По мере того как высокомощные лазерные приложения продолжают расширяться, лазерные диодные прутки стали незаменимыми в таких областях, как лазерный насос, промышленная переработка, медицинское оборудование и научные исследования. Благодаря отличной плотности мощности, модульной масштабируемости и высокой электрооптической эффективности эти устройства являются ядром многих современных лазерных систем. Однако среди многих показателей производительности лазерного диодного панеля, один параметр часто упускается из виду, но крайне важен: угол расхождения. В этой статье рассматриваются характеристики, физическое происхождение и последствия угла расхождения в лазерных диодных панелях и то, как оптическая конструкция может эффективно управлять этим.

1. Что такое угол дивергенции?

Угол дивергенции описывает, как лазерный луч распространяется в свободном пространстве. Он указывает, в какой степени луч расширяется от аспекта выброса. В лазерных диодных прутках угол дивергенции демонстрирует сильную асимметрию в двух основных направлениях:

Быстрая Ось: Перпендикулярная к поверхности штанга. Район эмиссии чрезвычайно узкий (обычно 1-2 мкм), что приводит к большим углам дивергенции, часто 30°-45° или более.

Медленная ось: параллельно длине штанга. Район эмиссии гораздо шире (сотни микронов), что приводит к меньшим углам дивергенции, обычно около 5°-15°.

Это асимметричное расхождение является главной задачей проектирования для интеграции системы, включающей лазерные диодные прутники.

2. Физическое происхождение дивергенции

Угол дивергенции определяется в первую очередь структурой волноводного проводника и размером фасады эмиссии:

В быстрой оси площадь выбросов крайне мала. Согласно теории дифракции, меньшие диафрагмы приводят к большей дивергенции.

В медленной оси луч расширяется вдоль длины штанга через несколько излучателей, что приводит к меньшему углу расхождения.

В результате лазерные диодные прутники по своей природе демонстрируют высокую дивергенцию в быстрой оси и низкую дивергенцию в медленной оси.

3. Как угол дивергенции влияет на конструкцию системы

①  Высокая стоимость коллимации и формирования луча

Из-за высокой асимметрии сырого луча необходимо использовать оптику FAC (Fast Axis Collimation) и SAC (Slow Axis Collimation). Это повышает сложность системы и требует высокой точности установки и тепловой стабильности.

②  Ограниченная эффективность соединения волокон

При соединении лазерных прутников в мультимодные волокна, оптические системы или асферические линзы большое быстроосное расхождение может привести к «переливанию» луча, снижая эффективность соединения. Дивергенция является основным источником оптической потери.

③  Качество луча в складывании модулей

В многобарных накладных модулях плохо контролируемая дивергенция может вызвать неравномерное перекрытие луча или искажение далекого поля, влияя на точность фокусирования и тепловое распределение.

4. Как контролировать и оптимизировать дивергенцию в лазерных диодных панелях

Хотя расхождение в значительной степени определяется структурой устройства, для оптимизации можно использовать несколько стратегий на уровне системы:

①  Использование объективов FAC

Размещение быстроосной линзы коллимации вблизи излучающей фасады сжат луч и уменьшает расхождение в быстрой оси - это важно в большинстве конструкций.

②  Объективы SAC для дополнительного оформления

Хотя расхождение медленной оси меньше, для достижения равномерного выхода все еще требуется формирование в массивах или линийных источниках света.

③  Комбинация лучей и оптическое оформление конструкции

Использование микролинз, цилиндрических линз или структурированной оптики может помочь сформировать несколько лазерных лучей в высокояркий, равномерный выход.

④  Оптимизация волновода на уровне устройства

Регулирование толщины активного слоя, конструкции волновода и решеточных структур может еще больше уточнить быстроосное расхождение от уровня чипа.

5. Контроль дивергенции в реальных приложениях

①  Источники лазерных насосов

В высокомощных твердотельных или волоконных лазерных системах лазерные диодные панели служат источниками насоса. Контроль расхождения, особенно в быстрой оси, улучшает эффективность соединения и фокусировку луча.

②  Медицинское оборудование

Для таких систем, как лазерная терапия и удаление волос, управление дивергенцией обеспечивает более равномерную доставку энергии и более безопасное и эффективное лечение.

③  Промышленная обработка материалов

При лазерной сварке и резке оптимизированная дивергенция способствует более высокой плотности мощности, лучшей фокусировке и более точной, эффективной обработке.

6. Вывод

Угол дивергенции лазерного диода является решающей точкой перехода от микромасштабной физики чипов к макромасштабным оптическим системам.
Он служит как индикатором качества луча, так и конструкционной границей для интеграции. По мере того как требования к применению и сложность систем продолжают расти, понимание и контроль за различиями становятся основной компетенцией как для производителей лазеров, так и для интеграторов, особенно для продвижения к более высокой мощности, яркости и надежности.