دیود لیزری پالسی (Pulsed Laser Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود لیزری پالسی (Pulsed Laser Diode) :
دیود لیزری پالسی (Pulsed Laser Diode) نوعی دیود لیزری است که برای کار در حالت پالسی (Pulsed Mode) طراحی شده است. در این حالت، لیزر در پالس های بسیار کوتاه (از نانوثانیه تا میکروثانیه) با فرکانس تکرار مشخص (Repetition Rate) روشن و خاموش می شود. مزیت اصلی کار در حالت پالسی، امکان دستیابی به توان های پیک (Peak Power) بسیار بالاتر از توان متوسط (Average Power) بدون آسیب رساندن به لیزر است.
در لیزرهای پالسی، جریان محرک (Drive Current) به صورت پالس هایی با دامنه بالا (اغلب چندین برابر جریان آستانه) و عرض کم اعمال می شود. در این پالس های کوتاه، لیزر می تواند توان نوری بسیار بالایی (چند وات تا چند صد وات) تولید کند، اما چون پالس ها کوتاه هستند، توان متوسط (که حاصل ضرب توان پیک در عرض پالس و فرکانس تکرار است) پایین می ماند و گرمای تولید شده نیز محدود است.
مهم ترین مزیت لیزر پالسی نسبت به لیزر CW، توانایی دستیابی به توان های پیک بسیار بالاست. این ویژگی برای کاربردهایی مانند مسافت یابی (Rangefinding) و لیدار (LiDAR) حیاتی است، زیرا پالس های کوتاه و قدرتمند امکان اندازه گیری دقیق فاصله را با ارسال پالس و دریافت بازتاب آن فراهم می کنند. هرچه پالس کوتاه تر باشد، دقت مسافت یابی بالاتر می رود.
عرض پالس (Pulse Width) یکی از پارامترهای کلیدی در لیزرهای پالسی است. پالس های بسیار کوتاه در حد نانوثانیه (ns) یا پیکوثانیه (ps) برای کاربردهای دقیق مانند لیدار یا برش مواد با حداقل ناحیه متأثر از حرارت (Heat Affected Zone) استفاده می شوند. پالس های بلندتر (میکروثانیه) برای کاربردهایی مانند پمپاژ لیزرهای دیگر یا مارکینگ فلزات به کار می روند.
فرکانس تکرار پالس (Repetition Rate) پارامتر مهم دیگر است. این فرکانس نشان می دهد چند پالس در ثانیه تولید می شود. فرکانس تکرار می تواند از چند هرتز (Hz) تا چند مگاهرتز (MHz) متغیر باشد. در لیدار خودروهای خودران، فرکانس تکرار بالا (چند مگاهرتز) برای ایجاد نقشه سه بعدی با وضوح بالا لازم است.
توان پیک (Peak Power) و توان متوسط (Average Power) با رابطه
\[ P_{avg} = P_{peak} \times \tau \times f \]به هم مرتبط هستند، که در آن
\[ \tau \]عرض پالس و
\[ f \]فرکانس تکرار است. برای مثال، یک لیزر با توان پیک ۱۰۰ وات، عرض پالس ۱۰ نانوثانیه و فرکانس ۱ مگاهرتز، توان متوسط ۱ وات خواهد داشت. توان متوسط تعیین کننده الزامات خنک کاری است.
کاربرد اصلی لیزرهای پالسی در سیستم های لیدار (LiDAR) برای خودروهای خودران، ربات ها و نقشه برداری است. با ارسال پالس های کوتاه لیزر و اندازه گیری زمان بازگشت آنها (Time of Flight)، می توان فاصله اشیاء را با دقت سانتی متر محاسبه کرد. آرایه ای از لیزرهای پالسی یا اسکن کردن یک لیزر، تصویر سه بعدی از محیط ایجاد می کند.
کاربرد دیگر در مسافت یاب های لیزری (Laser Rangefinders) مانند آنچه در دوربین های عکاسی (برای فوکوس خودکار)، تفنگ های اسباب بازی، و دستگاه های نقشه برداری استفاده می شود. همچنین در سیستم های هشدار و تشخیص مانع (Obstacle Detection) در هواپیماهای بدون سرنشین (UAV) و ربات ها کاربرد دارد.
در پزشکی، لیزرهای پالسی برای کاربردهایی مانند لیپولیز (Laser Lipolysis) و حذف تاتو (Tattoo Removal) استفاده می شوند. در این کاربردها، پالس های کوتاه و قدرتمند باعث تخریب سلول های هدف (چربی یا جوهر تاتو) بدون آسیب به بافت اطراف می شوند. لیزرهای پالسی در دندانپزشکی نیز برای تراشیدن پوسیدگی با کمترین درد کاربرد دارند.
در صنعت، از لیزرهای پالسی برای مارکینگ (Marking) و حکاکی (Engraving) مواد مختلف (فلز، پلاستیک، چوب) استفاده می شود. پالس های کوتاه امکان ایجاد علائم بسیار دقیق با حداقل حرارت را فراهم می کنند. همچنین در برش مواد حساس به حرارت و سوراخ کاری دقیق (Drilling) کاربرد دارند.
تحریک یا پمپاژ لیزرهای دیگر (Pumping) یکی دیگر از کاربردهای مهم لیزرهای پالسی است. لیزرهای حالت جامد پالسی (مانند لیزر Nd:YAG پالسی) اغلب توسط آرایه ای از لیزرهای دیودی پالسی (QCW - Quasi-Continuous Wave) پمپ می شوند تا پالس های قدرتمندتری تولید کنند.
در تحقیقات علمی، لیزرهای پالسی با عرض پالس فوق کوتاه (فمتوثانیه) برای مطالعه دینامیک سریع مولکول ها و اتم ها، طیف سنجی با تفکیک زمانی (Time-Resolved Spectroscopy)، و میکروسکوپی غیرخطی (Nonlinear Microscopy) استفاده می شوند. هرچند این لیزرها معمولا پیچیده تر از دیود لیزری ساده هستند.
طراحی مدار راه انداز (Driver Circuit) برای لیزرهای پالسی بسیار حیاتی است. این مدارها باید بتوانند پالس های جریان با دامنه بالا و زمان خیزش (Rise Time) بسیار سریع (نانوثانیه) تولید کنند. معمولا از خازن های ذخیره کننده انرژی و کلیدهای سریع (مانند MOSFET) برای تخلیه سریع انرژی در لیزر استفاده می شود.
در نهایت، انتخاب لیزر پالسی مناسب نیازمند توجه به پارامترهایی مانند طول موج، توان پیک، عرض پالس، فرکانس تکرار، کیفیت پرتو (Beam Quality)، و الزامات خنک کاری است. برای کاربردهایی که نیاز به پالس های بسیار کوتاه و قدرتمند دارند، لیزرهای پالسی گزینه ایده آلی هستند و با پیشرفت فناوری، توان و کارایی آنها همچنان در حال افزایش است.
