Naarmate de toepassingen van lasers met hoog vermogen zich blijven uitbreiden, zijn laserdiodestaven onmisbaar geworden in sectoren zoals laserpompen, industriële verwerking, 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 is er onder de vele prestatie-indicatoren van een laserdiodestaaf één parameter die vaak over het hoofd wordt gezien, maar van cruciaal belang is: de divergentiehoek. Dit artikel onderzoekt de kenmerken, fysieke oorsprong en implicaties van de divergentiehoek in laserdiodestaven – en hoe optisch ontwerp hier effectief mee om kan gaan.
1. Wat is een divergentiehoek?
De divergentiehoek beschrijft hoe een laserstraal zich verspreidt terwijl deze zich voortplant in de vrije ruimte. Het geeft de mate aan waarin de straal zich vanuit het emissiefacet uitbreidt. In laserdiodestaven vertoont de divergentiehoek een sterke asymmetrie in twee hoofdrichtingen:
Snelle as: Loodrecht op het staafoppervlak. Het emissiegebied is extreem smal (meestal 1–2 µm), wat leidt tot grote divergentiehoeken, vaak 30°–45° of meer.
Langzame as: Evenwijdig aan de lengte van de balk. Het emissiegebied is veel breder (honderden micrometers), wat resulteert in kleinere divergentiehoeken, doorgaans rond de 5°–15°.
Deze asymmetrische divergentie vormt een grote ontwerpuitdaging voor systeemintegratie waarbij laserdiodestaven worden gebruikt.
2. De fysieke oorsprong van divergentie
De divergentiehoek wordt voornamelijk bepaald door de structuur van de golfgeleider en de grootte van het emissiefacet:
In de snelle as is het emissiegebied extreem klein. Volgens de diffractietheorie resulteren kleinere openingen in grotere divergentie.
In de langzame as breidt de straal zich uit langs de lengte van de balk over meerdere emitters, wat resulteert in een kleinere divergentiehoek.
Hierdoor vertonen laserdiodestaven inherent 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 van collimatie en bundelvorming
Vanwege de hoge asymmetrie van de ruwe bundel moeten FAC- (Fast Axis Collimation) en SAC- (Slow Axis Collimation) optica worden gebruikt. Dit verhoogt de systeemcomplexiteit en vereist een hoge installatieprecisie en thermische stabiliteit.
② Beperkte vezelkoppelingsefficiëntie
Bij het koppelen van laserstaven aan multimodevezels, optische systemen of asferische lenzen kan de grote divergentie langs de snelle as leiden tot "spillover" van de bundel, waardoor de koppelingsefficiëntie afneemt. Divergentie is een belangrijke bron van optisch verlies.
③ Balkkwaliteit bij modulestapeling
Bij gestapelde modules met meerdere staven kan een slecht gecontroleerde divergentie leiden tot een ongelijkmatige bundeloverlap of verreveldvervorming, wat van invloed is op de scherpstelnauwkeurigheid en thermische verdeling.
4. Hoe divergentie in laserdiodestaven te beheersen en 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 lens met snelle as-collimatie dicht bij het emitterende facet te plaatsen, wordt de bundel gecomprimeerd en wordt de divergentie in de snelle as verminderd. Dit is essentieel in de meeste ontwerpen.
②SAC-lenzen voor extra vormgeving
Hoewel de langzame-as-divergentie kleiner is, is bij arrays of lijnlichtbronnen nog steeds vormgeving nodig om een uniforme output te verkrijgen.
③Bundelcombinatie en optisch vormgevingsontwerp
Met behulp van micro-lensarrays, cilindrische lenzen of gestructureerde optica kunnen meerdere laserstralen worden gevormd tot een zeer heldere, uniforme lichtopbrengst.
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 snelle-asdivergentie vanaf chipniveau verder worden verfijnd.
5. Divergentiecontrole in real-world toepassingen
①Bronnen voor laserpompen
In krachtige solid-state- of fiberlasersystemen dienen laserdiodestaven als pompbronnen. Het beheersen van de divergentie – met name in de snelle as – verbetert de koppelingsefficiëntie en bundelfocussering.
②Medische hulpmiddelen
Bij systemen als lasertherapie en ontharing zorgt het beheersen van divergentie voor een gelijkmatigere energieafgifte en een veiligere, effectievere behandeling.
③Industriële materiaalverwerking
Bij laserlassen en -snijden draagt geoptimaliseerde divergentie bij aan een hogere vermogensdichtheid, betere focus en nauwkeurigere, efficiëntere verwerking.
6. Conclusie
De divergentiehoek van een laserdiodebalk is een cruciaal overgangspunt: van micro-chipfysica naar optische systemen op macroschaal.
Het dient zowel als indicator voor de straalkwaliteit als als ontwerpgrens voor integratie. Naarmate de toepassingseisen en de systeemcomplexiteit blijven toenemen, wordt het begrijpen en beheersen van divergentie een kerncompetentie voor zowel laserfabrikanten als integrators – vooral om te streven naar een hoger vermogen, hogere helderheid en hogere betrouwbaarheid.
Plaatsingstijd: 14-07-2025