S tím, jak se aplikace vysoce výkonných laserů neustále rozšiřují, staly se laserové diodové tyče nepostradatelnými v oblastech, jako je laserové čerpání, průmyslové zpracování, lékařské vybavení a vědecký výzkum. Díky své vynikající hustotě výkonu, modulární škálovatelnosti a vysoké elektrooptické účinnosti jsou tato zařízení jádrem mnoha moderních laserových systémů. Přesto je mezi mnoha výkonnostními ukazateli laserové diodové tyče jeden parametr často přehlížen, ale je kriticky důležitý: úhel divergence. Tento článek zkoumá vlastnosti, fyzikální původ a důsledky úhlu divergence v laserových diodových tyčích – a jak jej optický design může efektivně řídit.
1. Co je to úhel divergence?
Úhel divergence popisuje, jak se laserový paprsek šíří ve volném prostoru. Udává rozsah, do kterého se paprsek rozpíná z emisní fazety. V laserových diodových tyčích vykazuje úhel divergence silnou asymetrii ve dvou hlavních směrech:
Rychlá osa: Kolmá k povrchu tyče. Emisní oblast je extrémně úzká (obvykle 1–2 µm), což vede k velkým úhlům divergence, často 30°–45° nebo více.
Pomalá osa: Rovnoběžná s délkou tyče. Emisní oblast je mnohem širší (stovky mikronů), což má za následek menší úhly divergence, obvykle kolem 5°–15°.
Tato asymetrická divergence je hlavní konstrukční výzvou pro integraci systémů zahrnujících laserové diodové tyče.
2. Fyzický původ divergence
Úhel divergence je primárně určen strukturou vlnovodu a velikostí emisní fazety:
V rychlé ose je emisní plocha extrémně malá. Podle difrakční teorie menší apertury vedou k větší divergenci.
V pomalé ose se paprsek rozšiřuje podél tyče přes více zářičů, což má za následek menší úhel divergence.
Výsledkem je, že laserové diodové tyče inherentně vykazují vysokou divergenci v rychlé ose a nízkou divergenci v pomalé ose.
3. Jak úhel divergence ovlivňuje návrh systému
① Vysoké náklady na kolimaci a tvarování paprsku
Vzhledem k vysoké asymetrii surového paprsku je nutné použít optiku FAC (Fast Axis Collimation) a SAC (Slow Axis Collimation). To zvyšuje složitost systému a vyžaduje vysokou přesnost instalace a tepelnou stabilitu.
② Omezená účinnost propojení vláken
Při propojení laserových tyčí s multimódovými vlákny, optickými systémy nebo asférickými čočkami může velká divergence v rychlé ose vést k „přelévání“ paprsku, což snižuje účinnost vazby. Divergence je hlavním zdrojem optických ztrát.
③ Kvalita nosníku při stohování modulů
U víceprvkových modulů skládaných do jednoho prvku může špatně řízená divergence způsobit nerovnoměrné překrývání paprsků nebo zkreslení vzdáleného pole, což ovlivňuje přesnost zaostřování a rozložení tepla.
4. Jak řídit a optimalizovat divergenci v laserových diodových tyčích
Ačkoli je divergence do značné míry definována strukturou zařízení, pro optimalizaci lze použít několik strategií na úrovni systému:
①Použití objektivů FAC
Umístění kolimační čočky s rychlou osou blízko emitující fazety komprimuje paprsek a snižuje divergenci v rychlé ose – to je u většiny konstrukcí zásadní.
2SAC čočky pro dodatečné tvarování
I když je divergence na pomalé ose menší, je v polích nebo řádkových světelných zdrojích stále nutné tvarování, aby se dosáhlo rovnoměrného výstupu.
3Návrh kombinování paprsků a optického tvarování
Použití mikročočkových polí, válcových čoček nebo strukturované optiky může pomoci tvarovat více laserových paprsků do vysoce jasného a rovnoměrného výstupu.
4Optimalizace vlnovodu na úrovni zařízení
Úpravou tloušťky aktivní vrstvy, návrhu vlnovodu a mřížkových struktur lze dále zpřesnit divergenci rychlé osy od úrovně čipu.
5. Řízení divergence v reálných aplikacích
①Zdroje laserového čerpadla
Ve vysoce výkonných laserových systémech s pevným skupenstvím nebo vláknovými lasery slouží laserové diodové tyče jako zdroje buzení. Řízení divergence – zejména v rychlé ose – zlepšuje účinnost vazby a zaostřování paprsku.
2Lékařské přístroje
U systémů, jako je laserová terapie a odstraňování chloupků, zajišťuje zvládání divergence rovnoměrnější dodávku energie a bezpečnější a efektivnější ošetření.
3Průmyslové zpracování materiálů
Při laserovém svařování a řezání přispívá optimalizovaná divergence k vyšší hustotě výkonu, lepšímu zaostření a přesnějšímu a efektivnějšímu zpracování.
6. Závěr
Úhel divergence laserové diodové tyče je klíčovým přechodovým bodem – od fyziky mikročipů k optickým systémům v makroměřítku.
Slouží jak jako indikátor kvality paprsku, tak i jako hranice návrhu pro integraci. Vzhledem k tomu, že požadavky na aplikace a složitost systémů neustále rostou, stává se pochopení a řízení divergence klíčovou kompetencí pro výrobce i integrátory laserů – zejména pro pokrok směrem k vyššímu výkonu, jasu a spolehlivosti.
Čas zveřejnění: 14. července 2025