LD 交換に関する手順 Version 0.5
長野 重夫
平成 12 年 4 月 22 日

1

はじめに
TAMA 300 の光源である 10W 注入同期 Nd:YAG レーザー (10 W レーザー) のポンプ用レーザー

ダイオード (LD) 交換の設計と手順について述べる。今回変更されるファイバー LD (SDL: SDL-

3460-P 6) のスペックについては、スペックシートを参照すること1 。この資料中に設計間違いや不備があったら改良してもらうことを望む。また、スレーブレーザーの 2 枚のミラーは 100 mm の曲率を持っており、-220mm のレンズに相当するが、ここではその効果は無視したことを最初に述べておく。

2

基本設計をするに関して
ポンプ光学系設計に関しては、以下のような注意点がある。

1. Fiber-coupled LD-array の空間ビームプロファイルの計算については、基本的にはガウシアン
ビーム伝播すると見なして計算できるが、ファイバーのコア径 Wf 、開口数 (N.A.)、発振波長(λ) から計算されるファイバー LD の M 2 を用いて、M 2 倍された波長 (M 2 λ) のレーザー光として計算すること。
2. 実際の 10 W レーザーの寸法を考慮して、新しい光学系を計算すること。
いくら理想的な設計でも 10 W レーザーの中に入らなければ、TAMA レーザーの場合は意味がない。

ex. ポンプ光学系の光軸方向のストローク、スレーブレーザーの窓の直径、集光レンズの直径等。
3. YAG 結晶上での実際の最適なビーム径に関して、我々は情報を持っていない2 。（計算上、最適なビーム径は存在する。）トライ・アンド・エラーを行って探るしかないが、どこまで手間をかけるかは作業者 (TAMA Project) の思想による。

3

最適スポット位置及びスポット径の計算
詳細はソニーレーザーマニュアル (SLM) に譲るとして、ここでは、どのようなパラメーターを用いてどのような式を使って計算したかだけを述べる。

1 現在使用中のものは SDL: SDL-3450-P 6

2 最適というのは、高品質のビームと高出力が同時に得られること。

1

最適スポット位置
最適なスポット位置 zo,opt は、

zo,opt =L exp(−αL)
1−.
α 1 − exp(−αL)(1)

で計算される3 。ここで、α はレーザー結晶のポンプ光吸収率で、YAG 結晶に 808 nm の光が入射した場合は α = 4 cm−1 となる。L はレーザー結晶長で、10 W レーザーの場合 L = 8 mm である。
従って、10 W レーザーの場合の結晶端面からの最適なスポット位置は、

zo,opt = 2.16 mm(2)と計算される。
最適スポット径2
最適スポット径 Wpo,opt
は、

c √
2M
(3)
nα
で計算される4 。ここで、c = Wf N.A.f 、n はレーザー結晶の屈折率で Nd:YAG の場合 n = 1.82 で2
Wpo,opt=ある。また、M は、M=

Q(zo,opt ).
1 − exp(−αL)(4)

で表される5 。新しいファイバー LD のコア半径は Wf = 300 µm、開口数は N.A. = 0.1 である。また、M -パラメーターは M = 0.273 と計算されるので、最適スポット径は

Wpo,opt =175 µm .

(5)となる。ここで、ファイバー LD の N.A. に関しては測定値を使用した (付録参照)。
従って、新しい LD を用いてレーザーを励起する場合に計算から求められる最適スポット位置とスポット径は、YAG 結晶端面から 2.16 mm と 175 µm である。
現状のポンプ光学系についての考察

10 W レーザーの現状のポンプ光学系の最適スポットサイズは Wpo,opt = 190 µm と計算される。しかし、実際には 300 µm 程度まで拡げられている6 。これは、実際に 10 W レーザーを運転して決められた値であると考えられる。TAMA レーザーの場合、スレーブレーザー共振器内部に偏光選択素子が挿入されていないために、レーザー結晶中で生じた熱複屈折による部分楕円偏光の悪影響が大きい。よって、ポンプ光を絞り過ぎると不具合が生じたのだと考える。従って、ここで新しいポンプ光学系設計においても計算された理想値まで絞り込まずに、300 µm に絞ってポンプしてみることを推薦する。
（この数値に確固とした理由はないが、現状でもポンプ光量が大きいとき (LD 電流が増加するとき) に出射ビームプロファイルが熱複屈折の影響を大きく受けることを考えると、理論どおり絞ってポンプするよりは、現状と同程度のスポット径にするのが安全だと考える。最適値を得るには、色々な可能性を試してみる必要がある。）従って、以下の議論ではレーザー結晶上ではポンプ光半径を 300 µm にするように設計することを目標にする。

3 SLM p6 eq.(7)4 SLM p7 eq.(8)5 M 2 とは関係ないので注意。

6 次節で説明する方法で計算すると集光後のビームウェスト半径は 417 µm になる。SLM の値については計算なのか実測に基づくものなのかよく分からない。

2

4

LD の空間ビームプロファイル測定
目標するポンプ光プロファイルのデザインが決定したので、実際に使用するポンプ LD の空間プ

ロファイル特性を調査する必要がある。どこまでファイバー出射光を絞り込めるのかと実際のビー
ム伝播がどのような計算に従うのかを知るために、LD の空間モードの測定をした7 。また、測定は下図の３つの状況で行った。
f2

f1

fiber core radius: CR = 300um
N.A. = 0.1
CR

d

d
fiber

d

= 35mmf1 = 40.7 mm

1

f2 = 50.3mm
L = 52.0mm

L

dd

1

dd = 43mm

d = 17mm

図 1: Case 1

f2

fiber core radius: CR = 300um

f1

N.A. = 0.1
d

CR
d

1

= 35mmdd = 43mm
fiberd

L = 69.0mm
d = 34mmLdd

f1 = 40.7 mm
f2 = 50.3mm

1

図 2: Case 2

f2

f1

fiber core radius: CR = 300um
N.A. = 0.1
CR

d

d
fiber

1

= 41mmdd = 35mm
f1 = 40.7 mm

d1

f2 = 40.7mm
L = 111.0mm

ddL

d = 76mm

図 3: Case 3

得られた結果は表 1 のようである。
ここで、ファイバー出射後の空間ビームプロファイルは


2
λM 2
Wp (z) = Wpo 1 +(z − z0 )2
2
πnWpo

(6)

で計算した8 。また、計算はファイバー出射光の M 2 は

M2 =πWf N.A.f
λ

7 実験風景に関して http : //t − munu.phys.s.u − tokyo.ac.jp/arai/jgr rc/recom2/0001J.html を参照せよ。
a8 SLM p4 eq.(2)3(7)

Beam waist position mm

Beam radius um

実測

61 mm

470 um

計算値

73.4 mm

721 um

実測

60 mm

458 um

計算値58.5 mm

550 um

実測

40 mm

302 um

計算値

37 mm315.9 um

Case1

Case2

Case3

表 1: LD 空間ビームプロファイル測定の結果とその計算値で表されるので9 、

M 2 = 117(8)となる。式 6 は、λM 2 = Λ と見なせば、これは波長が Λ のレーザー光にガウシアンビームの空間
プロファイルを表すから、表 1 の計算値はこれを利用して得た。

Case 1 を除くと実測と計算とはビーム径が 5 %、スポット位置が 17 %以内で一致している。これから、ファイバー LD 波長をそのビームの M 2 倍することで、大体ビームを追跡できると考えられる。また、Case 3 から分かるように、ビーム径は 300 µm 程度までは絞り込めることが分かった。これは目標としているビーム径を満たせる。

5

ポンプ光学系の設計１
実際のポンプ光学系を設計する際には、Case 3 を若干変更した状態を再現することにした。その状態とは、下図のようなものである。
f2

f1

fiber core radius: CR = 300um
N.A. = 0.1
CR

d

d
fiber

d

1

2

= 41mm= 40mmf1 = 40.7 mm
d1

f2 = 40.7mm
L =90.0mm

d2

L

d = 49mm

図 4: デザインされたポンプ光学系

Case 3 の測定時の 2 枚のモードマッチングレンズ間隔は 76 mm であったが、この設計では 49 mmとした。これは、集光されたスポット径をあまり変化させずに、実際に 10 W レーザーに組み込むことができる。(実際に許されているスペースの問題。) また、このときのビーム径とスポット位
置は、Case 3 の計算値から 1 %程度ずれると計算される。

9 SLM p5 eq.(3)4以下に、このときの各点でのビーム径とその位置を示す。これから分かるように、各光学素子上でビームはそれらを安全に透過できる。
optical window(diameter 20mm)

f2(diameter 20mm)
spot

f1(diameter 20mm)

concave mirror
R
CR

fiber
Nd:YAG X'tal

d

3
2

d

2

dd

130

120

95

90

41

0

298

1054

3391

4030

4100

300

L (mm)

ω(um)

dd = about 30mm
R = 100.0mm
d2= about 10mm

diameter of optical window: 20mmd

3

= 25mm

図 5: 設計１の各点でのビーム径

ポンプ光学系設計１で必要なもののリスト

品名個数

レンズ (f=40.7 mm)

4

状況
納品済み

(ただし 1 つは現在使用しているのを使用する。)
V-グルーブ (ストローク 90 mm)

2

納品済み

レンズホルダー (lens1 用)

2

納品済み

レンズホルダー (lens2 用)

2

納品済み

レンズホルダー (lens1 用)

2

納品済み

レンズホルダー (lens2 用)

2

納品済み

表 2: ポンプ光学系設計１で必要なもの
ポンプ光学系設計１のための手順
手順としては、(1) 現状の 10 W レーザー出射パワー vsLD 電流のデータ取得。(2) ファイバーをポンプ光学系から、また LD 本体を温調装置から取りはずす。(3) 現在使用中のポンプ光学系を調整
用 XYZ ステージから取り外す。(4) 取り外された１つの焦点距離 40 mm のレンズを取り外す。
（このとき、一応レンズ位置を V-グルーブ上にマーキングしておくとよいかもしれない。）もう一方は元の状態に復元する場合の基準になるのでいじらずに置いておくこと。(5) 新しいポンプ光学系を組み、取り外したものの代わりに組み込む。(6) ポンプ LD の発振閾値を少し超えたような LD 電流でレーザーを励起してポンプ光学系のチェックをする。また、このときパワーが足りなくて注入
同期が掛からないようなら注入同期用 PD の前の ND フィルターを外して PD 入射パワーを調整すること。(7) レーザー出射光量が最大となるようにポンプ光軸を調整する。(8)LD 電流を少しづづ（0.5 A 程度づづ）上げながら、パワーと出射ビームプロファイルを測定する。このとき場合に5

よってはポンプ光軸を調整すること。特に LD 電流が高いときの出射ビームプロファイルは重要。

(9) 納得いくパワーとプロファイルが得られればここで終わり。さもなければ、ポンプ用レンズ間隔を調整するなどして励起光のスポット径を変更しながら上の手順を繰り返す。

6

ポンプ光学系の設計２
作業時間の短縮という観点から、現状のポンプ系のままで新しい LD をつけるということにも興味がある。現状のポンプ光学系でファイバー LD を付け替えた場合の空間ビームプロファイルを示す。もし、SLM に載っている値が間違いで実際のポンプ光半径が 417 µm であるとすると、この光学系で LD パワーを上げることでレーザー出力を補いながら熱複屈折の影響を減少させられるかもしれない。
optical window(diameter 20mm)

f2(diameter 20mm)
spot

f1(diameter 20mm)

concave mirror
R
CR

fiber
Nd:YAG X'tal

d

3
2

d

2

dd

111

50

35

0

501

3685

3504

300
d

2

L (mm)

ω(um)= about 10mm

diameter of optical window: 20mmd

3

= 25mm26mm

図 6: 設計２の各点でのビーム径

ポンプ光学系設計２で必要なもののリスト
現状のポンプ光学系をそのまま利用するので、特になし。
ポンプ光学系設計２のための手順
基本的には、現在使用中の LD のファイバーをポンプ光学系のファイバーチャックから取り外し、新しいものに交換するだけである。ただし、変更前の出射パワー vsLD 電流の関係は測定しておくと問題が生じた場合に便利である。

7まとめ

10 W レーザーのポンプ用 LD を新しいものに交換をするためのポンプ光学系デザインについて述べてきた。デザインは 2 通り述べた。１つは、SLM に記載されているスレーブ共振器内のレーザー結晶上でのポンプ光半径 300 µm を信用した場合に、それに準ずるようなポンプ光半径を再現するデザインである。もう１つは、現状のポンプ光学系をそのまま利用する方法である。こちら
は、SLM 中のポンプ光半径の値が間違いである場合に有効である可能性が高いと考えられる。どちらの光学系がより 10 W レーザーのスペックを引き出せるのかは、実際にやってみないとならな
いほど我々はレーザーに関しての知識と情報がないのが現状であると考えられる。

6

8

課題
実は、ポンプ光学系の設計２とは、新しい LD のビームプロファイル測定の Case 1 に相当する。

しかしながら、このときの測定結果は計算値から大きくずれたものとなった。（計算された集光後のビーム径より測定されたものは、1.5 倍ほど大きかった。）他の２つの測定と比較してなぜこの測定だけ、計算値から大きくずれたのかは未だ不明である。従って、ポンプ光学系の設計２を実行する場合には、もう一度 Case 1 の測定をするほうが安全である。

9

付録 ファイバー LD の N.A.
詳細については、別紙の “Fiber-coupled LD-arrayN.A. 測定”を参照せよ。ここでは、結果のみを述べるが、SDL3460-P6 の N.A. は

N.A.x = 0.09603(9)

N.A.x = 0.09334(10)である。これは、スペックの N.A. < 0.2 よりもかなりよい値である。以後、N.A. の値は、計算の簡単化のために 0.1 と近似する10 。

LD パワー特性と LD 発振周波数-温度特性については別紙を参照。

10 これは広がり角にして約 11 度である。

7

ファイバーＬＤ測定

平成 10 年 10 月 9 日

1

スペック

1.1

LD スペック

俗称

古いの

型番
しきい値

slop e .
V @5.0AI @12W
I @16W
V @12W
V @16WNA

出射角 max
ファイバー半径1.2

LD ド ライバースペック

型番

LD 駆動電圧 (max)LD 駆動電流 (max)

2

新しいの

3450-P6
3460-P6
6.45 A
10.10 A
0.73 W/A 0.82 W/A
1.6 V
1.7 V
22.9 Aなし
なし
29.8 A
1.91 Vなし
なし
1.95 V
0.2
0.37
11.5 deg. 21.7 deg.
250 m300 mNT-30AL
5V
30 A

問題点
 現在の LD ド ライバーで新しい LD を駆動できるか？現在の LD では 20A 時の電圧は 4.3Vである。
 現在ファイバー出射端から最初のレンズまでの距離は約 40mm である。また、レンズの直径は約 20mm である。新しい LD はそのファイバー径と NA からレンズ位置でビーム半径が15.9mm になる。ちなみに現在使用中の LD はレンズ位置でのビーム半径は 8.13mm である。
 LD 温調が飽和しないか？

1

3

測定課題
 Power-Current 特性
 温度-波長特性のときか？
 Power-波長特性

温度設定を変えて３個所とる。

LD 電流一定で温調を変えて発振中心波長測定。)808[nm] になるのは何度
温度一定で測定。

 LD ド ライバーの様子と温調装置の様子。

4結果
 現在の LD ド ライバーの電流、電圧で新しい LD を駆動可能である。
 LD はほぼスペックど うりの特性であった。
 LD 温調装置は LD の温度が 12 度までは駆動できた。1

5

今後の課題
 現状より LD を冷やす場合には結露対策をしっかり行う必要がある。2
 SN AL955 は温調 12 度までで発振（ 中心）周波数 808[nm] にならなかった。
 新しい LD は NA が大きいのでやはり現状のポンプ光集光用レンズ系では収束させることは不可能である。レンズ系の計算をやり直して早々にレンズ、場合によってはそのホルダー部分を用意しておく必要がある。

6 データ

1 ２つの新しい LD のうち一方（ SN
AL432 ）は 12 度までで発振周波数が 808[nm] になった。しかし 、もう一方（ SN
AL955 ）は 12 度までに発振周波数が 808[nm] にならなかった。
2 怠るとからり恐いことになりそう。

2

power-current measurement
AL955
1998-10-08

16
 "
 "
 "

14
12

power [W]

10
8
6
4
2
0
0

5

10

15

20

25

30

current [A]

AL 432
1998-10-08

16
 !
 !
 !

14
12

power [W]

10
8
6
4
2
0
0

5

10

15

20

àòïïâëñ Ø¾Ú
図 1: LD ド ライバーの電流-レーザーパワーの関係

3

25

30

AL432
1.2

T=18 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0
802

804

806

808

810

812

814

wave length [nm]1.2

T=17 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0
802

804

806

808

810

812

814

wave length [nm]1.2

T=16 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0
802

804

806

808

810

wave length [nm]図 2: SN AL432 のスペクトルの温度依存性 1

4

812

814

AL432
1.2

T=15 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0
802

804

806

808

810

812

814

wave length [nm]1.2

T=14 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0
802

804

806

808

810

812

814

wave length [nm]1.2

T=13 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0
802

804

806

808

810

wave length [nm]図 3: SN AL432 のスペクトルの温度依存性 2

5

812

814

9

AL432
1.2

T=12 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0
802

804

806

808

810

wave length [nm]図 4: SN AL432 のスペクトルの温度依存性 3

6

812

814

AL955
1.2

T=18 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2
802

804

806

808

810

812

814

816

wave length [nm]1.2

T=17 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0

'

-0.2
802

804

806

808

810

812

814

816

wave length [nm]1.2

T=16 C1

0.8

power [a.u.]

Þ

0.6

0.4

0.2

0

-0.2
802

804

806

808

810

812

wave length [nm]図 5: SN AL955 のスペクトルの温度依存性１

7

814

816

AL955
1.2

T=15 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2
802

804

806

808

810

812

814

816

wave length [nm]1.2

T=13 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2
802

804

806

808

810

812

814

816

wave length [nm]1.2

T=12 C1

power [a.u.]

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2
802

804

806

808

810

812

wave length [nm]図 6: SN AL955 のスペクトルの温度依存性 2

8

814

816

Fiber-coupled LD-array の N.A. 測定
平成 11 年 5 月 8 日

1

測定方法
測定方法は図１のようである。このときの LD 電流は 14[A] で、出射光量は 3[W] である。ファイバーからの出射ビームをスクリーンに投影し 、その投影像を背面から CCD カメラを用いて PCに取り込むことで測定した。また校正値に関してはスクリーン上の実寸を用いて得た。
得られたデータの光強度がピーク値の e12 になる半径を有効ビーム半径と定義した。12

測定結果
測定結果を図２に示す。

図２から水平方向 (x 軸) 、鉛直方向 (y 軸) の距離に関するビーム径の方程式が得られた。

rx = 0:98089 + 0:096481  Lx

(1)

ry = 1:0706 + 0:093752  Ly(2)

ここで ri 、Li はそれぞれ i 軸のファイバー出射ビーム半径とファイバー出射端からの距離である。
これから得られたビーム広がり角はそれぞれ

cx = 11:0218[deg](3)cy = 10:7119[deg](4)となる。これはカタログにある 24 度以内というデータよりかなり小さな値である。

3

結果

SDL3460-P6 の N.A. を測定した。ファイバー出射ビームの広がり角は x 軸、y 軸それぞれ 11.0218[deg] 、
10.07119[deg] であった。これはカタログ値の半分以下の値である。またこれに対応する出射ビー
ムの N.A. は

N:A:x = 0:09603;

1 強度分布の最大値を I としたとき、強度が I e 2 となる２点を求め、それをビーム直径と定義した。
0
0

1

(5)

Experimental setup

Fiber-Coupled LD-array

CCD

ScreenPC

図 1: 実験配置図

N.A. measurement
1999-05-07

35

30

TZ=OO?
T[ =OO?

SDL3460-P6

beam radius [mm]

25

20

15

10

5

0
0

50

100

150

200

250

length [mm]図 2: 出射ビーム広がり測定結果

2

300

350

N:A:y = 0:09334(6)である。この結果より注入同期レーザーのポンプ光学系を大きな修正なしに使用できるのではないかと考えられる。

4

付録
参考のためにファイバー出射端から 50mm と 290mm の位置で測定したビーム強度分布を付ける。

3

200
:
;

Intensity [a.u.]

150

100

50

0
65

70

75

80

width [mm]図 3: faber 出射端から距離 50mm のビーム強度分布
250:;

Intensity [a.u.]

200

150

100

50

0
-10

0

10

20

30

40

50

60

width [mm]図 4: faber 出射端から距離 290mm のビーム強度分布

470

SDL-3460-P6
E

R

I

E

S

Package Available:

P6

SDL-3460-P6
Laser Characteristics

SYMBOLMIN

CW Output PowerPo

16

Center Wavelength

λc

800

Spectral Width∆λ

Slope Efficiency

ηD =Po/(Iop-Ith)

0.50

W/A

Conversion Efficiency

η=Po/(IopVop)

23%

Beam Divergence

θ

≤ 24

deg. 1/e2

Threshold Current

Ith

14

A

Operating Current

Iop

32

A

Operating Voltage

Vop

2.0

V

Series Resistance

Rs

0.01

Ω

Thermal ResistanceRth

Recommended Case Temp.

Tc

TYP

MAX

UNITS

17

W

808

(±5) nm

4

nm

0.8
18

°C/W
30

°C

Fiber Characteristics
Fiber Core Diameter

Wc

600

Fiber Numerical Aperture

–

0.37

µm
NA

Fiber Cladding

–

630

µm

Fiber Sheath

–

3000

µm

Absolute Maximum Ratings
Reverse Voltage

Vrl

Case Operating Temp.

Top

0

35

3

V
°C

Storage Temp. Range

Tstg

-55

80

°C

Notes
LIGHT vs. CURRENT
CHARACTERISTICS

All values at 25°C.

2. Other Features Include:a. Temperature coefficient of wavelength isapproximately 0.27 to 0.3 nm/°C.
b. Temperature coefficient of threshold current
can be modeled as:
ITH2 = ITH1 exp [(T2 - T1)/T0]
where T0 is a device constant of about 120°K.

CW OUTPUT POWER (W)1.

SDL-3460-P6

16

8c. Temperature coefficient of operating current isapproximately 0.5% to 0.7% per °C.

0

3. Forward Voltage is typically: Vf = 1.5 V + Iop x Rs
905 Series optical connector at the end of a 1 meter

user when storing or operating at temperatures
below ambient dew point.
6. Care should be taken to avoid light reflection
back into the multimode fiber core.

AA
AA
≤ 24°
Typicalmultimode fiber.
5. A dry N2 environment should be provided by the

6 12 18 24 30
CURRENT (A)FAR FIELD PATTERNFOR P6 LASERS

4. P6 package diodes terminate in a male SMA

RELATIVE INTENSITYS

SDL-3460-P6

7. P6 power is measured into 0.2 NA.
ANGLE (degrees)SDL-6460-P6
S

E

R

I

E

PRELIMINARYPRODUCTSS

Package Available:

SDL-6460-P6
Laser Characteristics

SYMBOLMIN

CW Output PowerPo

16

Center Wavelength

λc

900

Spectral Width

∆λ

4.5

Slope Efficiency

ηD =Po/(Iop-Ith)

0.50

W/A

Conversion Efficiency

η=Po/(IopVop)

23%

FWHM Beam Divergence

θ

≤ 24

degreesThreshold Current

Ith6

Operating Current

Iop

28

A

Operating Voltage

Vop

2.0

V

Series Resistance

Rs

0.01

Ω

Thermal Resistance

Rth

0.8

°C/W

Recommended Case Temp.

Tc

TYP

MAX

UNITS

17

W

930

18

(±5) nm
nm

A

30

°C

Fiber Characteristics
Fiber Core Diameter

Wc

600

Fiber Numerical Aperture

–

0.37

µm
NA

Fiber Cladding

–

630

µm

Fiber Sheath

–

3000

µm

Absolute Maximum Ratings
Reverse Voltage

Vrl

3

V

Case Operating Temp.

Top

0

35

°C

Storage Temp. Range

Tstg

-55

80

°C

Notes
LIGHT vs. CURRENT
CHARACTERISTICS

All values at 25°C.

2. Other Features Include:a. Temperature coefficient of wavelength isapproximately 0.27 to 0.3 nm/°C.
b. Temperature coefficient of threshold current
can be modeled as:
ITH2 = ITH1 exp [(T2 - T1)/T0]
where T0 is a device constant of about 120°K.

CW OUTPUT POWER (W)1.

SDL-6460-P6

16

8c. Temperature coefficient of operating current isapproximately 0.5% to 0.7% per °C.

0

3. Forward Voltage is typically: Vf = 1.5 V + Iop x Rs
Series optical connector at the end of a 1 meter

6. Care should be taken to avoid light reflection
back into the multimode fiber core.

RELATIVE INTENSITY

below ambient dew point.

AAA
AAA
≤ 24°
Typicalmultimode fiber.

user when storing or operating at temperatures

12 18 24 30
CURRENT (A)FAR FIELD PATTERNFOR P6 LASERS

4. P6 package diodes terminate in a male SMA 905

5. A dry N2 environment should be provided by the6

7. P6 power is measured into 0.2 NA.
ANGLE (degrees)

P6

SDL-7470-P5
S

E

R

I

E

PRELIMINARYPRODUCTSS

Package Available:

SDL-7470-P5
Laser Characteristics

SYMBOLMIN

CW Output PowerPo

3

Center Wavelength

λc

670

Spectral Width∆λ

Slope Efficiency

ηD =Po/(Iop-Ith)

0.50

W/A

Conversion Efficiency

η=Po/(IopVop)

12%

FWHM Beam Divergence

θ

≤ 50

degreesThreshold Current

Ith5

Operating Current

Iop

12

A

Operating Voltage

Vop

2.0

V

Series Resistance

Rs

0.01

Ω

Thermal Resistance

Rth

0.8

°C/W

Recommended Case Temp.

Tc

TYP

MAX

UNITS

3.3

W

690

(±5) nm

3

nm

A

18

30

°C

Fiber Characteristics
Fiber Core Diameter

Wc

400

Fiber Numerical Aperture

–

0.4

µm
NA

Fiber Cladding

–

430

µm

Fiber Sheath

–

730

µm

Absolute Maximum Ratings
Reverse Voltage

Vrl

3

V

Case Operating Temp.

Top

0

35

°C

Storage Temp. Range

Tstg

-55

80

°C

Notes
LIGHT vs. CURRENT
CHARACTERISTICS

All values at 25°C.

2. Other Features Include:a. Temperature coefficient of wavelength isapproximately 0.27 to 0.3 nm/°C.
b. Temperature coefficient of threshold current
can be modeled as:
ITH2 = ITH1 exp [(T2 - T1)/T0]
where T0 is a device constant of about 90°K.

CW OUTPUT POWER (W)1.

SDL-7470-P5

3

1.5

c. Temperature coefficient of operating current isapproximately 0.5% to 0.7% per °C.

0

3

6

9

12

CURRENT (A)

3. Forward Voltage is typically: Vf = 1.5 V + Iop x Rs
Series optical connector at the end of a 1 meter≤ 50°
Typicaluser when storing or operating at temperatures
below ambient dew point.
6. Care should be taken to avoid light reflection
back into the multimode fiber core.

RELATIVE INTENSITY

multimode fiber.
5. A dry N2 environment should be provided by theAAAA

FAR FIELD PATTERNFOR P5 LASERS

4. P5 package diodes terminate in a male SMA 905

ANGLE (degrees)

P5

Package Specifications

Standard Tolerances
inches:x.xx = ±0.02
x.xxx= ±0.010

Dimensions in inches (mm) except where indicated

mm: x.x = ±0.5x.xx

= ±0.25

P5 and P6 Packages
Fiber-Coupled Linear Array
Package2.75 (69.8)[4X] ∅ 0.16 (4.1)
3 mm DIA CABLE
1 METER LONG

2.520 (64.01)

0.115 (2.92)∅ 0.126 (3.20)

0.750(19.05)1.25(31.8)

0.250 (6.35)
0.41 (10.4)∅ 0.126 (3.20)
x 0.160 (4.06) SLOTLASER ANODELEAD ( + ), CASE
SMA 905 CONNECTORLASER CATHODE
LEAD ( – )ELECTRICAL CONNECTORSCOMPATIBLE WITH HYPERTRONICTYPES: YPN035-001, YSK035-006

2.70 (68.6)

2.25 (57.2)

0.25 (6.4)

0.73
0.54 (18.5)(13.7)

0.54 (13.7)

0.279 (7.09)

0.38 (9.6)

0.46 (11.7)

SDL-34/64/7400
P

5

/

P

6

S

E

R

I

E

User Safety

S

Safety and Operating Considerations

21 CFR 1040.10 Compliance

The laser light emitted from these laser
diodes is visible or invisible and may be
harmful to the human eye. Avoid looking
directly into the fiber or fiber coupler when
the device is in operation.

Because of the small size of these devices, each of the labels shown is attached to the individual shipping container. They are illustrated here to comply with 21 CFR 1040.10 asapplicable under the radiations control for health and safety act of 1968.

CAUTION: THE USE OF OPTICAL INSTRUMENTS WITH THIS PRODUCT WILL
INCREASE EYE HAZARD.
Operating the laser diode outside of its maximum ratings may cause device failure or asafety hazard. Power supplies used with thecomponent must be employed such that the
maximum peak optical power cannot be
exceeded. CW laser diodes may be damagedby excessive drive current or switching transients. When using power supplies, the laser
diode should be connected with the main
power on and the output voltage at zero.
The current should be increased slowly
while monitoring the laser diode output
power and the drive current.
Device degradation accelerates withincreased temperature and therefore carefulattention to minimize the case temperature
is advised. For example, life expectancy will
decrease by a factor of four if the case isoperated at 50 °C rather than 30 °C.

SERIAL NUMBER IDENTIFICATION LABELS D L , I N C.
SAN JOSE, CALIFORNIAMODEL:

95134

U. S. A.

S/N:

MANUFACTURED:WAVELENGTH:

I op:This laser product complies with 21 CFR 1040 as applicable

OUTPUT POWER DANGER LABELSDANGER*SEE MANUALDANGERINVISIBLE LASER RADIATION*INVISIBLE LASER RADIATION*AVOID EYE OR SKIN EXPOSURE TO
DIRECT OR SCATTERED RADIATIONAVOID EYE OR SKIN EXPOSURE TO
DIRECT OR SCATTERED RADIATIONGaAlAs Diode CW 20 W max.
CLASS IV LASER PRODUCT3141

GaAlAs Diode CW 11 W max.
CLASS IV LASER PRODUCT
3131*SEE MANUAL

SDL-3450-P5

SDL-3460/6460-P6

DANGERVISIBLE LASER RADIATION*AVOID EYE OR SKIN EXPOSURE TO
DIRECT OR SCATTERED RADIATIONGaAlAs Diode CW 6 W max.
CLASS IV LASER PRODUCT*SEE MANUAL

A proper heat sink for the laser diode on athermal radiator will greatly enhance laser
life. Firmly mount the laser on a radiator
having a thermal impedance of less than 0.5°C/W for increased reliability.
ESD PROTECTION — Electro-static discharge is the primary cause of unexpected
laser diode failure. Take extreme precaution
to prevent ESD. Use wrist straps, grounded
work surfaces, and rigorous anti-static techniques when handling laser diodes.

SDL-7470-P5

PACKAGE APERTURE LABELSADANGERINVISIBLE LASERRADIATION IS EMITTED AS SHOWN.

Laser
Radiation
3130

SDL-3400/6460 SERIESADANGERVISIBLE LASERRADIATION IS EMITTED AS SHOWN.

Laser
Radiation
3203B

SDL-7470-P5

This product is export controlled under
COCOM. The ECCN is 6A05A; HarmonizedCommodity is 8541.40.6050.

SDL, Inc.
80 Rose Orchard Way
San Jose, CA 95134-1365
TEL: 408-943-9411
FAX: 408-943-1070

Information contained herein is deemed to be reliable and accurate. No responsibility is assumed for its use, nor for any infringements on the rights of others. SDL reserves
the right to change the design, specifications, etc., of the product at any time without notice.

DCC 023 EG 0398

10W レーザー起動方法と注意点
Version 1.0

長野 重夫
平成 12 年 4 月 22 日

10W レーザーの使い方

1

原案はソニーレーザーマニュアルにある起動、終了方法である。またレーザーを使用する者はマニュア
ルをコピーして熟読しておくこと。（オリジナルを持っていかないように。）

1.1

起動方法

1. NPRO 電源キー ON。
普段はスタンバイモードにしておき不用意に電源キーを切らないようにする。

2. ドライエアーポンプ起動。
流量計を確認。LD の結露はショートによる LD の破壊を招くので露時や湿度の高い環境では常に湿度計をチェックすること。また湿度７０%以上あるときは湿度が下がるまでレーザーの使用を避けること。結露した場合は速やかに LD 電流を下げ、乾燥するまで待つこと。

3. 循環冷却装置 ON。
→ 目標設定温度の確認。（14 度）
4. LD 温度調節器 ON。（ LD temp controller）→ 目標設定温度の確認。（15.0 度）→ 冷却循環水が作動していることを確認。（ 熱暴走に注意！）
循環水が減って来たり、ホース内が汚れて来たりすると、循環冷却装置の電源を入れても水が流れていないこともあるので、たまには循環水用ホースを触って水流による振動を確認すること。
循環冷却水が減ったときは純水を補給すること。長期間の水道水の使用はチラー内に藻を発生させるので避けること。

5. Nd:YAG 結晶温度調節器 ON。
→ 目標設定温度の確認（21 度）
6. KENWOOD 電源 ON（VCM コントローラ起動）。
２台ある電源の右側の OUTPUT スイッチを押すと連動して２台同時に出力される。
→ 共振器内シャッター作動確認（シャッターの音を確認すること。）。スレーブ共振器内部のシャッターを開放せずにレーザーを励起させないようにすること。

→ LOCK スイッチ OFF、AUTO SERCH スイッチ ON
7. ケーブルコネクション確認。
循環冷却装置・温度調節器が目標設定値に制御されていることを確認する。（LD 温度調節器は冷却方向の制御しかできないため、循環冷却装置の温度設定が低いと、目標設定温度以下の値を示すことが1

あります。）

NPRO ケーブルのコネクション確認。
SDL3450 − P6 のコネクション確認。
8. オシロスコープ ON。
9. 励起開始前に安全シャッターがオープンするか確認する。

1.2

励起開始

1. NPRO STANDBY スイッチ ON。
→ 出力５５０ｍ W から６００ｍ W を確認。
→ LOCK スイッチ OFF（VCM 掃引モード）で共振器の反射ディップを確認。
（ディップが見えなかったらボードのリセットボタンを押すこと。）
2. LD 電源（LASER DIODE POWER）キー ON。

→ 電流値（IF-SET) が最小値（反時計回り）になっていることを確認。
また START SWICH を一度 STOP に倒してから電源キーを ON すること。IF-SET が 0.0 になっていることを確認する。（10.0 と間違えないように）IF-LIMIT ＝ 21[A] になっているが 20[A] 以上流さないようにする。

3. 電源 SHORT トグルを START に ON。（一番左のスイッチ）→ VF2.9V, IF0.0A であることを確認。
4. LD の温度調節がうまく制御されていることを確認しつつ、少し筒電流値をあげる。
→ LD しきい値は IF ＝６ A 程度。（レーザー発振が始まる。これ以下では発光のみ）→ スレーブ共振器自体のしきい値は IF8.5A 程度。（この値はアライメントによって多少前後する。）
5. 注入同期をかけるための LOCK スイッチを ON にする。
→ AUTO SEARCH OFF の場合、LD しきい値（６ A) 前後で LOCK スイッチ ON。
→ 同期が成功しない場合、PD の入射光量の調節。
→ AUTO SEARCH ON の場合、LOCK スイッチ ON の状態で LD 電流値を 12A から 13A 程度まであげていく。
→ 同期が成功しない場合、VCM 制御基盤調整方法の項参照。

6. 電流値 20.0A で出力 9.5W から 10.0W 程度を確認。

1.3

終了方法

突然に LD 電流を遮断することだけは避ける。
1. LD 電源の電流値を静かに０ A まで落とす。
2. LD 電源 SHORT トグルをストップする。
→ 電流値が０ A であることを確認。
3. LD 電源キー OFF。
4. NPRO STANDBY スイッチ OFF。
→ この状態で初めて出力が０ W になる。
5. 結晶温調、LD 温調、循環冷却装置を OFF。
6. ドライエアーポンプ OFF。
7. NPRO 電源キー OFF。（終夜通電の場合省略）2

2アライメント2.1

ポンプ光アライメント

ポンプ光のアライメントは Nd:YAG 結晶の端面に対して、X、Y、Z の自由度がある。主に使用するのは X、Y 軸ステージである。調整は出射光量とレーザー出射ビームプロファイルを観察しながらパワー最大、出射モードが最も T EM00 モードに近くなるように行う。（スピリコンを起動させてモニターすること。）このときのコツは出射ビームプロファイルは熱レンズの影響を大きく受けているため、ゆっくりと動かすことである。またスピリコンでモニターしたときに最も T EM00 モードに近いときが出射光量最大ではないことが多い。
アライメント用 Z 軸ステージは大体調整が終わったときに最適化する感じで行う。

2.2

マスターレーザー入射光アライメント

レーザーを使用していると段々と出力が低下してくる。この原因の一つにマスターレーザーの入射光のずれが考えられる。この調整方法は以下のとうりである。

1. 現状の出射光量-LD 電流を測定しておくこと。
2. 初期状態のマスターレーザー光軸をアイリス等で確認しておくこと。
3. レーザー出射光の光軸をなるべく遠くでモニター（マーキング）しておくこと。
4. VCM コントローラを掃引モードにして共振器の反射ディップを確認する。
5. LD 電流をスレーブレーザーのしきい値程度まで流し、注入同期 LOCK SWICH を ON、AUTO
SEARCH を OFF にして出射ビームプロファイルを確認する。
6. 共振器反射ディップと出射ビームプロファイルと出射光軸をモニターしながらマスターレーザー光を
スレーブ共振器に導入し最適化する。
このとき、スレーブレーザー光軸とマスターレーザー光軸とのずれはアライメントの有効な情報を含んでおり、ずれが生じている場合はスレーブレーザー光軸にマスターレーザー光軸を合わせるようにすること。

7. アライメントが済んだら出射光量-LD 電流を測定する。

2.3

循環冷却水の交換

半年に一度程度の割合で循環冷却水の交換を行うほうがよい。

1. チラーへの戻り口のホースを抜き、チラーを ON し、古い冷却水をすべて抜き取る。すべて抜ききったらチラーを OFF する。
2. 新しい純水をチラー上部から注入口から入れる。
3. 純水を入れたらチラーを再び ON して、はずしてあるホースの口まで冷却水が回ってくるようにすること。（冷却水は勢いよく流れるので水浸しにならないように注意。）ホース内に大量の空気が混入していると冷却水が流れにくくなるので、この時点でなるべく空気抜きをしておくこと。

4. ホース口まで冷却水が回ってきたらチラーを OFF し、すばやくホースをチラーに接続する。
5. もう一度チラーを ON して水漏れがないか確認すること。

3

2.4

スレーブ共振器の乾燥空気の交換

スレーブ共振器はパージされており中は乾燥空気で満たされている。この乾燥空気は２ヶ月に一度程度の割合で交換を行うほうがよい。

1. 乾燥空気を用意する。（付属の空気ボンベを使用。）
2. スレーブ共振器上部にあるホースを取り外す。
3. 片側に乾燥空気ボンベを取り付け、ゆっくりと少量ずつ空気を流す。このとき、勢いよく流さないよ
うに注意すること。
4. 共振器中に新しい乾燥空気が満たされたらすばやくホースを取り付けること。

2.5

Faiber-coupled LD array の取り扱い

ポンプ用 LD の取り扱いについてはマニュアルおよびカタログを参照すること。主な注意点は以下のとうりである。

1. LD は静電気によってすぐに破壊されるので電極は絶対に開放にしないこと。取り外すときはかならず電極をショートさせること。

2. ファイバーをホルダーから取り外す場合は端面を傷つけないように注意すること。傷ついた端面で LDを発振させると Optical feedback によって LD が破壊されます。
3. LD のオペレーション温度はマニュアルにあるように 18 度から 30 度です。LD 温調が熱暴走しないよ
うにモニターすること。

4. ファイバーには余計な力が加わらないように取りまわし等に注意すること。

改良点

3

ソニーレーザーは注入同期を保つために Pound-Drever 法を用いて Phase lock をしているが、そのアクチュエータにはスレーブ共振器を構成する鏡に取り付けられた VCM を使用している。
この VCM の共振周波数は約８０ KHz である。レーザーの周波数安定化を行う際に広帯域制御をするとこの VCM の共振が制御を不安定にする。そのため、８０ KHz のノッチフィルターを Phase lock loop に付け加えてこの共振を避けるように改良した。

VCM 制御用基盤上にある TP4 から TP5 の間に外付けのフィルターを入れた。

A

諸特性

4