集積フォトニクスのアーキテクチャ単一波長発光を超えて

シングル・エミッター・コンポーネントからインテグレーテッド・コンポーネントへの移行 高出力ダイオードレーザーモジュール システムは、フォトニックエンジニアリングの自然な進化です。現在の産業界や医療界では、複数の個別の波長を供給する単一の光出力に対する要求は、もはや贅沢品ではなく、機能的に必要不可欠なものとなっています。多段ファイバー・レーザー励起であれ、808nm、940nm、1064nmを同時に必要とする複雑な皮膚科学的処置であれ、そのような用途には 多波長レーザーモジュール 高性能システムの主要エンジンとして機能する。.

物理学の観点から見ると、高出力集積システムを作る上での課題は、輝度の保存にある。熱力学の第二法則によれば、レーザービームの明るさ（放射輝度）は、受動的な光学素子によって増加させることはできない。したがって、複数のレーザーダイオードを1つの ファイバー結合 ダイオードレーザー システム, ビームパラメータ積（BPP）の損失を最小化するために、すべての光学面と合波素子を設計する必要があります。これを達成するために、エンジニアは、密閉筐体内でのスペクトルビーム合波、空間スタッキング、熱クロストークの管理の相互作用をマスターしなければなりません。.

ビーム結合の原理：スペクトルと空間戦略

複数の半導体チップから1本の光ファイバーに光を送り込むには、光子が持つ自由度（空間位置、波長、偏光状態）を利用しなければならない。.

スペクトルビームコンバイニング（SBC）と薄膜フィルター

ある 多波長 レーザーモジュール, スペクトルコンバイニングは、ビーム品質を劣化させることなく出力を増加させる最も効率的な方法です。この技術は、高性能の薄膜フィルター（TFF）やダイクロイックミラーの使用に依存しています。これらのフィルターは、高屈折率と低屈折率の誘電体材料（$TiO_2$や$SiO_2$など）を交互に積層して設計されています。.

例えば、808nmのビームと980nmのビームを組み合わせる場合、TFFを45度の角度で配置する。フィルターは808nmで高反射、980nmで高透過になるように設計されている。誘電体コーティングの精度が最も重要であり、温度変化による透過スペクトルの「リップル」や「エッジ」波長のシフトは、モジュール内部のバッフル内で壊滅的な電力損失と発熱をもたらす。.

偏光結合とビームスタッキング

同じ波長の複数のエミッターを合成する必要がある場合、偏光に注目します。偏光ビームコンバイナー（PBC）を使用することで、直交する偏光状態（P偏光とS偏光）を持つ2つのビームが合波されます。これにより、出力の開口数（NA）を増やすことなく、ファイバー内のパワーを効果的に2倍にすることができる。しかし、この方法は1波長あたり2つのエミッターに制限される。さらに規模を拡大するには、空間的な「スタッキング」または「マルチプレキシング」が使用され、エミッタを異なる高さに配置し、マイクロプリズムアレイを使用してそれらのビームを共通の経路に反射させる。.

熱工学：高密度集積への挑戦

の主な故障モード 高出力ダイオードレーザーモジュール は熱飽和である。マッチ箱大の容積に10個以上の高出力レーザーチップを詰め込むと、熱密度は原子炉の炉心を超える。このようなシステムの熱管理は、マルチスケールの問題である。.

内部熱クロストーク

サーマルクロストークは、“エミッターA ”からの廃熱が “エミッターB ”のジャンクション温度を上昇させるときに発生する。において ファイバー結合ダイオードレーザーシステム, 波長は温度に依存するため、これは特に危険である。808nmのチップが940nmのチップを加熱すると、940nmの波長はドリフトし、内部合波光学系の透過窓から外れる可能性がある。.

これを軽減するために、プロ用モジュールは高熱伝導性サブマウント（窒化アルミニウムや酸化ベリリウムが多い）と「マクロチャンネル」または「マイクロチャンネル」ベースプレートを利用する。サブマウントとモジュール・フロアの間のサーマル・インターフェイス材料（TIM）の選択が、安定した300W出力と、わずか60秒の動作で出力が「垂れる」システムの分かれ目となる。.

CTEミスマッチとアライメントの安定性

モジュール内のすべての光学部品-高速軸コリメーター（FAC）、低速軸コリメーター（SAC）、集光レンズ-は、100ナノメートル以内で安定していなければなりません。モジュールの筐体（通常はコバールまたはステンレス鋼）と光学ベンチ（通常は無酸素銅）は熱膨張係数（CTE）が異なるため、温度サイクルは “光学クリープ ”を引き起こす可能性があります。高品質のメーカーは、「CTEが一致した」サブアセンブリと、UV硬化エポキシの代わりにレーザー溶接や共晶はんだ付けのような無機接合技術を使用することでこれを解決しています。.

トータルコストの工学的論理：なぜ “部品価値 ”は “単価 ”を凌駕するのか？”

という文脈では 高出力ダイオードレーザーモジュール, 購入価格は、経済方程式の最も重要でない部分であることが多い。光学エンジンの本当のコストは、3年目か4年目の現場運転でわかる。.

血管病変に使用される医療用レーザーを検討する。もし内部 多波長レーザーモジュール 低コストの接着剤ベースのアライメントを使用した場合、接着剤の膨張率が異なるため、最終的に1064nmと808nmのビームがファイバーから「脱カップル」してしまいます。これは単に出力を低下させるだけでなく、患者の皮膚に当たる波長の比率を変化させ、医療処置を効果的でなく、危険なものにする。モジュールの交換費用は、フィールドサービスエンジニアの労力やクリニックの収入減を含めると、プレミアム設計のレーザー溶接モジュールの初期価格差の5倍に達することもあります。.

ケーススタディ3波長外科用レーザーエンジン

顧客の背景

静脈内レーザー焼灼術（EVLA）用の低侵襲手術機器メーカー。このシステムでは、980nm（水分吸収用）、1470nm（コラーゲン収縮用）、635nm（赤色照準ビームとして）の組み合わせが必要であった。.

技術的な課題：

その顧客は、コネクター・インターフェースでの「ファイバー・メルト」に悩んでいた。以前のサプライヤーのモジュールには高い「クラッドパワー」の問題があり、1470nmダイオードからの光がファイバーコアに適切に集光されず、代わりにクラッドに漏れてポリマーコーティングを焼いていた。.

• 要件 980nmで30W、1470nmで15W、635nmで100mWをシングル200umファイバーに供給。.
• 安定性： <1時間の連続手術で2%未満の出力変動。.
• サイズ 標準的な1Uラックマウントシャーシに収まること。.

技術パラメーターとセットアップ

• モジュール カスタム 多波長レーザーモジュール 共有の光学ベンチを使用。.
• カップリング物理学： 635nmから1470nmの間の色収差を処理するために、特注の非球面「トリプレクサー」フォーカシングレンズを使用。.
• プロテクション： 1064nmのノッチフィルターを内蔵し、手術部位（二次的なNd:YAGレーザーを使用することが多い）からの逆反射が980nmのダイオードファセットにダメージを与えるのを防ぎます。.

品質管理（QC）ソリューション：

ビーム重心安定性 “試験を実施した。モジュールを15℃から45℃まで50回の熱サイクルに供し、高解像度カメラでファイバーファセットでのビーム位置を追跡した。2um以上のシフトは不合格となった。また、「クラッドパワー解析」を行い、98%以上の光が200umコア内に閉じ込められていることを確認しました。.

結論

特殊な色収差補正レンズと無機マウント戦略を導入することで、「ファイバーメルト」の問題は完全に解消された。手術システムの信頼性は、最初の1年間で、5%のフィールド故障率から0.1%に向上した。統合されたファイバー結合ダイオード・レーザー・システムにより、3つの独立した電源と3つの独立したファイバー経路が不要となり、装置の設置面積を40%削減することができた。.

データサポート多波長モジュールの性能比較

次の表は、さまざまな統合型システムの典型的な性能指標をまとめたものである。 高出力ダイオードレーザーモジュール を構成する。.

よくある質問多波長レーザーシステムのエンジニアリング

Q1: なぜ多波長モジュールは結合効率が低いのですか？

多波長レーザーモジュールでは、集光レンズは屈折率が大きく異なる光（色収差）を扱わなければなりません。808nmを完璧に集光するレンズは、1064nmではわずかに焦点から外れる。アクロマティック・ダブレットや特殊な非球面レンズが役立ちますが、最適化された単一波長システムと比較すると、常にトレードオフがあります。.

Q2: モジュール内部で、1つのレーザーが他のレーザーにダメージを与えるのを防ぐ方法は？

私たちは “波長選択的アイソレーション ”を使用しています。コンバイニングに使用されるTFFは、シールドの役割も果たします。例えば、1064nmのビームをファイバーに反射させる1064nm反射コーティングは、808nmの迷光が1064nmのダイオードキャビティに入射するのも防ぎます。.

Q3: 1つの波長が故障した場合、これらのモジュールは修理できますか？

一般的に、高出力ハーメチック・モジュールはフィールド・サービス不可能である。モジュールを開けると湿気や微粒子が入り込み、動作中に残りのレーザーファセットを直ちに破壊してしまうからです。信頼性は、ディレーティングと高品質の半導体調達を通じて「前もって」設計されなければならない。.

Q4: 「サーマルクロストーク」とは何ですか？

赤色ダイオード（635nm～650nm）は熱に非常に弱い。高出力980nmチップがフルパワーで動作している場合、それらが発生する熱がベースプレートの温度を上昇させ、赤色ダイオードの出力低下や故障を引き起こす可能性がある。このため、赤色ダイオードは光学ベンチの最も遠い「涼しい」端に取り付けられることが多い。.

Q5: 100Wモジュールに “Detachable Fiber ”を搭載するメリットは何ですか？

医療用途では、取り外し可能なSMA905またはD80コネクターが標準である。しかし、これは “端面汚染 ”のリスクをもたらします。ファイバー先端にゴミが一粒でも付着すると、100Wのレーザーエネルギーを吸収し、ファイバーを溶かし、高出力ダイオードレーザーモジュールの出力ウィンドウを損傷する可能性があります。この熱を検出し、レーザーをシャットダウンするために、内蔵センサー（コネクター付近のNTCなど）が使用されます。.