半導体レーザー（ダイオードレーザー）の基本原理から応用までを解説し、pn接合の仕組みや発振条件についても紹介します。日常の多様な技術に欠かせないこのデバイスの役割を理解しましょう。
半導体レーザー（ダイオードレーザー）の基礎
半導体レーザー、またはダイオードレーザーは、日常生活で広く使用されている光源です。バーコードスキャナーや光通信、医療機器など、多岐にわたる用途で活躍しています。ここでは、ダイオードレーザーがいかにして光を発生させるのか、その物理的原理について簡単に解説します。
半導体レーザーの原理
半導体レーザーは、特定の半導体材料が電流を流すことによって光を発生させるデバイスです。発光の基本原理は「電子と正孔（ホール）の再結合」によるものです。電流を半導体に流すと、電子は伝導帯に、正孔は価電子帯にそれぞれ移動します。電子が正孔と出会い再結合するとき、エネルギーが放出されることがあります。このエネルギーが光の形で放出される現象を発光といいます。
pn接合とレーザー発振
ダイオードレーザーは、p型半導体とn型半導体が接合されたpn接合を利用しています。p型半導体は、正孔が多い領域であり、n型半導体は電子が多い領域です。pn接合に電圧をかけると、電子はn型からp型へ、正孔はp型からn型へと移動するため、接合面近くで多数の電子と正孔が再結合し、集中的に発光します。
- pn接合のフォワードバイアス：電子がn型側からp型側へ流れ、正孔と再結合して光を発生します。
- レーザー発振条件：デバイス内の増幅と光のフィードバックがバランス良く行える状態で発振が始まります。
- 共振器：ダイオードレーザーの両端には鏡があり、これが光のフィードバックを生み出して共振を助けます。こうして連続的なレーザー光が生成されます。
発振波長の制御
ダイオードレーザーの発振波長は、使用する半導体材料のエネルギーギャップに依存します。材料を工夫することで、赤色から近赤外線まで様々な波長のレーザーを作ることが可能です。一般的に、材料としてはガリウム、アルミニウム、インジウムなどの元素が含まれる化合物が用いられます。
ダイオードレーザーの応用
ダイオードレーザーの応用範囲は非常に広いです。以下はその一例です。
- 光通信：光ファイバーを通じた高速データ伝送に用いられます。
- バーコードリーダー：商品のバーコードを読み取るのに使用される。
- 医療機器：レーザー手術において切開や組織の焼却に使用される。
- 測定器：レーザー距離計などに用いられる。
このように、ダイオードレーザーはそのコンパクトサイズ、効率の良さ、および制御のしやすさから様々な分野で利用されています。今後も半導体技術の進歩とともに、その応用範囲は拡大していくと考えられます。
