I takt med att högeffektslaserapplikationer fortsätter att expandera har laserdiodstavar blivit oumbärliga inom områden som laserpumpning, industriell bearbetning, medicinsk utrustning och vetenskaplig forskning. Med sin utmärkta effekttäthet, modulära skalbarhet och höga elektrooptiska effektivitet är dessa enheter kärnan i många moderna lasersystem. Ändå, bland de många prestandaindikatorerna för en laserdiodstav, förbises en parameter ofta men är avgörande: divergensvinkeln. Den här artikeln utforskar egenskaperna, det fysiska ursprunget och konsekvenserna av divergensvinkeln i laserdiodstavar – och hur optisk design effektivt kan hantera den.
1. Vad är en divergensvinkel?
Divergensvinkeln beskriver hur en laserstråle sprider sig när den utbreder sig i det fria rummet. Den indikerar i vilken utsträckning strålen expanderar från emissionsfasetten. I laserdiodstavar uppvisar divergensvinkeln stark asymmetri i två huvudriktningar:
Snabb axel: Vinkelrätt mot stavytan. Emissionsområdet är extremt smalt (vanligtvis 1–2 µm), vilket leder till stora divergensvinklar, ofta 30°–45° eller mer.
Långsam axel: Parallell med stapelns längd. Emissionsområdet är mycket bredare (hundratals mikrometer), vilket resulterar i mindre divergensvinklar, vanligtvis runt 5°–15°.
Denna asymmetriska divergens är en stor designutmaning för systemintegration som involverar laserdiodstavar.
2. Divergensens fysiska ursprung
Divergensvinkeln bestäms primärt av vågledarstrukturen och emissionsfasettstorleken:
I den snabba axeln är emissionsarean extremt liten. Enligt diffraktionsteorin resulterar mindre aperturer i större divergens.
I den långsamma axeln expanderar strålen längs stångens längd över flera emittrar, vilket resulterar i en mindre divergensvinkel.
Som ett resultat uppvisar laserdiodstavar i sig hög divergens i den snabba axeln och låg divergens i den långsamma axeln.
3. Hur divergensvinkel påverkar systemdesign
① Höga kostnader för kollimering och strålformning
På grund av den höga asymmetrin i den råa strålen måste FAC-optik (Fast Axis Collimation) och SAC-optik (Slow Axis Collimation) användas. Detta ökar systemets komplexitet och kräver hög installationsprecision och termisk stabilitet.
② Begränsad fiberkopplingseffektivitet
Vid koppling av laserstavar till multimodfibrer, optiska system eller asfäriska linser kan den stora divergensen i snabba axeln leda till strålens "spillover", vilket minskar kopplingseffektiviteten. Divergens är en viktig källa till optisk förlust.
③ Strålkvalitet vid modulstapling
I staplade moduler med flera stänger kan dåligt kontrollerad divergens orsaka ojämn strålöverlappning eller fjärrfältsförvrängning, vilket påverkar fokuseringsprecisionen och värmefördelningen.
4. Hur man kontrollerar och optimerar divergens i laserdiodstavar
Även om divergens till stor del definieras av enhetens struktur, kan flera strategier på systemnivå användas för optimering:
①Användning av FAC-linser
Att placera en kollimeringslins med snabb axel nära den emitterande fasetten komprimerar strålen och minskar divergensen i den snabba axeln – detta är viktigt i de flesta konstruktioner.
②SAC-linser för ytterligare formning
Även om divergensen i de långsamma axlarna är mindre krävs fortfarande formning i matriser eller linjeljuskällor för att uppnå enhetlig ljusutgång.
③Strålkombinering och optisk formningsdesign
Genom att använda mikrolinsmatriser, cylindriska linser eller strukturerad optik kan man forma flera laserstrålar till en enhetlig utmatning med hög ljusstyrka.
④Vågledaroptimering på enhetsnivå
Justering av det aktiva lagrets tjocklek, vågledardesignen och gitterstrukturerna kan ytterligare förfina den snabba axeldivergensen från chipnivån.
5. Divergenskontroll i verkliga tillämpningar
①Laserpumpkällor
I högpresterande fasta-tillstånds- eller fiberlasersystem fungerar laserdiodstavar som pumpkällor. Kontroll av divergens – särskilt i den snabba axeln – förbättrar kopplingseffektiviteten och strålfokuseringen.
②Medicintekniska produkter
För system som laserterapi och hårborttagning säkerställer hantering av divergens en jämnare energitillförsel och en säkrare och effektivare behandling.
③Industriell materialbearbetning
Vid lasersvetsning och skärning bidrar optimerad divergens till högre effekttäthet, bättre fokus och mer exakt och effektiv bearbetning.
6. Slutsats
Divergensvinkeln för en laserdiodstav är en avgörande övergångspunkt – från mikroskalig chipfysik till makroskaliga optiska system.
Den fungerar både som en indikator på strålkvalitet och en designgräns för integration. I takt med att applikationskraven och systemkomplexiteten fortsätter att öka, blir förståelse och kontroll av divergens en kärnkompetens för både lasertillverkare och integratörer – särskilt för att kunna gå vidare mot högre effekt, ljusstyrka och tillförlitlighet.
Publiceringstid: 14 juli 2025