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一般的なレーザーのタイプ

一般的なレーザーのタイプ

本ページはレーザーオプティクスリソースガイドセクション 3.1です

レーザーは、光の増幅に使用される利得媒体によって分類されることが多くあります。一般的な利得媒体の種類に、ガス、半導体 (ダイオード)、固体があります。レーザーシステムの主要パラメーターは、当社のアプリケーションノートをご覧ください。

一般的な産業用レーザー

Figure 1 に23種類の代表的なレーザーとその波長、動作モード、および代表的な利得媒体を示します。


Figure 1: 一般的な商用レーザーの代表的な動作モードと利得媒体 (CWは連続波 (continuous wave) の略) 2,3

ヘリウムネオン (He-Ne) などのガスレーザーは、その高いビーム品質と可干渉 距離の長さから、測量アプリケーションによく用いられます。炭酸ガス (CO2) レーザーなどの他の種類のガスレーザーは、例外的に高い平均パワーに到達できることから、材料加工に頻繁に用いられます。

ダイオードレーザーは、利得媒体に半導体のpn接合を利用します。コストに対するパワー比の点では最も高くなる傾向があり、出力変換効率や量子効率の高さ、及び利用可能な波長の多さでメリットがあります。ダイオードレー ザーは、光通信や材料加工、バーコードスキャン、医療用レーザー、LIDARシステムを始めとする多くのアプリケーションに利用されます。

固体レーザーは、遷移金属や希土類イオンを添加した結晶やガラス材料を利用します。市場で調達可能なレーザーの中でも最も高いピークパワーに到達できるものがあり、材料加工や医療用レーザーなどのハイパワーアプリケーションによく利用されます3。しかしながら、固体の利得媒体を冷却しずらいため、繰り返しレートや平均パワーが制限されます。

固体レーザーの特殊なケースに、量子カスケードレーザー (QCL) とインターバンドカスケードレーザー (ICL) があります。QCLは、薄い半導体の層を交互に重ねたサブバンド間遷移、即ち「井戸」を通して動作する波長チューナブルな中赤外レーザーです。サブバンド間遷移とは、伝導帯内の量子化されたエネルギー状態間での励起になります (Figure 2)。井戸は極めて小さいため、量子効果が働き、発光波長は井戸の厚さの関数でシフトします。QCLは、量子効果とカスケード効果の両方の組み合わせによって長波長で高出力を作ることが できます。市販されているQCLの多くは、4-11µm程度の波長を持つ傾向にありますが、極端なものだと2.63-150µmまでの波長のものもあります4,5,6

ICLは、積層半導体構造と量子井戸を用いて中赤外域を発振する点ではQCLと同様ですが、光子の発生はサブバンド間遷移ではなくバンド間遷移になります (Figure 2)。そのため、QCLよりも低い入力パワーで動作させることができます。


Figure 2: カスケードレーザーのバンド間遷移 (a) とサブバンド間遷移 (b) の比較
ファイバーレーザーは、固体レーザーの特殊なタイプで、利得媒体に希土類イオンを添加した光学用ファイバーを使用します。シングル光学モード内で高い平均パワーが得られ、ビーム品質も高いことから、より高度な精密マシニングや医療アプリケーションにおいてとても微細な構造を作るのに最適となります。

ディスクレーザーは、固体レーザーの別の特殊なタイプで、利得媒体がとても薄いディスク状の固体材料になります。ファイバーレーザーと他の固体レーザーの中間的位置づけとも言え、高いピークパワーとゲインに到達しながら、冷却の容易な幾何学形状を利用して繰り返しレートや平均パワーを改善しています。しかしながら、このレーザーは複雑なシステム設計を必要とするため、他のレーザータイプよりもコスト高になります。

エドモンド・オプティクスのレーザー

 

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参考文献

  1. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
  2. Lasers and Their Uses Reference Wall Chart. Photonics Media, 2010
  3. Weber, Marvin J. Handbook of laser wavelengths. CRC Press, 1999. ISBN 978-0-8495-3508-2.
  4. Cathabard, O., Teissier, R., Devenson, J., Moreno, J.C. and Baranov, A.N., 2010. Quantum cascade lasers emitting near 2.6 μ m. Applied Physics Letters, 96(14), p.141110.
  5. Walther, C., Fischer, M., Scalari, G., Terazzi, R., Hoyler, N. and Faist, J., 2007. Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz. Applied Physics Letters, 91(13), p.131122.
  6. Wade, A., Fedorov, G., Smirnov, D., Kumar, S., Williams, B.S., Hu, Q. and Reno, J.L., 2009. Magnetic-field-assisted terahertz quantum cascade laser operating up to 225 K. Nature Photonics, 3(1), pp.41-45.

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