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 quang điện cao, những thiết bị này là cốt lõi của nhiều hệ thống laser hiện đại. Tuy nhiên, trong số rất nhiều chỉ số hiệu suất của thanh diode laser, có một thông số thường bị bỏ qua nhưng lại cực kỳ 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 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 truyền trong không gian tự do. Nó cho biết mức độ chùm tia mở rộng 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 micron), 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 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, diện tích 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 bộ phát, tạo ra góc phân kỳ nhỏ hơn.
Kết quả là, các thanh diode laser vốn 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 định hình chùm tia và chuẩn trực cao
Do độ bất đối xứng cao của chùm tia thô, cần phải sử dụng quang học FAC (Chuẩn trực trục nhanh) và SAC (Chuẩn trực trục chậm). 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.
② Hiệu suất ghép sợi 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", làm giảm hiệu suất ghép. Độ phân kỳ là một nguồn chính gây suy hao quang học.
③ Chất lượng chùm tia trong xếp chồng mô-đun
Trong các mô-đun xếp chồng nhiều thanh, độ phân kỳ không được kiểm soát tốt có thể gây ra hiện tượng chồng chùm tia không đều hoặc biến dạng trường xa, ảnh hưởng đến độ chính xác hội tụ và phân bổ nhiệt.
4. Cách kiểm soát và tối ưu hóa độ phân kỳ trong thanh diode laser
Mặc dù sự phân kỳ phần lớn được xác định bởi cấu trúc thiết bị, một số chiến lược cấp hệ thống có thể được sử dụng để tối ưu hóa:
①Sử dụng ống kính FAC
Đặt thấu kính chuẩn trực trục nhanh gần mặt phát xạ sẽ nén chùm tia và giảm độ phân kỳ ở trục nhanh—điều này rất cần thiết trong hầu hết các thiết kế.
②Tròng kính SAC giúp định hình thêm
Mặc dù độ phân kỳ trục chậm nhỏ hơn, nhưng vẫn cần phải định hình trong các mảng hoặc nguồn sáng đường để đạt được đầu ra đồng đều.
③Thiết kế kết hợp chùm tia và định hình quang học
Sử dụng mảng thấu kính siêu nhỏ, thấu kính hình trụ hoặc quang học có cấu trúc có thể giúp định hình nhiều chùm tia laser thành đầu ra có độ sáng cao, đồng đều.
④Tối ưu hóa ống dẫn sóng cấp thiết bị
Việc điều chỉnh độ dày lớp hoạt động, thiết kế ống dẫn sóng và cấu trúc mạng có thể cải thiện hơn nữa độ phân kỳ trục nhanh so với cấp độ chip.
5. Kiểm soát phân kỳ trong các ứng dụng thực tế
①Nguồn bơm laser
Trong các hệ thống laser sợi quang hoặc thể rắn công suất cao, các thanh diode laser đóng vai trò là nguồn bơm. Việc kiểm soát độ phân kỳ, đặc biệt là trên trục nhanh, giúp cải thiện hiệu suất ghép nối và hội tụ chùm tia.
②Thiết bị y tế
Đối với các hệ thống như liệu pháp laser và triệt lông, việc quản lý độ phân kỳ đảm bảo cung cấp năng lượng đồng đều hơn và điều trị an toàn, hiệu quả hơn.
③Chế biến vật liệu công nghiệp
Trong hàn và cắt bằng laser, độ phân kỳ được tối ưu hóa góp phần tạo ra mật độ công suất cao hơn, tiêu điểm tốt hơn và xử lý chính xác và hiệu quả hơn.
6. Kết luận
Góc phân kỳ của thanh diode laser là điểm chuyển tiếp quan trọng - từ vật lý chip ở quy mô vi mô sang hệ thống quang học ở quy mô vĩ mô.
Nó vừa đóng vai trò 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 ngày càng tăng, việc hiểu và kiểm soát độ phân kỳ trở thành năng lực cốt lõi của cả nhà sản xuất laser và nhà tích hợp — đặc biệt là để hướng tới công suất, độ sáng và độ tin cậy cao hơn.
Thời gian đăng: 14-07-2025