По мере расширения применения мощных лазеров лазерные диодные линейки стали незаменимыми в таких областях, как лазерная накачка, промышленная обработка, медицинское оборудование и научные исследования. Благодаря превосходной плотности мощности, модульной масштабируемости и высокой электрооптической эффективности эти устройства лежат в основе многих современных лазерных систем. Однако среди множества характеристик лазерной диодной линейки один параметр, который часто упускают из виду, но который имеет решающее значение, – это угол расхождения. В данной статье рассматриваются характеристики, физические причины и влияние угла расхождения в лазерных диодных линейках, а также способы эффективного управления им с помощью оптической конструкции.
1. Что такое угол расхождения?
Угол расхождения описывает, как лазерный луч распространяется в свободном пространстве. Он показывает, насколько сильно луч расширяется от излучающей грани. В лазерных диодных линейках угол расхождения демонстрирует сильную асимметрию в двух основных направлениях:
Быстрая ось: перпендикулярна поверхности стержня. Область излучения чрезвычайно узкая (обычно 1–2 мкм), что приводит к большим углам расхождения, часто 30°–45° и более.
Медленная ось: параллельна длине стержня. Область излучения значительно шире (сотни микрометров), что приводит к меньшим углам расхождения, обычно около 5°–15°.
Такое асимметричное расхождение является серьезной проблемой проектирования системной интеграции, включающей линейки лазерных диодов.
2. Физическое происхождение дивергенции
Угол расхождения определяется в первую очередь структурой волновода и размером излучающей грани:
В области быстрой оси область излучения крайне мала. Согласно теории дифракции, меньшие апертуры приводят к большей расходимости.
В медленном направлении луч расширяется по длине стержня через несколько излучателей, что приводит к меньшему углу расхождения.
В результате лазерные диодные линейки изначально демонстрируют высокую расхождение по быстрой оси и низкую расхождение по медленной оси.
3. Как угол расхождения влияет на конструкцию системы
① Высокая стоимость коллимации и формирования пучка
Из-за высокой асимметрии исходного пучка необходимо использовать оптику с быстрой осевой коллимацией (FAC) и медленной осевой коллимацией (SAC). Это увеличивает сложность системы и требует высокой точности монтажа и термостабильности.
② Ограниченная эффективность соединения волокон
При сопряжении лазерных линеек с многомодовыми волокнами, оптическими системами или асферическими линзами большая расходящаяся часть пучка вдоль быстрой оси может привести к «перетеканию» пучка, снижая эффективность сопряжения. Расхождение является основным источником оптических потерь.
③ Качество луча при укладке модулей
В многостержневых модулях плохо контролируемая дивергенция может привести к неравномерному перекрытию пучка или искажению дальней зоны, что влияет на точность фокусировки и распределение тепла.
4. Как контролировать и оптимизировать расходимость в линейках лазерных диодов
Хотя расхождение во многом определяется структурой устройства, для оптимизации можно использовать несколько стратегий системного уровня:
①Использование линз FAC
Размещение коллимационной линзы с быстрой осью вблизи излучающей грани сжимает пучок и уменьшает расхождение по быстрой оси — это важно в большинстве конструкций.
②Линзы SAC для дополнительной коррекции формы
Хотя расхождение по медленной оси меньше, в решетках или линейных источниках света по-прежнему требуется формирование для достижения равномерного выходного сигнала.
③Проектирование объединения лучей и оптического формирования
Использование микролинзовых решеток, цилиндрических линз или структурированной оптики может помочь преобразовать несколько лазерных лучей в однородный свет высокой яркости.
④Оптимизация волновода на уровне устройства
Регулировка толщины активного слоя, конструкции волновода и структур решетки может дополнительно улучшить отклонение по быстрой оси от уровня кристалла.
5. Управление дивергенцией в реальных приложениях
①Источники лазерной накачки
В мощных твердотельных или волоконных лазерных системах лазерные диодные линейки служат источниками накачки. Управление расходимостью, особенно по быстрой оси, улучшает эффективность сопряжения и фокусировку пучка.
②Медицинские приборы
Для таких систем, как лазерная терапия и эпиляция, управление расхождением обеспечивает более равномерную подачу энергии и более безопасное и эффективное лечение.
③Обработка промышленных материалов
При лазерной сварке и резке оптимизированная расходимость способствует более высокой плотности мощности, лучшей фокусировке и более точной и эффективной обработке.
6. Заключение
Угол расхождения лазерного диодного стержня является важнейшей точкой перехода от физики микросхем к макрооптическим системам.
Он служит одновременно индикатором качества луча и определяющим условием для интеграции. По мере роста требований к приложениям и сложности систем понимание и контроль расходимости становятся ключевой компетенцией как для производителей лазеров, так и для интеграторов, особенно для повышения мощности, яркости и надежности.
Время публикации: 14 июля 2025 г.