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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#3: モードノイズ(「グリーンノイズ」)なし

Overview

The optically pumped semiconductor laser (OPSL) is a unique, patented technology that provides lower intrinsic noise than other continuous wave (CW) solid state lasers having UV or visible output, and is the only way to achieve true-CW output at 355 nm in a simple, cost-effective platform. The reason is the absence of mode noise due to the near-zero upper state lifetime of the OPSL gain medium.

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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Eliminating the Performance/Cost Trade-off

Demanding visible and ultraviolet applications for CW lasers (e.g., pumping CEP-stabilized laser systems, Brillouin scattering, and semiconductor wafer inspection) need a high quality stable output beam with low amplitude noise. Diode pumped solid state (DPSS) lasers can produce the requisite beam quality, albeit only at a fixed output power1, but their noise performance is often limited by a problem called mode noise or “green noise.” Addressing this noise adds laser complexity. In DPSS visible lasers, there is thus a trade-off between performance (noise) and cost (complexity). This critical noise mechanism is completely absent in visible OPSLs which can thus offer lower noise at a reduced cost. It also enables OPSLs to generate noise free ultraviolet output (e.g., at 355 nm) in a simple format. This is a major reason that OPSLs dominate the use of ultraviolet wavelengths in flow cytometry.

1 See whitepaper #2 in this series.

 

カオスモードの動作

巨視的な共振器を用いた連続波レーザの出力は、共振器の構成に大きく依存します。 これは、光励起半導体レーザ(OPSL)、レガシーLD励起固体レーザ、ほとんどのCWガス(イオン)レーザに当てはまります。 数十ミリから数十センチメートルの共振器長で、複数の縦波共振モードをサポートするCWレーザです。 通常、このようなレーザでは、共振器内のビーム強度は、それぞれがわずかに異なる周波数を持つ複数の縦モードの間で分割されています(図1を参照)。

Figure 1

図1: LD励起固体レーザと光励起半導体レーザ(OPSL)の縦モードダイナミクス。

しかし、イオンレーザやLD励起固体レーザのようなレガシー技術では、図1に示すように、個々のモードがさまざまに混合されたものが時間とともに発振し、利用可能な蓄積利得を奪い合うため、これらのモード間の全体の共振器内電力の分割は非常にランダムで動的です。しかし、イオンレーザのマルチモード動作は、強度和が一定であるため、低振幅ノイズを必要とするほとんどの用途に適していました。

イオンレーザやLD励起固体レーザでは、レーザ媒質がエネルギーを蓄えているため、異なるモード間の動的な競合が発生します。 簡単に言うと、利得媒質の励起状態は、光子がCW共振器を周回するトリップ時間よりもはるかに長い寿命を持っています。 具体的には、Nd系LD励起固体レーザの励起状態寿命はマイクロ秒であるのに対し、共振器のトリップタイムはナノ秒に過ぎません。 蓄積されたエネルギーは、非常に短くて強いパルス発振を発生させるQスイッチングと呼ばれるメカニズムを可能にするため、一部のパルス発振レーザ用途では実際に有利となります。 しかし、レーザを変調(オン/オフ)させる速度には限界があります。 また、1064 nmの基本波長の周波数を2倍にして532 nmのCWグリーン出力を生成するなど、基本波の高調波を生成する周波数変換を行う場合、ノイズの問題が発生することも重要です。

 

周波数が2倍になると緑色(および紫外線)のノイズが発生する

LD励起固体レーザも光励起半導体レーザ(OPSL)も、基本出力を近赤外光で発振し、それを2倍の周波数にして可視光を、3倍の周波数にして紫外光を、いわゆる非線形結晶を用いて出力しています。 これらの第2高調波発生(SHG)および第3高調波発生(THG)プロセスは、強度(SHGまたはTHG結晶の単位面積あたりの出力)に大きく依存します。 パルス発振レーザでは、ピークパワーが平均出力より何桁も高くなることがあるので、レーザ共振器の下流、すなわち共振器外で効率よく周波数倍増(および3倍増)を行うことが容易にできます。 しかし、CWレーザの場合、高強度を得るにはSHGやTHG結晶を共振器内に配置するしかなく、その循環出力は出力よりも最大で2桁も大きくなってしまいます。 そして、これまで無害だったモードノイズが、現実の問題となってきます。

Figure 2

図2: CW LD励起固体マルチモードレーザでは、合計出力は異なる縦モード間で動的に分配されても一定です。 LD励起固体レーザ共振器内にダブリング結晶を挿入すると、合計出力にカオス的な揺らぎが発生します。 このノイズのメカニズムは、光励起半導体レーザ(OPSL)では起こり得ないものです。

複数の縦モードを持つLD励起固体レーザの基本波共振器内ビームに2倍化結晶を挿入すると、基本波と2倍化出力の両方でカオス強度ノイズが発生します(図2を参照)。第2高調波発生(1つの縦モードの周波数を2倍にする)と和周波発生(異なる2つの縦モードの周波数を足し合わせる)の両方が可能だからです。 和周波発生は、個々の縦波モードを結合し、それによって縦波モード間の直接的な動的相互作用を実現します。 あるモードの強度が別のモードの利得に依存するという、縦モードのすべてのペアワイズ相互作用からの時間的ダイナミクスは、著しい強度ノイズを発生させます。 この現象は「グリーン問題」と呼ばれています[ref1]。これは、共振器内2重化を用いたCWレーザの中で、最初に広く使われたのがグリーンLD励起固体レーザで、1064 nmのレーザ基本波が周波数2重化されて532 nmのグリーン出力を生成していたことに由来するものです。

 

CW LD励起固体レーザ: パフォーマンスとコストのトレードオフ

CW LD励起固体レーザでは、モードノイズの問題を解決するために、いくつかの方法が用いられてきました。 初期のアプローチは、細長い共振器を使用して、より多くの縦波モードに出力を分割することでした。 より多くのモードのノイズ効果を平均化することで、ノイズレベルを低減させるものです。 この「スミアリング」手法は、一部の用途では十分ですが、CEP(Carrier Envelope Phase)安定化など、特にノイズに敏感な用途では、不十分であることが分かっています。 もちろん、単色性、つまり狭いスペクトル帯域幅に依存する用途に悪影響を及ぼすこともあります。

より厳密には、グリーンノイズを実際にその発生源で除去する方法があります。 LD励起固体レーザでこれを実現する最も直接的な方法は、エタロンなどの光学部品を用いて、単一の縦モードでレーザを動作させることです。 そのためには、共振器の熱安定化を積極的に行うとともに、ピエゾミラーマウントとフィードバックエレクトロニクス回路を用いて共振器長とエタロンの性能を一緒にロックする必要があります。 このため、コストと複雑さが増してしまいます。

市販の低ノイズLD励起固体レーザの中には、他のアクティブフィードバックノイズ低減策に基づくものもあります。 しかし、どのような場合でも、ノイズ、コスト、複雑さのトレードオフは避けられません。

 

光励起半導体レーザ(OPSL)– 低ノイズの可視光出力を実現

光励起半導体レーザ(OPSL)では、ゲインダイナミクスが全く異なります。 利得媒質は半導体で、ポンプ光によって量子井戸の中に正孔と電子が生成されます。 これらの電荷キャリアの輻射および非輻射再結合は、いずれも非常に高速なプロセスです。 つまり、光励起半導体レーザ(OPSL)では、実効的な上部状態の寿命は数ナノ秒以下、すなわち共振器の移動時間のタイムスケールです。 これには2つのメリットがあります。 まず、光励起半導体レーザ(OPSL)は100 kHzまでの速度で直接変調することができます。 より重要なことは、上側状態の寿命が短いため、レーザモードの時間スケールで蓄積されたエネルギーがなく、瞬間的な利得のみ得られるということです。 光励起半導体レーザ(OPSL)が複数の縦波モードで動作している場合、これらの共振器モードの挙動は共振器によってのみ決定され、利得はそれに追従するだけです。 そのため、これらのモード間の出力分布は時間と共に安定します。

出力分布が完全に安定しているため、共振器内2倍波結晶を使用して可視出力を作成した場合、縦モード間の非線形結合によるノイズが発生しません。 光励起半導体レーザ(OPSL)では、上位状態の寿命が短いため、グリーン問題は存在しません。 ノイズ抑制機構とそれに伴うコストや複雑さが不要なため、性能と複雑さ(コスト、潜在的な故障モード)のトレードオフが発生しません。 もちろん、光励起半導体レーザ(OPSL)はシングルモード用に設計することも可能で、Coherentでは干渉計などの用途に提供しています。 しかし、光励起半導体レーザ(OPSL)では、シングルモードはこうした高コヒーレンス用途のためのオプションであり、低ノイズのための必須条件ではありません。

 

真のCW紫外線出力を実現する光励起半導体レーザ(OPSL)

LD励起固体レーザや光励起半導体レーザ(OPSL)では、紫外線を出力するために周波数3倍化が可能です。 QスイッチLD励起固体レーザは、可視光レーザと同様に、優れた効率で共振器外高調波発生を利用することができます。 これは、Coherentが製造する精密材料加工用の複数の産業用ナノ秒レーザの基礎となるものです。 しかし、CW動作では、3倍効率が集光強度の3乗で決まるため、グリーンノイズの問題が紫外線の問題として顕在化し、深刻度が増してしまいます。 プリント基板のレーザダイレクトイメージングなど、準CW出力が許容される用途では、数十MHzの繰り返し周波数でLD励起固体レーザをモードロックさせることが可能です。たとえば、Paladinシリーズのレーザーでは、ピコ秒パルスのピークパワーが高いため、共振器外3倍増しが非常に効率的です。 しかし、データストレージやライブセルソーティングなどの用途では、擬似CW動作のパルス出力や高いピークパワーが問題になることがあります。 ここでも光励起半導体レーザ(OPSL)技術は、安定化シングルモード動作などのノイズ抑制機構に頼ることなく、最適な解決策を提供します。 たとえば、Genesis 355レーザは、DNAからの内因性蛍光の励起など、紫外線出力を必要とするフローサイトメトリーアプリケーションの需要が高まっているため、現在では標準的なレーザとして受け入れられています。

Figure 3

図3: Genesis 355は、フローサイトメトリーなどの用途に適した、真のCW出力を非常に低いノイズで実現する低ノイズ紫外線(355 nm)光励起半導体レーザ(OPSL)です。

Summary

First generation, continuous wave solid-state lasers utilized DPSS technology. Obtaining visible and ultraviolet output with this technology is compromised by a phenomenon called green noise, leading to a trade-off between performance (low noise) and complexity (cost, and potential failure modes). The underlying mechanism responsible for this noise is completely eliminated in OPSLs. As a result, multimode visible and ultraviolet OPSLs provide superior noise characteristics without incurring any extra complexity or cost.

References

1. T. Baer, Large amplitude fluctuations due to longitudinal mode coupling in diode-pumped intracavity-doubled Nd:YAG lasers, J. Opt. Soc. Am. B, vol 3, 9, pp 1175-1180 (1986).

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