半導体レーザーとは？

1962年に世界初の半導体レーザーが発明されて以来、半導体レーザーは大きな変化を遂げ、他の科学技術の発展を大きく促進し、20世紀で最も偉大な人間の発明の1つと見なされています。過去10年間で、半導体レーザーはより急速に開発され、世界で最も急速に成長しているレーザー技術になりました。半導体レーザーの応用範囲は、オプトエレクトロニクスの全分野をカバーしており、今日のオプトエレクトロニクス科学のコアテクノロジーになっています。小型、シンプルな構造、低入力エネルギー、長寿命、容易な変調、低価格という利点により、半導体レーザーはオプトエレクトロニクスの分野で広く使用されており、世界中の国々で高く評価されています。

半導体レーザー
A 半導体レーザーは、直接バンドギャップ半導体材料で構成されたPn接合またはPin接合を作動物質として使用する小型レーザーです。数十の半導体レーザー加工材料があります。レーザー化された半導体材料には、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、アンチモン化インジウム、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化鉛、テルル化鉛、ヒ化アルミニウムガリウム、インジウムリン、ヒ素などがあります。半導体の主な励起方法は3つあります。レーザー、すなわち電気注入型、光ポンプ型、高エネルギー電子ビーム励起型。ほとんどの半導体レーザーの励起方法は電気注入です。つまり、Pn接合に順方向電圧を印加して、接合面領域に誘導放出を生成します。つまり、順方向バイアスダイオードです。したがって、半導体レーザーは半導体レーザーダイオードとも呼ばれます。半導体の場合、電子は離散的なエネルギーレベルではなくエネルギーバンド間を遷移するため、遷移エネルギーは明確な値ではなく、半導体レーザーの出力波長が広範囲に広がります。範囲で。それらが放出する波長は0.3から34μmの間です。波長範囲は、使用する材料のエネルギーバンドギャップによって決まります。最も一般的なのは、出力波長が750〜890nmのAlGaAsダブルヘテロ接合レーザーです。
半導体レーザー製造技術は、拡散法から液相エピタキシー（LPE）、気相エピタキシー（VPE）、分子線エピタキシー（MBE）、MOCVD法（有機金属化合物蒸着）、化学ビームエピタキシー（CBE）までの経験があります）そしてそれらの様々な組み合わせ。半導体レーザーの最大の欠点は、レーザーの性能が温度の影響を大きく受け、ビームの発散角が大きく（通常は数度から20度）、指向性、単色性、コヒーレンス性に乏しいことです。しかし、科学技術の急速な発展に伴い、半導体レーザーの研究は深みのある方向に進んでおり、半導体レーザーの性能は絶えず向上しています。半導体レーザーを核とした半導体オプトエレクトロニクス技術は、21世紀の情報化社会において、より大きな進歩と役割を果たします。

半導体レーザーはどのように機能しますか？
A 半導体レーザーコヒーレント放射線源です。レーザー光を生成するには、次の3つの基本条件が満たされている必要があります。
1.ゲイン条件：レーザー媒質（活性領域）内のキャリアの反転分布が確立されます。半導体では、電子エネルギーを表すエネルギーバンドは、連続に近い一連のエネルギーレベルで構成されています。したがって、半導体では、集団反転を実現するために、高エネルギー状態の伝導帯の下部にある電子の数は、低エネルギーの価電子帯の上部にある正孔の数よりもはるかに多くなければなりません。 2つのエネルギーバンド領域間の状態。ヘテロ接合は順方向にバイアスされ、必要なキャリアを活性層に注入して、電子を低エネルギーの価電子帯から高エネルギーの伝導帯に励起します。誘導放出は、反転分布の状態にある多数の電子が正孔と再結合したときに発生します。
2.コヒーレント誘導放射を実際に得るには、誘導放射を光共振器で複数回フィードバックしてレーザー発振を形成する必要があります。レーザー共振器は、半導体結晶の自然な劈開面をミラーとして形成されており、通常、発光しない端部は高反射多層誘電体膜でコーティングされ、発光面は反射防止膜でコーティングされています。反射膜。 F-pキャビティ（ファブリペローキャビティ）半導体レーザーの場合、p-n接合面に垂直な結晶の自然劈開面を使用することでF-pキャビティを簡単に形成できます。
3.安定した発振を形成するためには、レーザー媒質は、共振器による光損失やキャビティ表面などからのレーザー出力による損失を連続的に補償するのに十分な大きさの利得を提供できなければなりません。キャビティ内の光場を増やします。これには、十分に強力な電流注入が必要です。つまり、反転分布が十分にあるほど、反転分布の程度が高くなるほど、得られるゲインが大きくなります。つまり、特定の電流しきい値条件を満たす必要があります。レーザーがしきい値に達すると、特定の波長の光がキャビティ内で共振して増幅され、最終的にレーザーを形成して連続的に出力されます。半導体レーザーでは、電子と正孔の双極子遷移が発光と光増幅の基本的なプロセスであることがわかります。新しい半導体レーザーの場合、量子井戸が半導体レーザー開発の基本的な推進力であることが現在認識されています。量子細線と量子ドットが量子効果を最大限に活用できるかどうかは、今世紀にまで拡大されました。科学者たちは、自己組織化構造を使用してさまざまな材料で量子ドットを作成しようと試みており、GaInN量子ドットは半導体レーザーで使用されています。

半導体レーザーの開発履歴
ザ半導体レーザー1960年代初頭のホモ接合レーザーは、1つの材料で製造されたpn接合ダイオードでした。順方向の大電流注入では、電子はp領域に連続的に注入され、正孔はn領域に連続的に注入されます。したがって、キャリア分布の反転は、元のpn接合の空乏領域で実現されます。電子の移動速度は正孔の移動速度よりも速いため、放射と再結合が活性領域で発生し、蛍光が放出されます。レーザー、パルスでのみ動作できる半導体レーザー。半導体レーザー開発の第2段階は、GaAsやGaAlAsなどのバンドギャップの異なる半導体材料の2つの薄層で構成されるヘテロ構造半導体レーザーであり、単一のヘテロ構造レーザーが最初に登場しました（1969年）。シングルヘテロ接合注入レーザー（SHLD）は、GaAsP-N接合のp領域内にあり、ホモ接合レーザーよりも1桁低いしきい値電流密度を低減しますが、シングルヘテロ接合レーザーは、室温。
1970年代後半以降、半導体レーザーは明らかに2つの方向に発展してきました。1つは情報を送信するための情報ベースのレーザーであり、もう1つは光パワーを上げるためのパワーベースのレーザーです。励起固体レーザー、高出力半導体レーザー（100mw以上の連続出力および5W以上のパルス出力出力は高出力半導体レーザーと呼ぶことができます）などのアプリケーションによって駆動されます。
1990年代には、半導体レーザーの出力が大幅に増加し、海外でキロワットレベルの高出力半導体レーザーが商品化され、国内のサンプルデバイスの出力が600Wに達するという画期的な進歩がありました。レーザー帯域の拡大という観点から、最初の赤外線半導体レーザー、続いて670nmの赤色半導体レーザーが広く使用されました。その後、650nmと635nmの波長の出現により、青緑色と青色光の半導体レーザーも次々と開発に成功しました。 10mWのオーダーのバイオレットおよび紫外線半導体レーザーも開発されています。面発光レーザーと垂直共振器面発光レーザーは1990年代後半に急速に発展し、超並列オプトエレクトロニクスでのさまざまな用途が検討されてきました。 980nm、850nm、および780nmのデバイスは、光学システムですでに実用的です。現在、垂直共振器面発光レーザーは、ギガビットイーサネットの高速ネットワークで使用されています。

半導体レーザーの応用
半導体レーザーは、より早く成熟し、より速く進行するレーザーのクラスです。波長範囲が広く、製造が簡単で、コストが低く、大量生産が容易であり、サイズが小さく、軽量で、寿命が長いため、品種や用途で急速に発展しています。幅広い範囲で、現在300種以上。

1.産業および技術への応用
1）光ファイバー通信。半導体レーザーは光ファイバー通信システムの唯一の実用的な光源であり、光ファイバー通信は現代の通信技術の主流になっています。
2）ディスクアクセス。半導体レーザーは光ディスクメモリに使用されており、その最大の利点は、大量の音声、テキスト、および画像情報を保存できることです。青と緑のレーザーを使用すると、光ディスクの保存密度を大幅に向上させることができます。
3）スペクトル分析。遠赤外線チューナブル半導体レーザーは、周囲ガス分析、大気汚染、自動車排気ガスの監視などに使用されてきました。産業では、蒸気堆積のプロセスを監視するために使用できます。
4）光情報処理。半導体レーザーは、光学情報システムで使用されてきました。表面発光半導体レーザーの2次元アレイは、コンピューターや光ニューラルネットワークで使用される光並列処理システムの理想的な光源です。
5）レーザー微細加工。 Qスイッチ半導体レーザーによって生成された高エネルギーの超短光パルスの助けを借りて、集積回路を切断、打ち抜きなどすることができます。
6）レーザーアラーム。半導体レーザー警報は、盗難警報、水位警報、車間距離警報などを含めて広く使用されています。
7）レーザープリンター。高出力半導体レーザーは、レーザープリンターで使用されてきました。青と緑のレーザーを使用すると、印刷速度と解像度を大幅に向上させることができます。
8）レーザーバーコードスキャナー。半導体レーザーバーコードスキャナーは、商品の販売、書籍やアーカイブの管理に広く使用されています。
9）固体レーザーをポンピングします。これは、高出力半導体レーザーの重要なアプリケーションです。元の大気ランプの代わりにそれを使用すると、全固体レーザーシステムを形成できます。
10）高精細レーザーTV。近い将来、赤、青、緑のレーザーを利用するブラウン管のない半導体レーザーTVは、既存のTVよりも消費電力が20％少なくなると推定されています。

2.医療およびライフサイエンス研究への応用
1）レーザー手術。半導体レーザー軟組織の切除、組織の結合、凝固および気化に使用されてきました。この技術は、一般外科、形成外科、皮膚科、泌尿器科、産婦人科などで広く使用されています。
2）レーザー動的療法。腫瘍に親和性のある感光性物質を選択的にがん組織に蓄積し、がん組織に半導体レーザーを照射して活性酸素種を生成し、健康な組織を傷つけずに壊死させることを目指しています。
3）ライフサイエンス研究。の「光ピンセット」を使用して半導体レーザー、生細胞や染色体を捕獲し、それらを任意の位置に移動させることが可能です。これは、細胞合成および細胞相互作用の研究を促進するために使用されており、法医学的証拠収集のための診断技術としても使用できます。