고출력 레이저 응용 분야가 지속적으로 확장됨에 따라, 레이저 다이오드 바는 레이저 펌핑, 산업 가공, 의료 장비, 과학 연구 등의 분야에서 필수적인 요소가 되었습니다. 뛰어난 전력 밀도, 모듈식 확장성, 그리고 높은 전기광학 효율을 갖춘 이 장치는 많은 현대 레이저 시스템의 핵심입니다. 그러나 레이저 다이오드 바의 여러 성능 지표 중에서 종종 간과되지만 매우 중요한 매개변수가 하나 있습니다. 바로 발산각입니다. 이 글에서는 레이저 다이오드 바에서 발산각의 특성, 물리적 원인, 그리고 그 의미, 그리고 광학 설계를 통해 발산각을 효과적으로 관리하는 방법을 살펴봅니다.
1. 발산각이란 무엇인가?
발산각은 레이저 빔이 자유 공간에서 전파될 때 어떻게 퍼지는지 나타냅니다. 이는 빔이 방출면에서 얼마나 확장되는지를 나타냅니다. 레이저 다이오드 바에서 발산각은 두 가지 주요 방향에서 강한 비대칭성을 보입니다.
빠른 축: 막대 표면에 수직입니다. 방출 영역은 매우 좁으며(일반적으로 1~2µm), 이로 인해 발산각이 매우 크며, 종종 30°~45° 이상입니다.
느린 축: 막대 길이와 평행합니다. 방출 영역이 훨씬 넓어(수백 마이크론) 발산각이 일반적으로 5°~15° 정도로 더 작습니다.
이러한 비대칭적 발산은 레이저 다이오드 바와 관련된 시스템 통합에 있어서 주요 설계 과제입니다.
2. 발산의 물리적 기원
발산각은 주로 도파관 구조와 방출면 크기에 의해 결정됩니다.
빠른 축에서는 방출 면적이 매우 작습니다. 회절 이론에 따르면, 조리개가 작을수록 발산이 커집니다.
느린 축에서는 빔이 여러 개의 방출기를 거쳐 막대의 길이를 따라 확장되어 발산 각도가 더 작아집니다.
결과적으로, 레이저 다이오드 바는 본질적으로 빠른 축에서 높은 발산도를 나타내고 느린 축에서 낮은 발산도를 나타냅니다.
3. 발산각이 시스템 설계에 미치는 영향
① 콜리메이션 및 빔 쉐이핑의 높은 비용
원시 빔의 높은 비대칭성으로 인해 FAC(Fast Axis Collimation) 및 SAC(Slow Axis Collimation) 광학 장치를 사용해야 합니다. 이는 시스템 복잡성을 증가시키고 높은 설치 정밀도와 열 안정성을 요구합니다.
② 제한된 광섬유 결합 효율
레이저 바를 멀티모드 광섬유, 광학 시스템 또는 비구면 렌즈에 연결할 때, 빠른 축의 큰 발산각으로 인해 빔 "스필오버" 현상이 발생하여 결합 효율이 저하될 수 있습니다. 발산각은 광 손실의 주요 원인입니다.
③ 모듈 스태킹 시 빔 품질
여러 개의 막대가 쌓인 모듈에서 발산을 제대로 제어하지 못하면 빔이 고르지 않게 중첩되거나 원거리 왜곡이 발생하여 초점 정밀도와 열 분포에 영향을 미칩니다.
4. 레이저 다이오드 바의 발산을 제어하고 최적화하는 방법
비록 차이가 주로 장치 구조에 의해 정의되지만, 최적화를 위해 여러 시스템 수준 전략을 사용할 수 있습니다.
①FAC 렌즈 사용
빠른 축 콜리메이션 렌즈를 방출 측면에 가깝게 배치하면 빔이 압축되고 빠른 축의 발산이 줄어듭니다. 이는 대부분의 설계에서 필수적인 요소입니다.
②추가 쉐이핑을 위한 SAC 렌즈
느린 축 발산은 작지만 균일한 출력을 얻기 위해서는 어레이나 선광원에서 여전히 형태가 필요합니다.
③빔 결합 및 광학 성형 설계
마이크로 렌즈 어레이, 원통형 렌즈 또는 구조화된 광학 장치를 사용하면 여러 개의 레이저 빔을 고휘도의 균일한 출력으로 형성하는 데 도움이 될 수 있습니다.
④장치 수준 도파관 최적화
활성층 두께, 도파관 설계, 회절격자 구조를 조정하면 칩 수준에서 빠른 축 발산을 더욱 미세하게 조정할 수 있습니다.
5. 실제 응용 프로그램에서의 발산 제어
①레이저 펌프 소스
고출력 고체 레이저 또는 파이버 레이저 시스템에서는 레이저 다이오드 바가 펌프 소스 역할을 합니다. 특히 고속 축에서 발산을 제어하면 결합 효율과 빔 포커싱이 향상됩니다.
②의료기기
레이저 치료나 제모와 같은 시스템의 경우, 발산을 관리하면 에너지가 더 균일하게 전달되고 치료가 더 안전하고 효과적입니다.
③산업자재 가공
레이저 용접 및 절단에서 최적화된 발산은 더 높은 전력 밀도, 더 나은 초점, 더 정확하고 효율적인 처리에 기여합니다.
6. 결론
레이저 다이오드 바의 발산 각도는 마이크로 스케일 칩 물리학에서 거시 스케일 광학 시스템으로의 중요한 전환점입니다.
이는 빔 품질 지표이자 통합을 위한 설계 경계 역할을 합니다. 응용 분야의 요구와 시스템 복잡성이 지속적으로 증가함에 따라, 발산을 이해하고 제어하는 것은 레이저 제조업체와 통합업체 모두에게 핵심 역량이 되고 있으며, 특히 더 높은 출력, 밝기, 그리고 신뢰성을 추구하는 데 필수적입니다.
게시 시간: 2025년 7월 14일