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レーザー利得媒体とは何ですか?
レーザー利得媒体は、誘導放出によって光を増幅する材料です。媒体の原子または分子がより高いエネルギーレベルまで励起されると、より低いエネルギー状態に戻るときに特定の波長の光子を放出することがあります。このプロセスは媒体を通過する光を増幅します。これはレーザー動作の基本です。
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通常のゲイン媒体は何ですか?
ゲイン媒体は次のように変更できます。ガス, 液体（染料）, 固体(希土類または遷移金属イオンがドープされた結晶またはガラス)、および半導体。固体レーザーたとえば、Nd: YAG (ネオジムをドープしたイットリウム アルミニウム ガーネット) や希土類元素をドープしたガラスなどの結晶を使用することがよくあります。染料レーザーは溶媒に溶解した有機染料を使用し、ガスレーザーはガスまたはガス混合物を使用します。
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
利得媒質としての Nd (ネオジム)、Er (エルビウム)、Yb (イッテルビウム) の違い
これらは主に、特にドープされたレーザー材料に関連した、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に関連しています。
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にあり、光ファイバーでの損失が低いため、電気通信用途に非常に役立ちます (Gong et al., 2016)。
- Yb: イッテルビウムは、多くの場合約 1.0 ～ 1.1 μm を放出するため、高出力レーザーや増幅器などの幅広い用途に適しています。 Yb は Er の増感剤としてよく使用され、Yb から Er にエネルギーを移動させることで Er ドープデバイスの効率を高めます。
- Nd: ネオジムをドープした材料は通常、約 1.06 µm を放出します。たとえば、Nd:YAG はその効率がよく知られており、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 ～ 1.6 μm の範囲での発光を強化するのに有益です。 Yb は、ポンプ光を吸収して Er イオンにエネルギーを伝達することにより、Er に対する効率的な増感剤として機能し、通信帯域での発光の増幅につながります。このエネルギー伝達は、Er ドープ ファイバー増幅器 (EDFA) の動作にとって重要です (DK Vysokikh et al., 2023)。
- Nd: Nd は通常、Er ドープ システムでは Yb のような増感剤を必要としません。 Nd の効率は、ポンプ光の直接吸収とその後の放出によって得られるため、直接的かつ効率的なレーザー利得媒体となります。
アプリケーション:
- えー:シリカ光ファイバの最小損失ウィンドウと一致する 1.55 μm で放射されるため、主に電気通信で使用されます。 Er ドープ利得媒体は、長距離光ファイバー通信システムの光増幅器やレーザーにとって重要です。
-Yb:効率的なダイオードポンピングと高出力を可能にする比較的単純な電子構造により、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 システムの性能を向上させるためにも使用されます。
- ND: 工業用の切断や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、出力、多用途性の点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 ダイオードによって励起される固体利得媒体 (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、可視から赤外のスペクトルで高品質のビームを生成できるコンパクトで効率的なレーザーが可能になります。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から 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検討してください。
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Nd:YAG は、さまざまな研究で明らかにされているように、いくつかの理由から半導体励起レーザー モジュールの利得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では、大幅な効率が実証され、ダイオード側励起 Nd:YAG レーザーは、広い周波数範囲でパルスごとの一定のエネルギーを維持しながら、最大平均パワー 220 W を提供します。これは、ダイオードによって励起された場合の Nd:YAG レーザーの高効率と高出力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 セラミックは、目に安全な波長を含むさまざまな波長で効率的に動作し、高い光対光効率を備えていることが示されています。これは、さまざまなレーザー用途における利得媒体としての Nd:YAG の多用途性と信頼性を示しています (Zhang et al., 2013)。
3.寿命とビーム品質: 高効率のダイオード励起 Nd:YAG レーザーに関する研究では、その寿命と一貫した性能が強調されており、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ています。この研究では、4.8 x 10^9 ショットを超えるショットで光学的損傷を与えることなく、優れたビーム品質を維持した長時間動作が報告されました (Coyle et al., 2004)。
4.高効率の連続波動作:研究では、Nd:YAG レーザーの高効率な連続波 (CW) 動作が実証されており、ダイオード励起レーザー システムの利得媒体としての Nd:YAG レーザー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ており、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)。
Nd:YAG は、高効率、出力、動作の柔軟性、信頼性、長寿命、優れたビーム品質の組み合わせにより、幅広い用途の半導体励起レーザー モジュールの好ましい利得媒体となっています。
参照
Chang, Y.、Su, K.、Chang, H.、Chen, Y. (2009)。自己ラマン媒体として両端拡散結合 Nd:YVO4 結晶を使用した、1525 nm のコンパクトで効率的な Q スイッチ アイセーフ レーザーです。 Optics Express、17(6)、4330-4335。
Gong, G.、Chen, Y.、Lin, Y.、Huang, J.、Gong, X.、Luo, Z.、および Huang, Y. (2016)。有望な155μmレーザー利得媒体としてのEr:Yb:KGd(PO3)_4結晶の成長と分光特性。光学材料エクスプレス、6、3518-3526。
ヴィソキフ、DK、バザクツァ、A.、ドロフィーンコ、AV、およびブトフ、O. (2023)。ファイバー増幅器およびレーザー用の Er/Yb 利得媒体の実験ベースのモデル。アメリカ光学学会誌 B.
Lera, R.、Valle-Brozas, F.、Torres-Peiro, S.、Ruiz-de-la-Cruz, A.、Galán, M.、Bellido, P.、Simetz, M.、Benlloch, J.、 & ロゾ、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.、 & リー、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。光学レターズ、38(16)、3075-3077。
DB コイル、R. ケイ、P. Stysley、D. ポリオス (2004)。宇宙ベースの植生地形高度測定用の、効率的で信頼性が高く長寿命のダイオード励起 Nd:YAG レーザーです。応用光学、43(27)、5236-5242。
Zhu, HY、Xu, CW、Zhang, J.、Tang, D.、Luo, D.、および Duan, Y. (2013)。 946 nm の高効率連続波 Nd:YAG セラミック レーザー。レーザー物理学レター、10.
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目次：
- 1. レーザー利得媒体とは何ですか?
- 2.通常のゲイン媒体は何ですか?
- 3.nd、er、ybの違い
- 4.なぜNd:Yagを利得媒質として選んだのか
- 5.参考文献リスト（参考文献）
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投稿日時: 2024 年 3 月 13 日