Con la continua espansione delle applicazioni laser ad alta potenza, le barre di diodi laser sono diventate indispensabili in settori quali il pompaggio laser, la lavorazione industriale, le apparecchiature medicali e la ricerca scientifica. Grazie alla loro eccellente densità di potenza, alla scalabilità modulare e all'elevata efficienza elettro-ottica, questi dispositivi sono al centro di molti sistemi laser moderni. Tuttavia, tra i numerosi indicatori di prestazione di una barra di diodi laser, un parametro è spesso trascurato ma di fondamentale importanza: l'angolo di divergenza. Questo articolo esplora le caratteristiche, le origini fisiche e le implicazioni dell'angolo di divergenza nelle barre di diodi laser e come la progettazione ottica possa gestirlo efficacemente.
1. Che cos'è un angolo di divergenza?
L'angolo di divergenza descrive il modo in cui un raggio laser si diffonde mentre si propaga nello spazio libero. Indica la misura in cui il raggio si espande dalla sfaccettatura di emissione. Nelle barre dei diodi laser, l'angolo di divergenza presenta una forte asimmetria in due direzioni principali:
Asse veloce: perpendicolare alla superficie della barra. La regione di emissione è estremamente stretta (tipicamente 1–2 µm), il che determina ampi angoli di divergenza, spesso 30°–45° o più.
Asse lento: parallelo alla lunghezza della barra. La regione di emissione è molto più ampia (centinaia di micron), con conseguenti angoli di divergenza più piccoli, in genere intorno a 5°–15°.
Questa divergenza asimmetrica rappresenta una delle principali sfide progettuali per l'integrazione di sistemi che coinvolgono barre di diodi laser.
2. L'origine fisica della divergenza
L'angolo di divergenza è determinato principalmente dalla struttura della guida d'onda e dalla dimensione della sfaccettatura di emissione:
Sull'asse veloce, l'area di emissione è estremamente piccola. Secondo la teoria della diffrazione, aperture più piccole determinano una divergenza maggiore.
Sull'asse lento, il fascio si espande lungo la lunghezza della barra attraverso più emettitori, determinando un angolo di divergenza più piccolo.
Di conseguenza, le barre dei diodi laser presentano intrinsecamente un'elevata divergenza nell'asse veloce e una bassa divergenza nell'asse lento.
3. Come l'angolo di divergenza influenza la progettazione del sistema
① Elevato costo di collimazione e modellazione del fascio
A causa dell'elevata asimmetria del fascio grezzo, è necessario utilizzare ottiche FAC (Fast Axis Collimation) e SAC (Slow Axis Collimation). Ciò aumenta la complessità del sistema e richiede elevata precisione di installazione e stabilità termica.
② Efficienza di accoppiamento delle fibre limitata
Quando si accoppiano barre laser a fibre multimodali, sistemi ottici o lenti asferiche, l'elevata divergenza sull'asse veloce può causare "spillover" del fascio, riducendo l'efficienza di accoppiamento. La divergenza è una delle principali fonti di perdita ottica.
③ Qualità del fascio nell'impilamento dei moduli
Nei moduli impilati con più barre, una divergenza scarsamente controllata può causare una sovrapposizione irregolare del fascio o una distorsione del campo lontano, influenzando la precisione della messa a fuoco e la distribuzione termica.
4. Come controllare e ottimizzare la divergenza nelle barre dei diodi laser
Sebbene la divergenza sia in gran parte definita dalla struttura del dispositivo, è possibile utilizzare diverse strategie a livello di sistema per l'ottimizzazione:
①Utilizzo delle lenti FAC
Posizionando una lente di collimazione sull'asse veloce vicino alla sfaccettatura emittente si comprime il fascio e si riduce la divergenza sull'asse veloce: questo è essenziale nella maggior parte dei progetti.
②Lenti SAC per una modellazione aggiuntiva
Sebbene la divergenza dell'asse lento sia minore, è comunque necessaria una modellazione nelle matrici o nelle sorgenti luminose lineari per ottenere un output uniforme.
③Progettazione della combinazione del fascio e della sagomatura ottica
Utilizzando matrici di microlenti, lenti cilindriche o ottiche strutturate è possibile trasformare più raggi laser in un output uniforme e ad alta luminosità.
④Ottimizzazione della guida d'onda a livello di dispositivo
La regolazione dello spessore dello strato attivo, del design della guida d'onda e delle strutture del reticolo può ulteriormente perfezionare la divergenza dell'asse veloce dal livello del chip.
5. Controllo della divergenza nelle applicazioni del mondo reale
①Sorgenti di pompaggio laser
Nei sistemi laser a stato solido o in fibra ad alta potenza, le barre di diodi laser fungono da sorgenti di pompaggio. Il controllo della divergenza, soprattutto sull'asse veloce, migliora l'efficienza di accoppiamento e la focalizzazione del fascio.
②Dispositivi medici
Per sistemi come la terapia laser e la depilazione, la gestione della divergenza garantisce un'erogazione di energia più uniforme e un trattamento più sicuro ed efficace.
③Lavorazione dei materiali industriali
Nella saldatura e nel taglio laser, la divergenza ottimizzata contribuisce a una maggiore densità di potenza, a una migliore messa a fuoco e a una lavorazione più precisa ed efficiente.
6. Conclusion
L'angolo di divergenza di una barra di diodo laser è un punto di transizione cruciale, dalla fisica dei chip su scala micro ai sistemi ottici su scala macro.
Funge sia da indicatore della qualità del fascio sia da limite di progettazione per l'integrazione. Con il continuo aumento delle esigenze applicative e della complessità dei sistemi, comprendere e controllare la divergenza diventa una competenza fondamentale per i produttori e gli integratori di laser, soprattutto per progredire verso livelli di potenza, luminosità e affidabilità più elevati.
Data di pubblicazione: 14-lug-2025