半導体レーザー

半導体レーザー：小型で高性能な光の源

半導体レーザーは、半導体材料の電子と正孔の再結合によって生じる発光現象を利用したレーザーです。ダイオードレーザー、レーザーダイオード (LD) とも呼ばれ、その中心周波数、つまりレーザー光の色は、半導体の構成元素によって決定されます。室温動作可能なものも多いですが、共振器構造や出力電力によっては冷却が必要となる場合もあります。

レーザー発振の仕組み

レーザー発振には、特定のエネルギー準位以上に電子を励起した状態である「反転分布」が必要です。半導体レーザーでは、pn接合に数ボルトの電圧を印加することで電子を注入し、この反転分布を形成します。pn接合領域に注入された電子と正孔が再結合すると、バンドギャップに相当するエネルギーを持つ光子が放出されます。

量子井戸構造などの高度な技術を用いることで、電子と正孔を高密度に注入し、初期の光子が誘導放出を引き起こします。この誘導放出により、光子は雪崩的に増幅され、強いレーザー光となります。この増幅された光は、半導体内部の共振器構造によって何度も反射され、位相の揃ったコヒーレント光として出力されます。

一般的には、共振器が半導体基板と平行に形成され、へき開した側面から光が出射する端面発光レーザー（Edge Emitting Laser, EEL）が広く用いられています。一方、光が基板と垂直に出射する面発光レーザー（Surface Emitting Laser, SEL）もあり、特に垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）は、小型化に優れており注目されています。外部共振器型垂直面発光レーザー（VECSEL）も普及しつつあります。

LEDとの比較

半導体レーザーは、レーザー発振の条件を満たしたLEDと捉えることができます。どちらも半導体のpn接合を用いて発光し、電源回路なども共通性が高いです。しかし、半導体レーザーは、活性層構造と共振器構造を必要とするため、光の特性に大きな違いがあります。

LEDは波長や振幅にばらつきがありますが、半導体レーザーではそのばらつきが非常に小さく、位相も揃ったコヒーレント光を出力します。このコヒーレント光は、色収差がなく高精度の光学系設計を可能にし、精密測定などにも利用されます。また、LEDは比較的広がる光を出射しますが、半導体レーザーは、出射端面が薄い板状であるため、楕円ビームとなり、直線偏光も特徴です。

変調特性

半導体レーザーは、特定の電流値（閾値電流）以上でレーザー発振を始めます。閾値電流付近では、電流の微小な変化に対して光出力の変化が大きく、GHz領域での高速変調が可能です。

レーザー発振と放射光

半導体レーザーは、活性層を挟むクラッド層と、へき開によって作られた反射面によって共振器を形成しています。活性層に電圧が印加されると、電子が励起され、自然放射によって最初の光子が放出されます。この光子が誘導放射を引き起こし、同じ波長、同じ位相の光が増幅されていきます。この過程で、共振器内で何度も反射を繰り返す光だけが強度を増し、最終的にコヒーレント光として出力されます。この共振器はファブリ・ペロー共振器と呼ばれ、出力される光は、端面近傍では楕円形状となり、回折によってその向きが変化します。

半導体レーザーの歴史

半導体レーザーの研究開発は、1950年代から始まりました。1962年には低温パルス発振、1970年には室温連続発振が実現され、その後、様々な改良が加えられてきました。特に、窒化ガリウム（GaN）系半導体の開発により、青色レーザーの実用化が進み、ブルーレイディスクなどの民生機器にも広く利用されるようになりました。

発光色の限界と新たな技術

半導体レーザーの発光色は、半導体のバンドギャップエネルギーによって決定されます。そのため、発光できる色は限られており、黄色や緑色、中赤外線などは、高効率な発光が難しいとされてきました。しかし、近年では新たな材料や技術の開発により、発光色の幅が広がり、発光効率も向上しています。

有機半導体レーザー

近年、有機半導体レーザーの研究開発も盛んに行われています。分子設計の自由度が高く、様々な特性を持つレーザーの開発が期待されています。

応用

半導体レーザーは、小型、低消費電力、低コストなどの利点から、幅広い分野で利用されています。光学ドライブ、レーザープリンター、光通信機器などが代表的な用途です。高出力の半導体レーザーは、レーザー加工、レーザーマーカーなどにも利用されています。また、レーザーポインター、レーザーマウス、歯科用レーザーなど、身近な製品にも多く用いられています。フォトレジストの露光光源としても重要な役割を果たしています。

まとめ

半導体レーザーは、小型で高性能な光源として、現代社会に欠かせない技術となっています。今後、更なる高出力化、高効率化、新規波長領域への展開など、更なる発展が期待されます。

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