S rozširovaním aplikácií vysokovýkonných laserov sa laserové diódové tyče stali nevyhnutnými v oblastiach, ako je laserové čerpanie, priemyselné spracovanie, zdravotnícke zariadenia a vedecký výskum. Vďaka svojej vynikajúcej hustote výkonu, modulárnej škálovateľnosti a vysokej elektrooptickej účinnosti sú tieto zariadenia jadrom mnohých moderných laserových systémov. Napriek tomu sa medzi mnohými ukazovateľmi výkonu laserovej diódovej tyče jeden parameter často prehliada, ale je kriticky dôležitý: uhol divergencie. Tento článok skúma charakteristiky, fyzikálny pôvod a dôsledky uhla divergencie v laserových diódových tyčiach – a to, ako ho optický dizajn dokáže efektívne riadiť.
1. Čo je to uhol divergencie?
Uhol divergencie opisuje, ako sa laserový lúč šíri vo voľnom priestore. Udáva rozsah, v akom sa lúč rozširuje z emisnej fazety. V laserových diódových tyčiach vykazuje uhol divergencie silnú asymetriu v dvoch hlavných smeroch:
Rýchla os: Kolmá na povrch tyče. Emisná oblasť je extrémne úzka (typicky 1 – 2 µm), čo vedie k veľkým uhlom divergencie, často 30° – 45° alebo viac.
Pomalá os: Rovnobežná s dĺžkou tyče. Emisná oblasť je oveľa širšia (stovky mikrónov), čo má za následok menšie uhly divergencie, zvyčajne okolo 5° – 15°.
Táto asymetrická divergencia je hlavnou konštrukčnou výzvou pre systémovú integráciu zahŕňajúcu laserové diódové tyče.
2. Fyzický pôvod divergencie
Uhol divergencie je primárne určený štruktúrou vlnovodu a veľkosťou emisnej fazety:
Na rýchlej osi je emisná plocha extrémne malá. Podľa difrakčnej teórie menšie otvory vedú k väčšej divergencii.
V pomalej osi sa lúč rozširuje pozdĺž tyče cez viacero žiaričov, čo vedie k menšiemu uhlu divergencie.
V dôsledku toho laserové diódové tyče inherentne vykazujú vysokú divergenciu v rýchlej osi a nízku divergenciu v pomalej osi.
3. Ako uhol divergencie ovplyvňuje návrh systému
① Vysoké náklady na kolimáciu a tvarovanie lúča
Vzhľadom na vysokú asymetriu surového lúča sa musí použiť optika FAC (Fast Axis Collimation) a SAC (Slow Axis Collimation). To zvyšuje zložitosť systému a vyžaduje vysokú presnosť inštalácie a tepelnú stabilitu.
② Obmedzená účinnosť spájania vlákien
Pri prepájaní laserových tyčí s multimódovými vláknami, optickými systémami alebo asférickými šošovkami môže veľká divergencia na rýchlej osi viesť k „prelievaniu“ lúča, čo znižuje účinnosť prepojenia. Divergencia je hlavným zdrojom optických strát.
③ Kvalita lúča pri stohovaní modulov
V viacprvkových stohovaných moduloch môže zle kontrolovaná divergencia spôsobiť nerovnomerné prekrývanie lúčov alebo skreslenie vzdialeného poľa, čo ovplyvňuje presnosť zaostrenia a rozloženie tepla.
4. Ako riadiť a optimalizovať divergenciu v laserových diódových tyčiach
Hoci divergencia je do značnej miery definovaná štruktúrou zariadenia, na optimalizáciu možno použiť niekoľko stratégií na úrovni systému:
①Použitie objektívov FAC
Umiestnenie kolimačnej šošovky s rýchlou osou blízko vyžarujúcej fazety lúč stláča a znižuje divergenciu v rýchlej osi – to je vo väčšine návrhov nevyhnutné.
2Šošovky SAC pre dodatočné tvarovanie
Hoci je divergencia na pomalej osi menšia, v poliach alebo riadkových svetelných zdrojoch je stále potrebné tvarovanie na dosiahnutie rovnomerného výstupu.
③Návrh kombinovania lúčov a optického tvarovania
Použitie polí mikrošošoviek, valcových šošoviek alebo štruktúrovanej optiky môže pomôcť tvarovať viacero laserových lúčov do vysoko jasného a rovnomerného výstupu.
4Optimalizácia vlnovodu na úrovni zariadenia
Úpravou hrúbky aktívnej vrstvy, návrhu vlnovodu a mriežkových štruktúr je možné ďalej spresniť divergenciu rýchlej osi od úrovne čipu.
5. Riadenie divergencie v reálnych aplikáciách
①Zdroje laserového čerpadla
Vo vysokovýkonných tuhých alebo vláknových laserových systémoch slúžia laserové diódové tyče ako zdroje čerpacieho napätia. Riadenie divergencie – najmä v rýchlej osi – zlepšuje účinnosť väzby a zaostrovanie lúča.
2Zdravotnícke pomôcky
V prípade systémov ako laserová terapia a odstraňovanie chĺpkov zabezpečuje riadenie divergencie rovnomernejšie dodávanie energie a bezpečnejšiu a účinnejšiu liečbu.
③Priemyselné spracovanie materiálov
Pri laserovom zváraní a rezaní prispieva optimalizovaná divergencia k vyššej hustote výkonu, lepšiemu zaostreniu a presnejšiemu a efektívnejšiemu spracovaniu.
6. Záver
Uhol divergencie laserovej diódovej tyče je kľúčovým prechodným bodom – od fyziky mikročipov k optickým systémom v makrorozmeroch.
Slúži ako indikátor kvality lúča a zároveň ako hranica návrhu pre integráciu. Keďže požiadavky na aplikácie a zložitosť systému neustále rastú, pochopenie a kontrola divergencie sa stáva kľúčovou kompetenciou pre výrobcov aj integrátorov laserov – najmä pre pokrok smerom k vyššiemu výkonu, jasu a spoľahlivosti.
Čas uverejnenia: 14. júla 2025