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コヒレント社製 次世代小型連続発振レーザとその応用

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コヒレント社製 次世代小型連続発振レーザとその応用
(2010 年 9 月 22 日現在)
コヒレント・ジャパン(株)
産業用レーザセールスG 山崎 達三
〒135-0016 東京都江東区東陽 7-2-14 TEL:03-5635-8700
1.はじめに
近年、LD の高出力化、長寿命化と非線形光
学技術の発展により可視や紫外光を発振する
LD 励起固体レーザや LD モジュールは、ガス
レーザの置き換え光源として注目され導入が急
速に進んでいる。一方、Coherent 社は、独自
の技術を用いて従来の結晶レーザ技術に代わる
次世代レーザの開発、製品化を進めている。本
稿では、注目の次世代連続発振レーザである光
励起半導体レーザとその応用について紹介する。
2. 市販の連続発振の紫外及び可視レーザ
表1に示すのは、ガスレーザの主な発振波長
と当社の可視から UV 領域において連続(擬似
連続)発振が可能な LD モジュールないし全固
体レーザの発振波長ならびにモデル名を示した
ものであるが、ほとんどの発振波長で置き換え
が可能な状況であることがわかる。
ガスレーザの発振波長
当社の製品
He-Ne レーザ
660nm (CUBE)
(633,612,594,543nm)
640nm (CUBE)
577nm (Genesis)
Kr レーザ
561,568nm
(647,568,531,413,351nm)
(Sapphire,Compass)
532nm
Ar レーザ
(Verdi,Genesis,Compass)
(514,488,458,364,351nm)
514nm (Sapphire)
488nm
Ar レーザ SHG
(Sapphire,CUBE-FP)
(257,244nm 等)
458,460nm
(Sapphire,Genesis)
He-Cd レーザ
445nm / 405nm(CUBE)
(442,325nm)
375nm(CUBE)
355nm
(Paladin355/Genesis355 )
266nm(Azure266)
表 1:ガスレーザの発振波長と当社の製品
一方、GaN 系の LD は 375 nm-488 nm の発振
波長領域で数十 mW レベルのシングルモード
発振の製品が市場導入されており、波長変換を
用いたこの領域を発振する固体レーザはコスト
面で厳しい状況に追い込まれている。このよう
な状況において、当社は特定の発振波長を半導
体チップの設計により生み出すことが可能で、
しかも小型、高出力化が実現できる光励起半導
体レーザの製品化に注力している。
3.光励起半導体レーザ技術を用いた次世代レ
ーザとその応用例
バイオ応用分野では、当時主流であったレー
ザの発振波長に適合した蛍光色素が開発されデ
ータが長期において蓄積されてきた。一方、従
来の結晶を用いた LD 励起固体レーザでは発振
波長が励起媒体により制限されてしまうため、
ガスレーザが発振する波長に完全に一致させる
ことができない。一方、LD 光を励起源にし、
光(フォトン)で特定の組成の LD を励起する
ことにより波長変換を行う VECSEL(Vertical
External Cavity Surface Emitting Laser)
を用いた面発光レーザ技術が、新たなレーザ発
振技術として注目されている。当社では、励起
の対象となる半導体チップの前に特定の曲率を
もったミラーを配置し共振器を構成し、半導体
チップを光励起することにより波長変換と空間
モードの整合が可能な画期的な技術特許を
1997 年 Micracor Inc(米国)から取得した。
更には、すでにグリーンレーザ開発の際に培っ
た内部 SHG 変換技術を組み合わせることによ
り、UV からイエローの連続発振レーザ光の発
振に成功し、製品を市場に導入している。光励
起 半 導 体 レ ー ザ (OPSL:Optically Pumped
Semiconductor Laser)とは、VECSEL(Vertical
External Cavity Surface Emitting Laser)と
呼ばれ、通常電気で駆動する半導体レーザと異
なる特長を持ち、レーザ発振を光(フォトン)
Superior Reliability & Performance
で励起することにより実現する。
図1のように、
励起媒体には当社が開発製造する InGaAs系量
子井戸式半導体レーザを用い、励起用高出力長
寿命 InGaAsP 系半導体チップ全体に照射し、縦
励起する手法〔面発光〕を用いている。面発光
レーザとの違いは出力ミラーを配置し、共振器
を組んでいる点であり、このことにより空間モ
ードに優れた理想ビームを得ることができる。
半導体チップは希望の基本波長が発振する材料
の配合により設計、選択されている。更には、
共振器内に配置された SHG(第二高調波発生)結
晶を組み合わせることにより効率的にブルー、
グリーン、イエロー光を発振する。下記にこの
OPSL 技術を用いた製品ラインアップについて
説明する。波長選択は BRF(複屈折フィルタ)
により選択されているため長期使用においても
発振波長が同様となることも特長となっている。
BLUE OR GREEN
OUTPUT
MIRROR
SECOND HARMONIC
GENERATION
CRYSTAL
BRF WAVELENGTH TUNER
PUMP LASER DIODE
HEAT SINK
MIRROR
PUMP LENS
OPS CHIP
AR COATING
QUANTUM WELLS
DBR MIRROR
HEAT SINK
図 1 OPSL 概念図
3.1 低出力モデル SapphireTM シリーズ
Sapphire シリーズ(写真)は、空冷 Ar レーザの
置き換え光源として2001年5月に製品発表して
以来、その性能、省電力、長寿命、信頼性が評
価され、ブルー(488 nm)モデルは、バイオ応用
ニーズを中心にすでに 20,000 台以上の納入が
完了している。更には、空冷イオンレーザの置
き換えニーズに対応すべく、イエロー(561 nm)
発振モデルやグリーン(514 nm)発振モデルを加
えてラインアップの充実化を図っている。
写真 1 Sapphire LP 概観
モデル名
波長
出力 (TEM00)
Sapphire 568 LP
567 nm
20,50,75,100,150,200 mW
Sapphire 561 LP
561 nm
20,50,75,100,150,200 mW
Sapphire 532 LP
532 nm
20,50,75,100,150,200,300 mW
Sapphire 514 LP
514 nm
20,50,75,100,150 mW
Sapphire 488 LP
488 nm
10,20,25,30,40,50,75,100,
150,200 mW (488HP : 500mW)
Sapphire 460 LP
460 nm
10 mW
Sapphire 458 LP
458 nm
20,50,75 mW
表 2 Sapphire シリーズの発振波長と出力
3.2 高出力モデル GenesisTM シリーズ
レーザリアプロジェクションテレビ(RPTV)や
ライトショー、メディカル応用等、Wクラスの
全固体 RGB レーザのニーズに対応するため、
OPSL レーザの高出力化に取り組んできた。従来
の結晶励起の固体レーザでは、高出力化に伴い
共振器長を伸ばす必要があるため小型化には限
界が生じていた。OPSL レーザは発振効率がこれ
までの結晶レーザより高く、更には低コストで
の生産が可能となるため、小型かつ低価格のW
クラスの開発、製品化に取り組んできた。製品
化された Genesis シリーズは用途やコストニー
ズに応じ、空間モードがマルチモード(MTM)と
シングルモード(STM)のモデルを取り揃えてい
る。下記に、各々のモデルにおける現在供給可
能な波長及びその出力ならびにその特徴に関し
て説明する。
写真 2 OPSL を用いた RPTV への適応例
3.2.1 Genesis MX シリーズ MTM(マルチモード)
タイプ
本モデルは、リアプロジェクションテレビ
(RPTV)の応用で求められる低コヒーレンス性
能を満足し、ライトショーにおける直接出力変
調(>100 kHz)のニーズに応えた、小型で低コス
Superior Reliability & Performance
トの高出力 RGBY レーザである。
コリメータ付モ
TM
デル(Genesis Taipan )やファイバーカップリ
ングオプション等、用途に応じたラインアップ
を取り揃えている。写真 3 に MTM の概観、表 3
にGenesis Taipanの波長及び出力モデルを示す。
また、小型かつ低価格が実現されたため、複数
台を光学系と組み合わせて、数十Wレベルの高
出力発振器の構成も可能となるため高出力CW
の応用ニーズに新たなる可能性を拡げている。
モデル名
波長
出力
Genesis Taipan 460 460 nm
1,2W
Genesis Taipan 480 480 nm
2,4W
Genesis Taipan 532 532 nm
3,5,8W
Genesis Taipan 577 577 nm
3,5W
Genesis Taipan 639 639 nm
1W
表 3 Genesis Taipan の発振波長とその出力
写真 3 MTM モデルの概観(中央は Taipan)とファイ
バーカップリングモジュールオプション(右図)
本レーザの製品化に先駆けて、ポータブル鑑
識用(指紋検知)システム(製品名:TracERTM
Genesis 532-M 5W 搭載)を 2006 年 4 月に発表し
世界中で採用されてはじめている。
(写真4)
。
本システムは従来のランプ手法に比較して詳細
な情報を繊細な画像で検知でき、しかも低消費
電力であるため、装置の使用場所を選ばないバ
ッテリー駆動が実現されている。更には、干渉
模様のない蛍光エリアを最適化して検出するオ
プティカルズームや出力コントロールが可能な
ファイバーカップル多機能ハンドピースを装備
することにより、簡易操作性と測定場所の制限
を受けない自由度を同時に実現した。
写真 4 TracERTM 外観と指紋観察例
更にはメディカル応用向けに、酸化ヘモグロビ
ンに吸収が高い577 nm発振モデルを開発し眼科
治療器への適応がなされている。その他、流れ
の可視化応用や各種非破壊検査応用にも導入が
検討されている。
3.2.2 Genesis CX/MX シリーズ STM(シングル
モード)タイプ
本モデルは、空間モードが TEM00 となるよう設
計したシングルモード発振タイプであり、355
nm と 532 nm の発振モデルを 2009 年 1 月に製品
発表した。355 nm タイプは、351,364 nm で発振
する Ar レーザや 325 nm で発振する He-Cd レー
ザの置き換え光源として開発された完全連続発
振の固体レーザである。そのためガスレーザと
比較し、
ヘッドサイズが小型になるだけでなく、
省電力で長寿命といった利点を持つ。
(図6)更
には、完全 CW 発振であるため、これまで採用が
検討されていたモードロックレーザと比較し、
ピーク出力によるダメージの心配がない。本製
品は、すでにフローサイトメトリーやコンフォ
ーカル顕微鏡のようなUVレーザを用いるバイ
オ応用において、搭載試験を繰り返し行った後
に製品発表を行っており、その性能と信頼性の
高さは実証済みである。一方、バイオ応用以外
の用途においては、これまで水冷イオンレーザ
が主に採用されていたディスクマスタリング、
干渉露光、直接描画やラマン分光、非破壊検査
などの用途でも小型で低消費電力を実現するた
め理想的な置き換え光源となると考えている。
図 2 に示すのは、Genesis CX 355 STM の共振器
構造(概念図)である。第3高調波(THG)結晶が
共振器内部に配置されており、低ノイズでの発
振性能を実現している。写真5に Genesis CX
355 STM の外観、表 4 に主な仕様を示す。
図 2 Genesis CX 355 STM の共振器構造(概念図)
Superior Reliability & Performance
モデル名
Verdi-G
Verdi
出力タイプ
2,5,7W
2,5,6,8,10,12,18W
線幅(FWHM)
NA
空間モード
光ノイズ
写真 5 Genesis CX 355 STM レーザヘッドと電源の概観
ヘッドサイズ
<5MHz
2
TEM00 (M <1.1)
<0.03%rms
281x156x85mm
<0.03% rms
464.3x139.7x108.7mm
表 5 Verdi-G と Verdi の主な仕様比較
モデル名
発振波長
出力(CW)
空間モード
出力安定性
光ノイズ
(10Hz-1MHz)
Genesis CX 355 STM
355±2nm
40,60,80,100,150,200,250mW
TEM00 (M2 <1.2)
<±1% p-p
<1%rms(40,60mW)
<0.5%rms(80~250mW)
動作電圧/周波数
100-240VAC(単相) 50/60Hz
消費電力
500W
サイズ
281x156x85mm (レーザヘッド)
290x210x97mm (OEM コントローラ)
表 4 Genesis CX 355 STM の主な製品仕様
一方、532 nm のモデルでは、すでに製品化さ
れ多数の納入実績を誇る Verdi シリーズの安定
性を維持し、コストダウンを図るため開発、製
品化したモデル Verdi G シリーズである。
写真
6 にその外観を示す。表 5 に Verdi との主な相
違点を示す。
Verdi-G の出力は今のところ Verdi
に及ばないものの、
サイズ、
低価格であるため、
今後の主力製品となる。Verdi 同様単一縦モー
ドの発振であり、
干渉性が高い光源であるため、
応用範囲はレーザ励起用にとどまらず、ホログ
ラム、干渉露光、各種非破壊検査など幅広い用
途に適応が可能である。
写真 6 Verdi-G シリーズの外観
更には、Genesis MX 532 シリーズ STM タイプ
は、0.5-1W モデルを MX シリーズ MTM 同様小型
パッケージで実現している。シングルモード
(TEM00 )が必要なニーズにおいて、高出力、
小型かつ低価格を同時に満たすため、水冷イオ
ンレーザや他の DPSS レーザの置き換え理想光
源として注目されている。下記に主な外観と仕
様を示す。
写真 7 Genesis MX 532 シリーズ STM の外観
モデル名
発振波長
出力(CW)
空間モード
光ノイズ
Genesis MX 532
532±2nm
500mW/1000mW
TEM00 (M2 <1.1)
<0.1%rms(典型値)
(10Hz-10MHz)
100-240VAC(単相) 50/60Hz
121x44x65mm (レーザヘッド)
表 6 Genesis MX 532 STM の主な製品仕様
動作電圧/周波数
サイズ
4. LD(レーザダイオード)モジュール
バイオ装置市場においては蛍光色素にあわせ
て複数の波長のレーザを搭載する傾向にある。
固体レーザは発振波長に制限があり、また近年
GaN 系のバイオレットや UV を発振する LD の高
出力化や長寿命化が著しい。当社では、上記に
紹介した光励起半導体レーザに加え、LD モジュ
ールの製品を CUBE シリーズとして、
ラインアッ
プしそのニーズに対応している。本製品は、小
Superior Reliability & Performance
型のレーザヘッド(寸法:100x40x40mm)設計、
高速直接出力変調(最大 150 MHz、立上り/立下
り 2 ns 以下を保証)機能、ライトループなどの
安定機能を標準装備し、先に紹介した Sapphire
と光軸の高さを共用し、組み合わせで多数ご使
用頂いている。最近では、640 nm と 405 nm モ
デルの高出力化(100 mW)を図り、装置のスルー
プット向上を現実のものとしている。表7に
CUBE の波長ラインアップとその出力を示す。
モデル名
中心波長
出力
375-16C
375 nm
16 mW
405-100C
405 nm
100 mW
445-40C
445 nm
40 mW
635-25C
635 nm
25 mW
640-100C
640 nm
100 mW
660-100C
660 nm
100 mW
785-40C
785 nm
40 mW
表 7 CUBE シリーズの発振波長とその出力
表 6 CUBE-FP シリーズの発振波長とその出力
出力端コリメートないし FC/APC
写真 9
CUBE-FP シリーズの概観
まとめ
光励起半導体レーザは、従来の結晶レーザ
では実現が難しかった小型、省電力、高出力、
低コストを同時に実現する次世代レーザとして
注目されている。今回は、この光励起半導体レ
ーザについて紹介させて頂いたが、世界最大級
のレーザ発振器メーカーである Coherent 社に
は、独自の技術力、生産能力がある。今後も、
ニーズに応じ最適なレーザの開発、製品化に努
めていきますので、ご要望のレーザがございま
したら何なりとご相談頂きたい。
参考文献:
1) Efficiency Experts by Matthias Schulze
(Photonics Spectra May,2001)
2)Lasers Target Chip Fabrication by Andrew
Master (Photonics Spectra December 2003)
写真 8 CUBE シリーズの概観
更には、
要望にお応えしてファイバーカップリ
ングモデル(FP シリーズ)を 2010 年 1 月にラ
インアップに加えた。ファイバーの劣化やアラ
イメントずれによる出力低下の問題を独自のフ
ァイバー及びカップリング技術で解決した画期
的な製品となっており、顕微鏡応用をはじめと
し多数のアプリケーションへの適応が検討され
ている。
下記に FP モデルのラインアップを示す。
モデル名
405-50FP
445-25FP
488-30FP
640-30FP
640-75FP
660-75FP
中心波長
405 nm
445 nm
488 nm
640 nm
640 nm
660 nm
出力
50 mW
25 mW
30 mW
30 mW
75 mW
75 mW
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