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半導体レーザーについて

発行：エスオーエル株式会社
https://www.sol-j.co.jp/

連載「測定の新常識！？SOLがお伝えするノウハウ！」
2024年3月13日号　VOL.157

平素は格別のお引き立てを賜り、厚く御礼申し上げます。
干渉計による精密測定やアプリケーション開発情報などをテーマに、
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こんにちは、営業グループの北野です。

今回は、FlatMaster シリーズに使用している
半導体レーザーについてお話したいと思います。

まず初めに『レーザー』と『光』について触れたいと思います。

・レーザー（LASER) とは
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
（誘導放出による光増幅放射）の頭文字を取った言葉で、
波長と位相が時間的・空間的に揃った
特殊な光（コヒーレント光）です。

・光とは電磁波の一種で、波長によって特徴付けられます。
波長の長い方から
赤外線 ＞ 可視光 ＞ 紫外線 ＞ X線 ＞ γ線
となっています。

例えば、昔の携帯電話に搭載していた赤外線通信機能や
夏に日焼けの原因となる紫外線は
目に見えないながらも身近でイメージしやすいと思います。

電磁波の中で人間の目に見える波長の範囲を
可視光線と呼んでおります。

可視光線の波長は短波長側が 360 ～ 400 nm、
長波長側が 760 ～ 830 nm となっており、
この範囲にはいらない波長は
人間の目では見ることが出来なくなります。


次に半導体レーザーの構造と発振についてです。

基本的に半導体レーザーは
活性層と呼ばれる層が n型 と p型 の半導体に挟まれています。
この n型 と p型 の半導体はクラッド層と呼ばれ、
n型 はマイナス、p型 はプラスの電気的性質をもっています。
このように挟まれている構造の事をダブルヘテロ構造と呼び、
n型基板の上に設置してあります。

半導体レーザーは電気を流すことによってレーザー発振し、
それぞれのクラッド層に対応するよう電気を流すと
n型 からは電子、p型 からは正孔が活性層に流れ込み
それらが出会う事で結びつき、再結合します。

n型 から流れ込む電子は、高いエネルギーを持っていますが、
再結合が起こるとそのエネルギーは失われ、
失われたエネルギーは光に変換されます。

この時、n型クラッド層からきた電子エネルギーと
再結合によって光放出された後のエネルギーの差を
エネルギーギャップと言い、
そのギャップによって光の波長が変化します。

この波長の変化を利用することで、
生み出される光を様々な用途に活用することができます。


※ エネルギーバンドギャップ Eg [eV] と波長 λ [nm] の関係は、

　　Eg ＝ hc/λ ≒ 1240 / λ

となります。


一度再結合が起こると、
変換された光が引き金となり別の電子も再結合を始めます。

この現象を誘導放出と呼び、
発生した光は初めに再結合によって発生した光と
全く同じ位相を持った波長の光となります。

この誘導放出の原理を利用し、
位相の整った強い光を生み出すことができるのが
半導体レーザーの特徴です。

活性層の端面は
全反射ミラーと半反射ミラーの役割も果たすため、
活性層内で発生した光は一定の強さになるまでは繰り返し反射し、
誘導放出によって増幅されていきます。

光が十分に増幅され、一定の強さに達した時、
活性層からレーザー発振が起きます。

この特徴を活用することで、
自然光では成し得なかった計測や物質と光の強い相互作用を
人為的に引き起こすことが可能となっております。

レーザーの種類は大きく分けて固体・気体・液体の3種類あり、
弊社の FlatMaster シリーズで使用しているレーザーは
主に2つとなっております。

・固体（主流）
レーザーダイオード（LD） 635 nm

・気体
He-Neレーザー 632.8 nm


レーザー光を用いたフィゾー式斜入射干渉計については
下記にて詳しくご紹介しておりますので
併せてご覧頂けますと幸いです。

　　https://www.sol-j.co.jp/technology/interferometer-fm/


最後に、
レーザーは前兆も無く急に切れてしまいますので、
計画的に交換することで、
急なレーザー切れによる想定外の装置停止を避けることができます。

FlatMaster は、半導体レーザーが基本で、
以前にご提供しておりました HeNeレーザー は、
該当型番の生産終了に伴い、
個別に対応のご相談を承っております。


レーザーは、定期的な交換を推奨しておりますので、
ご検討の際は、下記までお問合せ頂けますと幸いです。

　　https://www.sol-j.co.jp/contact/


本日はこのあたりで失礼します。
最後までお読みいただきありがとうございます。


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T.K