輝きの進化：高出力ダイオードシステムにおけるパワーの定義

産業用フォトニクスの分野では、より高いパワー密度への移行がこの10年の決定的な課題となっている。シングルモード・ダイオードは空間コヒーレンスに優れているが 高出力ファイバー結合レーザーダイオード は、ファイバーレーザー励起から直接材料加工、高エネルギーの医療美容に至るアプリケーションを推進する、業界のエンジンです。808nm、915nm、または940nmのような波長について議論するとき、私たちは、生のワット数が「明るさ」（特定のファイバーコア直径と開口数（NA）にどれだけのパワーを絞り込むことができるかの尺度）とバランスを取らなければならない領域で動作しています。.

明るさとは、技術的には単位立体角あたりの単位面積あたりのパワーと定義される。メーカーにとって 915nm ファイバー結合レーザー エミッターを増やすことは比較的簡単である。しかし、光が下流のファイバーレーザーに有用であるように明るさを維持することは、光保存の訓練です。あらゆる光学面、あらゆるレンズアライメント、あらゆる熱勾配がビームを「ぼかし」、ビームパラメータ積（BPP）を増加させ、その有用性を低下させる恐れがあります。これらのモジュールのコスト・パフォーマンス比を理解するには、データシートのワット数を超えて、光路と半導体ファセットのエンジニアリングを調べる必要があります。.

半導体物理学：熱ボトルネックとファセット保護

高出力光子の旅は、広域レーザー（BAL）チップの活性領域から始まる。BALの場合 808nmレーザーダイオード または 940nmレーザーダイオード, AlGaAs/GaAs材料系が一般的に使用されている。これらのチップにおけるパワースケールの主な限界は、注入電流そのものではなく、pn接合で発生する熱と出力ファセットの脆弱性である。.

破局的光学ミラー損傷（COMD）と不動態化

レーザーファセットでのパワー密度が1平方センチメートルあたり数メガワットに達すると、半導体材料はそれ自身の光を吸収し始める。この吸収は局所的な加熱を引き起こし、バンドギャップを縮小させ、さらに吸収を増加させる。この熱暴走により、COMD（レーザーミラーの物理的溶融）が発生する。プロフェッショナルグレードのハイパワーダイオードは、非吸収ミラー（NAM）技術や、超高真空環境で蒸着された特殊なファセットパッシベーション層（AlNやSiNなど）を利用しています。キャリアの再結合を表面から遠ざけることで 940 nm レーザーダイオード 突然死のリスクを負うことなく、より高い電流密度を得ることができる。.

熱抵抗とサブマウント材料

熱は波長ドリフトとパワー劣化の主な要因である。標準的なハイパワーチップは、50%から60%の電気エネルギーを光に変換しますが、残りの40%は熱であり、塩粒よりも小さなフットプリントから除去しなければなりません。サブマウントの熱抵抗（$R_{th}$）は非常に重要です。エンジニアは、高い熱伝導率とGaAsとの熱膨張係数（CTE）の一致から、窒化アルミニウム（AlN）、あるいは合成ダイヤモンドをサブマウントに選ぶことが多い。CTEが不一致の場合、動作中の熱サイクルによって結晶格子に機械的なひずみが生じ、「ダークライン欠陥」（Dark Line Defects：DLD）が発生し、数千時間かけて徐々にレーザーを暗くします。.

光学アーキテクチャー：マルチシングルエミッター対レーザーバー

をデザインする。 高出力 ファイバー結合型レーザーダイオード ダイオード・バー」と「マルチ・シングル・エミッター（MSE）」である。.

レーザーバーにおける「スマイル」の問題点

レーザーバーは、単一の基板上に成長した複数のエミッターで構成されている。コンパクトなパッケージで高出力を実現する反面、“スマイル ”と呼ばれる機械的現象に悩まされる。はんだ付けの際、バーがわずかに湾曲することがある（多くの場合、わずか1～2マイクロメートル）。この湾曲により、各エミッターの高速軸の高さがわずかに異なるため、すべてのエミッターを同時に1本のファイバーにコリメートすることが不可能になります。これは、BPPの劣化とカップリング効率の低下につながります。.

マルチシングルエミッター（MSE）コンバイニング

ほとんどの近代的な 915nmファイバー結合レーザー 現在、ファイバー・レーザー励起用モジュールはMSEアーキテクチャを採用している。このセットアップでは、個々のレーザーチップは別々のヒートシンクに取り付けられ、それらのビームは空間的または偏光によって結合される。.

1. 高速軸コリメーション（FAC）： 各チップには専用のマイクロレンズが搭載されています。各チップは独立してアライメントされるため、“スマイル ”効果は排除される。.
2. ビーム変換システム（BTS）： エミッターは「幅広」（例えば100-200マイクロメートル）であるため、低速軸のビーム品質は悪い。BTSレンズは個々のビームを90度回転させ、高速軸の “良い ”ビーム品質と低速軸の “悪い ”ビーム品質とのバランスをとり、円形ファイバーコアによりフィットしやすい、より対称的なビームを実現します。.
3. 空間的結合： ビームはファイバーに集光される前に、マイクロプリズムやミラーを使って「ステップ」または「スタック」される。.

ファイバーカップリング：エテンデューの法則とNA管理

NAが0.22の105マイクロメートルのファイバーに200Wのパワーをカップリングするには、エテンデューの法則を厳密に守る必要がある。光源サイズと発散角の積は、どのような受動光学システムでも小さくすることはできません。したがって、“ボトルネック ”は常にファイバーの入口である。.

開口数（NA）充填

安価なモジュールでよくある間違いは、ファイバーのNAを詰め込みすぎることです。モジュールが0.22 NAと謳っていても、パワーの95%が0.15 NAに集中していれば、0.22の限界ギリギリまで光が広がっているものよりも、はるかに高品質な「明るい」光源です。NAギリギリの光は、特にファイバーが曲がっている場合、コアから抜けてクラッドに入る可能性が高くなります。この「クラッドパワー」は、ファイバージャケットを溶かしたり、下流のレーザーシステムを破壊したりする可能性があります。ハイエンド 高出力ファイバー結合レーザーダイオード モジュールには「クラッディング・パワー・ストリッパー」または内部バッフルが組み込まれており、安全なNA範囲内の光だけがモジュールから出るようになっています。.

ロングテールのための信頼性とエンジニアリング

の真価が問われる。 808nmレーザーダイオード バーンインによって乳児の死亡率を最小化し、材料科学によって “ウェアアウト ”段階を延長する。.

AuSn硬ロウとインジウム軟ロウの比較

歴史的に、インジウムはんだはその柔軟性から使用されてきましたが、時間とともにはんだが物理的に移動してダイオードをショートさせる「インジウムマイグレーション」を起こしやすいという欠点がありました。現代の高信頼性モジュールは、金-スズ（AuSn）硬質はんだを使用しています。加工は難しいものの、AuSnはより安定した熱的・機械的界面を提供し、産業用製造環境で要求される5万時間以上の寿命には不可欠です。.

ケーススタディ2kW CWファイバーレーザーの915nm励起

顧客の背景

板金切断システムを専門とする産業用レーザーメーカー。2kWの連続発振（CW）ファイバーレーザーを開発中で、信頼性の高いポンプソースを必要としていた。.

技術的な課題：

その顧客はプロトタイプで「ポンプの故障」を経験していた。調査の結果、ファイバーレーザーのアクティブコアからの後方反射がポンプダイオードに再入射し、915nmチップが過熱して故障していることが判明した。さらに、以前のポンプのBPPが高すぎたため、200umファイバーの使用を余儀なくされ、ファイバーレーザーの全体的な効率が低下していた。.

技術パラメーターとセットアップ

• 要件 135umファイバー（NA 0.22）から200W出力。.
• 波長： イッテルビウム添加ファイバーの吸収ピークに合わせるため、915nm±3nm。.
• プロテクション： 1064nmダイクロイックフィルターを内蔵し、メインレーザービームからの逆反射をブロック。.
• 建築： AuSnボンディングチップを用いた20エミッタ空間結合。.

品質管理（QC）ソリューション：

各モジュールは「ファイバー・ビーム・プロファイラー」を使用してテストされ、95%のパワーが0.18NA内に収まることを確認し、顧客の0.22NAシステムに対する安全マージンを提供しました。また、「ハイパワー後方反射テスト」も実施しました。 1064nmレーザー をポンプの出力ファイバーに挿入し、内部ダイクロイックコーティングの効果を確認する。.

結論

反射防止機能を内蔵した高輝度915nmファイバー結合レーザーにアップグレードすることで、この顧客はファイバーレーザーの光対光効率を65%から72%に向上させた。ハードソルダーモジュールの使用により、インジウムベースの競合製品で見られた劣化の問題が解消され、よりタイトなBPPにより、より小さなコアのポンプコンバイナーを使用できるようになり、最終的な2kW出力のビーム品質がさらに改善された。.

技術仕様表ハイパワーマルチモードモジュール

プロフェッショナルFAQ：高出力レーザーダイオードに関するお問い合わせ

Q1: ファイバーレーザーの励起波長として、976nmよりも915nmや940nmの方が人気があるのはなぜですか？

976nmはイッテルビウムでは吸収断面積が高いが、非常に狭いピークである。このため、ポンプダイオードを波長安定化させ（VBGを使用）、冷却システムを極めて正確にする必要がある。915nmと940nmは吸収帯域がはるかに広く、温度変動や波長ドリフトに対してより「寛容」なシステムとなる。.

Q2: 「クラッドパワー」はレーザーシステムの寿命にどのような影響を与えますか？

クラッドパワーとは、ファイバーコアに閉じ込められなくなった光のことです。この光はファイバーのポリマーコーティングに吸収され、燃焼や炭化を引き起こします。高出力システムでは、クラッドパワーは “ファイバーバーンバック ”の#1原因です。プロ仕様のモジュールは、光源で高いビーム品質（低BPP）を確保することにより、これを最小限に抑えます。.

Q3: 「デタッチャブルファイバー」と「パーマネントピッグテール」の利点は何ですか？

パーマネント・ピグテール（固定ファイバー）は、エアギャップやコネクター・インターフェースがないため、可能な限り低損失で高い信頼性を提供します。着脱式ファイバー（SMA905 または FC/PC）は、ファイバーが消耗品とみなされる医療用アプリケーションに柔軟性を提供しますが、汚染されやすく、パワーしきい値が低くなります。.

Q4: このダイオードを「パルス」モードで動作させることはできますか？

はい。ダイオードは素早く切り替えることができますが、「オン/オフ」サイクルの熱ストレスはCW動作よりもはるかに高くなります。パルシングが必要な場合、1マイクロ秒の過電流がCOMDを引き起こす可能性があるため、電源に電流オーバーシュートがないことを確認することが重要である。.

Q5: 300Wモジュールにおける “サーミスタ ”の役割は何ですか？

高出力モジュールでは、サーミスタは単なる監視用ではなく、安全インターロックでもある。冷却水が故障したり、ヒートシンクが外れたりすると、サーミスタが急激な温度上昇を検知し、レーザーチップが溶ける前にシャットダウンするようドライバーに信号を送ります。.