半導体レーザー(ダイオードレーザー)とは？
原理・性質を徹底解説！
レーザー加工機は板金加工や機械加工分野で活躍していますが、その中でも異彩を放つのが半導体レーザー。その名の通り、半導体を発振器の媒質とするレーザー加工機になりますが、その原理や性質についてはあまり詳しく知られていません。
本コラムでは、近年需要が高まりつつある半導体レーザーの原理・性質について徹底解説いたします！
＜目次＞
レーザー加工機の種類
レーザー加工機の基礎知識についてはこちらの記事で詳しく紹介しておりますので、合わせてご覧ください。
レーザー加工機は、大きく分けて3つの種類があります。
1つ目は、CO2(炭酸ガス)レーザー加工機。CO2レーザー加工機は、レーザー加工機の中で最も導入されており、比較的安価です。デメリットは、アルミのような反射が強い金属材料の加工が苦手である、ランニングコストがかかるという点です。
2つ目は、近年注目を集めているファイバーレーザー加工機。ファイバーレーザー加工機は導入コストが高いものの、ランニングコストがほとんどかからず量産に向いています。消費電力が少ない、反射が強い金属材料の加工が得意であることも大きなメリットの一つです。
そして3つ目は、YAGレーザーです。YAGレーザーは、Y(イットリウム)とAl(アルミニウム)の複合酸化物の結晶であるYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)をレーザー媒質とするレーザー加工機です。切断よりも溶接や彫刻のマーキングを目的に使われることが多いです。薄板であっても変形や歪みを抑え美しく仕上げることができるため、医療現場や医療用の製品製作においても活躍しています。
半導体レーザー(ダイオードレーザー)とは？
半導体レーザー(英：LD=Laser Diode)は、レーザー発振器の媒質として半導体を採用しているレーザー加工機のことを指します。ダイオードレーザー、あるいはレーザーダイオードと呼ばれることもあります。実は、半導体レーザーは身近な場所でも活躍しており、ブルーレイディスクやDVDなど光ディスクへの記録や再生をはじめ、レーザープリンタやセンサ等にも応用されています。
業界としては、製造業における材料加工はもちろん医療、通信、電子・電機等様々な業界で広がりを見せています。特に近年、半導体レーザーの出力や発光効率等の性能は大きく向上しており、注目を集めています。
半導体レーザーの原理・仕組み
まず、半導体レーザーの原理についてご説明します。半導体レーザーは、LED(発光ダイオード)と同じ発光の仕組みを持っています。エジソンが発明した白熱電球は、電気エネルギーを熱エネルギ―に変換することで光を発生させています。一方、半導体レーザーやLEDは電気エネルギーを直接光に換えているため、エネルギーの変換効率が非常に高いと言えます。
半導体レーザーの基本構造は、n型基板とその上にあるn型クラッド層とp型クラッド層で挟まれた活性層(発光層)からなります(ダブルヘテロ構造)。この活性層は、半導体のp-n接合部の順方向、すなわちp型クラッド層をプラス、n型クラッド層をマイナスとなるように電流を流すことで発生します。p型クラッド層からは正孔(ホール)が、n型クラッド層からは電子がそれぞれ活性層に流れ込みます。これを電子・正孔対と言うこともありますが、電子が正孔に向かって落ち込み再結合すると発光します。クラッド層より活性層の方が屈折率が低いために誘導放出が起こり、発生した光は活性層内で増幅され、結果として位相の整った強い光が発生、レーザー発振に至ります。この位相の整った強い光を生み出すことができるというのが、半導体レーザーの最大の強みと言っても過言ではありません。
また、レーザーを発振させるためには光を共振させる共振器が必要となりますが、半導体レーザーの共振器は、端面発光型と面発光型、外部型の3種類があります。端面発光型は、共振器を半導体の基板面と平行に構成する方式で、他方面発光型は共振器を基板面と垂直に構成する方式です。外部型は共振器をレーザーの外部に設けたものになります。
半導体レーザーの3つの特徴
半導体レーザーの代表的な特徴は以下の3つです。
①小型である
ファイバーレーザー加工機が比較的大型の機種が多いのに対し、半導体レーザーは比較的小型のものが多いとされます。
②変換効率が高く、低電圧かつ低電流で駆動できる
前述の通り、LEDと同様に半導体レーザーは電気エネルギーを直接光に変換するため変換効率が高いです。したがって、低電圧・低電流でレーザー発振を起こすことが可能となります。
③波長や位相等性質が同じ光を取り出すことができるため、干渉性が高い
これも前述しましたが、半導体レーザーは誘導放出により位相が同じ光を次々と発生させることができます。つまり、レーザー光の指向性が高いために制御しやすい、すなわち”干渉性が高い”というのが半導体レーザーの最大の特徴と言えます。
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