Làsers d’estat sòlidsón dispositius que utilitzen medis de guany d’estat sòlid (com ara cristalls o ulleres com ND: YAG i YB: YAG) com a nucli i generen làsers d’alta energia a través del bombeig òptic. Tenen les característiques de l’estructura compacta, l’alta potència i la bona estabilitat. S’utilitzen àmpliament en el processament industrial (com el tall i la soldadura de metalls), el tractament mèdic (cirurgia làser, la bellesa), la comunicació (comunicació òptica espacial), militar (orientació làser, armes d’energia dirigida) i altres camps.
L’angle de divergència del feix es refereix a l’angle en què el feix làser s’expandeix gradualment durant la propagació. La seva mida reflecteix directament la col·limació i la concentració d’energia del feix i és un paràmetre clau per mesurar la qualitat del feix làser (factor m²). Un angle de divergència menor significa que el làser pot mantenir una alta densitat energètica a llarga distància, que és crucial per a escenes com el processament de precisió, les comunicacions remotes i l'eficàcia de les armes. En cas contrari, comportarà una dispersió d’energia i una eficiència reduïda. Per tant, controlar l’angle de divergència és un dels problemes bàsics per optimitzar el rendiment del làser.
Principis bàsics de la divergència del feix
1. Definició física de divergència del feix
La divergència del feix (θ) és un paràmetre que mesura el grau d’expansió lateral d’un feix làser durant la propagació, normalment expressat en mig angle (en radians o mil·liradians). La divergència d’un feix gausès ideal està determinada per la longitud d’ona (λ) i el radi de la cintura del feix (ω₀) del feix, i la seva expressió matemàtica és:
Aquesta fórmula mostra que com més curta sigui la longitud d’ona o més gran el radi de la cintura del feix, més petit l’angle de divergència i millor serà la col·limació del feix.
2. Relació amb el factor de qualitat del feix (m²)
El feix làser real no és un feix gaussiana ideal i el seu angle de divergència augmentarà a causa de factors com els modes i les aberracions d’ordre d’alçada. El factor de qualitat del feix (m²) s’utilitza per quantificar el grau de desviació del feix real del feix gaussiana ideal:
M²=1: biga ideal gaussiana (mode TEM₀₀), amb un angle de divergència mínim.
M²> 1: Hi ha modes o aberracions d'ordre superior, la qualitat del feix disminueix i l'angle de divergència augmenta.
M² és un indicador important per avaluar el rendiment del làser, que afecta directament la capacitat d’enfocament i la distribució d’energia del camp llunyà del làser.
Importància de l'angle de divergència del feix al rendiment làser d'estat sòlid
1. Correlació directa entre la qualitat del feix i la densitat d’energia
Concentració d’energia del camp llunyà: com més petit sigui l’angle de divergència, més lent és la decadència d’energia del feix làser quan es propaga a llargues distàncies i més gran és la densitat d’energia. Per exemple, en el tall\/soldadura làser, l’angle de baixa divergència pot millorar la profunditat i l’eficiència del processament i reduir la zona afectada per la calor.
La importància de l’alta qualitat del feix (baixa m²): el processament de precisió (com la perforació microelectrònica, el tall OLED) requereix un punt enfocat extremadament petit i l’angle de baixa divergència (m²≈1) pot assegurar una alta concentració d’energia, millorar la precisió del processament i la qualitat de la vora.
2. El paper decisiu de la distància de transmissió i la capacitat d’enfocament
Pèrdua de transmissió de llarga distància: en el radar làser o la comunicació espacial, un gran angle de divergència farà que el feix es difongui ràpidament, redueixi la relació senyal-soroll o augmenti el consum d'energia. Per exemple, la comunicació làser per satèl·lit requereix un angle de divergència extremadament baix (<0.1 mrad) to achieve long-distance stable transmission.
Mida del punt focalitzat: l'angle de divergència afecta directament la mida del punt focalitzat (D∝θ⋅F, F és la longitud focal), que al seu torn determina la resolució de processament. Per exemple, el tall d’hòsties de semiconductors requereix taques a nivell de submicrons, que requereixen que l’angle de divergència sigui estrictament controlable.
3. Reptes de l'efecte tèrmic i l'estabilitat del sistema
L’efecte de la lent tèrmica s’agreuja: l’angle de la divergència excessiva comportarà una distribució d’energia làser desigual, un sobreescalfament local de guany de medi, efecte de lents tèrmics, un deteriorament addicional de la qualitat del feix i un cicle viciós.
Estabilitat de sortida a llarg termini: la distorsió tèrmica (com la birefringència induïda tèrmicament de les varetes ND: YAG) canviarà dinàmicament l’angle de divergència i es requereix una refrigeració activa o una compensació òptica adaptativa per mantenir la sortida estable.
4. Requisits diferenciats d’escenaris d’aplicació
Tall\/soldadura industrial: angle de divergència extremadament baixa (<1 mrad) is required to achieve high power density (>10⁶ w\/cm²) per assegurar la velocitat de tall i la qualitat de la secció.
Làsers mèdics (com la cirurgia oftàlmica, el tractament de la pell): l’angle de divergència ha de ser controlat amb precisió (com 0. 5–2 MRAD per a làsers d’excimer) per limitar la zona d’acció i evitar danyar teixits sans.
Les armes militars (com les armes d’energia dirigides a làser): l’angle de divergència afecta directament la densitat d’energia de la superfície objectiu i s’ha de comprimir a sota 0. 05 Mrad per aconseguir danys efectius a nivell de quilòmetre.
Factors clau que afecten l’angle de divergència del feix
1. Optimització del disseny de cavitats ressonants
El disseny estructural de la cavitat ressonant afecta directament les característiques del mode làser i, per tant, determina l’angle de divergència del feix.
2. Gestió tèrmica de materials de treball
L’efecte tèrmic és el principal factor que condueix a la degradació de la qualitat del feix i afecta directament l’angle de divergència.
3. Mètode de bombament i conformació de feixos
Diferents esquemes de bombament i tecnologies de processament de feixos afecten significativament les característiques del feix de sortida.
Mètodes d’optimització i control de l’angle de divergència del feix
1. Optimització dels paràmetres de cavitat ressonant
(1) coincidència de la longitud de la cavitat i la curvatura del reflector
Disseny de cavitat curta: reduir la longitud de la cavitat pot reduir la probabilitat d’oscil·lació del mode d’alt ordre, però és necessari equilibrar els requisits de sortida de potència.
Optimització de la curvatura del reflector: utilitzeu una cavitat confocal (r 1= r 2= l) o un disseny gairebé confocal per millorar la selectivitat del mode fonamental.
Tecnologia d’afinació dinàmica: utilitzeu ceràmica piezoelèctrica per ajustar la posició del mirall de la cavitat i compensar els canvis de longitud de la cavitat induïts tèrmicament en temps real.
(2) Inseriu diafragmes d'obertura per suprimir els modes d'ordre d'ordre
Diafragmes durs: configureu un diafragma de forat petit a la cavitat per bloquejar físicament els modes d’ordre d’alt ordre, però introduirà pèrdues de difracció.
Diafragmes suaus: utilitzeu la zona no bombada a la vora del medi de guany com a diafragma natural per reduir les pèrdues addicionals.
Sistema de diafragma variable: ajusteu dinàmicament la mida del diafragma segons els requisits de potència per equilibrar la qualitat i l'eficiència del feix.
2. Tecnologia de supressió d'efectes tèrmics
(1) Disseny de refrigeració activa i dissipament passiu de calor
Refredament de microcanal: integrar microcanals al voltant del medi de guany per aconseguir un intercanvi de calor eficient (adequat per a làsers de classe Kilowatt).
Refredament de canvi de fase: utilitzeu la tecnologia de refrigeració evaporadora o canonades de calor, adequada per a sistemes compactes.
Optimització de materials per a dissipadors de calor: utilitzeu materials compostos de diamants o conductivitat tèrmica alta (com Alsic) per millorar l'eficiència de la dissipació de calor.
(2) Materials de cristall insensible tèrmicament
ND: Yvo₄: té un efecte de lent tèrmic inferior a Nd: yag, però de guany més estret.
YB: Calgo: amplada de banda d’emissions àmplia i alta conductivitat tèrmica, adequada per a sistemes làser ultrafastos.
Disseny de gradients de concentració de dopatge: redueix la distorsió de front d’ona causada per l’estrès tèrmic mitjançant el dopatge de gradient.
3. Tecnologia d’òptica adaptativa
(1) Correcció de front d'ona en temps real
Mirall deformable: ajusteu dinàmicament la forma del mirall a través dels actuadors piezoelèctrics per compensar les aberracions de baix ordre (com el defocus i l’astigmatisme).
Modulador de llum espacial de cristall líquid (LC-SLM): correcció programable d’aberracions d’alt ordre amb una resolució de centenars d’unitats de control.
Sensor de llaç tancat del sensor de Shack-Hartmann: detecció en temps real de la distorsió de front d’ona i el control de retroalimentació per assolir la precisió de correcció de nivell λ\/10.
(2) Algoritme de control intel·ligent
Control PID: ajust estable per canviar lentament les aberracions tèrmiques.
Predicció d’aprenentatge automàtic: entrena el model mitjançant dades històriques per compensar els patrons de distorsió tèrmica coneguts amb antelació.
4. Disseny del sistema de col·limació externa
(1) Optimització del grup de lents d'expansió del feix
Expansió del feix galileà: estructura compacta, adequada per a làsers de potència mitjana i petita (com 5-10 vegades expansió del feix).
Expansió del feix de Kepler: es pot inserir un filtre espacial, adequat per a un sistema d’alta potència, però s’ha de prestar atenció a la densitat de potència al focus.
Aplicació de lents asfèriques: elimineu l’aberració esfèrica i milloreu la qualitat del camp llunyà del feix després de l’expansió del feix.
(2) Control de la sortida d'acoblament de fibres
Purificació del mode de fibra multimode: suprimeix els modes d’ordre d’alçada mitjançant filtratge de flexió o transmissió de fibra llarga.
Fibra de cristall fotònic: utilitzeu l'estructura del nucli buit per reduir els efectes no lineals i mantenir les característiques de transmissió d'un sol mode.
Processament de la cara final de la fibra: optimitzeu el polit de bisell (8 graus -10 grau) per reduir la interferència de la llum de retorn.
En resum, l’angle de divergència del feix, com a indicador bàsic per avaluar el rendiment dels làsers d’estat sòlid, determina directament la densitat d’energia del camp llunyà, l’eficiència de transmissió i la capacitat d’enfocament del làser. Through multi-dimensional coordinated optimization of resonant cavity design optimization, thermal effect suppression, adaptive optical correction and external collimation system, the divergence angle can be significantly reduced (close to the diffraction limit), thereby improving the processing accuracy, communication distance and energy utilization of the laser, and greatly expanding its application in high-end fields such as precision manufacturing, space communications, medical Cosmetologia i defensa nacional. En el futur, amb l’avanç dels algoritmes de control intel·ligent i els nous materials de gestió tèrmica, el control precís de l’angle de divergència del feix es convertirà en una direcció clau per promoure la innovació tecnològica dels làsers d’estat sòlid.
JTByshield Laser Technology Co., Ltdés un fabricant professional de components bàsics per a equips làser, dedicat a proporcionar components òptics làser d’alta precisió, d’alta fiabilitat i solucions de subsistemes per al làser industrial global, la bellesa mèdica, la investigació científica i els camps de defensa nacional.
Informació de contacte:
Si teniu alguna idea, no dubteu a parlar -nos. Independentment d’on siguin els nostres clients i quins siguin els nostres requisits, seguirem el nostre objectiu per proporcionar als nostres clients els preus d’alta qualitat, baixos i el millor servei.
Correu electrònic: info@loshield.com
Tel: 0086-18092277517
Fax: 86-29-81323155
WeChat: 0086-18092277517
