Wraz z ciągłym rozwojem zastosowań laserów dużej mocy, listwy z diodami laserowymi stały się niezastąpione w takich dziedzinach jak pompowanie laserowe, przetwórstwo przemysłowe, sprzęt medyczny i badania naukowe. Dzięki doskonałej gęstości mocy, modułowej skalowalności i wysokiej sprawności elektrooptycznej, urządzenia te stanowią rdzeń wielu nowoczesnych systemów laserowych. Jednak wśród wielu wskaźników wydajności listwy z diodami laserowymi, jeden parametr jest często pomijany, ale ma kluczowe znaczenie: kąt rozbieżności. Niniejszy artykuł analizuje charakterystykę, pochodzenie fizyczne i implikacje kąta rozbieżności w listwach z diodami laserowymi – oraz to, jak konstrukcja optyczna może skutecznie nim zarządzać.
1. Co to jest kąt rozbieżności?
Kąt dywergencji opisuje sposób rozprzestrzeniania się wiązki laserowej w wolnej przestrzeni. Wskazuje on, w jakim stopniu wiązka rozszerza się od powierzchni emisyjnej. W laserach diodowych kąt dywergencji wykazuje silną asymetrię w dwóch głównych kierunkach:
Szybka oś: Prostopadle do powierzchni pręta. Obszar emisji jest niezwykle wąski (zwykle 1–2 µm), co prowadzi do dużych kątów rozbieżności, często 30°–45° lub większych.
Oś powolna: Równolegle do długości pręta. Obszar emisji jest znacznie szerszy (setki mikronów), co skutkuje mniejszymi kątami rozbieżności, zazwyczaj około 5°–15°.
Ta asymetryczna rozbieżność stanowi poważne wyzwanie projektowe w przypadku integracji systemów wykorzystujących paski diod laserowych.
2. Fizyczne pochodzenie rozbieżności
Kąt rozbieżności jest przede wszystkim determinowany przez strukturę falowodu i rozmiar powierzchni emisyjnej:
W szybkiej osi obszar emisji jest niezwykle mały. Zgodnie z teorią dyfrakcji, mniejsze apertury skutkują większą dywergencją.
W osi wolnej wiązka rozszerza się wzdłuż pręta na wiele emiterów, co skutkuje mniejszym kątem rozbieżności.
W rezultacie paski diod laserowych z natury charakteryzują się dużą rozbieżnością w osi szybkiej i małą rozbieżnością w osi wolnej.
3. Jak kąt rozbieżności wpływa na projekt systemu
① Wysoki koszt kolimacji i kształtowania wiązki
Ze względu na dużą asymetrię wiązki surowej, konieczne jest zastosowanie optyki FAC (Fast Axis Collimation) i SAC (Slow Axis Collimation). Zwiększa to złożoność systemu i wymaga wysokiej precyzji montażu oraz stabilności termicznej.
② Ograniczona wydajność sprzęgania włókien
Podczas łączenia prętów laserowych ze światłowodami wielomodowymi, systemami optycznymi lub soczewkami asferycznymi, duża rozbieżność w osi szybkiej może prowadzić do „przelewania się” wiązki, zmniejszając wydajność sprzężenia. Rozbieżność jest głównym źródłem strat optycznych.
③ Jakość belki w układaniu modułów
W modułach wieloprętowych słabo kontrolowana rozbieżność może powodować nierównomierne nakładanie się wiązek lub zniekształcenia w polu dalekim, co ma wpływ na precyzję ogniskowania i rozkład temperatury.
4. Jak kontrolować i optymalizować rozbieżność w diodach laserowych
Mimo że rozbieżność jest w dużym stopniu definiowana przez strukturę urządzenia, do optymalizacji można zastosować kilka strategii na poziomie systemu:
①Stosowanie soczewek FAC
Umieszczenie soczewki kolimacyjnej o szybkiej osi blisko powierzchni emitującej powoduje kompresję wiązki i redukcję rozbieżności w szybkiej osi — jest to istotne w większości projektów.
②Soczewki SAC zapewniające dodatkowe kształtowanie
Mimo że rozbieżność w osi wolnej jest mniejsza, w celu uzyskania jednolitego wyjścia w matrycach lub liniowych źródłach światła nadal wymagane jest odpowiednie kształtowanie.
③Łączenie wiązek i projektowanie kształtowania optycznego
Zastosowanie mikrosoczewek, soczewek cylindrycznych lub optyki strukturalnej może pomóc w ukształtowaniu wielu wiązek laserowych w celu uzyskania jednolitego, jasnego obrazu.
④Optymalizacja falowodów na poziomie urządzenia
Dopasowanie grubości warstwy aktywnej, konstrukcji falowodu i struktur kratowych może dodatkowo udoskonalić rozbieżność osi szybkich od poziomu układu scalonego.
5. Kontrola rozbieżności w zastosowaniach rzeczywistych
①Źródła pomp laserowych
W półprzewodnikowych lub światłowodowych systemach laserowych dużej mocy, diody laserowe pełnią rolę źródeł pompujących. Kontrola rozbieżności – zwłaszcza w osi szybkiej – poprawia wydajność sprzężenia i ogniskowanie wiązki.
②Urządzenia medyczne
W przypadku systemów takich jak terapia laserowa czy usuwanie owłosienia, zarządzanie rozbieżnością zapewnia bardziej równomierne dostarczanie energii oraz bezpieczniejsze i skuteczniejsze leczenie.
③Przetwarzanie materiałów przemysłowych
W spawaniu i cięciu laserowym zoptymalizowana rozbieżność przyczynia się do większej gęstości mocy, lepszego skupienia oraz bardziej precyzyjnego i wydajnego przetwarzania.
6. Wnioski
Kąt rozbieżności diody laserowej to kluczowy punkt przejścia od fizyki układów scalonych w skali mikro do systemów optycznych w skali makro.
Służy zarówno jako wskaźnik jakości wiązki, jak i granica projektowa dla integracji. Wraz ze wzrostem wymagań aplikacji i złożoności systemów, zrozumienie i kontrolowanie rozbieżności staje się kluczową kompetencją zarówno producentów laserów, jak i integratorów – zwłaszcza w dążeniu do osiągnięcia wyższej mocy, jasności i niezawodności.
Czas publikacji: 14 lipca 2025 r.