Καθώς οι εφαρμογές λέιζερ υψηλής ισχύος συνεχίζουν να επεκτείνονται, οι ράβδοι διόδου λέιζερ έχουν γίνει απαραίτητες σε τομείς όπως η άντληση λέιζερ, η βιομηχανική επεξεργασία, ο ιατρικός εξοπλισμός και η επιστημονική έρευνα. Με την εξαιρετική πυκνότητα ισχύος, την αρθρωτή επεκτασιμότητα και την υψηλή ηλεκτροοπτική απόδοση, αυτές οι συσκευές βρίσκονται στον πυρήνα πολλών σύγχρονων συστημάτων λέιζερ. Ωστόσο, μεταξύ των πολλών δεικτών απόδοσης μιας ράβδου διόδου λέιζερ, μια παράμετρος συχνά παραβλέπεται αλλά είναι εξαιρετικά σημαντική: η γωνία απόκλισης. Αυτό το άρθρο διερευνά τα χαρακτηριστικά, τη φυσική προέλευση και τις επιπτώσεις της γωνίας απόκλισης στις ράβδους διόδου λέιζερ - και πώς ο οπτικός σχεδιασμός μπορεί να τη διαχειριστεί αποτελεσματικά.
1. Τι είναι η γωνία απόκλισης;
Η γωνία απόκλισης περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο εξαπλώνεται μια δέσμη λέιζερ καθώς διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο. Υποδεικνύει την έκταση στην οποία η δέσμη διαστέλλεται από την πλευρά εκπομπής. Στις ράβδους διόδου λέιζερ, η γωνία απόκλισης παρουσιάζει ισχυρή ασυμμετρία σε δύο κύριες κατευθύνσεις:
Γρήγορος Άξονας: Κάθετος στην επιφάνεια της ράβδου. Η περιοχή εκπομπής είναι εξαιρετικά στενή (συνήθως 1–2 µm), οδηγώντας σε μεγάλες γωνίες απόκλισης, συχνά 30°–45° ή περισσότερο.
Αργός Άξονας: Παράλληλος με το μήκος της ράβδου. Η περιοχή εκπομπής είναι πολύ ευρύτερη (εκατοντάδες μικρά), με αποτέλεσμα μικρότερες γωνίες απόκλισης, συνήθως περίπου 5°–15°.
Αυτή η ασύμμετρη απόκλιση αποτελεί σημαντική πρόκληση σχεδιασμού για την ολοκλήρωση συστημάτων που περιλαμβάνουν ράβδους διόδου λέιζερ.
2. Η Φυσική Προέλευση της Απόκλισης
Η γωνία απόκλισης καθορίζεται κυρίως από τη δομή του κυματοδηγού και το μέγεθος της πτυχής εκπομπής:
Στον άξονα ταχύτητας, η περιοχή εκπομπής είναι εξαιρετικά μικρή. Σύμφωνα με τη θεωρία περίθλασης, μικρότερα ανοίγματα έχουν ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη απόκλιση.
Στον αργό άξονα, η δέσμη διαστέλλεται κατά μήκος της ράβδου διαμέσου πολλαπλών εκπομπών, με αποτέλεσμα μικρότερη γωνία απόκλισης.
Ως αποτέλεσμα, οι ράβδοι διόδου λέιζερ εμφανίζουν εγγενώς υψηλή απόκλιση στον γρήγορο άξονα και χαμηλή απόκλιση στον αργό άξονα.
3. Πώς η γωνία απόκλισης επηρεάζει τον σχεδιασμό του συστήματος
① Υψηλό κόστος ευθυγράμμισης και διαμόρφωσης δοκού
Λόγω της υψηλής ασυμμετρίας της ακατέργαστης δέσμης, πρέπει να χρησιμοποιηθούν οπτικά συστήματα FAC (Fast Axis Collimation - Γρήγορη Συγκόλληση Άξονα) και SAC (Αργή Συγκόλληση Άξονα). Αυτό αυξάνει την πολυπλοκότητα του συστήματος και απαιτεί υψηλή ακρίβεια εγκατάστασης και θερμική σταθερότητα.
② Περιορισμένη απόδοση σύζευξης οπτικών ινών
Κατά τη σύνδεση ράβδων λέιζερ σε πολύτροπες ίνες, οπτικά συστήματα ή ασφαιρικούς φακούς, η μεγάλη απόκλιση στον γρήγορο άξονα μπορεί να οδηγήσει σε «διαρροή» της δέσμης, μειώνοντας την απόδοση της σύζευξης. Η απόκλιση είναι μια σημαντική πηγή οπτικής απώλειας.
③ Ποιότητα δοκού στη στοίβαξη μονάδων
Σε μονάδες με πολλαπλές ράβδους σε στοίβα, η κακώς ελεγχόμενη απόκλιση μπορεί να προκαλέσει ανομοιόμορφη επικάλυψη δέσμης ή παραμόρφωση μακρινού πεδίου, επηρεάζοντας την ακρίβεια εστίασης και τη θερμική κατανομή.
4. Πώς να ελέγξετε και να βελτιστοποιήσετε την απόκλιση σε ράβδους διόδου λέιζερ
Αν και η απόκλιση ορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη δομή της συσκευής, αρκετές στρατηγικές σε επίπεδο συστήματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για βελτιστοποίηση:
①Χρήση φακών FAC
Η τοποθέτηση ενός φακού ευθυγράμμισης γρήγορου άξονα κοντά στην εκπέμπουσα όψη συμπιέζει τη δέσμη και μειώνει την απόκλιση στον γρήγορο άξονα—αυτό είναι απαραίτητο στα περισσότερα σχέδια.
②Φακοί SAC για επιπλέον διαμόρφωση
Αν και η απόκλιση αργού άξονα είναι μικρότερη, εξακολουθεί να απαιτείται διαμόρφωση σε συστοιχίες ή πηγές γραμμικού φωτός για την επίτευξη ομοιόμορφης εξόδου.
③Σχεδιασμός συνδυασμού δέσμης και οπτικής διαμόρφωσης
Η χρήση συστοιχιών μικροφακών, κυλινδρικών φακών ή δομημένων οπτικών μπορεί να βοηθήσει στη διαμόρφωση πολλαπλών δεσμών λέιζερ σε μια ομοιόμορφη έξοδο υψηλής φωτεινότητας.
④Βελτιστοποίηση κυματοδηγού σε επίπεδο συσκευής
Η ρύθμιση του πάχους της ενεργής στρώσης, του σχεδιασμού του κυματοδηγού και των δομών πλέγματος μπορεί να βελτιώσει περαιτέρω την απόκλιση του γρήγορου άξονα από το επίπεδο του τσιπ.
5. Έλεγχος Απόκλισης σε Εφαρμογές Πραγματικού Κόσμου
①Πηγές αντλίας λέιζερ
Σε συστήματα λέιζερ στερεάς κατάστασης ή οπτικών ινών υψηλής ισχύος, οι ράβδοι διόδου λέιζερ χρησιμεύουν ως πηγές αντλίας. Ο έλεγχος της απόκλισης - ειδικά στον γρήγορο άξονα - βελτιώνει την απόδοση σύζευξης και την εστίαση της δέσμης.
②Ιατρικές συσκευές
Για συστήματα όπως η θεραπεία με λέιζερ και η αποτρίχωση, η διαχείριση της απόκλισης εξασφαλίζει πιο ομοιόμορφη παροχή ενέργειας και ασφαλέστερη και πιο αποτελεσματική θεραπεία.
③Βιομηχανική Επεξεργασία Υλικών
Στη συγκόλληση και κοπή με λέιζερ, η βελτιστοποιημένη απόκλιση συμβάλλει σε υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, καλύτερη εστίαση και πιο ακριβή και αποτελεσματική επεξεργασία.
6. Συμπέρασμα
Η γωνία απόκλισης μιας ράβδου διόδου λέιζερ είναι ένα κρίσιμο σημείο μετάβασης - από τη φυσική τσιπ μικροκλίμακας σε οπτικά συστήματα μακροκλίμακας.
Λειτουργεί τόσο ως δείκτης ποιότητας δέσμης όσο και ως όριο σχεδιασμού για την ενσωμάτωση. Καθώς οι απαιτήσεις εφαρμογών και η πολυπλοκότητα του συστήματος συνεχίζουν να αυξάνονται, η κατανόηση και ο έλεγχος της απόκλισης καθίστανται βασική ικανότητα τόσο για τους κατασκευαστές λέιζερ όσο και για τους ολοκληρωτές — ειδικά για την πρόοδο προς υψηλότερη ισχύ, φωτεινότητα και αξιοπιστία.
Ώρα δημοσίευσης: 14 Ιουλίου 2025