Ker se uporaba visokozmogljivih laserjev še naprej širi, so laserske diodne palice postale nepogrešljive na področjih, kot so lasersko črpanje, industrijska obdelava, medicinska oprema in znanstvene raziskave. Z odlično gostoto moči, modularno skalabilnostjo in visoko elektrooptično učinkovitostjo so te naprave jedro mnogih sodobnih laserskih sistemov. Vendar pa je med številnimi kazalniki delovanja laserske diodne palice en parameter pogosto spregledan, a je ključnega pomena: kot divergence. Ta članek raziskuje značilnosti, fizični izvor in posledice kota divergence v laserskih diodnih palicah – in kako ga lahko optična zasnova učinkovito obvladuje.
1. Kaj je divergenčni kot?
Divergenčni kot opisuje, kako se laserski žarek širi v prostem prostoru. Označuje, v kolikšni meri se žarek širi z emisijske ploskve. V laserskih diodnih palicah divergenčni kot kaže močno asimetrijo v dveh glavnih smereh:
Hitra os: Pravokotna na površino palice. Območje emisije je izjemno ozko (običajno 1–2 µm), kar vodi do velikih kotov divergence, pogosto 30°–45° ali več.
Počasna os: Vzporedna z dolžino palice. Območje emisije je veliko širše (na stotine mikronov), kar ima za posledico manjše kote divergence, običajno okoli 5°–15°.
Ta asimetrična divergenca je velik izziv pri načrtovanju sistemske integracije, ki vključuje laserske diodne palice.
2. Fizični izvor divergence
Kot divergence je v prvi vrsti določen s strukturo valovoda in velikostjo emisijske ploskve:
Na hitri osi je emisijsko območje izjemno majhno. V skladu z difrakcijsko teorijo manjše odprtine povzročijo večjo divergenco.
V počasni osi se žarek širi vzdolž dolžine palice čez več oddajnikov, kar ima za posledico manjši kot divergence.
Posledično laserske diodne palice že po naravi kažejo visoko divergenco v hitri osi in nizko divergenco v počasni osi.
3. Kako kot divergence vpliva na zasnovo sistema
① Visoki stroški kolimacije in oblikovanja žarka
Zaradi velike asimetrije surovega žarka je treba uporabiti optiko FAC (Fast Axis Collimation - hitra kolimacija osi) in SAC (Slow Axis Collimation - počasna kolimacija osi). To poveča kompleksnost sistema in zahteva visoko natančnost namestitve ter toplotno stabilnost.
② Omejena učinkovitost spajanja vlaken
Pri povezovanju laserskih palic z večmodnimi vlakni, optičnimi sistemi ali asferičnimi lečami lahko velika divergenca na hitri osi povzroči "prelivanje" žarka, kar zmanjša učinkovitost povezovanja. Divergenca je glavni vir optičnih izgub.
③ Kakovost žarka pri zlaganju modulov
V večpaličnih modulih lahko slabo nadzorovana divergenca povzroči neenakomerno prekrivanje žarkov ali popačenje daljnega polja, kar vpliva na natančnost ostrenja in porazdelitev toplote.
4. Kako nadzorovati in optimizirati divergenco v laserskih diodnih palicah
Čeprav je divergenca v veliki meri določena s strukturo naprave, se za optimizacijo lahko uporabi več strategij na ravni sistema:
①Uporaba FAC leč
Namestitev kolimacijske leče s hitro osjo blizu oddajne ploskve stisne žarek in zmanjša divergenco v hitri osi – to je bistveno pri večini zasnov.
2SAC leče za dodatno oblikovanje
Čeprav je divergenca počasne osi manjša, je v nizih ali linijskih svetlobnih virih še vedno potrebno oblikovanje, da se doseže enakomeren izhod.
3Združevanje žarkov in oblikovanje optičnih elementov
Uporaba mikrolečnih nizov, valjastih leč ali strukturirane optike lahko pomaga oblikovati več laserskih žarkov v visoko svetli, enakomeren izhod.
4Optimizacija valovoda na ravni naprave
Prilagajanje debeline aktivne plasti, zasnove valovoda in struktur rešetk lahko dodatno izboljša divergenco hitre osi od nivoja čipa.
5. Nadzor divergence v resničnih aplikacijah
①Viri laserske črpalke
V visokozmogljivih trdno-telesnih ali vlaknenih laserskih sistemih laserske diode služijo kot viri črpanja. Nadzor nad divergenco – zlasti v hitri osi – izboljša učinkovitost sklopitve in fokusiranje žarka.
2Medicinski pripomočki
Pri sistemih, kot sta laserska terapija in odstranjevanje dlak, obvladovanje razlik zagotavlja enakomernejšo dostavo energije ter varnejše in učinkovitejše zdravljenje.
3Industrijska obdelava materialov
Pri laserskem varjenju in rezanju optimizirana divergenca prispeva k večji gostoti moči, boljšemu fokusu ter natančnejši in učinkovitejši obdelavi.
6. Zaključek
Kot divergence laserske diode je ključna prehodna točka – od fizike mikročipov do makro optičnih sistemov.
Služi tako kot kazalnik kakovosti žarka kot tudi kot meja zasnove za integracijo. Ker zahteve aplikacij in kompleksnost sistema še naprej naraščajo, postaja razumevanje in obvladovanje divergence ključna kompetenca tako za proizvajalce laserjev kot za integratorje – zlasti za napredek k večji moči, svetlosti in zanesljivosti.
Čas objave: 14. julij 2025