現代のレーザー技術において、ダイオード励起モジュールは、その高い効率、信頼性、そしてコンパクトな設計により、固体レーザーやファイバーレーザーの理想的な励起光源となっています。しかし、その出力性能とシステム安定性に影響を与える重要な要素の一つは、励起モジュール内のゲイン分布の均一性です。
1. ゲイン分布均一性とは何ですか?
ダイオードポンピングモジュールでは、複数のレーザーダイオードバーがアレイ状に配置され、そのポンプ光が光学系を介して利得媒体（YbドープファイバーやNd:YAG結晶など）に送られます。ポンプ光のパワー分布が不均一な場合、媒体における利得が非対称となり、以下の現象が発生します。
①レーザー出力のビーム品質の低下
②全体的なエネルギー変換効率の低下
③熱ストレスの増加とシステム寿命の短縮
④動作中に光学的損傷が発生するリスクが高い
したがって、ポンプ光分布の空間均一性を達成することは、ポンプ モジュールの設計と製造における重要な技術目標です。
2. 不均一なゲイン分布の一般的な原因
①チップ放出電力の変動
レーザーダイオードチップは本質的に出力にばらつきがあります。適切な選別や補正を行わないと、これらのばらつきにより、ターゲット領域全体にわたって励起強度が不均一になる可能性があります。
②コリメーションとフォーカスシステムのエラー
光学コンポーネント (FAC/SAC レンズ、マイクロレンズ アレイ、ファイバー カプラなど) の位置ずれや欠陥により、ビームの一部が目的のターゲットから外れ、ホットスポットやデッド ゾーンが生じる可能性があります。
③温度勾配効果
半導体レーザーは温度に非常に敏感です。ヒートシンクの設計が不十分であったり、冷却が不均一だったりすると、チップ間で波長ドリフトが発生し、結合効率や出力の安定性に影響を与える可能性があります。
④不適切なファイバー出力設計
マルチコア ファイバーまたはビーム結合出力構造では、コアのレイアウトが不適切であると、ゲイン媒体におけるポンプ光の分布が均一でなくなることもあります。
3. ゲイン均一性を向上させる技術
①チップの選別と電力マッチング
レーザー ダイオード チップを正確に選別してグループ化し、各モジュール内で一貫した出力電力を確保して、局所的な過熱とゲイン ホットスポットを最小限に抑えます。
②最適化された光学設計
非結像光学系または均質化レンズ（マイクロレンズアレイなど）を使用して、ビームの重なりと焦点の精度を改善し、ポンプ光プロファイルを平坦化します。
③強化された熱管理
高熱伝導率材料（CuW、CVD ダイヤモンドなど）と均一な温度制御戦略を使用して、チップ間の温度変動を低減し、安定した出力を維持します。
④光強度の均一化
ポンプ光路に沿って拡散器またはビーム成形要素を組み込み、ゲイン媒体内でより均一な光の空間分布を実現します。
4. 実世界における応用における実用的価値
ハイエンドレーザーシステム—精密工業加工、軍事用レーザー照準、医療、科学研究など—レーザー出力の安定性とビーム品質は極めて重要です。ゲイン分布の不均一性は、特に以下の状況において、システムの信頼性と精度に直接影響を及ぼします。
①高エネルギーパルスレーザー：局所的な飽和や非線形効果を回避
②ファイバーレーザー増幅器: ASE（増幅自然放出光）の蓄積を抑制
③LIDARおよび測距システム：測定精度と再現性の向上
④医療用レーザー：治療中の正確なエネルギー制御を保証します
5. 結論
ゲイン分布の均一性は、ポンプモジュールにおいて最も目に見えるパラメータではないかもしれませんが、高性能レーザーシステムに確実に電力を供給するためには不可欠です。レーザーの品質と安定性に対する要求が高まるにつれて、ポンプモジュールメーカーは、「均一性制御”コアプロセスとして—チップの選択、構造設計、熱戦略を継続的に改良し、下流のアプリケーションに、より信頼性が高く一貫性のあるレーザー ソースを提供します。
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投稿日時: 2025年8月20日