Mit der zunehmenden Verbreitung von Hochleistungslaseranwendungen sind Laserdioden in Bereichen wie Laserpumpen, industrieller Bearbeitung, Medizintechnik und wissenschaftlicher Forschung unverzichtbar geworden. Dank ihrer exzellenten Leistungsdichte, modularen Skalierbarkeit und hohen elektrooptischen Effizienz bilden diese Bauelemente das Herzstück vieler moderner Lasersysteme. Unter den zahlreichen Leistungsindikatoren einer Laserdiode wird jedoch ein Parameter oft übersehen, der aber von entscheidender Bedeutung ist: der Divergenzwinkel. Dieser Artikel untersucht die Eigenschaften, die physikalischen Ursachen und die Auswirkungen des Divergenzwinkels in Laserdioden und zeigt, wie dieser durch optisches Design effektiv kontrolliert werden kann.
1. Was ist ein Divergenzwinkel?
Der Divergenzwinkel beschreibt die Ausbreitung eines Laserstrahls im freien Raum. Er gibt an, wie stark sich der Strahl von der Emissionsfläche ausdehnt. Bei Laserdiodenbarren weist der Divergenzwinkel eine starke Asymmetrie in zwei Hauptrichtungen auf:
Schnelle Achse: Senkrecht zur Balkenoberfläche. Der Emissionsbereich ist extrem schmal (typischerweise 1–2 µm), was zu großen Divergenzwinkeln von oft 30°–45° oder mehr führt.
Langsame Achse: Parallel zur Längsrichtung des Balkens. Der Emissionsbereich ist viel breiter (Hunderte von Mikrometern), was zu kleineren Divergenzwinkeln führt, typischerweise um 5°–15°.
Diese asymmetrische Divergenz stellt eine große Herausforderung für die Systemintegration von Laserdiodenbarren dar.
2. Der physikalische Ursprung der Divergenz
Der Divergenzwinkel wird primär durch die Wellenleiterstruktur und die Größe der Emissionsfläche bestimmt:
In der schnellen Achse ist die Emissionsfläche extrem klein. Laut Beugungstheorie führt eine kleinere Apertur zu einer größeren Divergenz.
In der langsamen Achse breitet sich der Strahl entlang der Länge des Balkens über mehrere Emitter aus, was zu einem kleineren Divergenzwinkel führt.
Daher weisen Laserdiodenbarren von Natur aus eine hohe Divergenz in der schnellen Achse und eine niedrige Divergenz in der langsamen Achse auf.
3. Wie der Divergenzwinkel das Systemdesign beeinflusst
① Hohe Kosten für Kollimation und Strahlformung
Aufgrund der hohen Asymmetrie des Rohstrahls müssen FAC- (Fast Axis Collimation) und SAC-Optiken (Slow Axis Collimation) eingesetzt werden. Dies erhöht die Systemkomplexität und erfordert eine hohe Installationsgenauigkeit sowie thermische Stabilität.
② Begrenzte Faserkopplungseffizienz
Bei der Einkopplung von Laserbarren in Multimodefasern, optische Systeme oder asphärische Linsen kann die große Divergenz entlang der schnellen Achse zu Strahlüberlappungen führen und die Einkopplungseffizienz verringern. Divergenz ist eine Hauptursache für optische Verluste.
③ Strahlqualität beim Modulstapeln
Bei mehrteiligen gestapelten Modulen kann eine schlecht kontrollierte Divergenz zu ungleichmäßiger Strahlüberlappung oder Fernfeldverzerrungen führen, was die Fokussiergenauigkeit und die Wärmeverteilung beeinträchtigt.
4. Wie man die Divergenz in Laserdiodenbarren steuert und optimiert
Obwohl die Divergenz im Wesentlichen durch die Gerätestruktur bestimmt wird, können verschiedene Strategien auf Systemebene zur Optimierung eingesetzt werden:
①Verwendung von FAC-Objektiven
Durch die Platzierung einer Schnellachsen-Kollimationslinse nahe der emittierenden Facette wird der Strahl komprimiert und die Divergenz in der Schnellachse verringert – dies ist in den meisten Konstruktionen unerlässlich.
②SAC-Linsen für zusätzliche Formgebung
Obwohl die Divergenz entlang der langsamen Achse geringer ist, ist bei Arrays oder Linienlichtquellen immer noch eine Formgebung erforderlich, um eine gleichmäßige Lichtausbeute zu erzielen.
③Strahlkombinations- und optisches Formungsdesign
Durch den Einsatz von Mikrolinsenarrays, Zylinderlinsen oder strukturierter Optik lassen sich mehrere Laserstrahlen zu einem hellen, gleichmäßigen Lichtstrom formen.
④Optimierung des Wellenleiters auf Bauelementebene
Durch Anpassung der Dicke der aktiven Schicht, des Wellenleiterdesigns und der Gitterstrukturen lässt sich die Divergenz der schnellen Achse auf Chipebene weiter verfeinern.
5. Divergenzkontrolle in realen Anwendungen
①Laserpumpquellen
In Hochleistungs-Festkörper- oder Faserlasersystemen dienen Laserdioden als Pumpquellen. Die Kontrolle der Divergenz – insbesondere in der schnellen Achse – verbessert die Kopplungseffizienz und die Strahlfokussierung.
②Medizinprodukte
Bei Systemen wie der Lasertherapie und der Haarentfernung gewährleistet die Kontrolle der Divergenz eine gleichmäßigere Energiezufuhr und eine sicherere und effektivere Behandlung.
③Industrielle Materialverarbeitung
Beim Laserschweißen und -schneiden trägt eine optimierte Divergenz zu einer höheren Leistungsdichte, besserer Fokussierung und präziseren, effizienteren Bearbeitung bei.
6. Schlussfolgerung
Der Divergenzwinkel eines Laserdiodenbarrens ist ein entscheidender Übergangspunkt – von der Mikrochipphysik zu optischen Systemen im Makromaßstab.
Sie dient sowohl als Indikator für die Strahlqualität als auch als Designgrenze für die Integration. Angesichts steigender Anwendungsanforderungen und Systemkomplexität wird das Verständnis und die Kontrolle der Divergenz zu einer Kernkompetenz für Laserhersteller und -integratoren gleichermaßen – insbesondere im Hinblick auf höhere Leistung, Helligkeit und Zuverlässigkeit.
Veröffentlichungsdatum: 14. Juli 2025