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May 23, 2023

固体上のプライマー

Il primo laser mai costruito fu un laser a rubino a stato solido costruito da Theodore.

史上初のレーザーは、1960 年にセオドア メイマンによって製造された固体ルビー レーザーでした。しかし、固体レーザーは歴史的な珍品ではありません。 むしろ、この技術は長年にわたって成長し、多様化し、科学、産業、航空宇宙、防衛、医療、生命科学の膨大な範囲のアプリケーションにサービスを提供しています。

レーザーは、レーザー発振材料 (利得媒質) の物質の状態によって、気体レーザー、液体レーザー、固体レーザー、さらにはプラズマ レーザーなどに大きく分類されます。 しかし、結晶またはガラス利得媒体を使用するレーザーのみを指すためにソリッドステートという用語を使用するのが一般的です。 通常、このホスト材料にはイオンがドープされ、分布をサポートし、レーザー動作をサポートします。

ポンピングは、生のエネルギーをレーザー結晶に供給し、レーザー光に変換するプロセスです。 結晶は非導電性であるため、ポンプエネルギーは事実上常に電気の形ではなく光の形でソリッドステート利得媒体に供給されます。 初期の固体レーザーはフラッシュランプによって励起されました。 この状況は、1980 年代のダイオード レーザー ポンピングの導入により劇的に変化しました。

ダイオード レーザーは強力な光源を提供し、波長を利得媒体の吸収に合わせることができます。 これにより、最初にレーザーに供給された比較的大量のエネルギー (特にダイオードに電力を供給するために使用される電力) が最終的にレーザー光に変換される、非常に効率的なレーザーが得られます。 さらに、ダイオードポンピングは、非常に高い信頼性と寿命の利点、小さな設置面積 (サイズ)、および動作の一貫性をもたらします。

ただし、ランプ励起は依然として特定の固体レーザー結晶で使用されています。 これは、ランプ励起固体レーザーが非常に高いパルスエネルギーを生成できるためです。 さらに、ランプポンプ電力の一般的な購入価格とワットあたりのコストは、ダイオードよりもはるかに低くなります。

固体レーザー共振器は、ほとんどが従来の方法で構成されています。 つまり、利得材料は 2 つのミラーの間に配置され、光キャビティを形成します。 場合によっては、レーザー結晶の端がコーティングされてミラーになることがあります。 レーザー結晶自体は、ロッド、スラブ、または薄いディスクの形状にすることができます。

入手可能な結晶の数が多いため、現在ではさまざまな種類の固体レーザーが使用されています。 既存の固体レーザーは非常に幅広い出力特性をカバーしているため、ここですべてを説明することはできませんし、分類することさえ困難です。 ただし、この説明の目的上、連続波 (CW) およびナノ秒のパルス幅、超短パルス、および超高速レーザーの 3 つの大きなカテゴリに分類することが役立ちます。

このカテゴリの最も一般的な固体レーザーはネオジム結晶をベースにしており、通常はイットリウム アルミニウム ガーネット (Nd:YAG)、オルトバナジン酸イットリウム (Nd:YVO4)、またはフッ化イットリウム リチウム (Nd:YLF) のいずれかがドープされています。 これらすべての結晶の最も強いレーザー基本出力は、約 1 μm の赤外線にあります。

これらの水晶は、それぞれが多少異なる動作特性を生み出すため、すべて使用されています。 たとえば、Nd:YVO4 は、高ピーク出力、高繰り返し率のパルス レーザーに最適です。 対照的に、Nd:YAG は通常、より低い繰り返し率でより高い総パルス エネルギーを提供します。 Nd:YLF は、通常はさらに低い繰り返し率で、さらに高いパルス エネルギーを提供します。

Nd の代わりにホルミウム、ツリウム、イッテルビウム、またはエルビウムのドーパントを利用したレーザー結晶もいくつかあります。 Er:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG 結晶はすべて約 2 μm で発振します。 この波長は水を含む生体組織に強く吸収されるため、これらの種類のレーザーはさまざまな医療用途に役立ちます。

これらの水晶のほとんどは連続波 (CW) で動作できます。 しかし、材料加工やその他の産業用固体レーザーの大部分はパルスで動作します。 パルスによりピーク電力が増加します。これは、多くの材料、特に金属のアブレーション閾値 (溶融または蒸発に必要な最小電力) を超えるため、またはマーキングのために表面の色の変化を生成するために重要です。

最も広く使用されているパルス方式は Q スイッチングで、通常はレーザー共振器内で高速シャッターとして機能する音響光学偏向器を使用して実装されます。 まず、qスイッチが閉じられ、レーザーキャビティ内で光が循環するのが妨げられます。 この間、レーザー結晶に供給されたポンプエネルギーがレーザー結晶内に蓄積されます。 次に、qスイッチが急速に開きます。 これにより、レーザーが動作できるようになります。 蓄積されたエネルギーはすぐにレーザー光に変換され、短パルスの形で放出されます。 このプロセスは迅速に繰り返されます。

一般的に使用される Q スイッチ固体レーザーのほとんどは、数十ナノ秒範囲のパルス幅を生成します。 通常、平均出力は数十または数百ワット (赤外線において) で、繰り返し速度は数 10 Hz から約 300 kHz です。

パルス化によって達成される高いピーク電力により、非線形プロセスの使用も容易になります。 これらの重要な 1 つは、水晶を使用して初期光周波数の高調波を生成する周波数変換です。 したがって、1064 nmを生成するパルス固体レーザーは、周波数を逓倍して、532 nm (第2高調波発生またはSHG)、355 nm (第3高調波発生またはTHG)、さらには266 nm (第4高調波発生またはFHG)を出力することができます。 CW レーザーでは周波数変換が不可能ではありませんが、実装はそれほど簡単ではありません。

固体レーザーをパルス化するもう 1 つの方法は、モード ロックです。 これにより、数十 MHz または数百 MHz の繰り返し速度が得られます。 したがって、多くのアプリケーションでは、レーザーが継続的にオンになっているように見えます。 結果として、これらのソースは準 CW または QCW と呼ばれることがよくあります。 しかし、繰り返しになりますが、パルス化によりピークパワーが増加し、周波数変換が可能になり、実質的に CW である短波長の固体レーザー光源を取得する比較的簡単な方法が提供されます。 半導体ウェーハの検査は、この種のレーザーの重要な用途です。

ナノ秒パルス幅の固体レーザーは材料加工に広く使用されていますが、ピコ秒およびフェムト秒領域のパルスは、最も要求の厳しい精密加工タスクに大きな利点をもたらします。 これらの利点には、熱の影響を受ける部分が実質的に存在しない非常に小さな構造を製造できることや、ガラスなどの透明な材料を含む非常に広範囲の材料との適合性が含まれます。

モード ロックを使用すると、約 10 ps 以下のパルス幅を生成できます。 しかし、ほとんどのモードロックレーザーのパルスエネルギーは材料加工用途には低すぎます。 ただし、このパルスエネルギーは増幅によって増加させることができます。

このプロセスは通常、高繰り返しレートモードでロックされたレーザー出力から個々のパルスを選択する「パルスピッカー」から始まります（たとえば、10番目のパルスごと）。 これらのパルスは、最も一般的には再生またはマルチパス構成で自由空間増幅器に送信されます。 複数の増幅段を使用すると、さらに高い出力を得ることができます。

このアプローチは複雑に聞こえるかもしれませんが、市販の産業用超短パルス (USP) レーザーは、ダイオード ポンピング、慎重な光機械設計、および厳格な組み立てプロトコルのおかげで、非常に信頼性が高くなります。 市販のピコ秒 USP レーザーは通常、15 ps 未満のパルス幅と、赤外線で最大 100 W の出力を提供します。 緑色とUVの両方の出力も利用可能です。 数百フェムト秒のパルス幅と数十ワットの出力を備えた、IR、可視、UV の USP レーザーもあります。 市販の USP レーザーは、OLED モジュールやディスプレイの切断、医療機器の製造、さらには時計製造など、多くの精密マイクロエレクトロニクスの切断および穴あけ用途に使用されています。

科学用途向けのモードロック固体レーザーは、通常、超高速レーザーと呼ばれます。 パルス幅が 10 fs ～ 200 fs の範囲にあるこれらのレーザーは、物理学、化学、生物学、材料科学の幅広い研究の主力ツールとなっています。 超高速レーザーは、通常、パルス幅が短く、波長やパルス幅などの出力パラメーターをより詳細に制御できるという点で、産業用 USP レーザーとは区別されます。

これらの極めて短いパルス幅を実現する鍵は、非常に広範囲の波長にわたって出力するゲインクリスタルを使用することです。 出力スペクトルが広いほど、パルスを短くすることができます。 現在使用されている最も人気のある素材はTi:Sapphireです。 この材料は緑色光で励起する必要があるため、通常、励起光源は周波数 2 倍の CW、ダイオード励起の固体レーザーです。 最近、イッテルビウムはTi:Sapphireの代替品として人気があることが証明されています。

最も洗練された高性能科学用超高速レーザー光源は非常に複雑ですが、これらの製品は成熟しており、マイクロプロセッサー技術の利点をすべて活用しています。 その結果、非常に信頼性が高く、出力調整のほとんどはソフトウェア制御を通じて実行されます。 このターンキー操作により、多くの分野の科学者が特別な専門知識を習得することなく、他の機器と同じようにそれらを使用できるようになりました。

ソリッドステート技術は文字通りレーザー産業に当初から組み込まれてきました。 パフォーマンスの向上、信頼性の向上、運用コストの削減を実現する継続的なイノベーションにより、固体レーザーは引き続き関連性があり、有益に使用され続けます。

この記事は、Coherent, Inc. (カリフォルニア州サンタクララ) の製品ライン マネージャーである Jörg Heller によって執筆されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Photonics & Imaging Technology Magazine の 2022 年 3 月号に初めて掲載されました。

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