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

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。

この温度勾配がもたらす結果は2つあります。 まず、レーザ媒質内の温度分布によって屈折率が変化します。 また、結晶は熱を加えると膨張し、光学面の曲率に変化が生じます。 端面励起の円筒形レーザロッドの場合、これらの効果により球面レンズが形成され、その出力は結晶の長さと励起出力に比例します。 さらに、レンズ出力は、特に利得結晶が一端からしか励起されない場合、縦方向の勾配の影響を受けることがあります。

高品質のガウシアンビームプロファイル（TEM₀₀）において出力を最適化するためには、レーザモードと励起体積の最適な空間マッチングを含む共振器設計を注意深く行う必要があります。 操作中に光学表面の曲率や屈折率の空間勾配が変化すると、この「熱レンズ効果」によって、モードの品質や効率が最適化されなくなります。 もちろん、この熱レンズの程度は、レーザ媒質に印加される励起出力に依存します。

固体レーザでは、熱レンズ効果により、出力ビームの発散角と直径が変化します。 たとえば Coherentの産業用LD励起固体レーザAVIA^™シリーズのような高性能レーザーでは、ThermaTrak^™というフィードバック機能が、出力調整時にモーターで共振器内のレンズを動かすことで、この問題に対処しています。 逆に、低性能のLD励起固体レーザでは、熱レンズが制御されていないため、励起出力の変化に伴う熱レンズの変動により、ビームパラメータの変化、効率の低下、使用可能な出力レンジの制限などが起こります。 市販のLD励起固体レーザの多くは可変補償を搭載していないため、その出力ビームパラメータは規定出力時のみ保証されます。

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。

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。

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。