بينما يتميز النوع الثاني DFB بأنه أهدأ و أسرع و ذو طيف إصدار أضيق من الأول و هو بالتالي ذو سعر أعلى و لكنه يقدم أداء أفضل و يتميز بإصداره لضوء نقي وحيد اللون بينما يصدر الFP ضوءا ذو أطوال موجية مختلفة.
أما عن استخدام كل من النوعين:
يستخدم الDFB في الدارات الرقمية التي تتطلب سرعة كبيرة و يستخدم أيضا في أغلب الدارات التشابهية و ذلك بسبب سرعته و ضجيجه المنخفض بالإضافة إلى امتلاكه لخطية متفوقة على الFP و هو ما نحتاجه في الدارات التشابهية.
أما النوع الثاني FP فهو يقسم إلى قسمين:
النوع الأول BH(buried hetero) و النوع الثاني MQW(multi-quantum well)
و قد ساد النوع الأول BH لسنوات عدة في أغلب الإستخدامات و الصناعات التي تستخدم الFP إلا أن النوع الثاني MQW آخذ بالإنتشار على حساب النوع الأول في الوقت الحالي و ذلك بسبب إيجابياته التي يتفوق بها على كل الأنواع الأخرى من الFP و من هذه الخصائص ما يلي:
1- تيار فتح(عبتة) صغير و بالتالي لن نحتاج إلى استخدام منابع كبيرة .
2- ذو كفاءة أعلى من غيره.
3- ذو ضجيج منخفض مقارنة مع بقية الأنواع.
4- أكثر خطية.
5- ذو استقرار عالي فيما يتعلق بدرجات الحرارة و تغيراتها أي عدم تأثره بدرجات الحرارة.
و لكن من سيئاته أنه قد يسبب بعض الإنعكاسات التي قد تؤثر على عمل بعض الأجهزة كما في الألياف البصرية.
و بالحديث عن أنواع ديودات الليزر بالنسبة للبنية لابد لنا من التطرق إلى أحدث أنواعه و هو ما يسمى ب VCSEL و يتميز بأنه يصدر الضوء بشكل عمودي على سطحه على عكس الأنواع القديمة التي تصدر الضوء من السطح الأفقي و الشكل المجاور يبين بنيته.
يشابه الVCSEL في عمله عمل الأنواع العادية من ليزرات المواد النصف ناقلة و التي تتميز بإصدار الضوء من السطح الأفقي.
يتكون الVCSEL من قلب يدعى بالقطاع الفعال أو قطاع التضخيم ووظيفته إصدار الضوء، بينما تقوم طبقات من المواد نصف الناقلة المتنوعة التي تتوضع فوق و تحت القلب بالعمل كمرايا تعكس كل منها مجالا ضيقا من أطوال الموجة للأشعة الصادرة عن القلب و تتجه هذه الأشعة المنعكسة إلى ثقب الإصدار مكونة إشعاعا ذو طول موجة واحد لأن كل طبقة من الطبقات السابقة تمتلك خصائص تمكنها من عكس أمواج صادرة عن القلب بتردد معين محولة إياها إلى أمواج ذات طول موجة واحد.
أما عن ميزات هذا النوع فنذكر:
1- الحجم الصغير.
2- المرايا المكونة من المواد النصف ناقلة و التي تمنحه تيار عتبة صغير لا يتجاور 1mA .
3- ذو استقرار حراري عالي ، لا يتأثر بتغيرات درجة الحرارة.

[عادل الثبيتي]

* استخدامات ديود الليزر
1- الألياف البصرية :
يستخدم ديود الليزر في العديد من الصناعات و الأجهزة التي نستخدمها كل يوم و خاصة في مجال الإتصالات باستخدام الألياف البصرية التي يدخل ديود الليزر في تصاميمها كمنبع للضوء من طرف يوصل الليف ضوءه إلى مستقبل واقع على الطرف الثاني.
و لكن ما هي العوامل التي تؤثر على عمل الديود و التي يجب مراعاتها عند الإستخام في الألياف البصرية ؟
1- طول الموجة الأصغري
و نعني بذلك طول الموجة الذي يشع عنده الديود أقصى طاقة ممكنة أي أنه يعمل بطاقته القصوى فيجب الإنتباه إلى مقدار الضياعات الضوئية في الليف و لزوجة الليف و التي تسبب خسارة في في الشدة الضوئية و بالتالي اختيار النوع الأنسب من ديودات الليزر لاستخدامه.
2- عرض طيف الإصدار
عند دراسة ديود الليزر بشكل نظري و على اعتبار أنه مثالي فإن هذه الدراسة تظهر أن ديود الليزر يصدر ضوءا وحيد طول الموجة ( طول الموجة الأصغري) غالبا، و لكن في المجال العملي يلاحظ أن الضوء الصادر لا يكون وحيدا و إنما يتألف من عدة أطوال موجة تزيد و تنقص قليلا عن طول الموجة الأصغري و هذا المجال الذي تتوضع فيه أطوال الموجة يدعى بعرض طيف الإصدار للمنبع.
3- نموذج الإصدار للديود
يؤثر نموذج الإصدار لديود الليزر على كمية الضوء الذي يمكن تجميعه في الليف البصرية و بالتالي إرساله عبره مما يؤثر على مدى الإرسال و دقته و للحصول على أفضل النتائج يجب أن يكون نصف قطر المساحة المضاءة بالليزر مساوية لنصف قطر نواة الليف البصري و الشكل التالي يوضح نموذج الإصدار لديود الليزر و الذي من الممكن أن يعدل و يقوم لأداء أفضل عن طريق إضافة بعض العدسات المقومة في طريق الشعاع لمحرقته في مساحة صغيرة.

4- القدرة الضوئية
يتم الحصول على أفضل النتائج نتيجة لاستخدام ديود الليزر عندما نتمكن من تجميع أكبر كمية ممكنة من الضوء و دفعها خلال الليف البصري و بالتالي تكون استطاعة الخرج للديود كافية لجعل الحساس الضوئي في الطرف الآخر من الليف يتحسس للشعاع المنقول مع مراعاة ليونة الليف و الطياعات في مناطق الإتصال و الممانعات الأخرى التي تؤثر على الشعاع في الليف، و بالرغم من هذه العوامل كلها تبقى ديودات الليزر آقوى من الليدات العادية و بالتالي استخدامها في الألياف البصرية أكثر فاعلية بكثير.
5- السرعـــــــــــة
و نعني بالسرعة سرعة الإطفاء و الإشعال لديود الليزر و التي يجب أن تستطيع مجاراة عرض حزمة المعلومات التي ينقلها النظام و تتعلق السرعة بالزمن الذي يحتاجه الديود للإنتقال من 10% إلى 90% من الإستطاعة العظمى له، و مرة أخرى نجد أن ديود الليزر يتفوق على الليد في هذه العلمية ( السرعة).
6- الخطيـــــــــــــــة
تعتبر الخطية من الخصائص المهمة الواجب مراعاتها عند استعمال ديودات الليزر في الإتصالات و الملاحظ أن الخطية تمثل علاقة تيار الدخل ( التيار الأمامي ) باستطاعة الخرج للديود و هي تتعلق أيضا بدرجة الحرارة.
عند تصميم نظام رقمي للإتصالات باستخدام الألياف الضوئية فلا تعطى خطية العناصر أهيمة تذكر أما في التطبيقات التشابهية التي تعتمد على ديودات الليرز فيجب الإنتباه إلى خطية العناصر لأن عدم الخطية أو ضعفها يؤدي إلى عدم وصول المعلومات بشكل ملائم إلى الطرف الآخر من الليف.
7- الحــــــــــــــــرارة
تتأثر ديودات الليزر كغيرها من العناصر الإلكترونية بالحرارة حيث تتغير عتبة الإصدار و هي قيمة التيار التي يبدأ عندها الديود بإصدار إشعاع الليزر، فند تغير درجة الحرارة يمكن أن تحدث عدة عوامل منها :
- تغير عتبة التيار: حيث كلما انخفضت درجة الحرارة كلما انخفضت عتبة التيار.
- تغير ميل منحني الكفاءة : و الذي هو نفس المنحني السابق و الذي يعبر عن تغير الإستطاعة مع تغير شدة التيار، حيث يقل هذا الميل كلما ارتفعت درجة الحرارة .
و لهذا يتطلب الليزر الحفاظ على تيار العتبة عند قيمة معينة و يتم ذلك باستخدام ديود مستقبل للضوء حيث يعمل التيار المتولد عنه على تأمين تغذية عكسية لديود الليزر و بالتالي الحفاظ على عتبة الإصدار عند قيمة معينة عن طريق التحكم بالتيار الأمامي للديود.
يبين الشكل أدناه علاقة الإستطاعةالضوئية الصادرة بالتيار الأمامي للديود

ن الخطية في ديود الليزر من اللميزات التي تجعله أفضل من الليد العادي في التطبيقات التشابهية حيث نلاحظ أن منحني الكفاءة ( الإستطاعة الضوئية بالنسبة للتيار) يصبح ذو ميل أقل كلما ازداد التيار الأمامي للديود و بالتالي يفقد الليد خطيته و لذلك فهو لا يصلح لتطبيقات التشابهية و يبين الشكلان التاليان مقارنة بين منحني إصدار الليد و منحني إصدار ديود الليزر:

2- قارئات الأقراص المضغوطة CD و أقراص العالية الدقة المستخدمة في الأفلام DVD :
حيث تستخدم ديودات ليزر تصدر أشعة قريبة من الأشعة تحت الحمراء بطول موجة يقارب 780nm و باستطاعة قدرها 5mw إلا أن هذه الأشعة يمكن رؤيتها بالعين المجردة حيث تبدو على شكل بقعة حمراء اللون يمكن ملاحظها على ورقة بيضاء في غرفة معتمة و ذلك لتفادي النظر المباشر إلى الشعاع الذي يؤدي إلى تلف شبكية العين و بالتالي قد يسبب العمى على المدى الطويل.
و يلاحظ أن السواقات الليزرية التي تستطيع التسجيل على الأقراص تحتوي على رأسين ( كل منهما يحتوي على ديود ليزر) أحدهما للقراءة و الآخر للكتابة و الملاحظ أن استطاعة رأس الكتابة أكبر من استطاعة رأس القراءة لكي يتمكن من نزع طبقة الدهان الموجودة مسبقا على إحدى طبقات القرص.
و على الرغم من استطاعة و دقة شعاع الليزر الغازي أكبر من استطاعة و دقة ديود الليزر إلا أن هذا الأخير هو المستخدم في السواقات الليزرية لصغر حجمه و سرعة استجابته و هو ما يهم كثيرا في عملية القراءة و الكتابة حيث يحمل هذا الأخير على ألية ميكانيكة و عند دوران القرص ( باستخدام محرك خطوي) تقوم دارة السواقة بتشغيل و إطفاء الليزر للقيام بعملية الكتابة .
أما عملية القراءة فتتم بشكل مشابه كما يلي:
حيث يوجد في السواقة نظام الليزر و العدسات ومهمته قراءة النتوءات الموجودة على القرص و تتم هذه العملية بتحريك شعاع الليزر على المسار الحلزوني بينما يدور القرص و تكون آلية التحريك قادرة على تحريك الشعاع بمقدار جزء من المكرون، و عندما يتم مرور الشعاع خلال طبقة البولي كربونات و ينعكس هذا الشعاع و يصطدم بجهاز الكتروبصري يمكنه اكتشاف التغيرات في الضوء، فالنتوءات تعكس الضوء بشكل مختلف عن باقي السطح و يقوم الحساس الإلكتروبصري بالتعرف على التغير في العاكسية و من ثم يقوم يقوم جزء الكتروني ضمن الجهاز بالتعامل مع هذه التغيرات في العاكسية و تحويلها إلى بيانات و معلومات.
و الشكل التالي يبين بينة السواقة الليزرية التي تحتوي على ديود الليزر :

3- الطابعات الليزرية
التي تستخدم ديود ليزر ذو طاقة عالية نسبيا لتقوم بعملية تشريد أو شحن للورق ومن ثم تمر الورقة بالعملية التالية ألا و هي نفث الحبر المشحون أصلا و هو عبارة عن حبر خاص غير سائل و إنما على شكل بودرة ذات جزئيات دقيقة جدا تكون شحنتها معاكسة لشحنة الورق و بالتالي يحدث جذب بينهما، و لعل استخدام الليزر ذو الدقة العالية و الذي يمكن التحكم بنصف قطر شعاعه يمكننا من الحصول على دقة طباعة عالية و و توفير في الحبر و الوقت لأنه لن يكون هناك الكثير من الحركة الميكانيكية كما في الطابعات النافثة للحبر و الطابعات النقطية و الجدير بالذكر أن أغلب الطابعات الليزرية تستخدم شعاع ليزر بطول موجة يتراوح بين 780nmو 650nm مما يعني أنه يجب تفادي فتح الطابعة عند العمل خوفا من إصابة الشعاع للعين و بالتالي تلف الشبكية.
نذكر أيضا من استخدامات ديود الليزر:
مؤشرات الليزر المستخدمة بكثرة هذه الأيام و الماسحات الضوئية و أجهزة الBAR CODE في المكتبات و محلات البيع .

[blink]منقــــــــــــــــــــــــول[/blink]

[ياسمين]

جــزيت خيـــراً ،،،، وشــكراً لك ...

[kingstars18]

[GRADE="00008B FF6347 008000 4B0082"]

شكرا لك وبارك الله فيك،،

[/GRADE]

[خلف الجميلي]

الله يعطيك العافية

[محمود الجنابي]

........بارك الله فيك على هذا الموضوع المفيد........

[ايومي]

[GLINT]
جزاك الله كل خير
ووفقك لما يحب و يرضى
[/GLINT]

[علي صالح محمد]

بارك الله فيك
واللهيعطيك العافية

[khaled1966]

شكراً أخي عادل هل تسمح لي أن أستفد من هذا الموضوع وأن أوزعه على طلابي لك كل الشكر على جهودك

[النواوي]

الله يعطيك العافية

بارك الله فيك وجزاك خيراً