巴条激光器的发散角：从“宽光束”走向高效能应用的关键指标

在高功率激光器应用日益广泛的今天，巴条激光器（Laser Diode Bar）以其优异的功率密度、模块化扩展能力和光电转换效率，广泛应用于激光泵浦、工业加工、医疗设备及科研仪器中。然而，在这些实际应用中，一个经常被忽视但又至关重要的参数——发散角（Divergence Angle），正是影响巴条激光器性能表现的关键。本文将从基本定义出发，带您全面认识巴条激光器的发散角特性、非对称性来源、对系统设计的影响，以及如何通过光学手段实现精准控制。

1. 什么是发散角？

发散角是指激光光束在自由空间传播时逐渐扩展所形成的角度，反映了激光从发射面出发后光斑的扩散程度。对于巴条激光器而言，发散角表现出典型的强非对称性，主要分为两个方向：

快轴（Fast Axis）：垂直于激光巴条表面方向，出光区域非常狭窄（通常为1–2微米），发散角大，通常在30°–45°甚至更高。

慢轴（Slow Axis）：平行于激光巴条长度方向，出光宽度较大（可达数百微米），发散角相对较小，通常在5°–15°。

这种非对称的发散结构是巴条激光器在实际系统集成中需要重点应对的挑战之一。

2. 发散角的物理根源

巴条激光器的发散角来源于其波导结构和出光面尺寸的微观限制：

快轴方向的有效出光面极窄，根据衍射原理，越小的发光区域意味着越大的发散角；慢轴方向由于光束在多个发光腔（emitters）之间沿条形结构扩展，发散角自然更小。因此，巴条激光器天生具有高快轴发散角、低慢轴发散角的特性。

3. 发散角对系统设计的影响

① 准直与整形成本高

由于原始光束的高非对称性，必须使用快轴准直（FAC）和慢轴准直（SAC）透镜组合来实现光束整形。这不仅增加了光学系统复杂度，还对安装精度和热稳定性提出了更高要求。

② 光纤耦合效率受限

在将巴条激光耦合进多模光纤、光学系统或非球面透镜时，过大的快轴发散角会导致光束“溢出”，降低耦合效率。因此，发散角是耦合损耗的主要来源之一。

③ 模块堆叠影响输出质量

在多巴条堆叠的模块化设计中，若发散角控制不当，会出现光斑重叠不均或远场失真，影响系统的聚焦能力和热分布均匀性。

4. 如何控制与优化巴条激光器的发散角？

虽然发散角由器件结构决定，但仍有多种方法可在系统层面优化控制：

① 使用FAC（快轴准直透镜）

在激光器出光端近距离布置FAC透镜，将高发散快轴光束压缩至准直状态，是最常见且必要的做法。

② 结合SAC透镜进一步整形

慢轴发散角虽然小，但在多条激光阵列或线光源应用中仍需整形以获得均匀光斑。

③ 光纤束整合与整形光学设计

使用微光学阵列、柱面透镜组或微结构光学器件对多束激光进行集束整形，实现高亮度、高均匀度输出。

④ 器件级波导优化

从芯片层面，通过调整有源层厚度、波导设计和光栅结构，进一步改善快轴模式发散特性。

5. 典型应用中的发散角控制实践

① 激光泵浦源

在高功率固体激光器或光纤激光器中，巴条激光器常作为泵浦光源。控制快轴发散角有助于实现更高的耦合效率与能量集中。

② 医疗设备

如激光治疗仪、脱毛设备等，需通过发散角整形获得更均匀、更安全的能量分布，保障治疗效果与皮肤安全。

③ 工业材料加工

例如激光焊接与切割系统中，优化发散角可提升聚焦精度、加大功率密度，进而提高加工效率与质量。

6. 结语

巴条激光器的发散角，是从微结构芯片走向宏观系统的“必经之路”。它既是光束质量的“体检指标”，也是系统光学设计的“边界条件”。面对不断提高的应用需求与系统复杂度，对发散角的理解和控制能力，正成为激光器厂家和集成商迈向高功率、高亮度、高可靠性方向的重要竞争力。