中国のDPSS 532nmレーザーのレビュー：エミッタ

レビューの最初の部分では 、説明に記載されているレーザーパラメータを測定し、電源の設計の欠点について話しました。 次に、エミッター自体の配置を検討する番です。







内部にあるものとそれがなぜ必要なのかを明確にするために、レーザーの一般的な仕組みの簡単な説明から始めたいと思います。 だから：

理論（退屈）

レーザーは、その機能の原理を理解するための独創的なシンプルなデバイスです。 同時に、レーザーが機能するためには、多くのニュアンスを考慮する必要があります。これは、エンジニアの創造性に大きな可能性をもたらします。 原子爆弾のようなものです。臨界質量の半分に2個のウランがありますが、それらを追加します。しかし、爆発せず、ブーツにしか流れません。



物質の原子または分子に何らかのエネルギーが与えられると、しばらくすると、この原子/分子がそれを取り除くことを知っています-おそらく放射の量子を放出することによってさえ（もしそれが他の原子と早く衝突しなければ）。 これは自然放出であり、これが電球の仕組みです。スパイラルは電流によって加熱され、原子（およびタングステンとすべての不純物）の熱エネルギーが放射エネルギーに変換されます。 この場合、このような放射のスペクトルは、完全に黒体のスペクトルにほぼ対応し、特定の温度で特徴的な強度ピークを持つさまざまな波長の束を表します。



同時に、特定の周波数の光子が励起された原子にぶつかると、原子がより低いエネルギーレベルにスライドするのを待たずに、そのような光子の吸収の結果として、原子は光子エネルギーによってエネルギーを減らし、 それと同じ2つの完全に同一の光子を放出します飛びました。 まったく同じ：方向、位相、偏光、そしてもちろんエネルギー、つまり 波長。 これは誘導放出です。







多数の同一の励起原子がある場合、励起原子が波の伝播方向になくなるまで、「分岐した」光子がそのような原子にぶつかったり、再び分岐したりする可能性が高くなります。 したがって、私たちの励起された原子で宇宙に飛んでいる正しい波長の1つの光子だけが増幅し、増幅し、原子はエネルギーを失います。 これは、レーザーが連続的に動作するために、放出原子にエネルギーを連続的に通知する必要があることを明らかにし、それがそれらをより高いエネルギーレベルに戻す-「ポンプアップ」。 さらに、より高いエネルギーレベルでの原子の増幅を成功させるためには、より低いエネルギーレベルよりも多くあるべきであり、この物質の状態は「逆集団」と呼ばれます。 量子の増幅ビームが作動流体を1回通過するだけでは通常十分ではないため、共振器内に配置されます。2つのミラーが1つは放射を完全に反射し、2つ目は増幅ビームを部分的に放出します。



このレーザーのコンテキストで説明する原子は、バナジン酸イットリウム結晶の格子サイトにあるネオジムイオンです。 それらが真空でたむろし、気体の形であった場合、レーザーは気体になり、結晶内に「固定」されているため、レーザーは固体状態になります。 水晶は、必要な波長を透過し、機械的に強く、動作を理解するために重要ではない他の多くのパラメーターに適しているように選択されます。 実際には、ネオジムNdを含む不純物（つまり、ドーピング）を含むイットリウムYVO ₄バナジン酸塩結晶はレーザーの作動流体と呼ばれ、式全体はNd：YVO _{4と表記され}ます。 ここでの主なものはネオジムであり、ドーピングに適したパラメーターを持つ多くの結晶があることを理解することが重要です：Nd：Y ₃ Al ₅ O ₁₂ （またはNd：YAGよりも短い）、Nd：YAlO ₃など。すべて微妙な違いがあります。しかし、本質は一つです。



誘導放出の例では、私たちの原子には上下の2つのエネルギーレベルしかありませんでしたが、現実はより深刻に見えます。







ここでは、アルミニウムとイットリウムガーネットの結晶における放射と吸収の観点から、「興味深い」ネオジムイオンの「エネルギー」レベルを確認します。 ネオジムイオン（量子オブジェクトのような）は、特定の波長の量子のみを吸収できることを理解してください-そのエネルギーは、そのレベルのエネルギーの差に対応します。 これらは青い矢印です。



869nmの波長の結晶を励起する方がエネルギー的にはるかに有益ですが、そのような波長の強力で安価な光源はありません。 そのため、808nmを放出する（ただし強力な）レーザーダイオードが使用され、イオンは必要以上のレベルに駆動されます。 しばらくすると、 ⁴ F _3/2レベルへの非放射遷移が発生します。 これはいわゆる 準安定エネルギーレベル。 「準安定」とは、イオンがエネルギーを放出せずに比較的長時間このレベルにとどまることを意味しますが、同時に、このレベルは基本的ではありません（最小エネルギーではありません）。 この状態では、ネオジムイオンはその量子を「待機」しなければならず、その量子はより低いレベルへの遷移とともに増幅されるため、これは重要です。



励起されたネオジムイオンは、さらに増幅するのに適した4つの波長のいずれかで量子を放出できます（赤い矢印）。 さらに、放射の最大確率は1064 nmの波長ですが、他の遷移も可能です。 彼らは、 ダイクロイック共振器ミラーを使用して苦労しています。これは長さ1064 nmの波のみを反射し、残りは外部に放出され、共振器での増幅を許可しません。 したがって、ミラーを交換するだけで、1つ以上の可能なレーザー周波数を選択できます。



したがって、共振器に置かれた水晶をレーザーダイオードでポンピングすると、波長1064nmのレーザー放射が得られます。 ネオジムは、レーザーダイオードだけでなく、フラッシュランプや、スペクトル内の目的の波長を持つ他の放射源でも励起できることに注意してください。 ここでは必要ないのは、ポンプ光源としてのレーザーです。 レーザーダイオードは、電気エネルギーを必要な1つの周波数の放射に変換するという点で非常に効果的であり（効率は50％以上に達します）、その放射が偏光とコヒーレンスを持っているという事実はプラスですが、必要な品質ではありません。



1064nmの赤外線は、2次高調波生成（SHG）と呼ばれるプロセスで532nmの緑色に変換されます。 記事の長さを2倍にしない限り、このプロセスの本質をわかりやすい方法で説明することはできないので、これが発生する非線形結晶は、入力で2つの量子を受け取り、出力を2つ生成するブラックボックスであると仮定します。 さらに、このプロセスの効率は量子に対応する波の振幅に依存します（これはその非線形性です）。したがって、外の世界の結晶を通して見ると、色のシフトは見られません-光の強度が低すぎます。 しかし、レーザーエネルギー密度では、これらの効果はすべての栄光に現れます。



作動流体と同様に、KTP（リン酸チタニルカリウム、KTiOPO ₄ ）、LBO（三ホウ酸リチウム、LiB ₃ O ₅ ）など多くの非線形結晶があります-すべて長所と短所があります。 cw（ CW ）レーザーでは、キャビティ内に非線形結晶が配置され、結晶を赤外線ビームが複数通過することで誘電体の分極が大きくなり、2次高調波生成の効率が向上します。 この設計のレーザーは、空洞内第二高調波発生レーザーと呼ばれます。 パルスレーザーでは、これは気になりません-パルスのエネルギー密度は共振器を複雑にするのに十分です。



すべての中出力DPSSレーザーは、ほぼ同じ光学設計で構築されています。







LDはポンプダイオード、Fは集束レンズ、 HRは入力ミラー（808nmを透過し、1064nmを反射）、Nd：Crはネオジムドープ結晶（532nmの反射コーティングが右側の表面にスプレーされます）、KTPは非線形結晶、 OC -出力ミラー（1064nmを反映し、他のすべてをスキップします）。



HRおよびOCミラーは、ファブリーペロー半球共振器を形成します。 HRミラーは通常、作動流体の結晶に噴霧され、レーザーによって生成された波長に対して最大の反射率でミラーを作成しようとします。 OCミラーの反射率は、レーザー効率を最大化するように選択されます：媒体のゲインが高いほど（つまり、ネオジムを含む結晶の通過回数が少ないほど、ビームを十分に増幅する必要があります）、透過率が高くなります。



図からわかるように、レーザーダイオードからの808nmの放射を遅延させる唯一の要素は、作動媒体の結晶です。 彼が吸収できなかったものはすべて、ミラーを通過して出口開口部に入ります。 したがって、OCミラーの後に、通常はダイクロイックフィルターが配置され、吸収されていないポンプ放射を反射します。



これで、レーザー操作の基本的な理論的原理とその設計の基礎がわかったので、次のパートに進むことができます。

練習する

下部パネルのネジを外し、上部カバーを固定している4本のネジにアクセスします。







カバーを慎重に取り外し、レンズのレンズに触れないように前方に移動します。











レーザー自体は、エミッターの比較的小さな体積を占有します。 2つの光学ホルダーが並んでいるのがわかります。これは良い兆候です。つまり、まず調整するものがあり、次に、作動流体と非線形結晶を「接着」してレーザーが作られないことを意味します。 接着は、大容量の抽出には適さず、調整できません。



すべてのスロットはシリコンゲルで慎重にコーティングされており、ほこりや湿気が共振器に入るのを防ぎます。 一対の調整ネジが、各ホルダーの上部中央と側面に中央に配置されています。 レーザーのベースは、2本のネジでラジエーターに取り付けられ、熱電対に押し付けられます。 したがって、プラットフォームの前端はラジエーターの上にぶら下がっているだけであり、構造の全体的な剛性について疑問が生じています。



光学素子間には空きスペースがありません。モードダイアフラムとIRフィルターをレンズの前に置くという私の考えは失敗に終わりました。 もちろん、周波数標準やその他の光学要素に疑問はありません。 レーザー設計は変更を意味しません。

ファンを取り外して、レーザーダイオードにアクセスします

レンズと両方のホルダーを取り外します。







5 x 5 x 3 mmのバナジン酸イットリウム結晶のビューが開き、最大15ワットのポンピングに耐え、1064 nmの波長で最大約6ワットの放射を与えることができます。 ネオジム不純物の割合は、おそらく約1原子パーセントです。 1064nmの反射防止コーティングと532nmの反射コーティングがこの面に適用されます。

次に、調整可能なホルダーの要素を見てみましょう

ホルダーはジュラルミン製で、側面のネジで水平面に、上部のネジで垂直に整列できます。 調整は次のように実行されることになっています。1つの軸の両方のネジを放し、ネジの1つでホルダーの目的の位置を見つけ、2つ目のネジで固定します。 ネジは最も一般的な中国語のM3であり、マイクロメトリックまたは正確ではありません。











KTPクリスタルの寸法は3x3x7 mmであり、理論的には532nmで最大約20 Wのはるかに大きな電力を「供給する」ことができます。 反射係数が0.5％未満の532および1064 nmの長さの波に対する反射防止コーティングが、両端に適用されます。 水晶を整列させるために、共振器の軸に沿った回転-3番目の自由度があると便利ですが、ここではメーカーは切断と接着の精度に依存しています。







ダイクロイック凹面鏡は出力ホルダーに接着されています（凹面は目に見えません）：532 nmの波長の光を透過し、1064 nmを反射します。 この場合、808nm放射の大部分も透過します。

レーザーダイオードを取り外します

Fマウントハウジングのダイオードは、熱伝導グリースが塗布された巨大な真鍮製ベースに取り付けられています。 このタイプのハウジングには、ダイオードの温度を制御するサーミスタを取り付けるための開口部があります。 サーミスタは通常の場所にあります。 Focuslight製のダイオード。 なぜなら シリアル番号に加えて、他のマーキングはありません。その電力はおそらく5 Wです-これはこのような場合のダイオードの最低電力であり、中国人はそこにもっと強力で高価なものを置かないと仮定するのは論理的です。 このタイプのダイオードのデータシートに基づくと、最大電流は5.5Aです。 許容値を超えることなく、工場で設定された電流を200 mA増やすことができます。これにより、約50 mWの出力電力が追加されます。 ダイオードは、残りのコンポーネントで許可されているため、10ワットのダイオードに簡単に交換でき、出力で3 Wを超える緑色のビームを得ることができます（その品質、安定性、モード構成を判断できません）。



ダイオードを取り付けると、共振器の軸に沿ってダイオードを回転させて、ポンピング放射の最適な偏光を選択できます。

サイドアークからの作動流体の表示

結晶のこちら側は、808nmの反射防止コーティングでコーティングされ、1064nmで99.5％以上を反射し、平面共振器ミラーを形成します。



ご覧のとおり、ダイオードと水晶の間に集束光学系はありません。これにより、ポンプの効率が低下します。

ラジエーターからレーザーのベースをオフにします

ベースの下には、TEC1-12706ブランドの一般的なペルチェ素子があります。 その特徴：最大15Vの電源、最大6Aの電流、60°Cの高温表面温度で最大50Wの出力。 寸法40x40x4 mm。 おそらく異なるレイアウトの加熱素子のために、出力光学ホルダーの下に穴が開けられました：非線形結晶がこのホルダーに取り付けられ、前のものに光学を集束させ、出力ミラーが個別に取り付けられます（同時に、これはベースの熱膨張の問題を部分的に解決します）。 しかし、これは私の推測です。

すべてを元に戻す

言うまでもなく、組み立てた後、レーザーは機能しませんでしたか？ ただし、出力ミラーの調整を行うことで、かなり迅速に世代を把握できました。 ミラーのさらなる調整は難しくありませんでした。 KTPクリスタルの調整により、すべてがはるかに複雑になりました。正直なところ、中国人がどのようにフィリップスのネジをドライバーで回したか想像できません。 そのため、すべての調整ネジを六角ボルトに交換しました。これにより、留め具に圧力をかけることなく、キーとのより正確な位置合わせが可能になりました。







それにも関わらず、私は正確な臨界KTP角度を修正することができませんでした。それでも、指で簡単な圧力を加えても、それ自体でさえ、ビーム出力が顕著にジャンプします。 ここで、生成は非常に広い範囲の結晶配列にあったが、一部の位置では、わずかな外乱により出力が痙攣的に増加し、また痙攣的に減少したことに注意する必要があります。 その結果、実験室の技術者がレーザー本体にペンチを叩いてバックラッシュミラーを元に戻すという話を思い出して、約1650 mWの安定した出力を達成することができました。つまり、損失は約200 mWでした。



これらのレーザーの出力が非常に大きい理由が明らかになりました：輸送中の幸せな打撃のおかげで1.8 Wが可能になり、完全に異なる出力でレーザーが工場から出てきた可能性があります。 残念ながら、テストフォームはレーザーに添付されていません。

おわりに

彼らはレーザーの結晶を節約しませんでした：彼らははるかに高いポンプ出力を可能にします。 これは統一のために行われたもので、3ワットのレーザーとシングルワットのレーザーは、レーザーダイオードの電力、電源、および価格の3倍だけが異なると思います。 メカニクスの剛性と精度には、多くの要望が残されています。安価に作りたいという願望はありますが、少なくとも設計は修理可能です。 設計の宣言された耐久性は、主にレーザーダイオードの耐久性（およびドキュメントで見つけることはできませんでした）と組立室の純度によって決定されるようです-レーザーを分解するときに光学系に汚染物質は見られませんでした。



要約すると、この記事の最初の部分にある主な質問に答えたいと思います。「なぜこのレーザーが必要なのですか？」そのパワーに基づいて、チタンサファイアと染料の効率的なポンピングには不十分であり、モード構成と安定性もまあまあ、そのアプリケーションの主な分野は、レーザープロジェクターのOEMコンポーネントです。 また、照明目的にも使用できます。発光の記録、共焦点顕微鏡検査などに使用できます。 比較的安定した周波数で高いバックライト電力が必要な領域。