Laseri u čvrstom stanjusu uređaji koji koriste medije s čvrstim stanjem (poput kristala ili naočala kao što su ND: YAG i YB: YAG) kao njihovu jezgru i stvaraju visokoenergetske lasere kroz optičko crpljenje. Imaju karakteristike kompaktne strukture, velike snage i dobre stabilnosti. Naširoko se koriste u industrijskoj preradi (poput rezanja metala i zavarivanja), medicinskog tretmana (laserska kirurgija, ljepota), komunikacije (svemirska optička komunikacija), vojne (laserske smjernice, usmjereno energetsko oružje) i drugih polja.
Kut divergencije snopa odnosi se na kut pod kojim se laserski snop postupno širi tijekom širenja. Njegova veličina izravno odražava kolimaciju i energetsku koncentraciju snopa, a ključni je parametar za mjerenje kvalitete laserskog snopa (M² faktor). Manji kut divergencije znači da laser može održavati visoku gustoću energije na velike udaljenosti, što je ključno za scene poput precizne obrade, daljinske komunikacije i učinkovitosti oružja. Inače će dovesti do energetske disperzije i smanjene učinkovitosti. Stoga je kontrola kuta divergencije jedno od temeljnih problema za optimizaciju laserskih performansi.
Osnovni principi odstupanja snopa
1. Fizička definicija divergencije snopa
Divergencija snopa (θ) je parametar koji mjeri stupanj bočnog širenja laserskog snopa tijekom širenja, obično se izražava u polukutu (u radijanima ili miliradijanima). Različivanje idealnog Gaussovog snopa određuje se valnom duljinom (λ) i polumjerom struka snopa (ω₀) snopa, a njegov matematički izraz je:
Ova formula pokazuje da je kraća valna duljina ili veći polumjer struka snopa, što je manji kut divergencije i bolji je kolimacija snopa.
2. Odnos s faktorom kvalitete snopa (M²)
Stvarni laserski snop nije idealan Gaussov snop, a njegov kut divergencije povećavat će se zbog čimbenika kao što su načini visokog reda i aberacije. Faktor kvalitete snopa (M²) koristi se za kvantificiranje stupnja odstupanja stvarne grede od idealne Gaussove snopa:
M²=1: Ideal Gaussov snop (TEM₀₀ način rada), s minimalnim kutom divergenciranja.
M²> 1: Postoje načini ili aberacije višeg reda, kvaliteta snopa se smanjuje, a kut divergencije raste.
M² je važan pokazatelj za procjenu performansi lasera, što izravno utječe na sposobnost fokusiranja i raspodjelu energije dalekog polja lasera.
Važnost kuta odstupanja od snopa na lasersku izvedbu čvrstog stanja
1. Izravna povezanost između kvalitete snopa i gustoće energije
Energetska koncentracija dalekog polja: što je manji kut divergencije, to je sporije propadanje energije laserskog snopa kada se širi na duge udaljenosti, a veća gustoća energije. Na primjer, u laserskom rezanju\/zavarivanju kut niskog divergencije može poboljšati dubinu obrade i učinkovitost i smanjiti zonu zahvaćenu toplinom.
Značaj visoke kvalitete snopa (niska m²): precizna obrada (poput mikroelektroničkog bušenja, rezanja OLED -a) zahtijeva izuzetno malo fokusirano mjesto, a nizak kut divergencije (m²≈1) može osigurati visoku koncentraciju energije, poboljšati točnost obrade i kvalitetu ruba.
2. Odlučna uloga udaljenosti prijenosa i sposobnosti fokusiranja
Gubitak prijenosa na duge udaljenosti: U laserskom radaru ili svemirskoj komunikaciji, veliki kut divergencije uzrokovat će brzo difuziju snopa, smanjiti omjer signal-šum ili povećati potrošnju energije. Na primjer, satelitska laserska komunikacija zahtijeva izuzetno nizak kut divergencije (<0.1 mrad) to achieve long-distance stable transmission.
Usredotočena veličina mjesta: Kut divergencije izravno utječe na veličinu fokusiranog mjesta (d∝θ⋅f, F je žarišna duljina), što zauzvrat određuje rezoluciju obrade. Na primjer, rezanje vafera poluvodiča zahtijeva spotove na razini submikrona, što zahtijeva da se kut divergencije strogo kontrolira.
3. Izazovi toplinskog učinka i stabilnosti sustava
Učinak toplinske leće je pogoršan: prekomjerni kut divergencije dovest će do neravnomjerne raspodjele laserske energije, lokalnog pregrijavanja srednjeg pojačanja, učinka toplinske leće, daljnjeg propadanja kvalitete snopa i začaranog ciklusa.
Dugotrajna izlazna stabilnost: Termičko izobličenje (poput termički inducirane birefringence ND: YAG šipki) dinamički će promijeniti kut divergencije, a za održavanje stabilnog izlaza potrebna je aktivna hlađenje ili adaptivna optička kompenzacija.
4. Diferencirani zahtjevi scenarija primjene
Industrijsko rezanje\/zavarivanje: izuzetno nizak kut divergencije (<1 mrad) is required to achieve high power density (>10⁶ W\/cm²) Da biste osigurali brzinu rezanja i kvalitetu presjeka.
Medicinski laseri (poput oftalmičke kirurgije, tretmana kože): kut divergencije mora se precizno kontrolirati (poput 0. 5–2 MRAD za ekscimer lasere) kako bi se ograničila područje djelovanja i izbjeglo oštećenje zdravih tkiva.
Vojno oružje (poput energetskog oružja usmjerenog na laser): Kut divergencije izravno utječe na gustoću energije ciljane površine i treba ga komprimirati u nastavku 0. 05 MRAD kako bi se postigla učinkovita šteta na razini kilometra.
Ključni čimbenici koji utječu na kut divergencije snopa
1. Optimizacija rezonantne dizajne šupljine
Strukturni dizajn rezonantne šupljine izravno utječe na karakteristike laserskog načina i na taj način određuje kut divergencije snopa.
2. Toplinsko upravljanje radnim materijalima
Toplinski učinak je glavni faktor koji vodi do razgradnje kvalitete snopa i izravno utječe na kut divergencije.
3. Način pumpanja i oblikovanje snopa
Različite sheme crpljenja i tehnologije obrade snopa značajno utječu na karakteristike izlazne zrake.
Metode optimizacije i kontrole kuta divergencije snopa
1. Optimizacija parametara rezonantne šupljine
(1) podudaranje duljine šupljine i zakrivljenosti reflektora
Dizajn kratke šupljine: Smanjenje duljine šupljine može smanjiti vjerojatnost oscilacije visokog reda, ali potrebno je uravnotežiti zahtjeve za izlaznom snagom.
Optimizacija zakrivljenosti reflektora: Koristite konfokalnu šupljinu (r {1= r 2= l) ili gotovo konfokalni dizajn kako biste poboljšali temeljnu selektivnost načina.
Dinamička tehnologija podešavanja: Upotrijebite piezoelektričnu keramiku za podešavanje položaja zrcala šupljine i nadoknadite promjene termički inducirane duljine šupljine u stvarnom vremenu.
(2) Umetnite dijafragme otvora za suzbijanje načina visokog reda
Tvrde dijafragme: postavite malu dijafragmu rupa u šupljinu da fizički blokiraju načine visokog reda, ali unijet će difrakcijske gubitke.
Meke dijafragme: Koristite područje koje nije pušteno na rubu medija dobitka kao prirodnu dijafragmu kako biste smanjili dodatne gubitke.
Varijabilni sustav dijafragme: dinamički prilagodite veličinu dijafragme prema zahtjevima za napajanje kako biste uravnotežili kvalitetu i učinkovitost snopa.
2. Tehnologija suzbijanja toplinskog učinka
(1) Aktivno hlađenje i pasivni dizajn hladnjaka
Mikrokanalno hlađenje: integrirajte mikrokanale oko medija za dobitak kako biste postigli učinkovitu izmjenu topline (pogodno za kilovat-klase lasere).
Hlađenje faze: Koristite isparavno hlađenje ili tehnologiju toplinske cijevi, pogodno za kompaktne sustave.
Optimizacija materijala hladnjaka: Koristite kompozitne materijale dijamanta ili visoke toplinske vodljivosti (poput ALSIC -a) za poboljšanje učinkovitosti disipacije topline.
(2) termički neosjetljivi kristalni materijali
ND: YVO₄: Ima niži učinak toplinske leće od ND: YAG, ali uže širine pojasa.
YB: CALGO: Široka širina pojasa i visoka toplinska vodljivost, pogodna za ultra brze laserske sustave.
Dizajn gradijenta dopinga: Smanjite izobličenje valne fronte uzrokovane toplinskim naponom dopingom gradijenta.
3. Adaptivna tehnologija optike
(1) Ispravljanje valne valne u stvarnom vremenu
Deformabilno zrcalo: dinamički prilagodite oblik zrcala kroz piezoelektrične aktuatore kako biste nadoknadili aberacije niskog reda (kao što su defokus i astigmatizam).
Modulator tekućeg kristalnog prostornog svjetla (LC-SLM): Programirajuća korekcija aberacija visokog reda s rezolucijom stotina kontrolnih jedinica.
Senzor senzora Shack-Hartmann: Detekcija izobličenja valne fronte u stvarnom vremenu i kontrola povratnih informacija radi postizanja točnosti korekcije λ\/10.
(2) Algoritam inteligentnog upravljanja
PID kontrola: stabilno podešavanje za polako promjenu toplinskih aberacija.
Predviđanje strojnog učenja: Model trenirajte kroz povijesne podatke kako biste unaprijed nadoknadili poznate uzorke toplinske izobličenja.
4. Dizajn vanjskog kolimacijskog sustava
(1) Optimizacija grupe leća za širenje snopa
Galilean snop širenje: Kompaktna struktura, pogodna za srednje i male snage lasera (poput 5-10 puta širenje snopa).
Proširenje snopa Keplera: Prostorni filter može se umetnuti, prikladan za sustav velike elektroenergetske energije, ali pažnju treba posvetiti gustoći snage u fokusu.
Primjena asferične leće: Eliminirajte sfernu aberaciju i poboljšajte kvalitetu daleke polja grede nakon širenja snopa.
(2) Izlazna kontrola za spajanje vlakana
Pročišćavanje načina multimodnih vlakana: suzbiti načine visokog reda kroz filtriranje savijanja ili dugi prijenos vlakana.
Fotonska kristalna vlakna: Koristite šuplju strukturu jezgre za smanjenje nelinearnih učinaka i održavanje karakteristika prijenosa u jednom načinu.
Obrada lica s vlaknima: Optimizirajte poliranje na kosi (8 stupnjeva -10 stupanj) za smanjenje smetnji povratnog svjetla.
Ukratko, kut divergencije snopa, kao osnovni pokazatelj za procjenu performansi lasera čvrstog stanja, izravno određuje gustoću energije dalekog polja, učinkovitost prijenosa i sposobnost fokusiranja lasera. Kroz višedimenzionalnu koordiniranu optimizaciju rezonantne optimizacije dizajna šupljine, suzbijanje toplinskog učinka, adaptivne optičke korekcije i vanjskog kolimacijskog sustava, kut divergencije može se značajno smanjiti (u blizini difrakcijskog ograničenja), čime se poboljšava točnost prerade, u kozmetičkoj komunikaciji, kao što je i na primjeni, a energetska primjena, i velika opskrba, i velikom prosaciranju, i u velikoj mjeri na primjenu, a energetska primjena, i u velikoj mjeri u prosaciranju, a energetska primjena, i u velikoj mjeri u prosaciranju, a energetska primjena, i energetska primjena, i u velikoj mjeri u prosaciranju, i energetska primjena i energetska primjena, i energetska musa i nacionalna obrana. U budućnosti, s probojem algoritama inteligentnog upravljanja i novih materijala za toplinsko upravljanje, precizna kontrola kuta divergencije snopa postat će ključni smjer za promicanje tehnološke inovacije lasera čvrstog stanja.
JTBYShield Laser Technology Co.profesionalni je proizvođač osnovnih komponenti laserske opreme, posvećen pružanju visoko preciznih, laserskih optičkih komponenti i rješenja podsustava za globalno industrijsko laser, medicinsku ljepotu, znanstvena istraživanja i nacionalna obrambena područja.
Podaci o kontaktima:
Ako imate bilo kakve ideje, slobodno razgovarajte s nama. Bez obzira gdje su naši kupci i koji su naši zahtjevi, slijedit ćemo naš cilj pružiti našim kupcima visoku kvalitetu, niske cijene i najbolju uslugu.
E -pošta: info@loshield.com
Tel: 0086-18092277517
Fax: 86-29-81323155
WeChat: 0086-18092277517
