ダイオードレーザーマシン

ダイオードレーザー加工機の種類

端面発光ダイオードレーザー
端面発光ダイオードレーザーは、半導体チップの端からレーザー光を放射します。チップ表面に平行に光を放射します。端面発光ダイオード レーザーは、ガリウムヒ素 (GaAs)、リン化インジウム (InP)、または窒化ガリウム (GaN) で作られたチップから形成されます。チップは、レーザー効果が発生する pn 接合の電荷空乏 (アクティブ) 領域を含む 2 つ (またはそれ以上) の層で構成されています。

端面発光ダイオードは、ミリワットから 10 ワット以上の範囲の高い光出力レベルを提供できます。また、他のほとんどの種類のレーザーやレーザー ダイオードと比較して、一般的な電気効率よりも高い電気効率も示します。これらのレーザーは、電気通信、光データ ストレージ、バーコード スキャン、レーザー印刷、光センシング、医療機器、産業用レーザー システムなど、ほとんどの分野で使用されています。

垂直共振器面発光ダイオード (VCSED) レーザー
VCSED デバイスは、より一般的には垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) と呼ばれます。これらは、チップの上面を通してチップの表面に垂直にレーザー光を放射する半導体レーザー ダイオード クラスです。 VCSEL は、2 つの分散型ブラッグ反射鏡で構成される垂直キャビティを備えた pn 接合チップから形成されます。電荷キャンセルによって光が開始される活性領域は、これらのミラーの間の中心にあります。このタイプのレーザーは通常、活性領域に量子井戸または同様の利得誘起構造を配置します。光は、明確で対称的なプロファイルを持つ円形または楕円形のビームとしてチップの表面に垂直に放射されます。このビーム プロファイルは、発散が比較的低く、コリメーションによく反応します。

これらのデバイスには、端面発光ダイオード レーザーに比べていくつかの利点があります。しきい値電流が低いため、低電力レベルで高い電気効率が可能になります。円形のビームプロファイルを持つこれらのデバイスは、光ファイバーへの結合に適しています。 VCSEL の主な利点は、ウェーハスケールで製造できるため、個別に構築されたデバイスよりも製造コストが低くなり、均一性が向上することです。

VCSED レーザーは、中赤外から近赤外、さらに可視光までのさまざまな波長を放射するために利用できます。出力の波長は、材料の選択、接合設計、および共振空洞の形状によって決まります。これらは、光ファイバー ネットワーク、光相互接続、高速データ伝送システムなどで広く使用されています。また、モバイル デバイスの顔認識や深度センシングのための 3D センシングや、光学式マウス、レーザー プリンタ、3D スキャナなどのより一般的な光学アプリケーションやセンシング アプリケーションでも使用されます。

分布帰還型 (DFB) レーザー
DFB (分布帰還) レーザーは、他の半導体レーザーと同様の構造を持っています。ただし、活性領域または外部導波路内に周期格子構造が組み込まれているのは、このクラスに特有のものです。分布帰還回折格子は、導波路領域の屈折率の周期的な変化で構成され、その結果、利得プロファイルの周期的な変調が生じます。これはフィードバック メカニズムとして機能し、他のモードを抑制しながら、選択した波長で光フィードバック/増幅を強制します。これは、これらのデバイスが高いスペクトル純度と狭い線幅で特定の波長の光を生成することを意味します。これは、高速データレートの光ファイバー通信、センシング、さまざまな高解像度分光法や計測アプリケーションに最適です。

DFB レーザーは、限られた範囲内で波長を調整できるように設計することもできます。これは、温度調整、電流調整、または屈折率調整を可能にする外部フィードバック機構の結果として生じます。

量子カスケードレーザー (QCL)
量子カスケード レーザー (QCL) は、レーザー光源として複数の半導体接合内のエネルギー レベル間の量子カスケード遷移を使用します。 QCL は、さまざまなバンドギャップの半導体層によって形成された障壁を備えた多重量子井戸から構成されています。順バイアス電流が印加されると、電子と正孔は複数の量子化エネルギーレベルを通過し、各遷移で効率的に光子を生成します。これらは、電磁スペクトルの中赤外およびテラヘルツ領域で放射を提供し、これらの領域内の広範囲の波長を放射できます。中赤外レーザー技術の大部分は極低温冷却を必要としますが、QCL は室温で動作するため、この周波数範囲を必要とするアプリケーションに最適です。高い光パワーレベルを実現することで、より高エネルギーのアプリケーションに適しており、非常に安定した出力の連続波 (CW) モードを提供します。

発光波長の比較的簡単な調整は層の厚さとバイアス電圧を調整することで実現できるため、複数の波長を必要とする分光分析アプリケーションに最適です。これらは、環境モニタリング、医療診断システム、リモート センシング、自由空間通信にも使用されます。

外部共振器ダイオードレーザー (ECDL)
ECDL は、外部キャビティ (通常は外部反射鏡または回折格子) を利用して、レーザー出力を増幅し、その特性を制御するデバイスの形式です。 ECDL は、他の形式のダイオード レーザーと比較して、同調性の向上、狭い線幅、正確な波長制御を可能にします。これらは他のダイオード レーザーと同様の構造を持ち、順方向バイアスの pn 接合と光子が放出される活性領域を備えています。外部キャビティがレーザーに追加され、発光周波数の正確な調整を可能にする光フィードバックが提供されます。この空洞には、ビームの一部を反射して空洞内に戻す反射体、回折格子、またはその他の光学構造が収容されています。

ECDL は、他の種類のダイオード レーザーと比較して、より狭い線幅を実現できます。外部キャビティは不要な縦モードと光ノイズを抑制し、より優れたコヒーレンスとより狭い線幅のビームを実現します。このクラスのデバイスは、非常に正確な光量子化のために高いスペクトル純度を必要とするアプリケーションに最適です。

ECDL は、ほとんどのダイオード レーザーと比較して、大幅に改善された波長調整性を実現します。レーザー波長は、外部反射鏡または回折格子の位置または入射角を微妙に調整することで正確に調整できます。これにより、分光法、原子分子物理学、計測学など、要求の厳しい幅広いアプリケーションが可能になります。外部共振空洞における優れた設計の利点は、放射周波数の調整がモードホップフリーになることです。つまり、漸近的で中断的なステップ変化を起こすことなく、所望の波長間で滑らかな調整を行うことができます。

テーパー型ダイオードレーザー
テーパーダイオードレーザー (またはテーパーアンプ、テーパーレーザー) は、テーパー増幅キャビティを備えたレーザーの一種です。これらのレーザーは、高出力、良好なビーム品質、および高い電気効率を実現します。このテーパー領域は入力端で広くなり、出力端に向かって徐々に狭くなります。この先細りは、ビーム幅を増加させ、レーザー増幅領域の光学密度を減少させるのに役立ちます。

テーパー状の増幅セクションによりモード領域が増加し、より高い光パワーの抽出が可能になります。また、出力におけるビーム品質のコリメーションの向上にも役立ちます。テーパはまた、加えられたポンプエネルギーの利用効率も高めます。テーパのもう 1 つの利点は、ゲイン スペクトルが増加し、出力の波長の範囲が広くなることです。この調整可能性は、このクラスの特に貴重な機能です。これらのデバイスは、材料加工、レーザー彫刻、レーザーポンピング (高出力ガスレーザーおよび固体レーザー用) に広く使用されています。高出力と優れたビーム品質により、精度、速度、出力が不可欠な要求の厳しい用途に適しています。

スーパールミネッセント ダイオード (SLD) レーザー
SLD (スーパールミネッセント ダイオード) レーザーは、増幅自然放出 (ASE) 光源としても知られ、レーザー ダイオードと LED の特性を組み合わせたレーザー タイプです。これらは高強度の広スペクトル光を生成するため、イメージング、光ファイバーセンシング、および通信における特定の用途に適しています。 SLD レーザーは、増幅された自然放出によってインコヒーレント光を生成します。これらのデバイスは、数十から数百ナノメートルの広い帯域幅の光を生成するため、SLD は広いスペクトル範囲または高解像度イメージングを必要とするアプリケーションに適しています。 SLD は非常に明るい出力を提供します。これは、単位立体角および単位波長帯域幅あたりの光パワーの尺度です。高い輝度は、自然放出光の増幅と光の増幅によって得られます。その出力は従来のレーザーと比較してコヒーレンス長が短くなります。これは、電磁波が位相関係を維持する距離です。このため、低コヒーレンス干渉や深度分解イメージングを必要とするアプリケーションに適しています。 SLD は、光コヒーレンストモグラフィー (OCT)、光ファイバーセンシング、分光法、生物医学イメージング、光学計測、および光学テストで使用されます。これらは、生体組織や材料の高解像度イメージングのための OCT システムで特に価値があります。

ダブルヘテロ構造レーザー
ダブル ヘテロ構造 (DH) レーザーは、テクノロジーの性能を向上させるヘテロ構造を統合したレーザー ダイオード ファミリの 1 つです。 DH レーザーは、一般的なホモ接合構造と比較して、しきい値電流が低く、効率が高く、出力が増加しています。

DH レーザーは、3 層で形成された 2 つの pn 接合から組み立てられます。空乏ゾーン (中央の n 型層) は、より広いバンドギャップを持つ 2 つの p 型層の間に結合されています。この構成により、キャリアが効率的に閉じ込められ、漏れのない光モードが実現され、電気効率と全体的なパフォーマンスが向上します。キャリアの閉じ込めが強化されると、キャリア密度と再結合が増加し、ほとんどの面で利得が向上し、動作効率が向上します。二次的な利点は、ヘテロ構造が光の閉じ込めを誘発し、光と物質の相互作用を促進することです。より低い閾値電流は、より低い電荷キャリア漏れにより生じ、これにより、より低い電流レベルでレーザが発振開始の閾値に到達することが可能になる。

これらのデバイスは、通信、光データ デバイス、レーザー印刷、およびレーザー対応測定システムで広く利用されています。これらは、高効率、低閾値電流、高出力が有利な長距離光ファイバー通信において特に価値があります。

量子井戸ダイオードレーザー
量子井戸ダイオードレーザーは、光学的/電気的特性を強化する量子井戸構造を含むデバイスファミリーです。これらは、より基本的なデバイスと比較して、より低いしきい値電流、より高い電力効率、および改善された波長制御を実現します。これらのデバイスは、より高いバンドギャップの層に包まれた、より狭いバンドギャップの薄い半導体ウェーハの層状構造から構築されています。量子井戸層は、キャリアと生成された光子の両方の閉じ込め領域を作成し、光増幅を向上させます。閉じ込められたキャリアにより量子井戸領域の密度が高まり、誘導放出のためのキャリアの利用が容易になり、結果として電力変換効率が向上します。ウェル幅と組成を調整することで、生成される波長を正確に制御できます。これにより、発光波長を厳しい仕様に合わせて正確に調整することができます。

量子井戸ダイオードレーザーは、狭い線幅の出力で知られています。縦モード競合の抑制と光ノイズの減少により、コヒーレンスが向上し、スペクトル動作が狭くなります。この形式のデバイスは、通信、光データ ストレージ、レーザー印刷、医療診断において特に有益です。光ファイバー通信用のコンパクトで効率的な放射線源は、高帯域幅および長距離の光ファイバーにおいて重要です。

シングル縦モードレーザー (SLM) レーザー
シングル縦モード (SLM) レーザーは光を放射し、高いコヒーレンスと狭い線幅で単一の周波数または波長の出力を生成します。 SLM レーザーは、モード選択要素、周波数安定化方法、キャビティ設計の最適化などのさまざまな技術を適用して、このシングルモード出力を実現します。干渉する縦​​モードを抑制することで、狭い周波数スペクトルでコヒーレント性の高い出力が生成されます。

SLM レーザーは、その高いコヒーレンス、正確な波長制御、狭い線幅により、通信、光ファイバーセンシング、計測学、分光法、干渉法などのさまざまな分野で、また研究ツールとして使用されています。

バンド間カスケードレーザー
バンド間カスケード レーザー (ICL) は、活性領域内の異なる電子バンド間のバンド間遷移で動作します。中赤外線波長スペクトルで効率的かつ高性能な動作を実現します。 ICL は、各ウェーハ内のエネルギー バンド間のバンド間遷移の恩恵を受け、複数のステージ/量子井戸間のカスケード遷移を利用して、光学利得とレーザー発光の向上を実現します。従来のダイオード レーザーは、より制限された帯域内遷移に依存しています。これらは通常、3 ～ 12 マイクロメートルの中赤外線波長の放射線を生成するように設計されています。複数の量子井戸ステージがカスケード構成で電気的に接続されています。各ステージは利得プロセスに関与し、その結果、単一接合デバイスよりも高い光増幅が得られます。

ICL は、レーザー発振開始時に特に低いしきい値電流を供給します。キャリアの輸送と利用効率が高いため、消費電力が低くなります。 ICL は、ガス検知、化学分析、環境モニタリング、産業プロセス制御、および自由空間光通信に適用されます。中赤外線は、特定の汚染物質の検出と測定に役立ちます。

分離閉じ込めヘテロ構造レーザー
分離閉じ込めヘテロ構造 (SCH) レーザーは、ヘテロ構造設計を使用して光学的および電気的特性を向上させます。これにより、一般的なホモ接合レーザーと比較して、光損失が低減され、キャリア閉じ込めが強化され、全体的な性能が向上します。 SCH レーザーには、さまざまなバンドギャップを持つ複数のウェーハが組み込まれ、より複雑なヘテロ構造が形成されます。空乏層はバンドギャップの広い層に挟まれています。この複雑さにより、キャリアと光モードの両方の閉じ込めを強化できます。

閉じ込めが改善され、光漏れが減少するのは、クラッド層が光と電荷キャリアの両方の活動を活性領域内に閉じ込めることから生じます。キャリア漏れの減少は、特にしきい値電流と電気効率の向上に貢献します。これにより、ホモ接合レーザーと比較して、温度安定性、より高い変調帯域幅、および温度依存の波長ドリフトが改善されるため、性能が向上します。 SCH レーザーは、効率と温度安定性が必要な用途に特に役立ちます。これらは、通信、光データストレージ、レーザー印刷、光センシング、レーザーベースの研究などの一般的なアプリケーションに適していますが、特に過酷な環境や光ファイバー通信システムに適しています。

分布型ブラッグ反射器 (DBR) レーザー
分布ブラッグ反射器 (DBR) デバイスは、増幅キャビティに統合された分布ブラッグ反射器を組み込んだデバイスです。この側面により、放射周波数の正確な制御と良好なスペクトル純度および選択のための狭いフィルタリングが可能になります。ブラッグ回折格子は、波長選択ミラーとして機能する高屈折率材料と低屈折率材料の交互層で構成されています。この構造は、選択されていないすべての波長の光を反射し、同時に所望の放射が増幅キャビティを通って伝播することを可能にします。この構造は正確な波長選択性を提供し、格子周期または屈折率のペアを調整することによって、放射される波長を一定範囲にわたって調整できます。これにより、波長分割多重 (WDM) システムや光干渉断層撮影 (OCT) などのさまざまなアプリケーションとのカスタマイズと互換性が容易になります。

DBR レーザーは、ブラッグ グレーティングの分散フィードバックの結果として狭い線幅の出力を提供します。回折格子は望ましくない縦モードを抑制し、狭いスペクトル幅の単一モード放射をもたらします。これらのデバイスは、有益な高いサイドモード抑制比 (HSMSR) を提供します。HSMSR は、目的のレーザー モードと隣接するモードの間のパワー差を表し、選択性、スペクトル純度、狭い線幅の尺度を提供します。

DBR レーザーは、通信、光ファイバーセンシング、分光法、計測学、および光コヒーレンストモグラフィーで使用されます。これらは、特定の波長、狭い線幅、および高いスペクトル純度を必要とするさまざまなシステムで、正確で安定した光源として使用されます。

垂直外部共振器面発光レーザ
垂直外部共振器面発光レーザー (VECSEL) は、垂直外部共振器面発光レーザー (VCSEL) と外部共振器ダイオード レーザー (ECDL) の両方の利点を組み合わせた特殊なタイプのレーザー デバイスです。これにより、高出力、波長調整性、優れたビーム品質などの独自の機能が実現します。

VECSEL はレーザーキャビティが垂直方向に向けられているため、光はチップ表面に対して垂直に放射されます。この垂直設計により、効率的な熱放散と放射ビームの正確な制御が可能になります。外部キャビティ構成は、チップ構造の外側に配置された追加の反射面から構成されています。これにより、波長制御、ビーム整形、パワースケーリングが可能になります。 VECSEL は、外部キャビティ構成により熱放散が向上するため、VCSEL よりも高い出力電力が可能です。外部共振器ミラーの位置を変更するか、デバイスの動作温度を調整することにより、広いスペクトル範囲にわたる正確な波長調整が可能になります。 VECSEL は、精密に設計された外部共振器の使用により、低発散角と均一なビーム プロファイルの高品質出力を実現します。

VECSEL は、科学研究、材料加工、医療診断、光センシング、および通信で使用されます。これらは、レーザー分光法、レーザー冷却および原子のトラップ/操作、レーザーアブレーション、および高速データレートの光通信などの高精度アプリケーションに役立ちます。

マルチ縦モード (MLM) レーザー
マルチ縦モード (MLM) レーザーは、比較的広いスペクトルにわたって、狭い間隔で配置されたいくつかの狭い周波数帯域で放射するという珍しい機能を提供します。 MLM レーザーの縦モードは狭い間隔で配置されています。間隔は、共振空洞の長さやレーザー媒質の屈折率などの共振空洞の機能設計に依存します。その幅広い発光スペクトルは、これらの複数のモードの存在によるものです。モードのスペクトル幅と分布は、キャビティと接合の設計、および動作条件によって生じます。

MLM レーザーは、分光法、計測学、干渉法、通信分野で使用されます。特に、複数の縦モードの干渉により高解像度のイメージングが可能な光コヒーレンストモグラフィー (OCT) に適用できます。

ダイオードレーザー加工機の応用

ダイオードレーザーマシンのメンテナンス方法

ダイオードレーザーの仕組み

ダイオード レーザーは、半導体接合部で光子の放出を刺激することによって機能します。半導体材料には、コヒーレント光の生成と増幅を引き起こす特定のエネルギーバンドギャップがあります。ダイオードは pn 接合で構成されます。 n 型領域は過剰な負に帯電したキャリア (電子) を生成し、p 型領域は過剰な正に帯電したキャリア (正孔) を生成します。接合により、2 つの材料の間に空乏領域が形成されます。順バイアス電圧 (p 材料に +ve、n 材料に -ve) が接合間に印加されると、電流が流れます。これにより、電荷キャリアが接合部を横切って移動します。 n領域からの電子とp領域からの正孔が空乏領域に注入されます。これらは出会って中和し、電荷がキャンセルされるたびに光子を放出します。

ダイオード レーザーは、端に反射面があり、「光キャビティ」を形成するように設計されています。光子は内部で反射し、光フィードバックによって誘導放出が強化され、結果として狭帯域のコヒーレント光が生成されます。刺激放出は、光子が励起された電子と相互作用し、別の光子を放出させるときにも発生します。これらの追加の光子はトリガーとなる光子と同一であり、増幅につながります。誘導放出が継続し、光子がキャビティ内で反射されると、レーザーエネルギーの強度が増加します。