고출력 레이저 응용 분야가 지속적으로 확장됨에 따라 레이저 다이오드 바는 레이저 펌핑, 산업 공정, 의료 장비 및 과학 연구와 같은 분야에서 필수적인 요소가 되었습니다. 뛰어난 출력 밀도, 모듈식 확장성 및 높은 전기 광학 효율을 갖춘 이 소자는 많은 최신 레이저 시스템의 핵심입니다. 그러나 레이저 다이오드 바의 여러 성능 지표 중 종종 간과되지만 매우 중요한 매개변수 하나가 있습니다. 바로 발산각입니다. 이 글에서는 레이저 다이오드 바의 발산각의 특성, 물리적 원인 및 의미, 그리고 광학 설계에서 발산각을 효과적으로 관리하는 방법에 대해 살펴봅니다.
1. 발산각이란 무엇인가요?
발산각은 레이저 빔이 자유 공간에서 전파될 때 퍼지는 방식을 나타냅니다. 이는 빔이 방출면에서 얼마나 퍼져나가는지를 보여줍니다. 레이저 다이오드 바에서 발산각은 두 가지 주요 방향에서 강한 비대칭성을 나타냅니다.
고속축: 막대 표면에 수직입니다. 방출 영역이 매우 좁기 때문에(일반적으로 1~2µm) 발산 각도가 크며, 종종 30°~45° 이상입니다.
느린 축: 막대의 길이와 평행합니다. 방출 영역이 훨씬 넓어(수백 마이크론) 발산 각도가 작아지며, 일반적으로 5°~15° 정도입니다.
이러한 비대칭적 발산은 레이저 다이오드 바를 사용하는 시스템 통합에 있어 주요 설계 과제입니다.
2. 발산의 물리적 기원
발산각은 주로 도파관 구조와 방출면 크기에 의해 결정됩니다.
고속축에서 방출 영역은 극히 작습니다. 회절 이론에 따르면 조리개가 작을수록 발산각이 커집니다.
느린 축에서 빔은 막대의 길이를 따라 여러 개의 방출기를 거쳐 확장되므로 발산 각도가 더 작아집니다.
결과적으로 레이저 다이오드 바는 본질적으로 고속축 방향으로는 높은 발산을, 저속축 방향으로는 낮은 발산을 나타냅니다.
3. 발산각이 시스템 설계에 미치는 영향
① 콜리메이션 및 빔 형상화 비용이 높음
원빔의 비대칭성이 매우 크기 때문에 FAC(고속축 콜리메이션) 및 SAC(저속축 콜리메이션) 광학계를 사용해야 합니다. 이는 시스템 복잡성을 증가시키고 높은 설치 정밀도와 열 안정성을 요구합니다.
② 제한된 광섬유 결합 효율
레이저 빔을 멀티모드 광섬유, 광학 시스템 또는 비구면 렌즈에 결합할 때, 큰 고속축 발산으로 인해 빔이 새어나가 결합 효율이 저하될 수 있습니다. 발산은 광 손실의 주요 원인입니다.
③ 모듈 적층 시 빔 품질
여러 개의 막대가 적층된 모듈에서 발산각 제어가 제대로 되지 않으면 빔 중첩이 고르지 않거나 원거리 왜곡이 발생하여 초점 정밀도와 열 분포에 영향을 미칠 수 있습니다.
4. 레이저 다이오드 바의 발산각을 제어하고 최적화하는 방법
발산은 주로 장치 구조에 의해 결정되지만, 최적화를 위해 여러 시스템 수준 전략을 사용할 수 있습니다.
①FAC 렌즈 사용
고속축 콜리메이션 렌즈를 방출면 가까이에 배치하면 빔이 압축되고 고속축 방향의 발산이 줄어듭니다. 이는 대부분의 설계에서 필수적입니다.
②추가적인 형태 조정을 위한 SAC 렌즈
느린 축 방향 발산각은 더 작지만, 균일한 출력을 얻기 위해서는 어레이 또는 선형 광원에서 여전히 형상 조정이 필요합니다.
③빔 결합 및 광학 형상 설계
마이크로렌즈 어레이, 원통형 렌즈 또는 구조화된 광학 장치를 사용하면 여러 개의 레이저 빔을 고휘도의 균일한 출력으로 만들 수 있습니다.
④장치 수준 도파관 최적화
활성층 두께, 도파관 설계 및 격자 구조를 조정하면 칩 수준에서 고속축 발산을 더욱 정밀하게 제어할 수 있습니다.
5. 실제 응용 분야에서의 발산 제어
①레이저 펌프 소스
고출력 고체 레이저 또는 광섬유 레이저 시스템에서 레이저 다이오드 바는 펌프 광원으로 사용됩니다. 발산각, 특히 고속축 발산각을 제어하면 결합 효율과 빔 집속이 향상됩니다.
②의료기기
레이저 치료나 제모와 같은 시스템에서는 편차를 관리함으로써 더욱 균일한 에너지 전달과 더 안전하고 효과적인 치료를 보장할 수 있습니다.
③산업 자재 가공
레이저 용접 및 절단에서 최적화된 발산각은 더 높은 출력 밀도, 더 나은 초점, 그리고 더 정밀하고 효율적인 가공에 기여합니다.
6. 결론
레이저 다이오드 막대의 발산 각도는 미시적 규모의 칩 물리학에서 거시적 규모의 광학 시스템으로 넘어가는 중요한 전환점입니다.
이는 빔 품질 지표이자 통합을 위한 설계 경계 역할을 합니다. 응용 분야 요구 사항과 시스템 복잡성이 계속 증가함에 따라, 발산 현상을 이해하고 제어하는 것은 레이저 제조업체와 통합업체 모두에게 핵심 역량이 되고 있으며, 특히 고출력, 고휘도 및 고신뢰성을 향해 나아가기 위해서는 더욱 중요합니다.
게시 시간: 2025년 7월 14일