Оскільки застосування потужних лазерів продовжує розширюватися, лазерні діодні смуги стали незамінними в таких галузях, як лазерне накачування, промислова обробка, медичне обладнання та наукові дослідження. Завдяки своїй чудовій щільності потужності, модульній масштабованості та високій електрооптичній ефективності, ці пристрої є основою багатьох сучасних лазерних систем. Однак серед багатьох показників продуктивності лазерної діодної смуги один параметр часто ігнорується, але є критично важливим: кут розбіжності. У цій статті досліджуються характеристики, фізичне походження та наслідки кута розбіжності в лазерних діодних смугах, а також те, як оптична конструкція може ефективно ним керувати.
1. Що таке кут дивергенції?
Кут розбіжності описує, як лазерний промінь поширюється у вільному просторі. Він вказує на ступінь розширення променя від емісійної грані. У лазерних діодних стрижнях кут розбіжності демонструє сильну асиметрію у двох основних напрямках:
Швидка вісь: перпендикулярна до поверхні стрижня. Область випромінювання надзвичайно вузька (зазвичай 1–2 мкм), що призводить до великих кутів розбіжності, часто 30°–45° або більше.
Повільна вісь: паралельна довжині смуги. Область випромінювання набагато ширша (сотні мікронів), що призводить до менших кутів розбіжності, зазвичай близько 5°–15°.
Ця асиметрична дивергенція є основною проблемою проектування системної інтеграції з використанням лазерних діодних стрижнів.
2. Фізичне походження дивергенції
Кут розбіжності визначається, головним чином, структурою хвилеводу та розміром грані випромінювання:
На швидкій осі площа випромінювання надзвичайно мала. Згідно з теорією дифракції, менші отвори призводять до більшої розбіжності.
На повільній осі промінь розширюється вздовж довжини стрижня через кілька випромінювачів, що призводить до меншого кута розбіжності.
В результаті, лазерні діодні стрижні за своєю суттю демонструють високу дивергенцію на швидкій осі та низьку дивергенцію на повільній осі.
3. Як кут розбіжності впливає на проектування системи
① Висока вартість колімації та формування променя
Через високу асиметрію необробленого променя необхідно використовувати оптику FAC (швидка колімація осі) та SAC (повільна колімація осі). Це збільшує складність системи та вимагає високої точності встановлення та термостабільності.
② Обмежена ефективність з'єднання волокон
Під час з'єднання лазерних смуг з багатомодовими волоконами, оптичними системами або асферичними лінзами велика розбіжність на швидкій осі може призвести до «перекидання» променя, що знижує ефективність з'єднання. Розбіжність є основним джерелом оптичних втрат.
③ Якість балки при стекуванні модулів
У багатосмугових модулях, що складаються один з одного, погано контрольована розбіжність може призвести до нерівномірного перекриття променя або спотворення далекого поля, що впливає на точність фокусування та розподіл тепла.
4. Як контролювати та оптимізувати розбіжність у лазерних діодних стрижнях
Хоча дивергенція значною мірою визначається структурою пристрою, для оптимізації можна використовувати кілька стратегій на системному рівні:
①Використання лінз FAC
Розміщення колімаційної лінзи на швидкій осі поблизу випромінюючої грані стискає промінь і зменшує розбіжність на швидкій осі — це важливо в більшості конструкцій.
②Лінзи SAC для додаткового формування
Хоча розбіжність на повільній осі менша, для досягнення рівномірного виходу світла в решітках або лінійних джерелах світла все ще потрібне формування.
③Об'єднання променів та оптичне формування
Використання мікролінзових масивів, циліндричних лінз або структурованої оптики може допомогти сформувати кілька лазерних променів у високояскравий, рівномірний вихідний сигнал.
④Оптимізація хвилеводу на рівні пристрою
Регулювання товщини активного шару, конструкції хвилеводу та структури решітки може додатково уточнити розбіжність швидкої осі від рівня чіпа.
5. Контроль дивергенції в реальних застосуваннях
①Джерела лазерного накачування
У потужних твердотільних або волоконних лазерних системах лазерні діодні стрижні служать джерелами накачування. Контроль розбіжності, особливо на швидкій осі, покращує ефективність зв'язку та фокусування променя.
②Медичні прилади
Для таких систем, як лазерна терапія та епіляція, управління дивергенцією забезпечує більш рівномірну подачу енергії та безпечніше й ефективніше лікування.
③Промислова обробка матеріалів
У лазерному зварюванні та різанні оптимізована дивергенція сприяє вищій щільності потужності, кращому фокусуванню та більш точній та ефективній обробці.
6. Висновок
Кут розбіжності лазерної діодної смуги є вирішальною точкою переходу від мікрофізики чіпів до макромасштабних оптичних систем.
Він служить як індикатором якості променя, так і межею проектування для інтеграції. Оскільки вимоги до застосувань та складність системи продовжують зростати, розуміння та контроль розбіжності стає основною компетенцією як для виробників лазерів, так і для інтеграторів, особливо для просування до підвищення потужності, яскравості та надійності.
Час публікації: 14 липня 2025 р.