Suuritehoisten lasersovellusten jatkuvasti laajentuessa laserdioditangoista on tullut välttämättömiä esimerkiksi laserpumppauksessa, teollisessa prosessoinnissa, lääketieteellisissä laitteissa ja tieteellisessä tutkimuksessa. Erinomaisen tehotiheytensä, modulaarisen skaalautuvuutensa ja korkean elektrooptisen hyötysuhteensa ansiosta nämä laitteet ovat monien nykyaikaisten laserjärjestelmien ydin. Laserdioditangon monien suorituskykyindikaattoreiden joukossa yksi parametri jää kuitenkin usein huomiotta, mutta se on kriittisen tärkeä: hajaannuskulma. Tässä artikkelissa tarkastellaan laserdioditankojen hajaannuskulman ominaisuuksia, fyysistä alkuperää ja vaikutuksia – sekä sitä, miten optinen suunnittelu voi hallita sitä tehokkaasti.
1. Mikä on divergenttikulma?
Divergenssikulma kuvaa, miten lasersäde leviää edetessään vapaassa tilassa. Se osoittaa, missä määrin säde laajenee emissiopinnasta. Laserdioditangoissa divergenssikulma osoittaa voimakasta epäsymmetriaa kahdessa pääsuunnassa:
Nopea akseli: Kohtisuorassa tangon pintaan nähden. Emissioalue on erittäin kapea (tyypillisesti 1–2 µm), mikä johtaa suuriin hajaantumiskulmiin, usein 30°–45° tai enemmän.
Hidas akseli: Tangon pituuden suuntainen. Emissioalue on paljon leveämpi (satoja mikroneja), mikä johtaa pienempiin hajaantumiskulmiin, tyypillisesti noin 5°–15°.
Tämä epäsymmetrinen ero on merkittävä suunnitteluhaaste laserdioditankoja käyttäville järjestelmäintegraatioille.
2. Divergenssin fyysinen alkuperä
Divergenssikulma määräytyy ensisijaisesti aaltojohtimen rakenteen ja emissiopinnan koon mukaan:
Nopealla akselilla emissioalue on erittäin pieni. Diffraktioteorian mukaan pienemmät aukot johtavat suurempaan hajaantumiseen.
Hitaalla akselilla säde laajenee tangon pituutta pitkin useiden emitterien yli, mikä johtaa pienempään hajaantumiskulmaan.
Tämän seurauksena laserdioditangoilla on luonnostaan suuri hajaantuminen nopealla akselilla ja pieni hajaantuminen hitaalla akselilla.
3. Miten divergenssikulma vaikuttaa järjestelmän suunnitteluun
① Kollimoinnin ja säteen muotoilun korkeat kustannukset
Raakasäteen suuren epäsymmetrian vuoksi on käytettävä FAC (Fast Axis Collimation) ja SAC (Slow Axis Collimation) -optiikkaa. Tämä lisää järjestelmän monimutkaisuutta ja vaatii suurta asennustarkkuutta ja lämpöstabiiliutta.
② Rajoitettu kuitujen kytkentätehokkuus
Kun lasersäteitä kytketään monimuotokuituihin, optisiin järjestelmiin tai asfäärisiin linsseihin, suuri nopean akselin hajaannus voi johtaa säteen "heijastumiseen", mikä heikentää kytkentätehokkuutta. Hajaannus on merkittävä optisen häviön lähde.
③ Palkin laatu moduulipinoamisessa
Monipalkkisissa pinotussa moduulissa huonosti hallittu hajaannus voi aiheuttaa epätasaista säteen päällekkäisyyttä tai kaukokentän vääristymää, mikä vaikuttaa tarkennustarkkuuteen ja lämmön jakautumiseen.
4. Kuinka hallita ja optimoida hajaannusta laserdiodipalkeissa
Vaikka divergenssi määräytyy pitkälti laitteen rakenteen mukaan, optimointiin voidaan käyttää useita järjestelmätason strategioita:
①FAC-linssien käyttö
Nopea-akselisen kollimaatiolinssin sijoittaminen lähelle emittoivaa pintaa puristaa sädettä ja vähentää hajaannusta nopealla akselilla – tämä on olennaista useimmissa malleissa.
②SAC-linssit lisämuotoiluun
Vaikka hitaan akselin hajaantuminen on pienempi, muotoilua tarvitaan silti matriiseissa tai viivavalonlähteissä tasaisen lähdön saavuttamiseksi.
③Säteiden yhdistäminen ja optisen muotoilun suunnittelu
Mikrolinssiryhmien, lieriömäisten linssien tai strukturoidun optiikan käyttö voi auttaa muotoilemaan useita lasersäteitä kirkkaaksi ja tasaiseksi säteilyksi.
④Laitetason aaltojohdeoptimointi
Aktiivisen kerroksen paksuuden, aaltojohtimen suunnittelun ja hilarakenteiden säätäminen voi edelleen tarkentaa nopean akselin poikkeamaa sirutasosta.
5. Divergenssin hallinta reaalimaailman sovelluksissa
①Laserpumppulähteet
Suuritehoisissa kiinteän olomuodon tai kuitulaserjärjestelmissä laserdioditangot toimivat pumppulähteinä. Hajonnan hallinta – erityisesti nopealla akselilla – parantaa kytkentätehokkuutta ja säteen fokusointia.
②Lääkinnälliset laitteet
Laserhoidon ja karvanpoiston kaltaisissa järjestelmissä eroavaisuuksien hallinta varmistaa tasaisemman energianjakelun ja turvallisemman, tehokkaamman hoidon.
③Teollinen materiaalinkäsittely
Laserhitsauksessa ja -leikkauksessa optimoitu divergenssi edistää suurempaa tehotiheyttä, parempaa tarkennusta sekä tarkempaa ja tehokkaampaa käsittelyä.
6. Johtopäätös
Laserdiodipalkin hajaannuskulma on ratkaiseva siirtymäkohta – mikroskooppisen sirufysiikasta makroskooppisen mittakaavan optisiin järjestelmiin.
Se toimii sekä säteen laadun indikaattorina että integroinnin suunnittelurajana. Sovellusvaatimusten ja järjestelmän monimutkaisuuden kasvaessa hajanaisuuden ymmärtämisestä ja hallinnasta tulee ydinosaamista sekä laservalmistajille että -integraattoreille – erityisesti pyrittäessä kohti suurempaa tehoa, kirkkautta ja luotettavuutta.
Julkaisun aika: 14.7.2025