IPS: 光アイソレーターでレーザの信頼性を向上

課題

ラマン分光とイメージング法は、品質管理（QC）から多形体の識別、生細胞のラベルフリーイメージング、化学加工方法のモニタリングアプリケーションまで、研究および産業環境においてサンプルを調査するための強力な方法です。 ラマン効果により、フーリエ変換赤外分光（FTIR）と同様のスペクトル分解された化学指紋データが得られますが、ガラスファイバーやレンズ、水性試料を透過できる可視・近赤外波長の光が使用されるからです。 ラマン分光スペクトルを正確に測定するために必要なツールは、3つの技術の融合により、小型の自己完結型分光器と顕微鏡が実現したことで一変しました。 小型高出力狭線幅半導体・固体レーザ、比較的強い（レイリー）散乱レーザ光を除去するホログラフィックフィルターやスティープエッジロングパスフィルター、低ノイズ多素子光検出器やカメラの3つの技術です。

最も経済的でコンパクトなレーザは、半導体レーザをベースにしています。 しかし、ラマンに使うには、レーザ波長が極端に狭く、かつ安定している必要があります。 実績がある方法として、ファブリー・ペロー半導体レーザチップを使って、その出力をボリューム・ブラッグ・グレーティング（VBG）と呼ばれるタイプのフィルターにロックする方法があります。 これが、Innovative Photonic Solutions（IPS）がラマン顕微鏡、機器、研究者のOEMメーカー向けに製造している単一周波数出力のDigital-D型レーザモジュールの基本です。 IPSレーザは、一般的なラマン励起波長である638 nmと785 nmのほか、いくつかの波長を提供しています。 しかし、半導体レーザのチップの性質上、ほとんどのラマン用途に必要な再現性と信頼性を実現することは、決して容易なことではありませんでした。

ソリューション

グレッグ・シャラシェ博士は、IPSのフォトニクス担当副社長です。 シャラシェ博士は、「単一空間モード半導体レーザの最も一般的な故障原因は、高いレーザ強度で過熱し、最終的には半導体の溶融につながる半導体チップの脆弱な出力ファセットへの破局的光損傷（COD）であることはよく知られています」と説明しています。たとえば、Coherentがアルミニウムフリーのアクティブエリア、AAA、半導体レーザデバイスという形で解決策を開拓するまで、CODは初期の高出力ダイレクト半導体レーザの寿命を制限していました。 しかし、どのような出力レベルの半導体レーザでも、下流の光学系からの逆反射によりCODが発生する可能性があります。

また、シャラシェ博士は次のように付け加えています。「ラマン顕微鏡は、非常に精密に位置合わせされた光学系です。 そのため、シリコンウェハーのような高度に研磨されたサンプルや、スライドガラスのようなサンプル支持体からの逆反射を発生させることができます。 その結果、ビームが「折れ曲がり」、半導体レーザチップ自体に全反射してCODを引き起こす可能性があります。 さらに、IPSの調査により、半導体業界以外の多くの研究者も、シリコンウエハーが原子レベルで平坦であり、強いラマン信号を発生することから、ラマン顕微鏡のアライメントにシリコンウエハーを使用していることが判明しました。 これにより、共焦点システムのキャリブレーションやアライメントが容易に行えるようになりましたが、一部のレーザモジュールの初期不良につながる原因であると考えました」。

このような逆反射をなくすには、光の一方通行弁の役割を果たすオプティカルアイソレーターと呼ばれる装置を使うのが最も簡単な方法です。 光偏光板と波長板の巧みな組み合わせにより、光アイソレーターは、光の効率的な（たとえば92%以上の）順方向透過を可能にする一方で、たとえば33 dB以上の減衰で、逆方向の光透過を効果的に遮断します。

IPSは、製品開発ラボでの徹底的なテストと評価の結果、IPS専用にカスタマイズされたCoherentのTornos光アイソレーターを選択しました。 光学的に接触する偏光ビームスプリッターキューブを搭載したアイソレーターで、他のアイソレーターに比べ高い透過率を実現しています。 シャラシェ博士は、「Digital-Dタイプのすべてのモジュールに、トルノスの光アイソレーターをオプションでつけることができるようになりました。 特に、顕微鏡を製造するOEMや、顕微鏡を自作するエンドユーザーには、このオプションをお勧めします」と述べています。

成果

シャラシェ博士によれば、この変化の結果はすぐに現れ、劇的なものでした。 「このレーザモジュールのCODによるフィールド障害が後を絶たなかった状況から、完全に問題を解消することができました。 誰もが恩恵を受けています。 また、OEMのお客様には、レーザの信頼性の低さによるブランドイメージの低下を心配されることもないでしょう。 そして何よりも重要なのは、エンドユーザーがレーザの故障を心配することなく、ラマン顕微鏡の実験を計画し実行できることです。 というのも、多くのラマン顕微鏡は、共有の分析機器として激しく使用されており、もちろん、オンデマンドの性能があってこそうまくいくものだからです」とシャラシェ博士は語っています。

ラマン顕微鏡、ラマン分光、プロセスラマンなどの主な用途に加え、シャラシェ博士は、これらの単一周波数半導体レーザモジュールのターンキーのシンプルさ、そして今や高い信頼性により、これらの製品は、計測や干渉計、原子時計、量子コンピュータの最先端研究などの他の要求の厳しい用途に普及していると指摘しまていす。

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