มุมแยกของแท่งไดโอดเลเซอร์: จากลำแสงกว้างสู่การใช้งานประสิทธิภาพสูง

เนื่องจากการประยุกต์ใช้เลเซอร์กำลังสูงยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง แท่งไดโอดเลเซอร์จึงกลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในสาขาต่างๆ เช่น การสูบเลเซอร์ กระบวนการทางอุตสาหกรรม อุปกรณ์ทางการแพทย์ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ด้วยความหนาแน่นพลังงานที่ยอดเยี่ยม ความสามารถในการปรับขนาดแบบแยกส่วน และประสิทธิภาพทางอิเล็กโทรออปติกที่สูง อุปกรณ์เหล่านี้จึงเป็นหัวใจสำคัญของระบบเลเซอร์สมัยใหม่มากมาย อย่างไรก็ตาม ในบรรดาตัวชี้วัดประสิทธิภาพมากมายของแท่งไดโอดเลเซอร์ มีพารามิเตอร์หนึ่งที่มักถูกมองข้ามแต่มีความสำคัญอย่างยิ่ง นั่นคือ มุมไดเวอร์เจนซ์ บทความนี้จะสำรวจลักษณะเฉพาะ ต้นกำเนิดทางกายภาพ และผลกระทบของมุมไดเวอร์เจนซ์ในแท่งไดโอดเลเซอร์ รวมถึงวิธีที่การออกแบบเชิงแสงสามารถจัดการได้อย่างมีประสิทธิภาพ

1. มุมแยกคืออะไร?

มุมไดเวอร์เจนซ์อธิบายถึงการกระจายตัวของลำแสงเลเซอร์ขณะเคลื่อนที่ในอวกาศว่าง โดยระบุขอบเขตที่ลำแสงขยายออกจากด้านเปล่งแสง ในแท่งไดโอดเลเซอร์ มุมไดเวอร์เจนซ์จะแสดงความไม่สมมาตรอย่างมากในสองทิศทางหลัก:

แกนเร็ว: ตั้งฉากกับพื้นผิวแท่ง ระยะการปล่อยรังสีแคบมาก (โดยทั่วไป 1–2 ไมโครเมตร) ทำให้เกิดมุมเบี่ยงเบนที่กว้าง มักอยู่ที่ 30–45° หรือมากกว่า

แกนช้า: ขนานกับความยาวของแท่ง ระยะการปล่อยรังสีกว้างกว่ามาก (หลายร้อยไมครอน) ส่งผลให้มุมเบี่ยงเบนแคบลง โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 5°–15°

การแยกส่วนแบบไม่สมมาตรนี้เป็นความท้าทายในการออกแบบที่สำคัญสำหรับการบูรณาการระบบที่เกี่ยวข้องกับแท่งไดโอดเลเซอร์

2. ต้นกำเนิดทางกายภาพของการแยกทาง

มุมแยกจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างท่อนำคลื่นและขนาดด้านการปล่อยเป็นหลัก:

ในแกนเร็ว พื้นที่การแผ่รังสีมีขนาดเล็กมาก ตามทฤษฎีการเลี้ยวเบน รูรับแสงขนาดเล็กจะทำให้เกิดการเบี่ยงเบนที่มากขึ้น

ในแกนช้า ลำแสงจะขยายไปตามความยาวของแท่งข้ามตัวปล่อยหลายตัว ส่งผลให้มุมแยกออกเล็กลง

ส่งผลให้แท่งไดโอดเลเซอร์แสดงการแยกตัวสูงในแกนเร็วและการแยกตัวต่ำในแกนช้า

3. มุมแยกมีผลต่อการออกแบบระบบอย่างไร

① ต้นทุนสูงในการปรับลำแสงและปรับรูปร่างลำแสง

เนื่องจากลำแสงดิบมีความไม่สมมาตรสูง จึงจำเป็นต้องใช้เลนส์ FAC (Fast Axis Collimation) และ SAC (Slow Axis Collimation) ซึ่งจะทำให้ระบบมีความซับซ้อนมากขึ้น และต้องการความแม่นยำในการติดตั้งสูงและเสถียรภาพทางความร้อน

② ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อไฟเบอร์จำกัด

เมื่อเชื่อมต่อแท่งเลเซอร์เข้ากับไฟเบอร์แบบมัลติโหมด ระบบออปติคัล หรือเลนส์แอสเฟอริก การกระจายตัวของแกนแสงขนาดใหญ่อาจทำให้เกิด "การล้น" ของลำแสง ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อลดลง การกระจายตัวเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียแสง

③ คุณภาพลำแสงในการซ้อนโมดูล

ในโมดูลที่วางซ้อนกันหลายแท่ง การแยกส่วนที่ควบคุมไม่ดีอาจทำให้ลำแสงซ้อนทับกันไม่สม่ำเสมอหรือเกิดการบิดเบือนในระยะไกล ส่งผลต่อความแม่นยำในการโฟกัสและการกระจายความร้อน

4. วิธีการควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพการแยกตัวในแท่งไดโอดเลเซอร์

แม้ว่าความแตกต่างจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างอุปกรณ์เป็นส่วนใหญ่ แต่สามารถใช้กลยุทธ์ระดับระบบหลายประการเพื่อการเพิ่มประสิทธิภาพได้:

①การใช้เลนส์ FAC

การวางเลนส์ปรับลำแสงแกนเร็วไว้ใกล้กับด้านเปล่งแสงจะทำให้ลำแสงถูกบีบอัดและลดการแยกออกจากกันในแกนเร็ว ซึ่งถือเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบส่วนใหญ่

②เลนส์ SAC สำหรับการปรับรูปทรงเพิ่มเติม

แม้ว่าการแยกแกนช้าจะมีขนาดเล็กกว่า แต่การกำหนดรูปร่างยังคงจำเป็นในอาร์เรย์หรือแหล่งกำเนิดแสงแบบเส้นเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่สม่ำเสมอ

③การรวมลำแสงและการออกแบบรูปทรงแสง

การใช้ชุดไมโครเลนส์ เลนส์ทรงกระบอก หรือออปติกที่มีโครงสร้างสามารถช่วยสร้างลำแสงเลเซอร์หลายลำให้มีความสว่างสูงและสม่ำเสมอได้

④การเพิ่มประสิทธิภาพท่อนำคลื่นระดับอุปกรณ์

การปรับความหนาของชั้นที่ใช้งาน การออกแบบท่อนำคลื่น และโครงสร้างแบบกริด สามารถทำให้การแยกตัวของแกนเร็วจากระดับชิปแม่นยำยิ่งขึ้น

5. การควบคุมความแตกต่างในแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริง

①แหล่งกำเนิดปั๊มเลเซอร์

ในระบบเลเซอร์โซลิดสเตตหรือไฟเบอร์กำลังสูง แท่งไดโอดเลเซอร์ทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายปั๊ม การควบคุมการแยกตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแกนหมุนเร็ว ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อและการโฟกัสลำแสง

②อุปกรณ์ทางการแพทย์

สำหรับระบบต่างๆ เช่น การบำบัดด้วยเลเซอร์และการกำจัดขน การจัดการการแยกส่วนจะช่วยให้การส่งพลังงานสม่ำเสมอมากขึ้น และการรักษาที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

③การแปรรูปวัสดุอุตสาหกรรม

ในการเชื่อมและตัดด้วยเลเซอร์ การแยกส่วนที่ปรับให้เหมาะสมจะส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น โฟกัสที่ดีขึ้น และการประมวลผลที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

6. บทสรุป

มุมแยกของแท่งไดโอดเลเซอร์เป็นจุดเปลี่ยนที่สำคัญสำหรับการเปลี่ยนจากฟิสิกส์ชิปในระดับไมโครไปสู่ระบบออปติกในระดับมาโคร
ทำหน้าที่เป็นทั้งตัวบ่งชี้คุณภาพของลำแสงและขอบเขตการออกแบบสำหรับการผสานรวม เมื่อความต้องการใช้งานและความซับซ้อนของระบบเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การทำความเข้าใจและการควบคุมความแตกต่างจึงกลายเป็นทักษะหลักสำหรับทั้งผู้ผลิตเลเซอร์และผู้ผสานรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการก้าวไปสู่ระดับพลังงาน ความสว่าง และความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น