高出力半導体レーザー開発の概要 その1

ハイパワー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ー）は引き続き伝統的な技術を置き換え、それによって物の作り方を変え、新しい物の開発を可能にします。高出力半導体レーザーの大幅な改善についての理解も限られています。半導体を介した電子のレーザーへの変換は 1962 年に初めて実証され、その後さまざま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は大きく進歩しました。これらの進歩は、光ストレージから光ネットワーキングまで、幅広い産業分野の重要なアプリケーションをサポートしてきました。

これらの進歩とその累積的な進歩を振り返ると、経済の多くの分野でさらに大きく、より広範な影響が及ぶ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開発にもつながりました。半導体レーザーは通常、ドープされた結晶 (ダイオード励起固体レーザー) またはドープされたファイバー (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的で小型、低コストのレーザー エネルギーを提供しますが、エネルギーを蓄積しないことと輝度が制限されるという 2 つの重要な制限もあります。基本的に、多くのアプリケーションでは 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発光に変換するために使用され、もう 1 つはその発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、固体レーザーを励起するために半導体レーザーを使用することが商業的に大きな関心を集め始めました。ダイオード励起固体レーザー (DPSSL) は、これまで固体レーザー結晶の励起にアークランプを使用してきた熱管理システム (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軽減します。

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るため、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 の波長を発するネオジムドープレーザーの人気を考慮すると、808nm 半導体レーザーは 20 年以上にわたって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 年代半ばのマルチモード半導体レーザーの輝度の向上とバルク ブラッグ グレーティング (VBGS) を使用した狭い発光線幅の安定化機能によって可能になりました。約 880nm 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ポンプ ダイオードに大きな関心を引き起こしています。これらの高性能レーザーにより、4F3/2 の上部レーザーレベルでネオジムを直接ポンピングすることが可能になり、量子欠陥が減少し、それによって熱レンズによって制限されるより高い平均パワーでの基本モード抽出が改善されます。

今世紀の 20 年初頭までに、単一横モード 1064nm レーザーと、可視および紫外波長で動作する周波数変換レーザーの出力が大幅に増加するのを目撃しました。Nd:YAG および Nd:YVO4 の長い上部エネルギー寿命を考慮すると、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微細加工アプリケーションに最適です。