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DPSSレーザーの基礎知識

最近流行しているのが、グリーンレーザーポインターである。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。
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DPSSの中心パーツは結晶1である。これは、532nmの最強力レーザーポインターの原理図だ
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。