A medida que las aplicaciones láser de alta potencia se expanden, las barras de diodos láser se han vuelto indispensables en áreas como el bombeo láser, el procesamiento industrial, los equipos médicos y la investigación científica. Gracias a su excelente densidad de potencia, escalabilidad modular y alta eficiencia electroóptica, estos dispositivos son fundamentales en muchos sistemas láser modernos. Sin embargo, entre los numerosos indicadores de rendimiento de una barra de diodos láser, hay un parámetro que a menudo se pasa por alto, pero que es crucial: el ángulo de divergencia. Este artículo explora las características, los orígenes físicos y las implicaciones del ángulo de divergencia en las barras de diodos láser, y cómo el diseño óptico puede gestionarlo eficazmente.
1. ¿Qué es un ángulo de divergencia?
El ángulo de divergencia describe cómo se propaga un haz láser en el espacio libre. Indica la extensión del haz desde la faceta de emisión. En las barras de diodos láser, el ángulo de divergencia presenta una marcada asimetría en dos direcciones principales:
Eje rápido: Perpendicular a la superficie de la barra. La región de emisión es extremadamente estrecha (normalmente de 1 a 2 µm), lo que genera ángulos de divergencia amplios, a menudo de 30° a 45° o más.
Eje lento: Paralelo a la longitud de la barra. La región de emisión es mucho más amplia (cientos de micras), lo que resulta en ángulos de divergencia menores, típicamente entre 5° y 15°.
Esta divergencia asimétrica es un desafío de diseño importante para la integración de sistemas que involucran barras de diodos láser.
2. El origen físico de la divergencia
El ángulo de divergencia está determinado principalmente por la estructura de la guía de ondas y el tamaño de la faceta de emisión:
En el eje rápido, el área de emisión es extremadamente pequeña. Según la teoría de difracción, las aperturas más pequeñas resultan en una mayor divergencia.
En el eje lento, el haz se expande a lo largo de la barra a través de múltiples emisores, lo que da como resultado un ángulo de divergencia más pequeño.
Como resultado, las barras de diodo láser exhiben inherentemente una alta divergencia en el eje rápido y una baja divergencia en el eje lento.
3. Cómo afecta el ángulo de divergencia al diseño del sistema
① Alto costo de colimación y conformación del haz
Debido a la alta asimetría del haz original, se requieren ópticas FAC (colimación de eje rápido) y SAC (colimación de eje lento). Esto aumenta la complejidad del sistema y exige una alta precisión de instalación y estabilidad térmica.
② Eficiencia limitada de acoplamiento de fibra
Al acoplar barras láser a fibras multimodo, sistemas ópticos o lentes asféricas, la gran divergencia del eje rápido puede provocar un desbordamiento del haz, lo que reduce la eficiencia del acoplamiento. La divergencia es una fuente importante de pérdida óptica.
③ Calidad del haz en el apilamiento de módulos
En módulos apilados de múltiples barras, una divergencia mal controlada puede provocar una superposición desigual del haz o una distorsión de campo lejano, lo que afecta la precisión del enfoque y la distribución térmica.
4. Cómo controlar y optimizar la divergencia en las barras de diodos láser
Aunque la divergencia está definida en gran medida por la estructura del dispositivo, se pueden utilizar varias estrategias a nivel de sistema para la optimización:
①Uso de lentes FAC
Colocar una lente de colimación de eje rápido cerca de la faceta emisora comprime el haz y reduce la divergencia en el eje rápido; esto es esencial en la mayoría de los diseños.
②Lentes SAC para una mejor forma
Aunque la divergencia del eje lento es menor, todavía se requiere modelado en matrices o fuentes de luz lineal para lograr una salida uniforme.
③Diseño de combinación de haces y conformación óptica
El uso de conjuntos de microlentes, lentes cilíndricas u ópticas estructuradas puede ayudar a dar forma a múltiples rayos láser en una salida uniforme y de alto brillo.
④Optimización de guía de ondas a nivel de dispositivo
Ajustar el espesor de la capa activa, el diseño de la guía de ondas y las estructuras de rejilla puede refinar aún más la divergencia del eje rápido desde el nivel del chip.
5. Control de divergencia en aplicaciones del mundo real
①Fuentes de bombeo láser
En sistemas láser de fibra o de estado sólido de alta potencia, las barras de diodos láser sirven como fuentes de bombeo. El control de la divergencia, especialmente en el eje rápido, mejora la eficiencia del acoplamiento y el enfoque del haz.
②Dispositivos médicos
En sistemas como la terapia láser y la depilación, el control de la divergencia garantiza un suministro de energía más uniforme y un tratamiento más seguro y eficaz.
③Procesamiento de materiales industriales
En la soldadura y el corte por láser, la divergencia optimizada contribuye a una mayor densidad de potencia, un mejor enfoque y un procesamiento más preciso y eficiente.
6. Conclusión
El ángulo de divergencia de una barra de diodo láser es un punto de transición crucial: desde la física de chips a microescala hasta los sistemas ópticos a macroescala.
Sirve tanto como indicador de la calidad del haz como límite de diseño para la integración. A medida que aumentan las demandas de las aplicaciones y la complejidad de los sistemas, comprender y controlar la divergencia se convierte en una competencia fundamental tanto para los fabricantes como para los integradores de láseres, especialmente para avanzar hacia una mayor potencia, brillo y fiabilidad.
Hora de publicación: 14 de julio de 2025