レーザーダイオードの仕組み | CIELLULUガイド

レーザーダイオードはどのように動作するのでしょうか?

レーザーダイオードの内部構造を理解することは、様々な分野の専門家にとって不可欠です。この記事では、レーザーダイオードの動作原理を解説し、よくある誤解を解き明かします。基本的な物理特性と主要コンポーネントを解説し、簡潔かつ明瞭に解説します。

誘導放出：レーザーダイオードの心臓部

レーザーダイオードを含むあらゆるレーザーの根底には、誘導放出の原理があります。電子がランダムにエネルギー準位を下げて光子を放出する自然放出とは異なり、誘導放出では入射光子が同一の光子の放出を誘発します。このプロセスは、レーザー光の特徴であるコヒーレント光（周波数、位相、方向が一致する光波）を生成するために不可欠です。レーザーダイオードでは、このプロセスは半導体材料内で実現されます。

半導体材料とpn接合

レーザーダイオードは、通常ガリウムヒ素（GaAs）などの化合物である半導体材料を用いてpn接合構造を形成します。この接合は、半導体に不純物をドーピングすることで、正電荷（p型）と負電荷（n型）が過剰に蓄積された領域を形成することで形成されます。順方向バイアス電圧を印加すると、n型領域の電子とp型領域の正孔が接合部で再結合します。

光共振器とフィードバック

電子と正孔の再結合により光子が放出されます。この光を増幅してレーザービームを生成するために、これらの光子は半導体材料の両端を劈開することで形成された光共振器内に閉じ込められます。劈開された端面は鏡として機能し、光子を活性領域を通して往復反射します。このフィードバック機構によって誘導放出が増強され、カスケード効果が生じ、高強度でコヒーレントなレーザービームが生成されます。

レーザーダイオードの出力と用途

生成されたレーザー光は、共振器の片方の反射端からダイオードから出射されます。放出される光の波長は、使用される半導体材料のバンドギャップによって決まります。これにより、レーザーダイオードは汎用性が高く、赤外線から可視光まで、幅広い波長範囲で発光するレーザーを生成できます。これらのダイオードは、通信、光ストレージ、バーコードスキャナ、レーザーポインタなど、様々な技術において幅広い用途に使用されています。

適切なレーザーダイオードの選択

適切なレーザーダイオードの選択は、必要な波長、出力、ビーム品質、動作電流など、いくつかの要因によって異なります。情報に基づいた決定を下すには、動作の基本原理を理解することが鍵となります。