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しょうすけきちや
5 years ago
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1 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 山崎達三東京都江東区東陽 TEL: 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 )

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

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 MIRROR SECOND HARMONIC GENERATION CRYSTAL MIRROR HEAT SINK BLUE OR GREEN OUTPUT BRF WAVELENGTH TUNER PUMP LASER DIODE PUMP LENS OPS CHIP 図 1 OPSL 概念図 HEAT

1 低出力モデル Sapphire TM 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

2 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 MIRROR SECOND HARMONIC GENERATION CRYSTAL MIRROR HEAT SINK BLUE OR GREEN OUTPUT BRF WAVELENGTH TUNER PUMP LASER DIODE PUMP LENS OPS CHIP 図 1 OPSL 概念図 HEAT SINK AR COATING QUANTUM WELLS DBR MIRROR 3.1 低出力モデル Sapphire TM 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 (TEM 00 ) 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 Genesis TM 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 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

トの高出力 RGBY レーザであるコリメータ付モデル (Genesis Taipan TM ) 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

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 :TracER TM Genesis 532-M 5W 搭載 ) を 2006 年 4

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 TracER TM 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.

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

3 トの高出力 RGBY レーザであるコリメータ付モデル (Genesis Taipan TM ) 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 nm 1,2W Genesis Taipan nm 2,4W Genesis Taipan nm 3,5,8W Genesis Taipan nm 3,5W Genesis Taipan 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 :TracER TM 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 TracER TM 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 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 TEM 00 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 )

写真 5 Genesis CX 355 STM レーザヘッドと電源の概観モデル名 Genesis CX 355 STM 発振波長 355±2nm 出力 (CW) 40,60,80,100,150,200,250mW 空間モード TEM 00 (M 2 <1.

5%rms(80~250mW) 100-240VAC( 単相 ) 50/60Hz 500W 消費電力サイズ 281x156x85mm ( レーザヘッド ) 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 <5MHz 空間モード TEM 00 (M 2 <1.1) 光ノイズ <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 (TEM 00 ) 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 290x210x97mm (OEM コントローラ ) 表 4

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 7 Genesis MX 532 シリーズ STM の外観モデル名 Genesis MX 532

4 写真 5 Genesis CX 355 STM レーザヘッドと電源の概観モデル名 Genesis CX 355 STM 発振波長 355±2nm 出力 (CW) 40,60,80,100,150,200,250mW 空間モード TEM 00 (M 2 <1.2) 出力安定性 <±1% p-p 光ノイズ (10Hz-1MHz) 動作電圧 / 周波数 <1%rms(40,60mW) <0.5%rms(80~250mW) VAC( 単相 ) 50/60Hz 500W 消費電力サイズ 281x156x85mm ( レーザヘッド ) 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 <5MHz 空間モード TEM 00 (M 2 <1.1) 光ノイズ <0.03%rms <0.03% rms ヘッドサイズ 281x156x85mm 464.3x139.7x108.7mm 表 5 Verdi-G と Verdi の主な仕様比較更には 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 (TEM 00 ) 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 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 7 Genesis MX 532 シリーズ STM の外観モデル名 Genesis MX 532 発振波長 532±2nm 出力 (CW) 500mW/1000mW 空間モード TEM 00 (M 2 <1.1) 光ノイズ <0.1%rms( 典型値 ) (10Hz-10MHz) 動作電圧 / 周波数 VAC( 単相 ) 50/60Hz サイズ 121x44x65mm ( レーザヘッド ) 表 6 Genesis MX 532 STM の主な製品仕様写真 6 Verdi-G シリーズの外観 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

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

785-40C 785 nm 40 mw 表 7 CUBE シリーズの発振波長とその出力写真 8 CUBE シリーズの概観表 6 CUBE-FP シリーズの発振波長とその出力写真 9 出力端コリメートないし FC/APC 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

5 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 C 375 nm 16 mw C 405 nm 100 mw C 445 nm 40 mw C 635 nm 25 mw C 640 nm 100 mw C 660 nm 100 mw C 785 nm 40 mw 表 7 CUBE シリーズの発振波長とその出力写真 8 CUBE シリーズの概観表 6 CUBE-FP シリーズの発振波長とその出力写真 9 出力端コリメートないし FC/APC 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) 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中心波長出力 FP 405 nm 50 mw FP 445 nm 25 mw FP 488 nm 30 mw FP 640 nm 30 mw FP 640 nm 75 mw FP 660 nm 75 mw

Microsoft Word - AnnualReport_M1sawada rev.docx

Microsoft Word - AnnualReport_M1sawada rev.docx 緑色青色 InGaN 半導体レーザ励起モード同期 Ti:sapphire レーザの高出力化 Power scaling of mode-locked Ti:sapphire laser directly pumped with green and blue diode lasers 澤田亮太 (B4), 田中裕樹 (M2), 狩山了介 (M1), 保坂有杜 (M1) Ryota Sawada, Hiroki