มุมกระจายแสงของแท่งไดโอดเลเซอร์: จากลำแสงกว้างสู่การใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง

เนื่องจากการใช้งานเลเซอร์กำลังสูงยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง แท่งไดโอดเลเซอร์จึงกลายเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในด้านต่างๆ เช่น การปั๊มเลเซอร์ การประมวลผลทางอุตสาหกรรม อุปกรณ์ทางการแพทย์ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ด้วยความหนาแน่นของกำลังที่ยอดเยี่ยม ความสามารถในการปรับขนาดแบบโมดูลาร์ และประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเชิงแสงสูง อุปกรณ์เหล่านี้จึงเป็นหัวใจสำคัญของระบบเลเซอร์สมัยใหม่หลายระบบ อย่างไรก็ตาม ในบรรดาตัวชี้วัดประสิทธิภาพมากมายของแท่งไดโอดเลเซอร์ พารามิเตอร์หนึ่งที่มักถูกมองข้ามแต่มีความสำคัญอย่างยิ่งคือ มุมการกระจายแสง บทความนี้จะสำรวจลักษณะเฉพาะ ต้นกำเนิดทางกายภาพ และผลกระทบของมุมการกระจายแสงในแท่งไดโอดเลเซอร์ และวิธีที่การออกแบบทางแสงสามารถจัดการกับมุมนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

1. มุมไดเวอร์เจนซ์คืออะไร?

มุมการกระจายตัวอธิบายถึงลักษณะการกระจายตัวของลำแสงเลเซอร์ขณะเคลื่อนที่ในพื้นที่ว่าง โดยบ่งชี้ถึงขอบเขตการขยายตัวของลำแสงจากหน้าตัดการปล่อยแสง ในแท่งไดโอดเลเซอร์ มุมการกระจายตัวแสดงความไม่สมมาตรอย่างมากในสองทิศทางหลัก:

แกนเร็ว: ตั้งฉากกับพื้นผิวของแท่ง บริเวณการปล่อยแสงแคบมาก (โดยทั่วไป 1–2 ไมโครเมตร) ส่งผลให้มุมการกระจายแสงมีขนาดใหญ่ มักจะ 30°–45° หรือมากกว่านั้น

แกนช้า: ขนานกับความยาวของแท่ง บริเวณการปล่อยรังสีจะกว้างกว่ามาก (หลายร้อยไมครอน) ส่งผลให้มุมการกระจายตัวแคบลง โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 5°–15°

ความแตกต่างที่ไม่สมมาตรนี้เป็นความท้าทายด้านการออกแบบที่สำคัญสำหรับการบูรณาการระบบที่เกี่ยวข้องกับแท่งไดโอดเลเซอร์

2. ต้นกำเนิดทางกายภาพของความแตกต่าง

มุมการกระจายแสงส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยโครงสร้างของท่อนำคลื่นและขนาดของหน้าตัดการปล่อยแสง:

ในแกนเร็ว พื้นที่การปล่อยรังสีมีขนาดเล็กมาก ตามทฤษฎีการเลี้ยวเบน รูรับแสงที่เล็กกว่าจะส่งผลให้การกระจายตัวมากขึ้น

ในแนวแกนช้า ลำแสงจะขยายออกไปตามความยาวของแท่งผ่านตัวปล่อยแสงหลายตัว ส่งผลให้มุมการกระจายแสงแคบลง

ด้วยเหตุนี้ แท่งไดโอดเลเซอร์จึงมีค่าการกระจายแสงสูงในแกนเร็วและค่าการกระจายแสงต่ำในแกนช้าโดยธรรมชาติ

3. มุมการเบี่ยงเบนมีผลต่อการออกแบบระบบอย่างไร

① ต้นทุนสูงในการปรับแนวลำแสงและการสร้างรูปร่างลำแสง

เนื่องจากลำแสงดิบมีความไม่สมมาตรสูง จึงต้องใช้เลนส์ FAC (Fast Axis Collimation) และ SAC (Slow Axis Collimation) ซึ่งทำให้ระบบมีความซับซ้อนมากขึ้น และต้องการความแม่นยำในการติดตั้งและความเสถียรทางความร้อนสูง

② ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อไฟเบอร์ที่จำกัด

เมื่อเชื่อมต่อเลเซอร์แท่งเข้ากับใยแก้วนำแสงแบบมัลติโหมด ระบบออปติคอล หรือเลนส์แอสเฟอริก การเบี่ยงเบนของลำแสงในแกนเร็วที่มากอาจทำให้เกิดการ "รั่วไหล" ของลำแสง ซึ่งลดประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ การเบี่ยงเบนเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียทางแสง

③ คุณภาพลำแสงในการเรียงซ้อนโมดูล

ในโมดูลแบบเรียงซ้อนหลายแท่ง การควบคุมการกระจายตัวที่ไม่ดีอาจทำให้ลำแสงทับซ้อนกันไม่สม่ำเสมอหรือเกิดการบิดเบือนในระยะไกล ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำในการโฟกัสและการกระจายความร้อน

4. วิธีการควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายแสงในแท่งไดโอดเลเซอร์

แม้ว่าความแตกต่างส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยโครงสร้างของอุปกรณ์ แต่ก็มีกลยุทธ์ระดับระบบหลายอย่างที่สามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพได้:

①การใช้เลนส์ FAC

การวางเลนส์ปรับลำแสงแกนเร็วไว้ใกล้กับหน้าตัดการปล่อยแสงจะช่วยบีบอัดลำแสงและลดการกระจายตัวในแกนเร็ว ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในงานออกแบบส่วนใหญ่

②เลนส์ SAC สำหรับการปรับรูปทรงเพิ่มเติม

แม้ว่าการเบี่ยงเบนตามแกนช้าจะน้อยลง แต่ก็ยังคงจำเป็นต้องมีการปรับรูปร่างในอาร์เรย์หรือแหล่งกำเนิดแสงแบบเส้นตรงเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอ

③การออกแบบการรวมลำแสงและการปรับรูปร่างเชิงแสง

การใช้อาร์เรย์เลนส์ขนาดเล็ก เลนส์ทรงกระบอก หรือโครงสร้างเชิงแสง สามารถช่วยปรับรูปร่างลำแสงเลเซอร์หลายลำให้มีความสว่างสูงและสม่ำเสมอได้

④การเพิ่มประสิทธิภาพท่อนำคลื่นระดับอุปกรณ์

การปรับความหนาของชั้นแอคทีฟ การออกแบบท่อนำคลื่น และโครงสร้างตะแกรง สามารถช่วยปรับปรุงการเบี่ยงเบนตามแกนเร็วให้ดียิ่งขึ้นได้ในระดับชิป

5. การควบคุมการเบี่ยงเบนในแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริง

①แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์แบบปั๊ม

ในระบบเลเซอร์โซลิดสเตทหรือเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง แท่งไดโอดเลเซอร์ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงกระตุ้น การควบคุมการกระจายตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแกนเร็ว จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมต่อและการโฟกัสลำแสง

②อุปกรณ์ทางการแพทย์

สำหรับระบบต่างๆ เช่น การรักษาด้วยเลเซอร์และการกำจัดขน การจัดการการกระจายตัวของพลังงานจะช่วยให้การส่งพลังงานมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และทำให้การรักษามีความปลอดภัยและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

③การแปรรูปวัสดุอุตสาหกรรม

ในการเชื่อมและตัดด้วยเลเซอร์ การปรับค่าการกระจายแสงให้เหมาะสมจะช่วยให้ได้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น การโฟกัสที่ดีขึ้น และการประมวลผลที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

6. บทสรุป

มุมการกระจายแสงของแท่งไดโอดเลเซอร์เป็นจุดเปลี่ยนที่สำคัญ จากฟิสิกส์ของชิปขนาดเล็กไปสู่ระบบออปติคอลขนาดใหญ่
ค่าการเบี่ยงเบนของลำแสงทำหน้าที่ทั้งเป็นตัวบ่งชี้คุณภาพลำแสงและเป็นขอบเขตการออกแบบสำหรับการบูรณาการ เนื่องจากความต้องการใช้งานและความซับซ้อนของระบบเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง การทำความเข้าใจและควบคุมค่าการเบี่ยงเบนจึงกลายเป็นความสามารถหลักสำหรับผู้ผลิตและผู้บูรณาการเลเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการพัฒนาไปสู่กำลัง ความสว่าง และความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น