高出力レーザーの分野において、レーザーバーは不可欠なコアコンポーネントです。レーザーバーはエネルギー出力の基本単位として機能するだけでなく、現代の光電子工学の精密さと統合性を体現しています。—レーザーシステムの「エンジン」と呼ばれるレーザーバー。しかし、レーザーバーの構造とは一体どのようなもので、わずか数ミリの大きさから数十ワット、あるいは数百ワットの出力をどのようにして実現しているのでしょうか？この記事では、レーザーバーの内部構造とエンジニアリングの秘密を探ります。
1. レーザーバーとは何ですか?
レーザーバーは、複数のレーザーダイオードチップを単一基板上に横方向に配列した高出力発光デバイスです。動作原理は単一の半導体レーザーと類似していますが、レーザーバーはマルチエミッターレイアウトを採用することで、より高い光出力とよりコンパクトなフォームファクターを実現しています。
レーザー バーは、直接レーザー光源として、またはファイバー レーザーや固体レーザーのポンプ光源として、産業、医療、科学、防衛の各分野で広く使用されています。
2. レーザーバーの構造構成
レーザーバーの内部構造は、その性能を直接的に決定します。主に以下のコアコンポーネントで構成されています。
①エミッターアレイ
レーザーバーは通常、10～100個のエミッター（レーザーキャビティ）が並んで配置されています。各エミッターは約50–150μ幅は1mで、独立したゲイン領域として機能します。PN接合、共振空洞、導波路構造を備え、レーザー光を生成・放射します。すべてのエミッターは同じ基板を共有していますが、通常は並列またはゾーンごとに電気的に駆動されます。
②半導体層構造
レーザー バーの中心には、次のような半導体層のスタックがあります。
- P型およびN型エピタキシャル層（PN接合を形成）
- 誘導放出を生成する活性層（例：量子井戸構造）
- 導波層、横方向および垂直方向のモード制御を確保
- レーザーの指向性出力を高めるブラッグ反射鏡またはHR/ARコーティング
③基板と熱管理構造
エミッターはモノリシック半導体基板（通常はGaAs）上に形成されます。効率的な放熱のため、レーザーバーは銅、W-Cu合金、CVDダイヤモンドなどの高伝導性サブマウントにはんだ付けされ、ヒートシンクとアクティブ冷却システムと組み合わせられます。
④発光面とコリメーションシステム
放射ビームの発散角が大きいため、レーザーバーには通常、コリメーションとビーム整形のためのマイクロレンズアレイ（FAC/SAC）が装備されています。特定の用途では、追加の光学系が必要になります。—円筒レンズやプリズムなど—遠距離場の発散とビーム品質を制御するために使用されます。
3. パフォーマンスに影響を与える主要な構造的要因
レーザーバーの構造は、その安定性、効率、そして耐用年数を決定する上で重要な役割を果たします。重要な側面としては、以下のようなものが挙げられます。
①熱管理設計
レーザーバーは、高い出力密度と集中した熱を特徴としています。AuSnはんだ付けまたはインジウムボンディングと、均一な放熱のためのマイクロチャネル冷却を組み合わせることで、低い熱抵抗を実現しています。
②ビーム成形とアライメント
複数のエミッターは、しばしばコヒーレンスの低下や波面のずれといった問題に悩まされます。遠距離場ビームの品質向上には、精密なレンズ設計とアライメントが不可欠です。
③ストレスコントロールと信頼性
材料の熱膨張係数の不一致は、反りや微小亀裂につながる可能性があります。パッケージは、機械的応力を均等に分散し、劣化なく熱サイクルに耐えられるよう設計する必要があります。
4. レーザーバー設計の将来動向
高出力、小型化、そして信頼性の向上に対する需要が高まるにつれ、レーザーバー構造は進化を続けています。主な開発方向性は以下の通りです。
①波長拡張：1.5への拡張μmおよび中赤外線バンド
②小型化：小型デバイスや高集積モジュールでの使用が可能
③スマートパッケージング：温度センサーと状態フィードバックシステムを組み込む
④高密度スタッキング：コンパクトな設置面積でキロワットレベルの出力を実現する階層型アレイ
5. 結論
として「心臓”高出力レーザーシステムにおいて、レーザーバーの構造設計はシステム全体の光学的、電気的、そして熱的性能に直接影響を及ぼします。数十個のエミッターをわずか数ミリメートル幅の構造に集積することは、高度な材料と製造技術を示すだけでなく、今日のレーザーシステムにおける高度な集積度を象徴しています。'フォトニクス産業。
今後、効率的で信頼性の高いレーザー光源の需要が高まり続けるにつれて、レーザーバー構造の革新はレーザー業界を新たな高みへと前進させる重要な原動力であり続けるでしょう。
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投稿日時: 2025年7月2日