高出力レーザーの用途が拡大するにつれ、レーザーダイオードバーはレーザーポンピング、産業用プロセス、医療機器、科学研究などの分野において不可欠なものとなっています。優れた出力密度、モジュール式の拡張性、そして高い電気光学効率を備えたこれらのデバイスは、多くの現代のレーザーシステムの中核を担っています。しかし、レーザーダイオードバーの多くの性能指標の中で、見落とされがちなものの、非常に重要なパラメータが1つあります。それが発散角です。この記事では、レーザーダイオードバーにおける発散角の特性、物理的起源、そしてその影響、そして光学設計によって発散角を効果的に管理する方法について考察します。
1. 発散角とは何ですか?
広がり角は、レーザービームが自由空間を伝播する際の広がり方を表します。これは、ビームが発光面からどれだけ広がるかを示します。レーザーダイオードバーでは、広がり角は主に2つの方向で強い非対称性を示します。
高速軸：バー表面に対して垂直。発光領域は非常に狭く（通常1～2µm）、発散角は大きく、30°～45°以上となることが多い。
スロー軸：バーの長さに平行。発光領域がはるかに広く（数百ミクロン）、結果として発散角はより小さくなり、通常は5°～15°程度になります。
この非対称の発散は、レーザー ダイオード バーを含むシステム統合における主要な設計上の課題です。
2. 分岐の物理的起源
発散角は主に導波路構造と放射面のサイズによって決まります。
高速軸では、放射面積は非常に小さくなります。回折理論によれば、開口部が小さいほど発散角は大きくなります。
低速軸では、ビームは複数のエミッターにわたってバーの長さに沿って拡大し、発散角が小さくなります。
その結果、レーザー ダイオード バーは本質的に、高速軸では大きな発散を示し、低速軸では小さな発散を示します。
3. 発散角がシステム設計に与える影響
① コリメーションとビーム成形のコストが高い
生ビームの非対称性が高いため、FAC（高速軸コリメーション）およびSAC（低速軸コリメーション）光学系を使用する必要があります。これによりシステムの複雑さが増し、高い設置精度と熱安定性が求められます。
② ファイバー結合効率の限界
レーザーバーをマルチモードファイバー、光学系、または非球面レンズに結合する場合、高速軸の大きな発散角によりビームの「スピルオーバー」が発生し、結合効率が低下する可能性があります。発散角は光損失の主な原因です。
③ モジュールスタッキングにおけるビーム品質
マルチバースタックモジュールでは、発散が適切に制御されていないと、ビームの重なりが不均一になったり、遠距離場の歪みが生じたりして、焦点の精度や熱分布に影響が出る可能性があります。
4. レーザーダイオードバーの発散角を制御および最適化する方法
発散は主にデバイス構造によって定義されますが、最適化にはいくつかのシステムレベルの戦略を使用できます。
①FACレンズの使用
高速軸コリメーション レンズを発光面の近くに配置することで、ビームが圧縮され、高速軸の発散が減少します。これは、ほとんどの設計で不可欠です。
②追加のシェーピングのためのSACレンズ
遅軸の発散は小さくなりますが、均一な出力を実現するには、アレイまたは線光源での形状調整が依然として必要です。
③ビーム結合と光学成形設計
マイクロレンズアレイ、円筒レンズ、または構造化光学系を使用すると、複数のレーザービームを高輝度で均一な出力に成形できます。
④デバイスレベルの導波管最適化
アクティブ層の厚さ、導波路設計、および格子構造を調整することで、チップレベルから高速軸の発散をさらに調整できます。
5. 実世界アプリケーションにおける発散制御
①レーザーポンプ光源
高出力固体レーザーシステムまたはファイバーレーザーシステムでは、レーザーダイオードバーが励起光源として機能します。特に高速軸における発散角を制御することで、結合効率とビーム集束性が向上します。
②医療機器
レーザー治療や脱毛などのシステムでは、発散を管理することで、より均一なエネルギー供給と、より安全で効果的な治療が保証されます。
③工業材料加工
レーザー溶接および切断では、発散度を最適化することで、より高い電力密度、より優れた焦点、より正確で効率的な処理が可能になります。
6. 結論
レーザー ダイオード バーの発散角は、マイクロ スケールのチップ物理からマクロ スケールの光学システムまでの重要な移行ポイントです。
これはビーム品質の指標であると同時に、インテグレーションの設計境界としても機能します。アプリケーションの要求とシステムの複雑さが増すにつれ、発散角を理解し制御することは、レーザーメーカーとインテグレーターの双方にとって、特に高出力、高輝度、そして信頼性の向上を目指す上で、コアコンピテンシーとなります。
投稿日時: 2025年7月14日