レーザ入門

1. レーザとは

レーザ (LASER) は、発明者によって作られた「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」のイニシャルからの造語です。日本語訳では「誘導放出による光の増幅」といった意味になります。一般的には、レーザ光を放出するためのレーザ発振器・増幅器の総称として使われます。
レーザ光は、誘導放出により放出される自然の中には存在しない人工的に作られた光であり、色純度が高い (単一の波長)、位相が揃っているなどの特長があります。

●レーザ光には次のような特長があります。

  • 単一波長である (単色光、鮮やかである)
  • 位相が揃っている (干渉性がある)
  • 指向性が良い (集光性が良く、広がらない)
  • エネルギー密度が高い (高輝度性をもつ)

世界で初めて半導体レーザが発振したのは今から40年以上も前のこと、当時の発振波長は840ナノメートルの赤外線でした。また、ソニーでは1984年に"MOCVD"結晶成長法による半導体レーザを世界で初めて商品化し、開発量産化の成果により大河内記念生産賞 (1990年) を受賞しています。

2. レーザの種類

レーザには、レーザ光を放出する媒体によっていろいろな種類があります。大きくは気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、液体レーザに分けることができます。それぞれのレーザは、波長、出力や大きさなどに特長があり、医療、工業や民生の各分野で活躍しています。中でも半導体レーザは、小型で消費電力も少ないため、私たちの身近でもBlu-ray DiscやDVDに代表される光ディスクへの信号書き込み/読み出し、プロジェクタ用光源、プリンタなどに応用されています。

■半導体レーザ
  • アルミニウムガリウム砒素 (AlGaAs)
  • インジウムガリウム砒素リン (InGaAsP)
  • アルミニウムガリウムインジウムリン (AlGaInP)
  • ガリウムナイトライド (GaN)
■固体レーザ
  • ルビー
  • ガラス
  • YAG
■気体レーザ
  • ヘリウムネオン (He-Ne)
  • アルゴン (Ar)
  • 二酸化炭素 (CO2)
  • エキシマ
■液体レーザ
  • 色素

3. 半導体レーザ

化合物半導体のP-N接合に電流を流すことで、レーザ光を放射する半導体デバイスです。半導体レーザはダイオードの一種で、ダイオードとしての電気的性質とレーザ光を発する性質を備えており、レーザダイオードとも呼ばれます。
半導体レーザはガスレーザなどに比べて小型・軽量であり、Blu-ray DiscやDVDなどの光ディスクの記録・再生用途や、光ファイバ通信の光源などに広く利用されることがよく知られています。
最近では光の3原色がすべて半導体レーザで実現できたことからProjector用途の実現が可能になってきました。また、赤外光が人間の目の感度がないことを利用して、3Dセンサー用途も広がりを見せています。


半導体レーザ

レーザダイオードの基本構造

半導体レーザの発光のしくみ

エジソンの「白熱電球」は、電気を熱エネルギーに変換することで光を発生させました。半導体レーザや発光ダイオードは、電気から直接光を発生させます。

  • 白熱電球電気エネルギー → 熱エネルギー → 光
  • 半導体レーザ (発光ダイオード)電気エネルギー → 光

半導体レーザに使用される材料は、たくさんの原子の集合体であり、原子殻の周りを多数の電子が回っています。高いエネルギーを持った電子が低いエネルギー状態に戻るときに、光としてエネルギーを放出します。また、この光に刺激された別の電子が低いエネルギー状態に戻り、光を発生させます (誘導放出) 。

誘導放出解説図

発生した光は、さらなる誘導放出を引き起こすために、へき開面のミラーで発光層内を折り返し反復し、効率よく光の増幅を行います。
この誘導放出の繰り返し(増幅)により、位相の揃った強い光 (レーザ光) が放出されます。
誘導放出された電子は、P-N接合に電流を流すことによって連続的に補充され、レーザ光が連続放出されます。

半導体レーザーの発光のしくみ

半導体レーザと波長

半導体レーザの応用分野は、レーザ光の波長と出力特性によって決まります。
その波長 (色) は、レーザ活性層の材料 (エネルギーギャップ) で変えることができます。
半導体レーザが発振したのは今から40年以上も前のことですが、当時の発振波長は840nmの赤外線でした。
発振波長400~800nmの短波長レーザは、光の集光性に優れているため、光ディスクの信号書き込み/読み出しに利用されています。
光の3原色波長のレーザ (450nm帯、530nm帯、635nm帯) はProjector用途に利用されています。
発振波長800nmを超える近赤外波長は、3Dセンサー、短距離光通信に利用されています。
1300nm~1600nmの長波長レーザは、光ファイバ内での伝送損失が小さいため、光ファイバ通信の光源として長距離通信網に使われています。

レーザの材料 波長 応用例
GaInN 400~530nm 青紫~緑 Blu-Ray Disc/Projector
AlGaInP 635~680nm 赤色 DVD/Projector
AlGaAs 780~850nm 赤外 CD/プリンタ/光通信/3Dセンサー
InGaAs 900~980nm 赤外 3Dセンサー
InGaAsP 1300/1550nm 赤外 光通信

光と波長

英国の学者が「光とは目に見える電波である」と言ったように、光は電波と同じ電磁波のひとつと考えることができます。光は波ですから波長 (周波数) や波の高さがあります。波長の長いほうからラジオ波→マイクロ波→赤外線→可視光 (赤橙黄緑青紫) →紫外線→エックス線となり、目に見えるかどうかは波長によって決まります。

光の周波数=光の速さ÷光の波長

光の波長と色の関係

半導体レーザの応用

半導体レーザはいろいろな分野に応用されています。
今後もレーザ技術の発展と共に新たな応用が生み出されることが期待されています。

4. 半導体レーザのできるまで