Ahogy a nagy teljesítményű lézeralkalmazások folyamatosan bővülnek, a lézerdióda rudak nélkülözhetetlenné váltak olyan területeken, mint a lézerpumpálás, az ipari feldolgozás, az orvosi berendezések és a tudományos kutatás. Kiváló teljesítménysűrűségükkel, moduláris skálázhatóságukkal és magas elektrooptikai hatásfokukkal ezek az eszközök számos modern lézerrendszer középpontjában állnak. A lézerdióda rudak számos teljesítménymutatója közül azonban egy paramétert gyakran figyelmen kívül hagynak, pedig kritikus fontosságú: a divergencia szöget. Ez a cikk a lézerdióda rudak divergencia szögének jellemzőit, fizikai eredetét és következményeit vizsgálja – valamint azt, hogy az optikai tervezés hogyan tudja hatékonyan kezelni azt.
1. Mi a divergencia szög?
A divergencia szöge leírja, hogyan terjed a lézersugár a szabad térben. Azt jelzi, hogy a sugár milyen mértékben tágul ki az emissziós felületről. Lézerdióda rudakban a divergencia szög két fő irányban erős aszimmetriát mutat:
Gyorstengely: Merőleges a rúd felületére. Az emissziós tartomány rendkívül keskeny (jellemzően 1–2 µm), ami nagy divergencia szögekhez vezet, gyakran 30°–45°-hoz vagy többhöz.
Lassú tengely: Párhuzamos a rúd hosszával. Az emissziós tartomány sokkal szélesebb (több száz mikron), ami kisebb divergencia szögeket eredményez, jellemzően 5°–15° körül.
Ez az aszimmetrikus eltérés komoly tervezési kihívást jelent a lézerdióda rudakat tartalmazó rendszerintegráció során.
2. A divergencia fizikai eredete
A divergencia szögét elsősorban a hullámvezető szerkezete és az emissziós fazetta mérete határozza meg:
A gyors tengelyen az emissziós terület rendkívül kicsi. A diffrakciós elmélet szerint a kisebb apertúrák nagyobb divergenciát eredményeznek.
A lassú tengelyen a nyaláb a rúd hosszában több emitteren keresztül tágul, ami kisebb divergencia szöget eredményez.
Ennek eredményeként a lézerdióda rudak természetüknél fogva nagy divergálást mutatnak a gyors tengelyen és alacsony divergálást a lassú tengelyen.
3. Hogyan befolyásolja a divergencia szög a rendszertervezést
① A kollimáció és a nyalábformálás magas költségei
A nyers nyaláb nagyfokú aszimmetriája miatt FAC (gyors tengelyes kollimáció) és SAC (lassú tengelyes kollimáció) optikákat kell használni. Ez növeli a rendszer bonyolultságát, és nagy telepítési pontosságot, valamint hőstabilitást igényel.
② Korlátozott száloptikai csatolási hatékonyság
Amikor lézerrudakat csatolnak többmódusú szálakhoz, optikai rendszerekhez vagy aszférikus lencsékhez, a nagy gyorstengely-divergencia a nyaláb „áttekeredéséhez” vezethet, ami csökkenti a csatolási hatékonyságot. A divergencia az optikai veszteség egyik fő forrása.
③ Gerenda minősége modulok egymásra helyezésekor
Több rúddal egymásra rakott modulokban a rosszul szabályozott divergencia egyenetlen nyalábátfedést vagy távoli térbeli torzulást okozhat, ami befolyásolhatja a fókuszálás pontosságát és a hőeloszlást.
4. Hogyan szabályozzuk és optimalizáljuk a lézerdióda rudak divergenciáját
Bár a divergencia nagymértékben függ az eszköz felépítésétől, számos rendszerszintű stratégia alkalmazható az optimalizáláshoz:
①FAC lencsék használata
Ha egy gyorstengelyű kollimációs lencsét helyezünk a kibocsátó fazetta közelébe, az összenyomja a nyalábot és csökkenti a gyorstengelybeli eltérést – ez a legtöbb kialakításban elengedhetetlen.
②SAC lencsék a további formázáshoz
Bár a lassú tengelyű divergencia kisebb, a tömbökben vagy a vonalas fényforrásokban továbbra is szükség van alakításra az egyenletes kimenet eléréséhez.
③Nyalábkombináció és optikai alakítás tervezése
Mikrolencse-tömbök, hengeres lencsék vagy strukturált optikák segítségével több lézernyalábot nagy fényerejű, egyenletes kimenetté formálhatunk.
④Eszközszintű hullámvezető optimalizálás
Az aktív réteg vastagságának, a hullámvezető kialakításának és a rácsszerkezeteknek a beállításával tovább finomítható a gyorstengely-eltérés a chip szintjétől.
5. Divergencia-szabályozás valós alkalmazásokban
①Lézerszivattyú források
Nagy teljesítményű szilárdtest vagy száloptikás lézerrendszerekben a lézerdióda rudak pumpáló forrásként szolgálnak. A divergencia szabályozása – különösen a gyors tengelyen – javítja a csatolási hatékonyságot és a nyaláb fókuszálását.
②Orvosi eszközök
Az olyan rendszerek esetében, mint a lézerterápia és a szőrtelenítés, az eltérések kezelése egyenletesebb energialeadást és biztonságosabb, hatékonyabb kezelést biztosít.
③Ipari anyagfeldolgozás
A lézeres hegesztés és vágás során az optimalizált divergencia nagyobb teljesítménysűrűséget, jobb fókuszt és pontosabb, hatékonyabb feldolgozást eredményez.
6. Következtetés
A lézerdióda rúd divergencia szöge kulcsfontosságú átmeneti pont – a mikroméretű chipfizikától a makroméretű optikai rendszerekig.
Ez egyben a nyalábminőség indikátoraként és az integráció tervezési határaként is szolgál. Ahogy az alkalmazási igények és a rendszerek összetettsége folyamatosan növekszik, az eltérések megértése és szabályozása alapvető kompetenciává válik mind a lézergyártók, mind az integrátorok számára – különösen a nagyobb teljesítmény, fényerő és megbízhatóság felé való elmozdulás érdekében.
Közzététel ideje: 2025. július 14.