ニュース - DPSS レーザーのゲイン媒体として Nd:YAG 結晶を使用するのはなぜですか?

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レーザーゲイン媒体とは何ですか?

レーザー利得媒質は、誘導放出によって光を増幅する物質です。媒質中の原子または分子が高エネルギー準位に励起されると、低エネルギー状態に戻る際に特定の波長の光子を放出します。このプロセスによって媒質を通過する光が増幅され、レーザー動作の基本的な役割を果たします。

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通常のゲイン媒体は何ですか?

ゲイン媒体は多様であり、例えばガス, 液体（染料）, 固体（希土類元素または遷移金属イオンを添加した結晶またはガラス）、半導体などがあります。固体レーザー例えば、Nd:YAG（ネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネット）のような結晶や希土類元素を添加したガラスがよく使用されます。色素レーザーは溶媒に溶解した有機色素を使用し、ガスレーザーはガスまたは混合ガスを使用します。

レーザーロッド（左から右へ）：ルビー、アレキサンドライト、Er:YAG、Nd:YAG

利得媒体としてのNd（ネオジム）、Er（エルビウム）、Yb（イッテルビウム）の違い

主に、発光波長、エネルギー伝達メカニズム、およびアプリケーション、特にドープされたレーザー材料のコンテキストに関係します。

発光波長:

- Er: エルビウムは通常 1.55 µm で放射します。これは目に安全な領域であり、光ファイバーでの損失が低いため、通信アプリケーションに非常に役立ちます (Gong ら、2016)。

- Yb：イッテルビウムは1.0～1.1µm付近で発光することが多く、高出力レーザーや増幅器など、幅広い用途に適しています。Ybは、エネルギーをYbからErへ移動させることでErドープデバイスの効率を高めるため、Erの増感剤としてよく使用されます。

- Nd：ネオジムをドープした材料は、通常1.06µm付近の波長を放射します。例えば、Nd:YAGはその効率の高さで知られており、産業用レーザーと医療用レーザーの両方で広く使用されています（Y. Chang et al., 2009）。

エネルギー伝達メカニズム：

- ErとYbの共ドーピング：ホスト媒体へのErとYbの共ドーピングは、1.5～1.6µm帯の発光を増強するのに効果的です。Ybはポンプ光を吸収し、Erイオンにエネルギーを伝達することでErの効率的な増感剤として作用し、通信帯域における発光の増幅をもたらします。このエネルギー伝達は、Er添加光ファイバ増幅器（EDFA）の動作に不可欠です（DK Vysokikh et al., 2023）。

- Nd：Ndは、Erドープシステムにおいて、Ybのような増感剤を通常必要としません。Ndの効率は、ポンプ光を直接吸収し、その後放出することから得られるため、シンプルで効率的なレーザー増幅媒体となります。

用途:

- えーと：1.55µmで発光するため、主に通信用途で使用されます。この波長はシリカ光ファイバーの最小損失波長と一致します。エルビウム添加利得媒質は、長距離光ファイバー通信システムにおける光増幅器やレーザーにとって不可欠です。

- Yb:比較的シンプルな電子構造により効率的なダイオードポンピングと高出力が可能となるため、高出力アプリケーションでよく使用されます。Ybドープ材料は、Erドープシステムの性能向上にも使用されます。

- ンド工業用切断・溶接から医療用レーザーまで、幅広い用途に適しています。Nd:YAGレーザーは、その効率性、出力、汎用性の高さで特に高く評価されています。

DPSSレーザーの利得媒体としてNd:YAGを選択した理由

DPSSレーザーは、半導体レーザーダイオードで励起された固体利得媒質（Nd:YAGなど）を使用するレーザーの一種です。この技術により、可視光線から赤外線まで、高品質ビームを生成できるコンパクトで効率的なレーザーを実現できます。詳細な記事については、信頼できる科学データベースや出版社でDPSSレーザー技術に関する包括的なレビューを検索することをお勧めします。

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Nd:YAG は、さまざまな研究で強調されているように、いくつかの理由から、半導体励起レーザーモジュールのゲイン媒体としてよく使用されます。

1.高効率と高出力ダイオード側面励起Nd:YAGレーザーモジュールの設計とシミュレーションにより、優れた効率が実証されました。ダイオード側面励起Nd:YAGレーザーは、広い周波数範囲においてパルスあたりのエネルギーを一定に保ちながら、最大平均出力220Wを実現しました。これは、ダイオード励起Nd:YAGレーザーの高い効率と高出力の可能性を示しています（Lera et al., 2016）。
2.運用の柔軟性と信頼性Nd:YAGセラミックスは、眼に安全な波長を含む様々な波長において、高い光対光効率で効率的に動作することが実証されています。これは、様々なレーザー用途における利得媒体としてのNd:YAGの汎用性と信頼性を実証しています（Zhang et al., 2013）。
3. 寿命とビーム品質高効率ダイオード励起Nd:YAGレーザーに関する研究では、その長寿命性と安定した性能が強調され、耐久性と信頼性の高いレーザー光源を必要とする用途にNd:YAGが適していることが示されました。この研究では、光学的損傷なしに4.8 x 10^9ショット以上の長時間動作が可能で、優れたビーム品質を維持していることが報告されています（Coyle et al., 2004）。
4.高効率連続波動作：研究では、Nd:YAGレーザーの高効率連続波（CW）動作が実証されており、ダイオード励起レーザーシステムにおける利得媒体としての有効性が強調されています。これには高い光変換効率とスロープ効率の達成が含まれ、Nd:YAGが高効率レーザー用途に適していることがさらに証明されています（Zhu et al., 2013）。

高効率、高出力、運用柔軟性、信頼性、長寿命、優れたビーム品質の組み合わせにより、Nd:YAG は幅広い用途の半導体ポンプ式レーザーモジュールに適したゲイン媒体となっています。

参照

Chang, Y., Su, K., Chang, H., & Chen, Y. (2009). 両端拡散接合Nd:YVO4結晶を自己ラマン媒質とした、波長1525 nmにおける小型高効率Qスイッチアイセーフレーザー. Optics Express, 17(6), 4330-4335.

Gong, G., Chen, Y., Lin, Y., Huang, J., Gong, X., Luo, Z., & Huang, Y. (2016). 有望な155µmレーザー利得媒質としてのEr:Yb:KGd(PO3)_4結晶の成長と分光特性. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). 光ファイバー増幅器およびレーザー用Er/Yb利得媒質の実験モデル. Journal of the Optical Society of America B.

Lera, R.、Valle-Brozas, F.、Torres-Peiró, S.、Ruiz-de-la-Cruz, A.、Galán, M.、Bellido, P.、seimetz, M.、Benlloch, J.、および Roso, L. (2016)。ダイオード側励起 QCW Nd:YAG レーザーのゲインプロファイルと性能のシミュレーション。応用光学、55(33)、9573-9576。

Zhang, H., Chen, X., Wang, Q., Zhang, X., Chang, J., Gao, L., Shen, H., Cong, Z., Liu, Z., Tao, X., & Li, P. (2013). 1442.8 nmで動作する高効率Nd:YAGセラミックアイセーフレーザー. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.

Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P., & Poulios, D. (2004). 宇宙ベースの植生地形高度測定のための高効率、高信頼性、長寿命のダイオード励起Nd:YAGレーザー. 応用光学, 43(27), 5236-5242.

Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D., & Duan, Y. (2013). 946 nmにおける高効率連続波Nd:YAGセラミックレーザー. Laser Physics Letters, 10.

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