По мере расширения областей 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 показателей производительности лазерной диодной линейки часто упускается из виду один параметр, который имеет критически важное значение: угол расходимости. В этой статье рассматриваются характеристики, физические причины и последствия угла расходимости в лазерных диодных линейках, а также способы эффективного управления им в оптическом проектировании.
1. Что такое угол дивергенции?
Угол расходимости описывает, как лазерный луч распространяется в свободном пространстве. Он указывает на степень расширения луча от излучающей грани. В линейках лазерных диодов угол расходимости 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 расходимости, часто 30°–45° и более.
Медленная ось: параллельна длине перемычки. Область излучения значительно шире (сотни микрон), что приводит к меньшим углам расходимости, обычно около 5°–15°.
Эта асимметричная расходимость представляет собой серьезную проблему при проектировании систем, включающих лазерные диодные линейки.
2. Физическое происхождение дивергенции
Угол расходимости в основном определяется структурой волновода и размером излучающей грани:
В направлении быстрой оси площадь излучения чрезвычайно мала. Согласно теории дифракции, меньшие апертуры приводят к большей расходимости.
При движении вдоль медленной оси пучок расширяется вдоль длины стержня, охватывая несколько излучателей, что приводит к уменьшению угла расходимости.
В результате лазерные диодные линейки по своей природе демонстрируют высокую расходимость по быстрой оси и низкую расходимость по медленной оси.
3. Как угол расхождения влияет на проектирование системы.
① Высокая стоимость коллимации и формирования пучка
Из-за высокой асимметрии исходного пучка необходимо использовать оптику с быстрой коллимацией (FAC) и медленной коллимацией (SAC). Это увеличивает сложность системы и требует высокой точности монтажа и термической стабильности.
② Ограниченная эффективность оптоволоконного соединения
При подключении лазерных линеек к многомодовым волокнам, оптическим системам или асферическим линзам большая расходимость по быстрой оси может приводить к «перетеканию» луча, снижая эффективность связи. Расходимость является основным источником оптических потерь.
③ Качество луча при модульной сборке
В многослойных модулях с плохо контролируемой расходимостью пучка может наблюдаться неравномерное перекрытие лучей или искажение в дальней зоне, что влияет на точность фокусировки и распределение тепла.
4. Как контролировать и оптимизировать расходимость в лазерных диодных линейках
Хотя расхождение в значительной степени определяется структурой устройства, для оптимизации можно использовать несколько стратегий на системном уровне:
①Использование линз FAC
Размещение коллимационной линзы, реагирующей на быструю ось, вблизи излучающей грани сжимает пучок и уменьшает расходимость по быстрой оси — это крайне важно в большинстве конструкций.
②Линзы SAC для дополнительной коррекции формы
Хотя расходимость по медленной оси меньше, для достижения равномерного светового потока в массивах или линейных источниках света все еще требуется формирование светового потока.
③Проектирование объединения лучей и формирования оптических сигналов
Использование массивов микролинз, цилиндрических линз или структурированной оптики позволяет формировать из множества лазерных лучей однородный, высокояркий луч.
④Оптимизация волновода на уровне устройства
Регулировка толщины активного слоя, конструкции волновода и структуры решетки позволяет дополнительно уменьшить расходимость по быстрой оси на уровне чипа.
5. Контроль дивергенции в реальных приложениях
①Источники лазерной накачки
В мощных твердотельных или волоконно-оптических лазерных системах лазерные диоды служат источниками накачки. Контроль расходимости, особенно по быстрой оси, повышает эффективность связи и фокусировку пучка.
②Медицинские изделия
В таких системах, как лазерная терапия и эпиляция, управление расхождением сигналов обеспечивает более равномерную подачу энергии и более безопасное и эффективное лечение.
③Промышленная обработка материалов
В лазерной сварке и резке оптимизированная расходимость лазерного луча способствует повышению удельной мощности, улучшению фокусировки и более точной и эффективной обработке.
6. Заключение
Угол расходимости линейки лазерных диодов является важнейшей точкой перехода от физики микрочипов к макроскопическим оптическим системам.
Он служит одновременно индикатором качества луча и границей проектирования для интеграции. По мере роста требований к применению и сложности систем понимание и контроль расходимости становятся ключевой компетенцией как для производителей лазеров, так и для интеграторов — особенно для продвижения к большей мощности, яркости и надежности.
Дата публикации: 14 июля 2025 г.