シングルバーダイオードレーザー

シングルバーダイオードレーザーには、MCC ダイオードレーザーバーと CS ダイオードレーザーバーが含まれます。 MCCダイオードレーザーバー‌とは、マイクロチャネルクーラー（MCC）を使用した半導体レーザーバーを指します。 MCCレーザーバーは主に高出力半導体レーザーのパッケージ構造に使用されます。その中心的な機能は、効率的な放熱性能と、高デューティ サイクルの連続波および準連続波で動作する機能です。‌ CS パッケージ型ダイオード レーザー バーは、半導体レーザーのパッケージング形式を指します。「CS」は伝導冷却を表します。このパッケージング形式は、主に高出力半導体レーザー、特に効率的な熱放散ソリューションを必要とする高デューティ サイクルおよび連続動作モードで使用されます。

MCCバー

CSバー

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MCC ダイオード レーザー バー

CS ダイオード レーザー バー、FAC オプション

冷却機構
‌水冷‌: レーザーの水冷は、水の循環によって熱を放散します。水はレーザーの内側と外側を循環して熱を水に伝達し、ラジエーターで放散された後にリサイクルされます。水冷は高い熱伝導率と熱伝達能力を備えており、熱をより速く外部に伝達できるため、レーザーの効率的かつ安定した動作が保証され、故障率が低減されます。

伝導冷却: 伝導冷却とは通常、金属などの材料の熱伝導特性を利用して熱を放散することを指します。この冷却方法は材料の熱伝導効率に依存し、通常は小型デバイスまたは局所的な熱放散に使用されます。

該当するシナリオ
水冷: 長期間の連続稼働と安定性の確保が必要なシナリオに適しています。水冷により放熱効果が高まり、故障率が減少します。高出力レーザーや高い安定性が必要なアプリケーションに適しています‌。
伝導冷却: 小型デバイスまたは局所的な熱放散のニーズに適しています。伝導冷却は材料の熱伝導効率に依存するため、放熱効果は比較的限定的であり、低電力または低い放熱要件を持つデバイスに適しています‌。

維持費と難易度
水冷: スケールフィルターの定期的な交換と冷却剤の追加が必要であり、メンテナンスコストが高くなります。
伝導冷却: メンテナンスが比較的簡単で、放熱コンポーネントの定期的な清掃のみが必要で、メンテナンスコストが低くなります。

CW動作モード
CW 動作モードは、レーザーが連続的に動作し、出力ビームのエネルギーが一定で中断されないことを意味します。この動作モードは、光ファイバー通信や材料加工など、安定したレーザー エネルギーを必要とするアプリケーションに適しています。 CW レーザーの出力は比較的低いですが、安定した状態を維持できるため、レーザー エネルギーの連続出力が必要なシナリオに適しています。 ‌

QCW動作モード
QCW 動作モードは、レーザーがパルスの形で動作し、各パルスの持続時間 (幅) が制限され、パルス間に一定の間隔があることを意味します。 QCW レーザーは通常、高周波数でパルスを繰り返し放射し、必要に応じてパルス幅を変調してレーザーの出力パワーとパルスエネルギーを制御できます。この動作モードは、レーダー システムや医療機器など、時間分解能に対する高い要件があるアプリケーション シナリオに適しています。 QCW レーザーの高エネルギー短パルスは、正確な測定と治療効果を提供します。 ‌

特定のアプリケーションシナリオ
CW 動作モード: 光ファイバー通信や材料加工など、安定したレーザー エネルギーを必要とするアプリケーションに適しています。これらのアプリケーションでは、CW レーザーは安定した出力パワーを提供して、信号伝送や材料処理の継続的なニーズを満たすことができます。
‌QCW 動作モード‌: レーダー システムや医療機器など、時間分解能に対する高い要件があるアプリケーションに適しています。 QCW レーザーの高エネルギー短パルスは、正確な測定と治療効果を提供します。

さまざまな冷却方法: CS パッケージのレーザーバーは受動的冷却を採用しており、通常、脱イオン水や高圧ポンプ循環冷却などの追加の冷却システムは必要ありません。マイクロチャネルレーザーバーは液体冷却、特にマイクロチャンネルクーラー（MCC）を採用しており、冷却液の入口がレーザーバーの近くにあり、高い放熱効率を備えています。
構造の違い: CS パッケージのダイオード バーの構造は比較的単純で、複雑な冷却チャネル設計を必要としない場合があります。マイクロチャネル ダイオード バーには、効果的な熱放散のための構造の重要な部分であるマイクロチャネル クーラーが含まれています。

• メンテナンス要件:CS パッケージ: メンテナンスフリーの設計、マイクロチャネル レーザー ダイオード、脱イオン水、高圧ポンプ循環冷却は不要です。
• マイクロチャネルレーザーダイオードバー:冷却システムの定期的なメンテナンスが必要です。
• さまざまなアプリケーション シナリオ:メンテナンス不要でシンプルな冷却方法により、CS パッケージのダイオード バーは産業グレードのレーザー アプリケーションに非常に適しています。

マイクロチャネル ダイオード バーは、放熱効率が高いため、高デューティ サイクルおよび連続動作モードでの使用に適しています。

FACレンズを備えたCSレーザーバーの主な機能には、光の集束、ビームの指向性の強化、ビームの発散角の低減が含まれます。 ‌

レーザーバーから放射される光はすでにレーザー光そのものですが、共振器から出射される光は通常楕円形またはコマ状であるため、焦点を合わせるためのレンズが必要です。レンズの機能は、これらの光線を光点に集束させ、それによってビームの指向性を高め、ビームの発散角を小さくすることです。

フォーカスライト
レンズは、レーザー ダイオードから発せられた光を効果的に集束させて光スポットを形成します。この集束効果により、光の投影距離と明るさが大幅に増加し、レーザーダイオードの応用がより効率的かつ実用的になります。

ビームの指向性を高める
レンズを通して焦点を合わせることで、レーザー ダイオードから放射されるビームをより集中させ、指向性を高めることができます。これは、ビームがより正確に特定の方向に伝播できることを意味し、ビームの散乱と拡散が減少し、ビームの伝送効率が向上します。

ビーム発散角を小さくする
レンズを使用すると、レーザー ダイオードから放射されるビームの発散角を大幅に減らすことができます。発散角の減少は、ビームが伝播中により小さな広がりを維持できることを意味し、それによってビームのコリメーションと安定性が向上します。

水冷レーザー MCC レーザーバーを使用する場合は、次の点に注意してください。
水冷システムの取り付けと接続が正しく行われていることを確認してください。水冷クーラー、水道管、冷却剤が含まれており、接続がしっかりしていることを確認し、水漏れや浸透を避けてください。
適切な冷却剤を選択する: 蒸留水や冷却剤混合物など、放熱性と耐腐食性に優れた液体を使用することをお勧めします。機器に損傷を与える液体の使用は避けてください。
水冷システムの温度を制御する: レーザー要件と作業環境に応じて、装置が適切な温度で動作するように温度を調整します。温度が高すぎても低すぎてもよくありません。
水冷システムを定期的に掃除してください。放熱効率に影響を与える汚れによって水道管やクーラーなどが詰まらないようにしてください。清掃には柔らかいブラシまたは圧縮空気を使用してください。
‌凍結を防ぐ‌: 低温環境では、レーザーと水冷クーラーが常に摂氏 0 度以上の環境にあることを確認するか、パイプ内の水が凍結しないようにレーザーと水冷クーラーを電源オンの状態に保ちます。凍結‌。
‌不凍液を使用する‌: 温度が 0 度を下回った場合は、すべての冷却水に不凍液を使用してください。長期間使用しない場合や電源を切った場合は、冷水器内の水を抜き、5℃以上の環境に保管してください。
上記の対策により、水冷 MCC レーザー バーが最適な性能を維持し、使用中の耐用年数を延長することが保証されます。

CS パッケージのレーザー ダイオード コンポーネントには主に次の部品が含まれます。

レーザーチップ: これはレーザーダイオードのコア部分であり、レーザー光の放射を担当します。レーザーチップは通常、p型半導体とn型半導体からなるpn接合で構成されており、光を発する活性層と光を反射するコーティングが含まれています。

メタライゼーション層: メタライゼーション層は、レーザー チップと他のコンポーネントを接続するために使用されます。通常、絶縁グリッドに分割され、カソードとアノードはこの層上に設計されます。

実装基板: 実装基板は、レーザー チップを固定および支持し、放熱を提供するために使用されます。場合によっては、実装基板はヒートシンクを絶縁するためにも使用されます。

放熱経路: レーザー ダイオードが動作中に過熱しないようにするために、通常は放熱経路の設計が行われます。パッケージ設計に応じて、熱放散経路は垂直または水平になります。

「レーザービームスマイル効果」とは、半導体レーザーアレイ（LDA）において、パッケージングプロセス中に導入される熱応力により、レーザーチップが速軸方向に発光曲がりを引き起こし、それぞれの光スポットを引き起こすという事実を指します。発光部が一直線にならないようにしてください。この現象は「笑顔」効果として知られています‌。

原因
「スマイル」効果の主な原因は、パッケージングプロセス中のレーザーチップと基板ヒートシンクなどのパッケージング材料の間の熱膨張係数の不一致により、熱応力が発生することです。この熱応力はレーザーの動作中にさらに悪化し、レーザーチップの曲がりを引き起こし、ビームの直線性に影響を与えます。

影響
「スマイル」効果はビーム品質に重大な影響を及ぼし、主にビームの直線性の低下と光スポットの均一な分布として現れます。これにより、ビームのコリメート、整形、ファイバー結合が難しくなり、レーザーの全体的なパフォーマンスに影響を及ぼします。

実際的な意味と解決策
実際の応用では、「スマイル」効果は、特に高精度のアライメントを必要とする応用において、高出力半導体レーザーのビーム品質に影響を及ぼします。 「スマイル」効果の影響を軽減するには、パッケージングプロセスを最適化し、より適合する熱膨張係数を持つ材料を使用し、設計時にビーム品質に対する温度変化の影響を考慮することで改善できます。

印刷技術における CS レーザー ダイオード (LD) の応用は、主にその高効率、高出力密度、および正確な制御に依存しています。レーザー ダイオードは、誘導放出の原理によってレーザーを生成し、印刷プロセス中に材料を正確にアブレーションまたは硬化するために使用されます。

レーザーダイオードの動作原理
レーザーダイオードの基本構造は、異なる不純物がドープされたP型半導体とN型半導体からなるPN接合です。 PN 接合に順方向バイアスが印加されると、電子は N 領域から P 領域に移動し、正孔は P 領域から N 領域に移動します。これらの電子と正孔は PN 接合付近で再結合して光子を生成します。レーザーを生成するには、誘導放出装置と光共振器も必要です。誘導放出とは、電子が高いエネルギー レベルから低いエネルギー レベルにジャンプするときに光子が放出されることを意味します。この光子が別の電子と高エネルギーレベルで相互作用すると、電子も同じ周波数と位相の光子を放出し、それによって光の増幅が達成されます。光共振器は、反射器を使用してキャビティ内の光子を反射し、光子の数をさらに増加させ、最終的にレーザーを形成します。 ‌

印刷技術におけるレーザーダイオードの応用
印刷技術では、レーザーダイオードは主にレーザー印刷に使用されます。レーザー プリンターの核となるコンポーネントはレーザー スキャナーであり、レーザー ダイオードによって生成されたレーザー ビームで感光ドラムの表面を走査します。レーザー光が感光体ドラムに照射されると、感光体ドラム上の光導電性材料がレーザーエネルギーを吸収して静電潜像を形成します。その後、トナーが静電潜像に吸着されて印刷プロセスが完了する。

MCC レーザー ダイオード バーは、レーザー ダイオード スタックにパッケージ化できます。 ‌

MCC レーザー ダイオード バーは、垂直スタック (V スタック) によってレーザー ダイオード スタックにパッケージ化できます。垂直スタック半導体レーザーは、水平アレイレーザーのビーム品質の問題を克服しており、そのビーム品質は単一レーザービームのビーム品質と一致しているため、高いビーム品質要件が要求されるアプリケーションに適しています‌。さらに、パッケージング技術の向上により、垂直に積層されたレーザーのレーザーバーの数を数本から70本に増やすことができ、最大出力もKWに達する可能性があります。

包装構造
MCC レーザー ダイオード バーのパッケージ構造には、通常、カソード、アノード、冷却剤の入口と出口が含まれています。冷却剤の冷却剤入口はレーザーアレイのアノードの近くにあり、冷却剤出口はカソードの近くにあります。この構造により、MCC レーザー ダイオード バーは効果的に熱を放散し、アレイに積み重ねたときに熱を管理できます。

アプリケーションシナリオ
MCC レーザー ダイオード バーは、レーザー ダイオード スタックにパッケージングした後、産業加工、科学研究、医療機器など、さまざまな高出力レーザー需要シナリオに適用できます。MCC は、高出力と優れたビーム品質により、レーザー ダイオード バーは、パッケージ化された後、これらの分野のレーザー機器に対する高い要件を満たすことができます。

シングルバーダイオードレーザーは、マウントされていないレーザーダイオードバー、または伝導性または能動的に冷却されるパッケージにマウントされた状態で入手できます。ほとんどのダイオードバーは、755 ～ 860 nm、または 940 nm ～ 980 nm の波長領域で動作します。 808 nm (ネオジム レーザーの励起用) と 940 nm (Yb:YAG 励起の場合) の波長が最も顕著です。もう 1 つの重要な波長は、エルビウム ドープまたはイッテルビウム ドープの高出力ファイバー レーザーおよび増幅器のポンピングに使用される約 975 ～ 980 nm です。一般的な受動冷却ダイオードは、熱電冷却器 (TEC) ベースの取り付け治具と互換性のある標準パッケージである CS マウントで提供されます。 CS マウントは、準 CW (QCW) および中出力 CW 動作に適しています。アクティブな水冷のために、マイクロチャネルヒートシンクを使用します。複数のバーを水平方向または垂直方向に積み重ねて出力を高めることができます。

高出力シングルバーダイオードレーザーは、レーザー材料加工（レーザー溶接や特定の表面処理など）や医療用レーザー（光力学療法、タトゥー除去、レーザー手術など）に直接（ダイレクトダイオードレーザーとして）使用されます。ダイオードバーは、戦場のレーザー兵器として軍事利用するためにさらに開発されています。非常に高い電力（約 100 W 以上）の場合は、ダイオード スタックを使用します。これは、垂直方向に積み重ねられたいくつかのダイオード バーが必須です。もう 1 つの一般的な用途は、高出力固体レーザー (バルク レーザーとファイバー レーザーの両方) の励起です。

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