Tā kā lieljaudas lāzeru pielietojums turpina paplašināties, lāzerdiožu stieņi ir kļuvuši neaizstājami tādās jomās kā lāzera sūknēšana, rūpnieciskā apstrāde, medicīnas iekārtas un zinātniskā pētniecība. Pateicoties izcilajam jaudas blīvumam, modulārajai mērogojamībai un augstajai elektrooptiskajai efektivitātei, šīs ierīces ir daudzu mūsdienu lāzersistēmu pamatā. Tomēr starp daudzajiem lāzerdiožu stieņu veiktspējas rādītājiem viens parametrs bieži tiek ignorēts, bet tam ir kritiska nozīme: novirzes leņķis. Šajā rakstā tiek pētītas lāzerdiožu stieņu novirzes leņķa īpašības, fizikālā izcelsme un sekas, kā arī tas, kā optiskais dizains var to efektīvi pārvaldīt.
1. Kas ir novirzes leņķis?
Diverģences leņķis apraksta, kā lāzera stars izplatās, tam izplatoties brīvā telpā. Tas norāda, cik lielā mērā stars izplešas no emisijas fasetes. Lāzerdiožu stieņos diverģences leņķim ir spēcīga asimetrija divos galvenajos virzienos:
Ātrā ass: Perpendikulāra stieņa virsmai. Emisijas reģions ir ārkārtīgi šaurs (parasti 1–2 µm), kā rezultātā rodas lieli novirzes leņķi, bieži vien 30°–45° vai vairāk.
Lēnā ass: Paralēli stieņa garumam. Emisijas reģions ir daudz platāks (simtiem mikronu), kā rezultātā novirzes leņķi ir mazāki, parasti aptuveni 5°–15°.
Šī asimetriskā novirze ir galvenais dizaina izaicinājums sistēmu integrācijai, kurā iesaistītas lāzerdiožu stieņi.
2. Diverģences fiziskā izcelsme
Atšķirības leņķi galvenokārt nosaka viļņvada struktūra un emisijas šķautnes izmērs:
Ātrajā asī emisijas laukums ir ārkārtīgi mazs. Saskaņā ar difrakcijas teoriju, mazākas apertūras rada lielāku diverģenci.
Lēnajā asī stars izplešas gar stieņa garumu pāri vairākiem emitētājiem, kā rezultātā samazinās novirzes leņķis.
Tā rezultātā lāzerdiožu stieņiem raksturīga augsta diverģence ātrajā asī un zema diverģence lēnajā asī.
3. Kā novirzes leņķis ietekmē sistēmas dizainu
① Augstas kolimācijas un staru kūļa veidošanas izmaksas
Neapstrādātā stara augstās asimetrijas dēļ jāizmanto FAC (ātrās ass kolimācijas) un SAC (lēnas ass kolimācijas) optika. Tas palielina sistēmas sarežģītību un prasa augstu uzstādīšanas precizitāti un termisko stabilitāti.
② Ierobežota šķiedru savienošanas efektivitāte
Savienojot lāzera stieņus ar daudzmodu šķiedrām, optiskajām sistēmām vai asfēriskām lēcām, lielā ātrās ass diverģence var izraisīt stara "izkliedi", samazinot savienošanas efektivitāti. Diverģence ir galvenais optisko zudumu avots.
③ Siju kvalitāte moduļu sakraušanā
Daudzjoslu sakrautos moduļos slikti kontrolēta diverģence var izraisīt nevienmērīgu staru pārklāšanos vai tālā lauka kropļojumus, ietekmējot fokusēšanas precizitāti un termisko sadalījumu.
4. Kā kontrolēt un optimizēt lāzerdiožu stieņu diverģenci
Lai gan atšķirības lielā mērā nosaka ierīces struktūra, optimizācijai var izmantot vairākas sistēmas līmeņa stratēģijas:
①FAC lēcu lietošana
Novietojot ātrās ass kolimācijas lēcu tuvu izstarojošajai fasetei, stars tiek saspiests un samazināta novirze ātrajā asī — tas ir svarīgi vairumā konstrukciju.
②SAC lēcas papildu veidošanai
Lai gan lēnās ass diverģence ir mazāka, gaismas masīvos vai līnijas avotos joprojām ir nepieciešama formēšana, lai panāktu vienmērīgu jaudu.
③Staru apvienošana un optiskās formēšanas dizains
Izmantojot mikrolēcu masīvus, cilindriskas lēcas vai strukturētu optiku, var palīdzēt veidot vairākus lāzera starus augstas spilgtuma, vienmērīgā izvadē.
④Ierīces līmeņa viļņvada optimizācija
Aktīvā slāņa biezuma, viļņvada konstrukcijas un režģa struktūru pielāgošana var vēl vairāk uzlabot ātrās ass novirzi no mikroshēmas līmeņa.
5. Diverģences kontrole reālās pasaules lietojumos
①Lāzera sūkņa avoti
Lieljaudas cietvielu vai šķiedru lāzeru sistēmās lāzerdiožu stieņi kalpo kā sūknēšanas avoti. Diverģences kontrole, īpaši ātrajā asī, uzlabo savienojuma efektivitāti un stara fokusēšanu.
②Medicīnas ierīces
Tādās sistēmās kā lāzerterapija un epilācija, diverģences pārvaldība nodrošina vienmērīgāku enerģijas piegādi un drošāku, efektīvāku ārstēšanu.
③Rūpniecisko materiālu apstrāde
Lāzera metināšanā un griešanā optimizēta diverģence veicina lielāku jaudas blīvumu, labāku fokusu un precīzāku, efektīvāku apstrādi.
6. Secinājums
Lāzerdiodes stieņa novirzes leņķis ir izšķirošs pārejas punkts — no mikromēroga mikroshēmu fizikas uz makromēroga optiskajām sistēmām.
Tas kalpo gan kā stara kvalitātes indikators, gan kā integrācijas dizaina robeža. Tā kā lietojumprogrammu prasības un sistēmas sarežģītība turpina pieaugt, atšķirību izpratne un kontrole kļūst par galveno kompetenci gan lāzeru ražotājiem, gan integratoriem, īpaši, lai virzītos uz lielāku jaudu, spilgtumu un uzticamību.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 14. jūlijs