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半導体レーザーは、従来の技術に取って代わり続け、それによって物の製造方法を変え、新しい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著しい進歩に対する理解も限られています。半導体を介して電子をレーザーに変換することは1962年に初めて実証され、その後、さまざまな補完的な進歩が続き、電子を高生産性レーザーに変換する大きな進歩を牽引してきました。これらの進歩は、光ストレージから光ネットワーク、幅広い産業分野に至るまで、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成果を概観すると、経済の多くの分野において、より大きく、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させ、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開発にもつながり、そこでは半導体レーザーが一般的に、ドーピングされた結晶（ダイオード励起固体レーザー）やドーピングされた光ファイバー（ファイバーレーザー）を励起（ポンピング）するために使用される。

半導体レーザーは、効率的で小型かつ低コストなレーザーエネルギーを提供する一方で、エネルギーを蓄積できないことと輝度が限られているという2つの大きな制約があります。基本的に、多くの用途では2つの有用なレーザーが必要となります。1つは電気エネルギーをレーザー光に変換するために使用され、もう1つはその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て固体レーザーを励起する方法が、商業的に大きな注目を集めるようになった。ダイオード励起固体レーザー（DPSSL）は、従来アークランプを用いて固体レーザー結晶を励起していた熱管理システム（主にサイクルクーラー）やゲインモジュールのサイズと複雑さを劇的に削減する。

半導体レーザーの波長は、固体レーザーの利得媒体とのスペクトル吸収特性の重なりに基づいて選択され、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波長を発光するネオジム添加レーザーの人気を考慮すると、808nm半導体レーザーは20年以上にわたり半導体レーザー製造において最も生産性の高い製品となっています。

第2世代のダイオード励起効率の向上は、2000年代半ばにマルチモード半導体レーザーの輝度向上とバルクブラッグ格子（VBGS）を用いた狭い発光線幅の安定化が可能になったことによって実現しました。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引き起こしました。これらの高性能レーザーにより、ネオジムを4F3/2の上側レーザー準位で直接励起することが可能になり、量子欠損が低減され、熱レンズによって制限されることなく、より高い平均出力での基本モード抽出が改善されます。

今世紀初頭には、単一横モード1064nmレーザー、および可視光・紫外光波長で動作する周波数変換レーザーの出力が著しく向上しました。Nd:YAGおよびNd:YVO4は上側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出力を実現し、アブレーションによる材料加工や高精度マイクロマシニング用途に最適です。