С разширяването на приложенията на мощните лазери, лазерните диодни ленти са станали незаменими в области като лазерно напомпване, промишлена обработка, медицинско оборудване и научни изследвания. Със своята отлична плътност на мощността, модулна мащабируемост и висока електрооптична ефективност, тези устройства са в основата на много съвременни лазерни системи. И все пак, сред многото показатели за производителност на лазерната диодна лента, един параметър често се пренебрегва, но е от решаващо значение: ъгълът на дивергенция. Тази статия изследва характеристиките, физическия произход и последиците от ъгъла на дивергенция в лазерните диодни ленти - и как оптичният дизайн може ефективно да го управлява.
1. Какво е ъгъл на отклонение?
Ъгълът на дивергенция описва как лазерният лъч се разпространява в свободното пространство. Той показва степента, до която лъчът се разширява от емисионната фасета. В лазерните диодни решетки ъгълът на дивергенция показва силна асиметрия в две основни посоки:
Бърза ос: Перпендикулярна на повърхността на пръта. Емисионната област е изключително тясна (обикновено 1–2 µm), което води до големи ъгли на дивергенция, често 30°–45° или повече.
Бавна ос: Успоредна на дължината на лентата. Емисионната област е много по-широка (стотици микрона), което води до по-малки ъгли на отклонение, обикновено около 5°–15°.
Тази асиметрична дивергенция е основно предизвикателство при проектирането на системна интеграция, включваща лазерни диодни ленти.
2. Физическият произход на дивергенцията
Ъгълът на дивергенция се определя главно от структурата на вълновода и размера на емисионната фасета:
В бързата ос, площта на емисия е изключително малка. Според дифракционната теория, по-малките отвори водят до по-голяма дивергенция.
В бавната ос лъчът се разширява по дължината на пръта през множество емитери, което води до по-малък ъгъл на дивергенция.
В резултат на това, лазерните диодни ленти по своята същност показват висока дивергенция в бързата ос и ниска дивергенция в бавната ос.
3. Как ъгълът на отклонение влияе върху дизайна на системата
① Висока цена на колимацията и оформянето на лъча
Поради високата асиметрия на необработения лъч, трябва да се използва оптика FAC (бърза осова колимация) и SAC (бавна осова колимация). Това увеличава сложността на системата и изисква висока прецизност на монтажа и термична стабилност.
② Ограничена ефективност на свързването на влакната
При свързване на лазерни ленти към многомодови влакна, оптични системи или асферични лещи, голямата дивергенция по бързите оси може да доведе до „преливане“ на лъча, намалявайки ефективността на свързване. Дивергенцията е основен източник на оптични загуби.
③ Качество на лъча при подреждане на модули
В многопрътови подредени модули, лошо контролираната дивергенция може да причини неравномерно припокриване на лъча или изкривяване в далечното поле, което влияе върху прецизността на фокусиране и разпределението на топлината.
4. Как да контролираме и оптимизираме дивергенцията в лазерните диодни ленти
Въпреки че дивергенцията до голяма степен се определя от структурата на устройството, за оптимизация могат да се използват няколко стратегии на системно ниво:
①Използване на FAC лещи
Поставянето на колимационна леща с бърза ос близо до излъчващата фасета компресира лъча и намалява дивергенцията в бързата ос – това е от съществено значение в повечето конструкции.
2SAC лещи за допълнително оформяне
Въпреки че дивергенцията по бавната ос е по-малка, все още е необходимо оформяне в решетки или линейни източници на светлина, за да се постигне равномерен изход.
③Дизайн за комбиниране на лъчи и оптично оформяне
Използването на микролещи, цилиндрични лещи или структурирана оптика може да помогне за оформянето на множество лазерни лъчи във високояркостен, равномерен изход.
4Оптимизация на вълновода на ниво устройство
Регулирането на дебелината на активния слой, дизайна на вълновода и решетъчните структури може допълнително да прецизира отклонението на бързата ос от нивото на чипа.
5. Контрол на дивергенцията в реални приложения
①Източници на лазерна помпа
В мощни твърдотелни или влакнести лазерни системи, лазерните диодни ленти служат като източници на помпа. Контролирането на дивергенцията – особено по бързата ос – подобрява ефективността на свързване и фокусирането на лъча.
2Медицински изделия
За системи като лазерна терапия и обезкосмяване, управлението на дивергенцията осигурява по-равномерно доставяне на енергия и по-безопасно и по-ефективно лечение.
③Индустриална обработка на материали
При лазерното заваряване и рязане, оптимизираната дивергенция допринася за по-висока плътност на мощността, по-добър фокус и по-прецизна и ефективна обработка.
6. Заключение
Ъгълът на дивергенция на лазерния диоден лъч е ключова точка на преход – от микромащабна физика на чиповете към макромащабни оптични системи.
Той служи както като индикатор за качеството на лъча, така и като граница на проектиране за интеграция. Тъй като изискванията към приложенията и сложността на системата продължават да нарастват, разбирането и контролирането на дивергенцията се превръща в основна компетентност както за производителите на лазери, така и за интеграторите – особено за постигане на по-висока мощност, яркост и надеждност.
Време на публикуване: 14 юли 2025 г.