Com a expansão contínua das aplicações de lasers de alta potência, as barras de diodos laser tornaram-se indispensáveis em áreas como bombeamento de lasers, processamento industrial, equipamentos médicos e pesquisa científica. Graças à sua excelente densidade de potência, escalabilidade modular e alta eficiência eletro-óptica, esses dispositivos são essenciais para muitos sistemas laser modernos. Contudo, dentre os diversos indicadores de desempenho de uma barra de diodos laser, um parâmetro, porém crucial, é frequentemente negligenciado: o ângulo de divergência. Este artigo explora as características, origens físicas e implicações do ângulo de divergência em barras de diodos laser — e como o projeto óptico pode gerenciá-lo de forma eficaz.
1. O que é um ângulo de divergência?
O ângulo de divergência descreve como um feixe de laser se espalha ao se propagar no espaço livre. Ele indica o quanto o feixe se expande a partir da face de emissão. Em barras de diodos laser, o ângulo de divergência exibe forte assimetria em duas direções principais:
Eixo rápido: perpendicular à superfície da barra. A região de emissão é extremamente estreita (tipicamente 1–2 µm), resultando em grandes ângulos de divergência, frequentemente de 30° a 45° ou mais.
Eixo lento: paralelo ao comprimento da barra. A região de emissão é muito mais ampla (centenas de micrômetros), resultando em ângulos de divergência menores, tipicamente em torno de 5°–15°.
Essa divergência assimétrica representa um grande desafio de projeto para a integração de sistemas que envolvem barras de diodos laser.
2. A Origem Física da Divergência
O ângulo de divergência é determinado principalmente pela estrutura do guia de ondas e pelo tamanho da faceta de emissão:
No eixo rápido, a área de emissão é extremamente pequena. De acordo com a teoria da difração, aberturas menores resultam em maior divergência.
No eixo lento, o feixe se expande ao longo do comprimento da barra, passando por múltiplos emissores, resultando em um ângulo de divergência menor.
Consequentemente, as barras de diodos laser exibem inerentemente alta divergência no eixo rápido e baixa divergência no eixo lento.
3. Como o ângulo de divergência afeta o projeto do sistema
① Alto custo de colimação e modelagem do feixe
Devido à alta assimetria do feixe bruto, é necessário utilizar sistemas ópticos de colimação de eixo rápido (FAC) e de eixo lento (SAC). Isso aumenta a complexidade do sistema e exige alta precisão de instalação e estabilidade térmica.
② Eficiência de acoplamento de fibra limitada
Ao acoplar barras de laser em fibras multimodo, sistemas ópticos ou lentes asféricas, a grande divergência no eixo rápido pode levar ao "vazamento" do feixe, reduzindo a eficiência de acoplamento. A divergência é uma das principais fontes de perda óptica.
③ Qualidade do feixe no empilhamento de módulos
Em módulos empilhados com múltiplas barras, a divergência mal controlada pode causar sobreposição irregular do feixe ou distorção no campo distante, afetando a precisão do foco e a distribuição térmica.
4. Como controlar e otimizar a divergência em barras de diodos laser
Embora a divergência seja amplamente definida pela estrutura do dispositivo, diversas estratégias em nível de sistema podem ser usadas para otimização:
①Uso de lentes FAC
Posicionar uma lente de colimação do eixo rápido próxima à faceta emissora comprime o feixe e reduz a divergência no eixo rápido — isso é essencial na maioria dos projetos.
②Lentes SAC para modelagem adicional
Embora a divergência no eixo lento seja menor, o ajuste da forma ainda é necessário em arranjos ou fontes de luz lineares para obter uma saída uniforme.
③Projeto de combinação de feixes e modelagem óptica
O uso de matrizes de microlentes, lentes cilíndricas ou óptica estruturada pode ajudar a moldar múltiplos feixes de laser em uma saída uniforme e de alto brilho.
④Otimização de guia de ondas em nível de dispositivo
O ajuste da espessura da camada ativa, do projeto do guia de ondas e das estruturas de grade pode refinar ainda mais a divergência do eixo rápido a partir do nível do chip.
5. Controle de Divergência em Aplicações do Mundo Real
①Fontes de bombeamento a laser
Em sistemas de laser de estado sólido ou de fibra de alta potência, as barras de diodos laser servem como fontes de bombeamento. Controlar a divergência — especialmente no eixo rápido — melhora a eficiência de acoplamento e o foco do feixe.
②Dispositivos médicos
Em sistemas como a terapia a laser e a depilação a laser, o controle da divergência garante uma distribuição de energia mais uniforme e um tratamento mais seguro e eficaz.
③Processamento de Materiais Industriais
Na soldagem e no corte a laser, a divergência otimizada contribui para uma maior densidade de potência, melhor foco e processamento mais preciso e eficiente.
6. Conclusão
O ângulo de divergência de uma barra de diodo laser é um ponto de transição crucial — da física de chips em microescala para sistemas ópticos em macroescala.
Serve como indicador de qualidade do feixe e como limite de projeto para integração. À medida que as demandas das aplicações e a complexidade dos sistemas continuam a aumentar, compreender e controlar a divergência torna-se uma competência essencial tanto para fabricantes de lasers quanto para integradores — especialmente para avançar em direção a maior potência, brilho e confiabilidade.
Data da publicação: 14 de julho de 2025