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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#1: 波長の可変性

Overview

The Optically Pumped Semiconductor Laser (OPSL) technology offers numerous advantages over other types of CW lasers, including wavelength flexibility. In particular, an OPSL can be designed to match the wavelength requirements of the application, which represents a paradigm shift over legacy technologies.

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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妥協のない波長の可変性

光励起半導体レーザー(OPSL)は、レーザ半導体、LD励起固体レーザ、イオンレーザの最も望ましい特性を併せ持ちながら、それらの妥協すべき多くの制限を排除した独自の技術です。 たとえば、多くのイオンガスレーザや第一世代の半導体励起固体レーザーは、共焦点顕微鏡、フローサイトメトリー、ホログラフィーなど多くの用途で必要とされる良質なTEM00モードの出力ビームを作ることができるものばかりでした。 しかし、その出力波長は、イオンレーザの488 nm、LD励起固体レーザの1064 nm(およびその高調波)など、利得材料によって決まるわずかな発光線に限られていました。 主要な用途には、歴史的に、これらの固定波長のいずれかに適合するように、時には最適化されないこともありました。特に、ライフサイエンス分野では488 nmが最も知られています。 一方、2元系/3元系半導体を用いた半導体レーザは、可視光や近赤外光の波長域で動作するように作製することができて、その範囲はますます広がっています。 しかし、これらのデバイスは、いわゆるエッジエミッターと呼ばれる、小型(ミクロンサイズ)で非対称な出力ファセットから光を放出するものが一般的です。 その結果、その出力は高度に発散し、非対称で、回折限界ではなく、しばしば乱視的なものになります。 従来のビーム特性を必要とする用途では、ビームを再形成し、空間的にフィルタリングするためのさまざまな光学部品が必要となります。 また、小さな出力面で高輝度であるため、出力のスケーリングに限界があり、通常、複数のエミッターをバーやアレイ状に配置する必要があります。 このため、高度に平行化または集束されたビームを必要とする用途には不利となります。

光励起半導体レーザ(OPSL)は、レーザ半導体の波長可変性と、従来のレーザの優れたビーム特性を両立させたユニークなレーザアキテクチャです。 さらに、出力スケーリングや削減など、他の重要な利点もあります。

 

光励起半導体レーザ(OPSL)アーキテクチャ

光励起半導体レーザ(OPSL)は、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)の一種です。 従来のVCSELでは、光は接合部に対して垂直に出射され、半導体レーザチップの端ではなく、表面から出射されます。 出射口径が大きくなることで、低発散のビームが得られ、また、左右対称のビームにすることができます。 残念ながら、電気的に励起されたVCSELでは、エッジエミッタのような高出力を得ることはできません。その理由は、光損失の大きい拡張電極を使用せずに、広い面積に電荷キャリアを溢れさせる方法がないためです。 しかし、この問題は、半導体レーザを光学的に励起して電荷キャリアを生成することで回避することができます(Coherentが特許取得)。 これが光励起半導体レーザ(OPSL)の基本です。

Figure 1

図1: 光励起半導体レーザ(OPSL)の主な機能コンポーネントを示す模式図。

図1は、光励起半導体レーザ(OPSL)の主要な要素を示す簡略化した模式図です。 直接結合型シングルエミッタまたはファイバー結合型レーザ半導体アレイからの励起光は、光励起半導体レーザ(OPSL)チップの前面に再入射されます。 このモノリシックIII-V半導体チップには、3元系量子ウェル(InGaAs)層と2元系(GaAs)レイヤが交互に積層されています。 これらの2層は、励起放射を効率的に吸収するように最適化されており、その結果、電荷キャリアの高いポピュレーションが得られます。 これにより、量子ウェルの中でポピュレーションの反転と再結合が起こり、刺激されたレーザが発光します。 これらの吸収・発光層の背後には、高指数レイヤと低指数レイヤが交互に配置されており、目的の光励起半導体レーザ(OPSL)出力波長に最適な低損失DBR(分布ブラッグ反射器)ミラーとして機能します。 半導体チップはヒートシンクに搭載され、裏面全体で効率よく冷却できるようになっています。

 

光励起半導体レーザ(OPSL)波長コントロール

他の半導体レーザと同様に、光励起半導体レーザ(OPSL)は量子ウェル構造の化学量論と物理的な寸法によって決まる波長で発光します。 このように、量子ウェルの組成やサイズを変えることで、用途に応じた特定の波長を出力する光励起半導体レーザ(OPSL)チップを実現することができます(図2参照)。

Figure 2

図2: Coherentは、多くの標準波長の光励起半導体レーザ(OPSL)を提供しており、OEM向けにカスタム波長も製造しています。

Coherent光励起半導体レーザ(OPSL)の多くは、共振器内に複屈折フィルターを内蔵しています。 これは、OPSチップを含む多くの半導体レーザの典型的な2つの特殊性を解決するものです。 まず、この利得チップは、アルゴンイオンレーザのような原子発光を利用したレーザに比べ、より広い波長域で光を発することができます。 さらに、中心波長はチップごとに微妙に異なります。もちろん、レーザ半導体メーカーが狭い波長帯のレーザ半導体を選択するためにプレミアムが生じるのはこのためです。 複屈折フィルターは、法線軸を中心に回転させることで透過波長を設定できる狭帯域の共振器内フィルターとして機能します。 このフィルターは、発光を狭帯域(機種によっては単一縦モード)に限定するためと、出力を目標波長に精密に設定するために使用されます。

Coherent光励起半導体レーザ(OPSL)は、InGaAsゲインチップがベースになっています。 それは、最も信頼性が高く、最も長寿命で、最も高い出力特性を持つ半導体レーザの1つだからです。 このタイプの量子ウェルデバイスは、近赤外域の広い範囲でレーザ発光が得られるように設計することができます。 これを共振器内周波数倍化結晶で効率よく可視光に変換して出力します。 また、光励起半導体レーザ(OPSL)によっては、紫外線出力が必要な用途には共振器内結晶振動子を2つ搭載し、周波数3倍化を行うものもあります。

 

波長可変性の価値

光励起半導体レーザ(OPSL)技術の登場以前は、ミリワットからワットの連続波出力を持つ可視光や紫外線のレーザビームを必要とする用途は、固定波長のいずれかを使用せざるを得ませんでした。 当初は、アルゴンイオンレーザの488 nmや514 nmといったイオンガスレーザの輝線でした。 その後、波長が1064 nm、共振器内が532 nmに倍増したLD励起固体レーザが広く普及するようになりました。 特に黄色やオレンジ色の部分は、単純なレーザが使えない可視域の隙間が大きくなります。 特にライフサイエンス分野では、これらの領域で発光するレーザの需要が高まっているが、クリプトンイオンレーザや色素レーザ、あるいは効率の悪い弱発光線に基づく複雑な混合方式を用いた固体レーザでなければ対応できませんでした。 そのため、これらの波長を必要とする用途は、使用できるレーザの波長の 1 つに一致させるために、しばしば妥協されました。 光励起半導体レーザ(OPSL)がパラダイムチェンジを起こしたのです。 現在では、確立された用途であっても新たに浮上してきた用途であっても、その用途を最適化する波長専用に設計された光励起半導体レーザ(OPSL)によってサポートされています。 2つの異なる用途で、この機能の利点を説明します。

 

AMD向け光凝固

湿潤型加齢黄斑変性症(AMD)は、視力低下や失明の主な原因となる疾患です。 黄斑部の血管からの漏出が特徴的な疾患です。 これは視野の中心にある網膜の小さな領域(直径6 mm以下)で、高解像度の色覚を担当します。 血管から漏れている場所によっては、レーザ光凝固術が推奨されることがよくあります。 レーザで局所的に焼灼し、原因となる細い血管を破壊することで、それ以上の出血を防ぐことができます。

光凝固の成功の鍵は、組織選択性、つまり、周囲の組織を一切傷つけずに標的の血管を閉じることです。 漏れた血管と他の組織との主な区別は、血液の有無です。 そのため、血液に優先的に吸収される波長のレーザを使用することで、選択性を最も高めることができます。 また、目の前の透明な部分をレーザが良性に通過できるように、可視光線の波長である必要があります。 血液中の可視光吸収を持つ主成分はオキシヘモグロビンであり、長年、オキシヘモグロビンの弱い吸収ピークに近い532 nm(半導体励起固体レーザ)のレーザ波長が最もよく使われてきました。

Figure 3

図3: 577 nmの光励起半導体レーザ(OPSL)は、オキシヘモグロビンの吸収極大と正確に一致するため、ある種の湿性型AMDの治療に用いられる光凝固用レーザとして選択されます。

しかし、実際にはオキシヘモグロビンの吸収は577 nmにピークがあります(図3参照)。 Coherentは、この用途のために、この特定の波長で3ワットの出力を実現する全く新しい光励起半導体レーザ(OPSL)(Genesis MX577)を設計しました。 これにより、532 nmの従来品と比較して、眼球への熱負荷が軽減され、血管の閉塞性が向上しました。 この重要な利点に加えて、光励起半導体レーザ(OPSL)の高速パルス(最大100kHz)機能は、局所的な組織外傷を最小限に抑えながら、創傷治癒反応を最大化するための高度な投与制御を提供する「マイクロパルシング」の使用を可能にしました。 これらの理由から、577 nmの光励起半導体レーザ(OPSL)は、この用途では532 nmのLD励起固体レーザが取って代わることになりました。

 

優れたカラーパレットによるライトショー

ライトショーは、光励起半導体レーザ(OPSL)の波長の柔軟性がレーザの最初の選択肢となった、非常に異なるアプリケーション空間を表しています。 レーザライトショーエンジンが生成できる色の範囲(色域)は、使用するレーザの波長によって異なります。 従来、カラープロジェクターの多くは、赤緑青(RGB)の3つのレーザを使用しており、青はアルゴンイオンレーザのレガシー波長である488 nmでした。 しかし、人間の目は色の違いに非常に敏感で、レーザライトショーでは、専門的にはD65と呼ばれる真の白を生成することが課題となっていました。

Coherentは、光励起半導体レーザ(OPSL)技術により、従来のRGB波長に加え、ライトショーに重要な非レガシー波長2波長で数ワットの出力を供給しています。 577 nm は本来光凝固と460 nmの先駆者です。 図4のように、577 nmと460 nmの2つのレーザを混ぜるだけで白色を生成できるため、より広い色域を確保することができます。 さらに具体的な例として、照明デザイナーにとっての新しい波長の価値を説明します。

Figure 4

図4: 460 nmと577 nmのレーザを追加することで、従来のRGBライトショーエンジンの色域を大幅に拡大し、「白」の出力も容易にすることができます。

2011年、BMWは新型の低燃費車iシリーズを発売しようとしていました。性能とハンドリングを重視してきたBMWにとって、これは大きな市場開拓となるものでした。 そこで選ばれたのが、フランクフルト国際モーターショー(IAA)でした。 この発表は、BlueScope社が企画し、Rockservice社が運営し、ドイツのアーレンに本社を置くレーザライトショーのリーディングカンパニーであるLOBO社のサービスを利用したものでした。 図5のように、青いレーザ光線のトンネルをくぐって、それぞれのクルマがお披露目されるというのが、この高視聴率発表会の全体コンセプトです。このほかにも、さまざまなレーザ演出が施されていました。 これらのレーザエレメントは、発表会の他のビジュアルコンポーネント(LEDスクリーンなど)で使用されているBMWのコーポレートカラーであるブルーと完全に一致させる必要がありました。 しかし、知覚される色は、場所や背景の照明などによって変化します。 そこでLOBOは、プロジェクターの青色出力を現場でスムーズに変更する機能を必要としていました。 一般的なRGBプロジェクターでは、完全なカラーマッチングを実現することは非常に困難でした。 しかし、LOBOのRGBプロジェクターは、488 nmと460 nmの2つの青色光励起半導体レーザ(OPSL)(Coherent Taipan)で構成されていました。 これにより、最終的な照明条件下で、展示会場内の他のBMWのディスプレイコンポーネントの知覚色と一致するように、青色出力を簡単に「調整」することができました。

Figure 5

図5: 2011年フランクフルト国際モーターショー(IAA)で、BMW初の低燃費車(i8とi3)の発表に光励起半導体レーザ(OPSL)を搭載したディスプレイが貢献。 画像提供: BMW。

Summary

The OPSL offers an unmatched combination of advantages for applications requiring milliwatts to watts of CW laser light. One of the most important is wavelength flexibility which has, for the first time, enabled laser wavelength to be matched to the precise needs of the application, rather than vice versa.

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