ＤＰＳＳの基礎知識

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最近のトレンドが、緑のレーザーである。同じ赤でも６３５ｎｍは６５０ｎｍの倍ほど明るく見えるが、これが５３２ｎｍの緑となれば８倍明るく見えるのだ！
　人間の目は緑の感度が一番高い。しかしレーザーダイオードは短波長のものを作るのが極端に大変。６５０→６３５というだけで桁違いに高価になる。まして５３２ｎｍなど論外。一方で赤外線なら安くてハイパワーなものを簡単に作れる。そこで登場したのがＤＰＳＳ（ダイオード励起固体レーザー）である。これは、別の固体レーザーを発振させるエネルギー源として赤外線ＬＤを使うものだ。

　ＤＰＳＳの中心パーツは結晶１である。これは、超小型のＹＡＧレーザーだ。
　世界初のレーザーがルビー棒で発振された赤い光であることは良く知られている。ＹＡＧはルビーの同類で、一種の宝石だ。ただし発振されるのは波長 1064 nm の赤外線である。肉眼では見えない。
　ＹＡＧ結晶は 808 nm 近辺の波長を吸収し易いため、この波長の半導体レーザーでエネルギーを与えて発振させる。それを結晶２に通すと波長が半分になり、緑の光となる。結晶２は非線形光学結晶と呼ばれる特別なものだ。レーザーポインターに使われるような相対的に低出力のものは、結晶１と結晶２を貼り合わせたものが使われる。　

　しかしこれはあくまで原理図に過ぎない。それ以前の概念図と呼ぶべきかもしれない。実際にグリーンレーザーを発振させるのは非常に難しい。

反転分布

　レーザーの原理はかなり有名で簡単にググれるため、ここで詳しく説明しない。原理ではなく実用上のポイントについて説明する。
　誘導放出→レーザー発振へと持ち込むには、反転分布を達成せねばならない。反転分布が極端になるほどレーザー発振を実現させ易くなる。
　極端な反転分布を実現させるには、結晶１を強力に励起せねばならない。具体的には励起光のエネルギー密度を高めねばならない。
　つまり、励起用ＬＤをシャープにコリメートせねばならない。

ＣＷは難しい

　ここにＣＷ（連続発振）レーザーの難しさがある。エネルギー密度は励起光を小さく絞るほど高まるが、一方では励起ＬＤのワット数を大きくしても高 まる。だが、連続発振だと消費電力的にも熱処理の面でも、ワット数を大きくするのが難しい。パルスレーザーなら短時間だけ大きなワット数を発生させられる が、ＣＷレーザーはワット数が何桁も小さくなる。
　それだけエネルギー密度も高め難く、レーザー発振させ難いのだ。世界初のレーザー発振として有名なルビーレーザーも、パルス発振だった。

光軸調整

　レーザーと言えば合わせ鏡。結晶１の両側にミラーを設置し、合わせ鏡にする。すると、光が何度も往復し誘導放出でどんどん強化される。反転分布が極端なほど少ない往復で増幅される。
　つまり、励起エネルギー密度が低いと、多くの回数往復させねばならない。これは、ミラーの向きを精密に合わせねばならないという意味だ。ＣＷレーザーでは光軸調整に要求させる精度が非常に高くなってしまう。連続発振ＤＰＳＳ自作で最大の障害がコレだ。
　光軸調整に残る僅かな誤差でレーザー発振してくれない。

    固体レーザーの励起方法。(a)LD 側面励起方式、(b)LD 端面励起方式

一般に固体レーザー媒質の形状は円筒形(ロッド) であり、LD 励起固体レーザー(Diode Pumped Solid State Laser:DPSSレーザーまたはDPSSL) は図1 のような方法で励起される。図1(a) はLD 側面励起(LD side-pumped)方式()、(b) はLD 端面励起(LD end-pumped)方式と呼ばれる[1,2]。両方とも共振器内に必要な光学素子を挿入することで、Q スイッチ法やモード同期法による発振動作が可能になる。実際の高出力固体レーザーには水冷または空冷の冷却系があり、3 次元的にLD が配置されている場合もある。