ダイオード励起固体レーザー

ダイオード励起固体レーザー( DPSSL ) は、ルビーやネオジム添加 YAG結晶などの固体ゲイン媒体をレーザー ダイオードで励起することによって作られる固体レーザーです。

DPSSL は他のタイプに比べてコンパクトで効率性に優れており、高出力 DPSSL は多くの科学的用途でイオン レーザーやフラッシュランプ励起レーザーに取って代わり、現在では緑色やその他の色のレーザー ポインターによく使用されています。

レーザーダイオードの波長は温度によって調整され、結晶の吸収係数とエネルギー効率（可能な限り低いポンプ光子エネルギー）の間の最適な妥協点が生まれます。廃棄エネルギーは熱レンズによって制限されるため、高輝度放電ランプと比較して電力密度が高くなります。

高出力レーザーは単一の結晶を使用しますが、多くのレーザー ダイオードはストリップ (1 つの基板に複数のダイオードが隣接) またはスタック (基板のスタック) に配置されます。このダイオード グリッドは、レンズを使用して結晶上に投影できます。より高い輝度 (ビーム プロファイルの改善とダイオードの寿命の延長) は、冷却と電流の供給に必要なダイオード間の暗い領域を光学的に除去することで実現されます。これは、次の 2 つの手順で行われます。

1. 「高速軸」は、円筒形マイクロレンズの整列した格子によってコリメートされます。
2. 部分的にコリメートされたビームは、縮小されたサイズで結晶内に結像されます。結晶は、両端面から縦方向に、または 3 つ以上の側面から横方向にポンピングできます。

複数のダイオードからのビームは、各ダイオードを光ファイバーに結合して結合することもできます。光ファイバーはダイオードの真上（マイクロレンズの後ろ）に配置されます。ファイバー束のもう一方の端では、ファイバーが融合され、結晶上に均一で隙間のない円形のプロファイルを形成します。これにより、リモート電源の使用も可能になります。

高出力レーザー ダイオードは、複数の単一ストリップ レーザー ダイオードが隣接したバーとして製造されます。

各ストリップダイオードのアクティブボリュームは通常次のようになります。

バー全体の冷却技術に応じて、次のレーザー ダイオードまでの距離は 100 ～ 200 μm になります。

ダイオードの高速軸に沿った端面は、高さ 1 μm のストリップに画像化できます。ただし、低速軸に沿った端面は、100 μm より小さい領域に画像化できます。これは、深さと幅の比率によって決まる小さな発散 (そのため、「低速軸」と呼ばれます) によるものです。上記の数値を使用すると、高速軸は 5 μm 幅のスポットに画像化できます。

したがって、両軸で等しい発散角のビームを得るには、5 つのレーザー ダイオードで構成されたバーの端面を、4 つの (円筒形の) シリンダー レンズを使用して、それぞれ 5 mm x 1 mm のサイズの 5 つのスポットでイメージ プレーンにイメージ化します。この大きなサイズは、発散角の低いビームに必要です。発散角が低いと、より安価な近軸光学系を使用できるようになります。この光学系は、スポットを生成するだけでなく、レーザー結晶 (長さ = 50 mm) 内に長いビーム ウエストを生成するために使用され、端面から励起されます。

また、近軸の場合、金や銅のミラー、またはガラスのプリズムを使用してスポットを積み重ね、5 x 5 mm のビーム プロファイルを取得する方がはるかに簡単です。2 組目の (球面) レンズは、この正方形のビーム プロファイルをレーザー結晶内にイメージ化します。

レーザーダイオードの0.001 mm ³のアクティブボリュームは、Nd:YVO _{4結晶の 1250 mm} ^{3 を}飽和させることができます。

最も一般的に使用されている DPSSL は、波長532 nm の 緑色 レーザー ポインターです。強力 (>200 mW ) な波長 808 nm の赤外線 GaAlAsレーザー ダイオードが、ネオジム ドープイットリウム アルミニウム ガーネット(Nd:YAG) またはネオジム ドープ イットリウム オルトバナデート(Nd:YVO _{4 ) 結晶をポンプし、}ネオジムイオンの主なスペクトル遷移から波長 1064 nm の光を生成します。この光は、KTP結晶の非線形光学プロセスを使用して周波数が 2 倍になり、532 nm の光が生成されます。緑色 DPSSL の効率は通常約 20% ですが、一部のレーザーでは効率が最大 35% に達することがあります。言い換えると、2.5 W のポンプ ダイオードを使用する緑色 DPSSL は、532 nm の光を約 500～900 mW 出力すると予想されます。

最適条件では、Nd:YVO ₄の変換効率は60%であるのに対し、^[1] KTPの変換効率は80%である。^[2]つまり、グリーンDPSSLは理論上、全体の効率が48%になる可能性がある。

非常に高い出力パワーの領域では、KTP 結晶は光学的損傷を受けやすくなります。したがって、高出力 DPSSL は一般にビーム径が大きくなります。これは、1064 nm レーザーが KTP 結晶に到達する前に拡大され、赤外線からの放射照度が減少するためです。ビーム径を小さく維持するために、代わりにリチウム三ホウ酸塩(LBO) などの損傷しきい値が高い結晶が使用されます。

青色DPSSL は、ほぼ同じプロセスを使用しますが、808 nm の光が Nd:YAG 結晶によって 946 nm の光に変換され (同じ Nd ドープ結晶内のネオジムの非主スペクトル線を選択)、次にベータバリウム ホウ酸(BBO) 結晶または LBO 結晶によって 473 nm に周波数倍増されます。材料のゲインが低いため、青色レーザーは比較的弱く、効率は 3 ～ 5% 程度しかありません。2000 年代後半には、モードロック レーザーの第二高調波発生には BBO や LBO よりもビスマス ホウ酸 (BiBO) 結晶の方が効率的であり、湿気にさらされると結晶が劣化する吸湿性 [3] の欠点がないことが発見されました。ただし^、連続波レーザー アプリケーションでは、BiBO は不安定性を示し、パフォーマンスが低下する可能性があります。^[4]

黄色DPSSL では、さらに複雑なプロセスが使用されます。808 nm のポンプ ダイオードを使用して 1,064 nm と 1,342 nm の光を生成し、これらを並列に合計して 593.5 nm にします。複雑さのため、ほとんどの黄色 DPSSL の効率はわずか 1% 程度で、通常は電力単位あたりのコストが高くなります。

もう一つの方法は、1,064 nmと1,319 nmの光を生成し、合計589 nmにすることです。^[5]このプロセスはより効率的で、ポンプダイオードの電力の約3％が黄色光に変換されます。^[6]

DPSSL とダイオード レーザーは、最も一般的な 2 種類の固体レーザーです。ただし、どちらのタイプにも長所と短所があります。

DPSSL は一般にビーム品質が高く、比較的良好なビーム品質を維持しながら非常に高い出力に達することができる。ダイオードによって励起された結晶はそれ自体がレーザーとして機能するため、出力ビームの品質は入力ビームの品質とは無関係である。比較すると、ダイオード レーザーは、複数の横モードで動作しない限り、数百ミリワットしか達することができない。このようなマルチモード レーザーはビーム径が大きく、発散も大きいため、あまり望ましくないことが多い。実際、光学ドライブなどの一部のアプリケーションでは、シングルモード動作が不可欠である。^[7]

一方、ダイオード レーザーは安価でエネルギー効率に優れています。DPSSL 結晶は 100% の効率ではないため、周波数が変換されるといくらかの電力が失われます。また、DPSSL は温度に敏感で、狭い範囲内でのみ最適に動作できます。そうでない場合、レーザーはモード間のホッピングや出力電力の大きな変動などの安定性の問題に悩まされます。DPSSL はより複雑な構造も必要とします。

ダイオード レーザーは、DPSSL よりも高い周波数で正確に変調することもできます。

ネオジム添加固体レーザーは、産業用途のレーザー光源として引き続き選ばれています。885 nm で Nd レーザーの上限レベルを直接ポンピングすると (従来の広い 808 nm 帯域ではなく)、レーザー量子欠陥が低減して性能が向上する可能性があり、それによってシステム効率が向上し、冷却要件が軽減され、TEM00 出力のさらなるスケーリングが可能になります。Nd:YAG の 885 nm の吸収特性は狭いため、特定のシステムでは、波長ロック ダイオード ポンプ光源の使用が効果的です。この光源は、ポンプ放出スペクトルを狭めて安定化させ、この吸収特性に厳密に一致させます。現在まで、内部分布帰還型ブラッグ グレーティングや外部整合型体積ホログラフィック グレーティング オプティクス (VHG) などの高出力ダイオード レーザー ロック方式は、コストの増加と想定される性能の低下のため、広く実装されていません。しかし、外部波長ロックを利用した安定化ダイオードポンプ光源の製造における最近の進歩により、出力と効率にほとんど影響を与えずにスペクトル特性が改善されました。^[8] このアプローチの利点には、レーザー効率、スペクトル線幅、およびポンピング効率の改善が含まれます。

• サムのレーザーに関するよくある質問