با گسترش روزافزون کاربردهای لیزرهای پرتوان، میلههای دیود لیزری در حوزههایی مانند پمپاژ لیزر، پردازش صنعتی، تجهیزات پزشکی و تحقیقات علمی به امری ضروری تبدیل شدهاند. این دستگاهها با چگالی توان عالی، مقیاسپذیری مدولار و راندمان الکترواپتیکی بالا، در هسته بسیاری از سیستمهای لیزری مدرن قرار دارند. با این حال، در میان بسیاری از شاخصهای عملکرد یک میله دیود لیزری، یک پارامتر اغلب نادیده گرفته میشود اما بسیار مهم است: زاویه واگرایی. این مقاله به بررسی ویژگیها، ریشههای فیزیکی و پیامدهای زاویه واگرایی در میلههای دیود لیزری و چگونگی مدیریت مؤثر آن توسط طراحی نوری میپردازد.
۱. زاویه واگرایی چیست؟
زاویه واگرایی نحوه پخش شدن پرتو لیزر هنگام انتشار در فضای آزاد را توصیف میکند. این زاویه میزان گسترش پرتو از وجه انتشار را نشان میدهد. در میلههای دیود لیزر، زاویه واگرایی در دو جهت اصلی عدم تقارن شدیدی را نشان میدهد:
محور سریع: عمود بر سطح میله. ناحیه انتشار بسیار باریک است (معمولاً ۱-۲ میکرومتر)، که منجر به زوایای واگرایی بزرگ، اغلب ۳۰ تا ۴۵ درجه یا بیشتر، میشود.
محور آهسته: موازی با طول میله. ناحیه انتشار بسیار وسیعتر است (صدها میکرون)، که منجر به زوایای واگرایی کوچکتر، معمولاً حدود ۵ تا ۱۵ درجه، میشود.
این واگرایی نامتقارن یک چالش طراحی عمده برای یکپارچهسازی سیستم شامل میلههای دیود لیزری است.
۲. منشأ فیزیکی واگرایی
زاویه واگرایی در درجه اول توسط ساختار موجبر و اندازه وجه انتشار تعیین میشود:
در محور سریع، ناحیه انتشار بسیار کوچک است. طبق نظریه پراش، روزنههای کوچکتر منجر به واگرایی بزرگتر میشوند.
در محور آهسته، پرتو در امتداد طول میله و در میان چندین ساطعکننده گسترش مییابد و در نتیجه زاویه واگرایی کوچکتری ایجاد میشود.
در نتیجه، میلههای دیود لیزر ذاتاً واگرایی بالایی در محور سریع و واگرایی پایینی در محور کند از خود نشان میدهند.
۳. چگونه زاویه واگرایی بر طراحی سیستم تأثیر میگذارد
۱. هزینه بالای موازیسازی و شکلدهی پرتو
به دلیل عدم تقارن بالای پرتو خام، باید از اپتیکهای FAC (همراستایی سریع محور) و SAC (همراستایی آهسته محور) استفاده شود. این امر پیچیدگی سیستم را افزایش میدهد و نیاز به دقت نصب بالا و پایداری حرارتی دارد.
② راندمان اتصال فیبر محدود
هنگام اتصال میلههای لیزری به فیبرهای چند حالته، سیستمهای نوری یا لنزهای غیرکروی، واگرایی بزرگ محور سریع میتواند منجر به "سرریز پرتو" شود و راندمان اتصال را کاهش دهد. واگرایی منبع اصلی اتلاف نوری است.
③ کیفیت پرتو در چیدمان ماژول
در ماژولهای چند میلهای انباشته شده، واگرایی کنترل نشده میتواند باعث همپوشانی ناهموار پرتو یا اعوجاج میدان دور شود و بر دقت فوکوس و توزیع حرارتی تأثیر بگذارد.
۴. نحوه کنترل و بهینهسازی واگرایی در میلههای دیود لیزر
اگرچه واگرایی تا حد زیادی توسط ساختار دستگاه تعریف میشود، چندین استراتژی در سطح سیستم میتواند برای بهینهسازی استفاده شود:
۱. (۱)استفاده از لنزهای FAC
قرار دادن یک عدسی همخطکنندهی محور سریع نزدیک به وجه ساطعکننده، پرتو را فشرده کرده و واگرایی را در محور سریع کاهش میدهد - این امر در اکثر طرحها ضروری است.
②لنزهای SAC برای شکلدهی بیشتر
اگرچه واگرایی محور آهسته کمتر است، اما شکلدهی هنوز در آرایهها یا منابع نور خطی برای دستیابی به خروجی یکنواخت مورد نیاز است.
۳. (۳)ترکیب پرتو و طراحی شکلدهی نوری
استفاده از آرایههای میکرولنز، لنزهای استوانهای یا اپتیک ساختاریافته میتواند به شکلدهی چندین پرتو لیزر به یک خروجی یکنواخت و با روشنایی بالا کمک کند.
④بهینهسازی موجبر در سطح دستگاه
تنظیم ضخامت لایه فعال، طراحی موجبر و ساختارهای توری میتواند واگرایی محور سریع را از سطح تراشه بیشتر اصلاح کند.
۵. کنترل واگرایی در کاربردهای دنیای واقعی
۱. (۱)منابع پمپ لیزری
در سیستمهای لیزر حالت جامد یا فیبری پرتوان، میلههای دیود لیزری به عنوان منابع پمپ عمل میکنند. کنترل واگرایی - به ویژه در محور سریع - راندمان کوپلینگ و تمرکز پرتو را بهبود میبخشد.
②تجهیزات پزشکی
برای سیستمهایی مانند لیزر درمانی و رفع موهای زائد، مدیریت واگرایی، تحویل انرژی یکنواختتر و درمان ایمنتر و مؤثرتر را تضمین میکند.
۳. (۳)پردازش مواد صنعتی
در جوشکاری و برش لیزری، واگرایی بهینه شده به چگالی توان بالاتر، تمرکز بهتر و پردازش دقیقتر و کارآمدتر کمک میکند.
۶. نتیجهگیری
زاویه واگرایی یک نوار دیود لیزری یک نقطه گذار حیاتی است - از فیزیک تراشه در مقیاس میکرو به سیستمهای نوری در مقیاس ماکرو.
این هم به عنوان یک شاخص کیفیت پرتو و هم به عنوان یک مرز طراحی برای ادغام عمل میکند. با افزایش مداوم تقاضاهای کاربردی و پیچیدگی سیستم، درک و کنترل واگرایی به یک شایستگی اصلی برای تولیدکنندگان لیزر و ادغامکنندگان تبدیل میشود - به خصوص برای پیشرفت به سمت توان، روشنایی و قابلیت اطمینان بالاتر.
زمان ارسال: ۱۴ ژوئیه ۲۰۲۵