זווית סטייה של מוטות דיודה לייזר: מאלומות רחבות ליישומים בעלי יעילות גבוהה

ככל שיישומי לייזר בעלי הספק גבוה ממשיכים להתרחב, מוטות דיודה לייזר הפכו הכרחיים בתחומים כמו שאיבת לייזר, עיבוד תעשייתי, ציוד רפואי ומחקר מדעי. עם צפיפות ההספק המצוינת שלהם, יכולת ההרחבה המודולרית והיעילות האלקטרו-אופטית הגבוהה, התקנים אלה נמצאים בליבתן של מערכות לייזר מודרניות רבות. עם זאת, בין מדדי הביצועים הרבים של מוט דיודה לייזר, פרמטר אחד שלעתים קרובות מתעלמים ממנו אך חשוב ביותר: זווית ההתבדרות. מאמר זה בוחן את המאפיינים, המקורות הפיזיים וההשלכות של זווית ההתבדרות במוטות דיודה לייזר - וכיצד תכנון אופטי יכול לנהל אותה ביעילות.

1. מהי זווית סטייה?

זווית הדיברגנציה מתארת ​​כיצד קרן לייזר מתפשטת כשהיא מתפשטת במרחב הפנוי. היא מציינת את המידה שבה הקרן מתרחבת מפן הפליטה. במוטות דיודה של לייזר, זווית הדיברגנציה מציגה אסימטריה חזקה בשני כיוונים עיקריים:

ציר מהיר: ניצב לפני השטח של הציר. אזור הפליטה צר ביותר (בדרך כלל 1-2 מיקרומטר), מה שמוביל לזוויות סטייה גדולות, לרוב 30°-45° או יותר.

ציר איטי: מקביל לאורך הסרגל. אזור הפליטה רחב בהרבה (מאות מיקרונים), וכתוצאה מכך זוויות סטייה קטנות יותר, בדרך כלל סביב 5°–15°.

סטייה אסימטרית זו היא אתגר תכנוני עיקרי לאינטגרציה של מערכות הכוללות מוטות דיודה לייזר.

2. המקור הפיזי של הדיברגנציה

זווית הדיברגנציה נקבעת בעיקר על ידי מבנה מוליך הגל וגודל פאת הפליטה:

בציר המהיר, שטח הפליטה קטן ביותר. על פי תורת הדיפרקציה, פתחים קטנים יותר גורמים לדיברגנציה גדולה יותר.

בציר האיטי, הקרן מתרחבת לאורך המוט על פני מספר פולטים, וכתוצאה מכך זווית סטייה קטנה יותר.

כתוצאה מכך, מוטות דיודת לייזר מפגינים מטבעם דיברגנציה גבוהה בציר המהיר ודיברגנציה נמוכה בציר האיטי.

3. כיצד זווית סטייה משפיעה על תכנון המערכת

① עלות גבוהה של קולימציה ועיצוב קרן

בשל האסימטריה הגבוהה של קרן הגלימה, יש להשתמש באופטיקה של FAC (Fast Axis Collimation) ו-SAC (Slow Axis Collimation). מצב זה מגביר את מורכבות המערכת ודורש דיוק התקנה גבוה ויציבות תרמית.

② יעילות צימוד סיבים מוגבלת

כאשר מחברים מוטות לייזר לסיבים מרובי-מודים, מערכות אופטיות או עדשות אספריות, סטייה גדולה בציר המהיר עלולה להוביל ל"גלישה" של הקרן, מה שמפחית את יעילות הצימוד. סטייה היא מקור עיקרי לאובדן אופטי.

③ איכות קרן בהערמת מודולים

במודולים מרובי מוטות מוערמים, סטייה מבוקרת בצורה גרועה עלולה לגרום לחפיפה לא אחידה של הקרן או עיוות בשדה רחוק, דבר המשפיע על דיוק המיקוד והפיזור התרמי.

4. כיצד לשלוט ולמטב סטייה בפסי דיודה לייזר

למרות שהדיברגנציה מוגדרת במידה רבה על ידי מבנה המכשיר, ניתן להשתמש במספר אסטרטגיות ברמת המערכת לצורך אופטימיזציה:

①שימוש בעדשות FAC

הצבת עדשת קולימציה בעלת ציר מהיר קרוב לפן הפולט דוחסת את הקרן ומפחיתה סטייה בציר המהיר - זה חיוני ברוב העיצובים.

②עדשות SAC לעיצוב נוסף

למרות שהסטייה בציר האיטי קטנה יותר, עדיין נדרש עיצוב במערכים או במקורות אור קוויים כדי להשיג פלט אחיד.

③שילוב אלומות ועיצוב אופטי

שימוש במערכי מיקרו-עדשות, עדשות גליליות או אופטיקה מובנית יכול לסייע בעיצוב קרני לייזר מרובות לפלט אחיד ובעל בהירות גבוהה.

④אופטימיזציה של מוליך גל ברמת המכשיר

התאמת עובי השכבה הפעילה, עיצוב מוליך הגל ומבני הסריגים יכולים לחדד עוד יותר את הסטייה של הציר המהיר מרמת השבב.

5. בקרת סטייה ביישומים בעולם האמיתי

①מקורות משאבת לייזר

במערכות לייזר במצב מוצק או סיבים בעלי הספק גבוה, מוטות דיודה של לייזר משמשים כמקורות משאבה. שליטה על דיברגנציה - במיוחד בציר המהיר - משפרת את יעילות הצימוד ואת מיקוד הקרן.

②מכשירים רפואיים

עבור מערכות כמו טיפול בלייזר והסרת שיער, ניהול סטייה מבטיח אספקת אנרגיה אחידה יותר וטיפול בטוח ויעיל יותר.

③עיבוד חומרים תעשייתי

בריתוך וחיתוך בלייזר, דיברגנץ אופטימלי תורם לצפיפות הספק גבוהה יותר, מיקוד טוב יותר ועיבוד מדויק ויעיל יותר.

6. סיכום

זווית הדיברגנציה של מוט דיודת לייזר היא נקודת מעבר מכרעת - מפיזיקה של שבבים בקנה מידה מיקרוסקופי למערכות אופטיות בקנה מידה מאקרו.
הוא משמש גם כאינדיקטור לאיכות הקרן וגם כגבול תכנון לאינטגרציה. ככל שדרישות היישומים ומורכבות המערכת ממשיכות לעלות, הבנה ובקרה של סטייה הופכות למיומנות ליבה עבור יצרני לייזר ואינטגרטורים כאחד - במיוחד להתקדמות לעבר הספק, בהירות ואמינות גבוהות יותר.