A medida que se expanden las aplicaciones de láseres de alta potencia, 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, un parámetro que suele pasarse por alto es de vital importancia: 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 dispersa un haz láser al propagarse en el espacio libre. Indica el grado de expansión 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 da lugar a grandes ángulos de divergencia, a menudo de 30° a 45° o más.
Eje lento: Paralelo a la longitud de la barra. La región de emisión es mucho más ancha (cientos de micras), lo que da como resultado ángulos de divergencia más pequeños, típicamente de alrededor de 5° a 15°.
Esta divergencia asimétrica supone un importante desafío de diseño 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 la difracción, las aperturas más pequeñas dan como resultado una mayor divergencia.
En el eje lento, el haz se expande a lo largo de la barra a través de múltiples emisores, lo que resulta en un ángulo de divergencia menor.
Como resultado, las barras de diodos láser presentan 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 elevada asimetría del haz sin procesar, es necesario utilizar sistemas ópticos de colimación de eje rápido (FAC) y de eje lento (SAC). Esto incrementa la complejidad del sistema y exige una alta precisión de instalación y estabilidad térmica.
② Eficiencia de acoplamiento de fibra limitada
Al acoplar barras láser a fibras multimodo, sistemas ópticos o lentes asféricas, la gran divergencia en el eje rápido puede provocar un efecto de derrame del haz, reduciendo la eficiencia del acoplamiento. La divergencia es una fuente importante de pérdidas ópticas.
③ Calidad de la viga en el apilamiento de módulos
En los módulos apilados de múltiples barras, una divergencia mal controlada puede causar una superposición desigual del haz o una distorsión en el campo lejano, lo que afecta la precisión del enfoque y la distribución térmica.
4. Cómo controlar y optimizar la divergencia en barras de diodos láser
Aunque la divergencia viene definida en gran medida por la estructura del dispositivo, se pueden utilizar varias estrategias a nivel de sistema para su 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 modelado adicional
Aunque la divergencia del eje lento es menor, todavía se requiere dar forma a las matrices o fuentes de luz lineal para lograr una salida uniforme.
③Diseño de combinación de haces y conformación óptica
El uso de matrices de microlentes, lentes cilíndricas u óptica estructurada puede ayudar a dar forma a múltiples haces láser para obtener una salida uniforme de alto brillo.
④Optimización de guías de onda a nivel de dispositivo
Ajustar el grosor 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 los sistemas láser de estado sólido o de fibra de alta potencia, las barras de diodos láser actúan como fuentes de bombeo. Controlar la divergencia, especialmente en el eje rápido, mejora la eficiencia de acoplamiento y el enfoque del haz.
2Dispositivos médicos
En sistemas como la terapia láser y la depilación, controlar la divergencia garantiza una administración 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 diodos láser es un punto de transición crucial: de la física de chips a microescala a los sistemas ópticos a macroescala.
Sirve como indicador de la calidad del haz y como límite de diseño para la integración. A medida que aumentan las exigencias 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.
Fecha de publicación: 14 de julio de 2025