Kadangi didelio galingumo lazerių taikymas toliau plečiasi, lazerinių diodų juostos tapo nepakeičiamos tokiose srityse kaip lazerinis pumpavimas, pramoninis apdorojimas, medicinos įranga ir moksliniai tyrimai. Dėl puikaus galios tankio, modulinio mastelio keitimo ir didelio elektrooptinio efektyvumo šie įrenginiai yra daugelio šiuolaikinių lazerinių sistemų pagrindas. Tačiau tarp daugelio lazerinių diodų juostos našumo rodiklių vienas parametras dažnai nepastebimas, bet yra nepaprastai svarbus: sklaidos kampas. Šiame straipsnyje nagrinėjamos lazerinių diodų juostų sklaidos kampo charakteristikos, fizinė kilmė ir pasekmės, taip pat kaip optinis dizainas gali efektyviai jį valdyti.
1. Kas yra divergencijos kampas?
Sklaidos kampas apibūdina, kaip lazerio spindulys sklinda laisvoje erdvėje. Jis rodo, kiek spindulys išsiplečia nuo emisijos faseto. Lazerinių diodų juostose sklaidos kampas pasižymi stipria asimetrija dviem pagrindinėmis kryptimis:
Greitoji ašis: statmena strypo paviršiui. Emisijos sritis yra itin siaura (paprastai 1–2 µm), todėl susidaro dideli sklaidos kampai, dažnai 30°–45° ar daugiau.
Lėtoji ašis: lygiagreti juostos ilgiui. Emisijos sritis yra daug platesnė (šimtai mikronų), todėl sklaidos kampai yra mažesni, paprastai apie 5°–15°.
Šis asimetrinis nukrypimas yra pagrindinis lazerinių diodų strypų sistemų integravimo iššūkis.
2. Fizinė divergencijos kilmė
Sklendės kampą pirmiausia lemia bangolaidžio struktūra ir emisijos briaunos dydis:
Greitojoje ašyje emisijos plotas yra itin mažas. Remiantis difrakcijos teorija, mažesnės apertūros lemia didesnę divergenciją.
Lėtojoje ašyje spindulys plečiasi išilgai strypo per kelis skleidėjus, todėl sumažėja sklaidos kampas.
Dėl to lazerinių diodų juostos iš esmės pasižymi didele divergencija greitojoje ašyje ir maža divergencija lėtojoje ašyje.
3. Kaip divergencijos kampas veikia sistemos projektavimą
① Didelės kolimacijos ir spindulio formavimo išlaidos
Dėl didelės neapdoroto spindulio asimetrijos turi būti naudojama FAC (greitojo ašies kolimavimo) ir SAC (lėtojo ašies kolimavimo) optika. Tai padidina sistemos sudėtingumą ir reikalauja didelio montavimo tikslumo bei terminio stabilumo.
② Ribotas pluošto sujungimo efektyvumas
Jungiant lazerio strypus prie daugiamodžių šviesolaidžių, optinių sistemų ar asferinių lęšių, didelė greitosios ašies divergencija gali sukelti spindulio „išsiliejimą“, sumažindama sujungimo efektyvumą. Divergencija yra pagrindinis optinių nuostolių šaltinis.
③ Sijų kokybė modulių klojime
Daugiasluoksniuose moduliuose blogai kontroliuojama divergencija gali sukelti netolygų spindulių persidengimą arba tolimojo lauko iškraipymą, o tai turi įtakos fokusavimo tikslumui ir šilumos pasiskirstymui.
4. Kaip valdyti ir optimizuoti lazerinių diodų juostų divergenciją
Nors divergenciją daugiausia lemia įrenginio struktūra, optimizavimui galima naudoti kelias sistemos lygio strategijas:
①FAC lęšių naudojimas
Padėjus greitosios ašies kolimacijos lęšį arti skleidžiančiojo paviršiaus, spindulys suspaudžiamas ir sumažinamas greitosios ašies išsibarstymas – tai yra labai svarbu daugumoje konstrukcijų.
②SAC lęšiai papildomam formavimui
Nors lėtosios ašies divergencija yra mažesnė, šviesos masyvuose arba linijiniuose šaltiniuose vis tiek reikia formavimo, kad būtų pasiektas vienodas išėjimas.
③Spindulių derinimas ir optinio formavimo projektavimas
Naudojant mikrolęšių matricas, cilindrinius lęšius arba struktūrizuotą optiką, galima suformuoti kelis lazerio spindulius į didelio ryškumo, vienodą išvestį.
④Įrenginio lygio bangolaidžio optimizavimas
Aktyvaus sluoksnio storio, bangolaidžio konstrukcijos ir grotelių struktūrų reguliavimas gali dar labiau patikslinti greitosios ašies nukrypimą nuo lusto lygio.
5. Divergencijos valdymas realiose situacijose
①Lazerinių siurblių šaltiniai
Didelės galios kietojo kūno arba šviesolaidinių lazerių sistemose lazerinių diodų strypai veikia kaip kaupinimo šaltiniai. Divergencijos valdymas, ypač greitojoje ašyje, pagerina sujungimo efektyvumą ir spindulio fokusavimą.
②Medicinos prietaisai
Tokiose sistemose kaip lazerio terapija ir plaukų šalinimas, divergencijos valdymas užtikrina tolygesnį energijos tiekimą ir saugesnį, efektyvesnį gydymą.
③Pramoninis medžiagų apdorojimas
Lazerinio suvirinimo ir pjovimo metu optimizuota divergencija prisideda prie didesnio galios tankio, geresnio fokusavimo ir tikslesnio, efektyvesnio apdorojimo.
6. Išvada
Lazerinio diodo juostos sklaidos kampas yra labai svarbus perėjimo taškas – nuo mikroschemų fizikos prie makro optinių sistemų.
Tai yra ir spindulio kokybės rodiklis, ir integracijos projektavimo riba. Kadangi taikymo poreikiai ir sistemos sudėtingumas nuolat auga, divergencijos supratimas ir valdymas tampa pagrindine lazerių gamintojų ir integratorių kompetencija, ypač siekiant didesnės galios, ryškumo ir patikimumo.
Įrašo laikas: 2025 m. liepos 14 d.