Naarmate de toepassingen van krachtige lasers zich blijven uitbreiden, zijn laserdiodebalken onmisbaar geworden in gebieden zoals laserpompen, industriële processen, medische apparatuur en wetenschappelijk onderzoek. Met hun uitstekende vermogensdichtheid, modulaire schaalbaarheid en hoge elektro-optische efficiëntie vormen deze apparaten de kern van veel moderne lasersystemen. Toch wordt, te midden van de vele prestatie-indicatoren van een laserdiodebalk, één parameter vaak over het hoofd gezien, terwijl deze van cruciaal belang is: de divergentiehoek. Dit artikel onderzoekt de kenmerken, de fysieke oorsprong en de implicaties van de divergentiehoek in laserdiodebalken – en hoe optisch ontwerp deze effectief kan beheersen.
1. Wat is een divergentiehoek?
De divergentiehoek beschrijft hoe een laserstraal zich verspreidt tijdens de voortplanting in de vrije ruimte. Het geeft aan in hoeverre de straal zich vanuit het emissievlak uitbreidt. In laserdiodebalken vertoont de divergentiehoek een sterke asymmetrie in twee hoofdrichtingen:
Snelle as: Loodrecht op het staafoppervlak. Het emissiegebied is extreem smal (doorgaans 1–2 µm), wat leidt tot grote divergentiehoeken, vaak 30°–45° of meer.
Langzame as: Parallel aan de lengte van de staaf. Het emissiegebied is veel breder (honderden micrometers), wat resulteert in kleinere divergentiehoeken, typisch rond de 5°–15°.
Deze asymmetrische divergentie vormt een grote ontwerpuitdaging voor systeemintegratie met laserdiodebalken.
2. De fysieke oorsprong van divergentie
De divergentiehoek wordt voornamelijk bepaald door de structuur van de golfgeleider en de grootte van het emissievlak:
In de snelle as is het emissiegebied extreem klein. Volgens de diffractietheorie resulteert een kleinere opening in een grotere divergentie.
In de langzame as spreidt de bundel zich uit over de lengte van de staaf via meerdere emitters, wat resulteert in een kleinere divergentiehoek.
Daardoor vertonen laserdiodebalken van nature een hoge divergentie in de snelle as en een lage divergentie in de langzame as.
3. Hoe de divergentiehoek het systeemontwerp beïnvloedt
① Hoge kosten voor collimatie en bundelvorming
Vanwege de hoge asymmetrie van de onbewerkte bundel moeten FAC- (Fast Axis Collimation) en SAC- (Slow Axis Collimation) optieken worden gebruikt. Dit verhoogt de complexiteit van het systeem en vereist een hoge installatieprecisie en thermische stabiliteit.
② Beperkte vezelkoppelingsefficiëntie
Bij het koppelen van laserstralen aan multimodevezels, optische systemen of asferische lenzen kan de grote divergentie langs de snelle as leiden tot straaloverloop, waardoor de koppelingsefficiëntie afneemt. Divergentie is een belangrijke bron van optisch verlies.
③ Balkkwaliteit bij modulestapeling
Bij modules met meerdere balken kan een slecht gecontroleerde divergentie leiden tot ongelijkmatige bundeloverlapping of vervorming in het verre veld, wat de focusnauwkeurigheid en de warmteverdeling beïnvloedt.
4. Hoe divergentie in laserdiodebalken te beheersen en te optimaliseren
Hoewel divergentie grotendeels wordt bepaald door de structuur van het apparaat, kunnen verschillende strategieën op systeemniveau worden gebruikt voor optimalisatie:
①Gebruik van FAC-lenzen
Door een collimatielens voor de snelle as dicht bij het emitterende facet te plaatsen, wordt de bundel samengedrukt en de divergentie in de snelle as verminderd – dit is essentieel in de meeste ontwerpen.
②SAC-lenzen voor extra vormgeving
Hoewel de divergentie langs de langzame as kleiner is, is vormgeving nog steeds nodig bij arrays of lijnlichtbronnen om een uniforme output te verkrijgen.
③Bundelcombinatie en ontwerp van optische vormgeving
Door gebruik te maken van microlensarrays, cilindrische lenzen of gestructureerde optica kunnen meerdere laserstralen worden gevormd tot een heldere, uniforme lichtbundel.
④Optimalisatie van golfgeleiders op apparaatniveau
Door de dikte van de actieve laag, het ontwerp van de golfgeleider en de roosterstructuren aan te passen, kan de divergentie langs de snelle as verder worden verfijnd op chipniveau.
5. Divergentiebeheersing in praktijktoepassingen
①Laserpompbronnen
In krachtige solid-state- of fiberlasersystemen fungeren laserdiodebalken als pompbronnen. Het beheersen van de divergentie – met name in de snelle as – verbetert de koppelingsefficiëntie en de bundelfocussering.
②Medische hulpmiddelen
Bij systemen zoals lasertherapie en ontharing zorgt het beheersen van divergentie voor een gelijkmatigere energieafgifte en een veiligere, effectievere behandeling.
③Industriële materiaalverwerking
Bij laserlassen en -snijden draagt een geoptimaliseerde divergentie bij aan een hogere vermogensdichtheid, een betere focus en een nauwkeurigere en efficiëntere bewerking.
6. Conclusie
De divergentiehoek van een laserdiodebalk is een cruciaal overgangspunt – van micro-chipfysica naar macro-optische systemen.
Het dient zowel als indicator voor de straalkwaliteit als ontwerpgrens voor integratie. Naarmate de eisen van toepassingen en de complexiteit van systemen blijven toenemen, wordt het begrijpen en beheersen van divergentie een kerncompetentie voor zowel laserfabrikanten als -integratoren, met name om te komen tot hogere vermogens, helderheid en betrouwbaarheid.
Geplaatst op: 14 juli 2025