高出力半導体レーザー開発の概要（パート1）

高出力の概要半導体レーザー開発パート1

効率と出力が向上し続けるにつれて、レーザーダイオード（レーザーダイオードドライバ）は今後も従来の技術に取って代わり、モノづくりの方法を変革し、新たなものの開発を可能にするでしょう。高出力半導体レーザーの飛躍的な進歩に対する理解も限られています。半導体による電子からレーザーへの変換は1962年に初めて実証され、その後、様々な相補的な進歩が続き、電子から高生産性レーザーへの変換において大きな進歩をもたらしました。これらの進歩は、光ストレージから光ネットワーク、そして幅広い産業分野における重要なアプリケーションを支えてきました。

これらの進歩とその累積的な進歩を振り返ると、経済の多くの分野において、さらに大きく、より広範な影響を与える可能性が浮き彫りになります。実際、高出力半導体レーザーの継続的な改良により、その応用分野は拡大を加速し、経済成長に大きな影響を与えるでしょう。

図1: 高出力半導体レーザーの輝度とムーアの法則の比較

ダイオード励起固体レーザーとファイバーレーザー

高出力半導体レーザーの進歩は、下流のレーザー技術の発展にもつながり、半導体レーザーは通常、ドープ結晶（ダイオード励起固体レーザー）またはドープファイバー（ファイバーレーザー）を励起（励起）するために使用されます。

半導体レーザーは、効率が高く、小型で、低コストのレーザーエネルギーを提供しますが、2つの重要な制約があります。それは、エネルギーを蓄えることができず、輝度が限られていることです。基本的に、多くの用途では2つの有用なレーザーが必要です。1つは電気をレーザー光に変換するために使用され、もう1つはレーザー光の輝度を高めるために使用されます。

ダイオード励起固体レーザー。
1980年代後半、半導体レーザーを用いた固体レーザーの励起が商業的に大きな注目を集め始めました。ダイオード励起固体レーザー（DPSSL）は、従来は固体レーザー結晶の励起にアークランプが使用されていた熱管理システム（主にサイクルクーラー）とゲインモジュールのサイズと複雑さを大幅に削減します。

半導体レーザーの波長は、固体レーザーの利得媒質とのスペクトル吸収特性の重なりに基づいて選択されます。これにより、アークランプの広帯域発光スペクトルと比較して、熱負荷を大幅に低減できます。1064nm波長を放射するネオジムドープレーザーの普及を考慮すると、808nm半導体レーザーは20年以上にわたり、半導体レーザー生産において最も生産性の高い製品となっています。

第2世代におけるダイオード励起効率の向上は、2000年代半ばのマルチモード半導体レーザーの高輝度化と、バルクブラッググレーティング（VBGS）を用いた狭線幅の発光線幅安定化によって可能になりました。880nm付近の弱く狭いスペクトル吸収特性は、スペクトル的に安定した高輝度励起ダイオードへの大きな関心を呼び起こしました。これらの高性能レーザーは、4F3/2の上限レーザー準位でネオジムを直接励起することを可能にし、量子欠損を低減することで、熱レンズによって制限されていた高平均出力での基本モード抽出を改善します。

今世紀初頭には、単一横モード1064nmレーザー、および可視光線および紫外線波長で動作するその周波数変換レーザーの大幅な出力向上が見られました。Nd:YAGおよびNd:YVO4は上限エネルギー寿命が長いため、これらのDPSSL Qスイッチ動作は高いパルスエネルギーとピークパワーを提供し、アブレーション材料加工や高精度マイクロマシニング用途に最適です。