Khi các ứng dụng laser công suất cao tiếp tục mở rộng, các thanh diode laser đã trở nên không thể thiếu trong các lĩnh vực như bơm laser, xử lý công nghiệp, thiết bị y tế và nghiên cứu khoa học. Với mật độ công suất tuyệt vời, khả năng mở rộng theo mô-đun và hiệu suất điện quang cao, các thiết bị này là cốt lõi của nhiều hệ thống laser hiện đại. Tuy nhiên, trong số nhiều chỉ số hiệu suất của một thanh diode laser, một thông số thường bị bỏ qua nhưng lại vô cùng quan trọng: góc phân kỳ. Bài viết này khám phá các đặc điểm, nguồn gốc vật lý và ý nghĩa của góc phân kỳ trong các thanh diode laser—và cách thiết kế quang học có thể quản lý nó một cách hiệu quả.
1. Góc phân kỳ là gì?
Góc phân kỳ mô tả cách chùm tia laser lan rộng khi truyền trong không gian tự do. Nó cho biết mức độ mở rộng của chùm tia từ mặt phát xạ. Trong các thanh diode laser, góc phân kỳ thể hiện sự bất đối xứng mạnh theo hai hướng chính:
Trục nhanh: Vuông góc với bề mặt thanh. Vùng phát xạ cực kỳ hẹp (thường là 1–2 µm), dẫn đến góc phân kỳ lớn, thường là 30°–45° hoặc hơn.
Trục chậm: Song song với chiều dài của thanh. Vùng phát xạ rộng hơn nhiều (hàng trăm micromet), dẫn đến góc phân kỳ nhỏ hơn, thường vào khoảng 5°–15°.
Sự phân kỳ không đối xứng này là một thách thức thiết kế lớn đối với việc tích hợp hệ thống liên quan đến các thanh diode laser.
2. Nguồn gốc vật lý của sự phân kỳ
Góc phân kỳ chủ yếu được xác định bởi cấu trúc ống dẫn sóng và kích thước mặt phát xạ:
Trên trục nhanh, vùng phát xạ cực kỳ nhỏ. Theo lý thuyết nhiễu xạ, khẩu độ nhỏ hơn dẫn đến độ phân kỳ lớn hơn.
Trên trục chậm, chùm tia mở rộng dọc theo chiều dài của thanh qua nhiều nguồn phát, dẫn đến góc phân kỳ nhỏ hơn.
Do đó, các thanh diode laser vốn dĩ có độ phân kỳ cao ở trục nhanh và độ phân kỳ thấp ở trục chậm.
3. Góc phân kỳ ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống như thế nào?
① Chi phí cao cho việc chuẩn trực và định hình chùm tia
Do độ bất đối xứng cao của chùm tia thô, cần phải sử dụng hệ quang học FAC (Fast Axis Collimation) và SAC (Slow Axis Collimation). Điều này làm tăng độ phức tạp của hệ thống và đòi hỏi độ chính xác lắp đặt cao cũng như độ ổn định nhiệt tốt.
② Hiệu suất ghép nối sợi quang hạn chế
Khi ghép các thanh laser vào sợi quang đa mode, hệ thống quang học hoặc thấu kính phi cầu, độ phân kỳ lớn theo trục nhanh có thể dẫn đến hiện tượng "tràn" chùm tia, làm giảm hiệu suất ghép nối. Độ phân kỳ là một nguồn gây tổn thất quang học chính.
③ Chất lượng chùm tia trong việc xếp chồng mô-đun
Trong các mô-đun xếp chồng nhiều thanh, sự phân kỳ được kiểm soát kém có thể gây ra sự chồng chéo chùm tia không đồng đều hoặc biến dạng trường xa, ảnh hưởng đến độ chính xác hội tụ và phân bố nhiệt.
4. Cách kiểm soát và tối ưu hóa độ phân kỳ trong thanh diode laser
Mặc dù sự khác biệt chủ yếu được xác định bởi cấu trúc thiết bị, nhưng có thể sử dụng một số chiến lược ở cấp hệ thống để tối ưu hóa:
①Sử dụng kính áp tròng FAC
Việc đặt thấu kính chuẩn trực trục nhanh gần mặt phát xạ sẽ nén chùm tia và giảm độ phân kỳ theo trục nhanh — điều này rất cần thiết trong hầu hết các thiết kế.
②Tròng kính SAC để định hình thêm
Mặc dù độ phân kỳ theo trục chậm nhỏ hơn, việc định hình vẫn cần thiết trong các mảng hoặc nguồn sáng dạng đường thẳng để đạt được đầu ra đồng đều.
③Thiết kế kết hợp chùm tia và định hình quang học
Việc sử dụng mảng thấu kính siêu nhỏ, thấu kính hình trụ hoặc quang học cấu trúc có thể giúp định hình nhiều chùm tia laser thành một đầu ra có độ sáng cao và đồng đều.
④Tối ưu hóa ống dẫn sóng ở cấp độ thiết bị
Việc điều chỉnh độ dày lớp hoạt tính, thiết kế ống dẫn sóng và cấu trúc lưới có thể giúp tinh chỉnh hơn nữa độ phân kỳ trục nhanh ở cấp độ chip.
5. Kiểm soát sự phân kỳ trong các ứng dụng thực tế
①Nguồn bơm laser
Trong các hệ thống laser bán dẫn hoặc laser sợi quang công suất cao, các thanh diode laser đóng vai trò là nguồn bơm. Việc kiểm soát độ phân kỳ—đặc biệt là ở trục nhanh—cải thiện hiệu suất ghép nối và hội tụ chùm tia.
②Thiết bị y tế
Đối với các hệ thống như trị liệu bằng laser và triệt lông, việc kiểm soát sự phân kỳ năng lượng đảm bảo phân bổ năng lượng đồng đều hơn, mang lại hiệu quả điều trị an toàn và cao hơn.
③Xử lý vật liệu công nghiệp
Trong hàn và cắt laser, việc tối ưu hóa độ phân kỳ giúp tăng mật độ công suất, cải thiện khả năng lấy nét và gia công chính xác, hiệu quả hơn.
6. Kết luận
Góc phân kỳ của thanh diode laser là một điểm chuyển tiếp quan trọng—từ vật lý chip vi mô đến hệ thống quang học vĩ mô.
Nó đóng vai trò vừa là chỉ báo chất lượng chùm tia vừa là ranh giới thiết kế cho việc tích hợp. Khi nhu cầu ứng dụng và độ phức tạp của hệ thống tiếp tục tăng lên, việc hiểu và kiểm soát độ phân kỳ trở thành năng lực cốt lõi đối với cả nhà sản xuất và nhà tích hợp laser—đặc biệt là để hướng tới công suất, độ sáng và độ tin cậy cao hơn.
Thời gian đăng bài: 14/7/2025