ホワイトペーパー

光励起半導体レーザ(OPSL)の優位性ホワイトペーパーシリーズ#2: 不変ビームプロパティ

Overview

The optically pumped semiconductor laser (OPSL) is a unique patented technology that combines the most desirable attributes of laser diodes, DPSS (Diode Pumped Solid State) and Ion lasers, while eliminating a number of their compromising limitations. One of their key advantages is the freedom to adjust the output power over a large range (10-100%) with no effect on important output beam parameters, including beam divergence, beam shape and beam pointing.

OPSL Advantages White Papers in this series:

#1. Wavelength flexibility
#2. Invariant beam properties
#3. No mode noise ("green noise")
#4. Superior reliability - huge installed base

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独立出力調整のメリット

レーザの出力を変化させたり、最大出力よりも低い出力でレーザーを動作させる能力は、しばしば重要な能力である。 多くの場合、検出器の飽和や試料の損傷を防ぐなど、プロセスや実験を最適化するために「パワーノブ」の使用は不可欠です。 また、システムアライメントやテストは、ダメージを最小限に抑え、目の安全を最大限に確保するために、出力を下げて行うことが望ましい場合があります。 また、STEDのような超解像顕微鏡技術では、ナノメートルスケールの解像度を最適化するために、細かい出力調整が必要です。 そのため、アッテネーターに頼るよりも、出力をスムーズに下げることができる方が、使い勝手やセットアップの簡便さの点から望ましいと言えます。

残念ながら、他の多くの固体レーザでは、メーカーが指定する最適値から出力を下げると、ビーム特性も損なわれてしまいます。 特に、ビーム発散角、ビーム径、モード品質、ビームポインティングなどが該当します。 その理由は、Nd:YVO4などのバルク材を用いた固体レーザに共通する、熱レンズ現象と呼ばれるものです。

 

熱レンズの問題

レーザの利得結晶やガラスを光学的に励起する場合、励起電力の一部が熱に変換されるのは避けられません。 さらに、レーザ光の自己吸収により、結晶の活性体積が加熱されます。 性能を安定させ、破損を防ぐために、利得結晶を何らかの方法で冷却しています。 パッシブヒートシンク、水冷、サーモエレクトリック(TE)冷却、さらに極低温冷却などの形態が考えられます。 冷却の種類にかかわらず、熱の除去は結晶表面の1つ以上から行われます。 定常的な動作では、利得結晶に温度勾配が発生します。

Figure 1

図1: バルク結晶の光励起に基づくレーザでは、励起光が不要な半径方向の熱勾配を引き起こし、しばしば縦方向の勾配も引き起こすため、励起出力の変化に応じてレンズ出力が変化する強い熱レンズが発生します。

 

There are two consequences of this thermal gradient. Firstly, the refractive index changes according to the temperature distribution in the laser medium. In addition, the crystal expands as it heats up, producing a change in the curvature of its optical surfaces. In the simplest case of an end-pumped cylindrical laser rod, these effects create a spherical lens whose power is proportional to the length of the crystal and the pump power. Moreover, the lens power may also be affected by any longitudinal gradient, particularly if the gain crystal is only pumped from one end.

Optimizing the output power in a high quality Gaussian beam profile (TEM00) requires a careful design of the resonator, inclusive of the best possible spatial match of the laser mode with the pumped volume. Any change of the curvature of optical surfaces or – equivalently – spatial gradients of the refractive indices during operations will result in suboptimal mode quality or efficiency because of these “thermal lensing” effects. Of course the degree of this thermal lens depends on the pump power applied to the laser medium.

In solid state lasers, thermal lensing will change the output beam divergence and diameter. In high-performance lasers like Coherent’s AVIA family of industrial DPSS lasers for example, a feedback feature called ThermaTrak addresses this problem by moving a motorized intracavity lens as the power is adjusted. Conversely, in lower-performance DPSS lasers, the thermal lens is not controlled and its variations as the pump power is changed will result in beam parameter changes, reduction in efficiency and limited usable power range. Since most commercial DPSS lasers do not include variable compensation, their output beam parameters are only guaranteed at the specified output power.

 

光励起半導体レーザ(OPSL)– 薄型利得チップ - 熱レンズなし

光励起半導体レーザ(OPSL)では、裏面全反射として機能する誘電体層の上に、非常に薄い(10 μm以下)半導体量子ウェルのディスクを利得媒体として重ねます。 さらに裏面には、積極的に冷却されるヒートシンクが接合され、半導体構造を効率よく冷却します。 レーザ動作による半径方向の熱勾配は発生しますが、構造全体が非常に薄いため、熱レンズ効果は無視できます。実際、利得材料の経路長は一般的なLD励起固体レーザよりも約1000倍短くなります。

熱レンズ効果が無視できることを確認するため、Coherentのエンジニアは、光励起半導体レーザ(OPSL)利得チップに意図的に温度勾配を与え、干渉計で光学特性を測定する一連のテストを実施しました。 さらに、この試験勾配は、光励起半導体レーザ(OPSL)をフル出力で使用した場合でも、通常のレーザ動作で発生する勾配よりも大幅に大きくなるように設計されています。

図2は、これらのテストに使用したセットアップです。 ここでは、光励起半導体レーザ(OPSL)共振器をウェッジ付きビームスプリッターに改造し、励起出力を変化させながら光励起半導体レーザ(OPSL)チップを同時に照射して、テストビームをプローブすることを可能にしました。 具体的には、波長980 nmの一貫性のあるシングルモードレーザ光を第1ビームスプリッターで分割し、その強度の一部を光励起半導体レーザ(OPSL)チップで反射させ、一部を超平面参照ミラーで反射させます。 この反射光を2つ目のビームスプリッターで再結合するのが、マッハツェンダー干渉計と呼ばれる構成です。 その後、再結合したビームを拡大し、CCDカメラで観察します。

もし、光励起半導体レーザ(OPSL)チップが熱レンズ効果なしに平らであれば、カメラでの画像はそのプロファイル全体に渡って均一となります。 逆に、熱レンズがかかっている場合は、明暗の干渉縞として現れ、その間隔がレンズやその他のビーム歪みの程度を定量的に表します。 この試験装置を光励起半導体レーザ(OPSL)利得チップの代わりに加熱ミラーで入念に評価したところ、試験波長980 nmでλ/50の波長歪みを識別することができました。

Figure 2

図2: 光励起半導体レーザ(OPSL)利得チップを高コヒーレンス単一周波数980 nmテストレーザを用いたマッハツェンダー干渉計に組み込み、光学性能をテストしました。

テストでは、光励起半導体レーザ(OPSL)の励起レーザを直径わずか420 μmのスポットに集光しました。 この励起レーザの出力は0〜9 Wの間で変化させました。 このような極端な熱負荷の下でも、全波面歪みは〜λ/40でほとんど検出されませんでした。

 

実際のレーザパフォーマンスデータ

もちろん、実運用で重要なのは、実際のレーザ性能です。 この熱レンズ効果がないことを十分に利用するためには、他のすべての光学系やオプトメカニクスが励起出力の変化に影響されない、堅牢なモノリシック空洞設計が必要です。 熱レンズが発生した場合、出力ビームに最も顕著な変化が見られるのは、ビーム発散角とビーム径です。 また、レーザベースのイメージングやチタンサファイアレーザの励起など、要求の厳しい用途では最も重要なパラメータとなります。

Figure 3

図3: Verdiシリーズの光励起半導体レーザ(OPSL)では、出力パワーを1桁以上変化させても、出力ビームの発散度に有意な変化は生じません。

Coherentの技術者は、これらのパラメータが出力によってどのように変化するかを直接調べるために、一連の包括的な実験を行いました。 具体的には、8ワットのVerdi Gレーザの532 nm出力を数百ミリワットから8ワットまで、1桁のオーダーで段階的に変化させました。 このように出力が大きく変動しても、図3と図4の典型的なデータセットに示されるように、ビーム径とビーム拡がり角はいずれも驚くほど一定で、仕様の範囲内に収まっています。

Figure 4

図4: Verdiシリーズの光励起半導体レーザ(OPSL)では、出力パワーを1桁以上変化させても、出力ビーム径に有意な変化は生じません。

Summary

The main technology choices for CW visible and near IR laser sources include DPSS lasers and OPSLs. The OPSL provides several unique advantages, one of which is the invariance of the beam parameters even when the pump (and output) power is varied by over an order of magnitude. Compared with other solid-state lasers, this advantage results in an easier system set-up and more convenient daily operations, ultimately delivering a better performance/cost ratio.

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