A mesura que les aplicacions làser d'alta potència continuen expandint-se, les barres de díodes làser s'han tornat indispensables en àrees com el bombament làser, el processament industrial, els equips mèdics i la recerca científica. Amb la seva excel·lent densitat de potència, escalabilitat modular i alta eficiència electroòptica, aquests dispositius són al centre de molts sistemes làser moderns. Tot i això, entre els molts indicadors de rendiment d'una barra de díodes làser, sovint es passa per alt un paràmetre però és de vital importància: l'angle de divergència. Aquest article explora les característiques, els orígens físics i les implicacions de l'angle de divergència en les barres de díodes làser, i com el disseny òptic pot gestionar-lo de manera eficaç.
1. Què és un angle de divergència?
L'angle de divergència descriu com s'escampa un feix làser a mesura que es propaga en l'espai lliure. Indica fins a quin punt el feix s'expandeix des de la faceta d'emissió. En les barres de díode làser, l'angle de divergència presenta una forta asimetria en dues direccions principals:
Eix ràpid: perpendicular a la superfície de la barra. La regió d'emissió és extremadament estreta (normalment d'1 a 2 µm), cosa que provoca grans angles de divergència, sovint de 30° a 45° o més.
Eix lent: Paral·lel a la longitud de la barra. La regió d'emissió és molt més ampla (centenars de micres), cosa que resulta en angles de divergència més petits, normalment al voltant de 5°–15°.
Aquesta divergència asimètrica és un repte de disseny important per a la integració de sistemes que impliquen barres de díodes làser.
2. L'origen físic de la divergència
L'angle de divergència està determinat principalment per l'estructura de la guia d'ones i la mida de la faceta d'emissió:
En l'eix ràpid, l'àrea d'emissió és extremadament petita. Segons la teoria de la difracció, les obertures més petites donen lloc a una divergència més gran.
En l'eix lent, el feix s'expandeix al llarg de la barra a través de múltiples emissors, donant lloc a un angle de divergència més petit.
Com a resultat, les barres de díodes làser presenten inherentment una alta divergència en l'eix ràpid i una baixa divergència en l'eix lent.
3. Com afecta l'angle de divergència al disseny del sistema
① Alt cost de colimació i conformació del feix
A causa de l'alta asimetria del feix en brut, s'han d'utilitzar òptiques FAC (Fast Axis Collimation) i SAC (Slow Axis Collimation). Això augmenta la complexitat del sistema i exigeix una alta precisió d'instal·lació i estabilitat tèrmica.
② Eficiència limitada d'acoblament de fibra
Quan s'acoblen barres làser a fibres multimode, sistemes òptics o lents asfèriques, la gran divergència de l'eix ràpid pot provocar un "desbordament" del feix, cosa que redueix l'eficiència de l'acoblament. La divergència és una font important de pèrdua òptica.
③ Qualitat del feix en l'apilament de mòduls
En mòduls apilats de diverses barres, una divergència mal controlada pot causar una superposició desigual del feix o una distorsió de camp llunyà, cosa que afecta la precisió de l'enfocament i la distribució tèrmica.
4. Com controlar i optimitzar la divergència en barres de díodes làser
Tot i que la divergència es defineix en gran mesura per l'estructura del dispositiu, es poden utilitzar diverses estratègies a nivell de sistema per a l'optimització:
1.Ús de lents FAC
Col·locar una lent de colimació d'eix ràpid a prop de la faceta emissora comprimeix el feix i redueix la divergència en l'eix ràpid; això és essencial en la majoria de dissenys.
2.Lents SAC per a una forma addicional
Tot i que la divergència de l'eix lent és menor, encara cal donar forma a les matrius o fonts de llum lineal per aconseguir una sortida uniforme.
3Disseny de combinació de feixos i conformació òptica
L'ús de matrius de microlents, lents cilíndriques o òptiques estructurades pot ajudar a donar forma a múltiples feixos làser en una sortida uniforme i d'alta brillantor.
④Optimització de la guia d'ones a nivell de dispositiu
L'ajust del gruix de la capa activa, el disseny de la guia d'ones i les estructures de reixeta poden refinar encara més la divergència de l'eix ràpid respecte al nivell del xip.
5. Control de la divergència en aplicacions del món real
1.Fonts de bombament làser
En sistemes làser d'estat sòlid o de fibra d'alta potència, les barres de díode làser serveixen com a fonts de bombament. El control de la divergència, especialment en l'eix ràpid, millora l'eficiència de l'acoblament i l'enfocament del feix.
2.Dispositius mèdics
Per a sistemes com la teràpia làser i la depilació, la gestió de la divergència garanteix un subministrament d'energia més uniforme i un tractament més segur i eficaç.
3Processament de materials industrials
En la soldadura i el tall amb làser, la divergència optimitzada contribueix a una major densitat de potència, un millor enfocament i un processament més precís i eficient.
6. Conclusió
L'angle de divergència d'una barra de díode làser és un punt de transició crucial: des de la física de xips a microescala fins als sistemes òptics a macroescala.
Serveix com a indicador de la qualitat del feix i com a límit de disseny per a la integració. A mesura que les demandes de les aplicacions i la complexitat del sistema continuen augmentant, la comprensió i el control de la divergència esdevé una competència bàsica per als fabricants i integradors de làser, especialment per avançar cap a una major potència, brillantor i fiabilitat.
Data de publicació: 14 de juliol de 2025