レーザーLED

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Jul 052013
 

LEDは、焦点を絞った、光源のタイプです。ダイオードレーザで見つかったすべての発光回路である。全てのLEDレーザは、濃縮されたビームで一方向に流れるように光のエネルギーを許可ダイオードを有する。レーザは電子のそれらの操作によって、このエネルギーの流れを引き起こす。

レーザLED、レーザダイオードと呼ばれる。レーザーは、ここにLEDを取得。

LEDは、LED、レーザ、レーザ光源は、正負(PN)接合を形成するようにわずかに異なる2つの物質が互いに接近させることにより形成されることを意味し、半導体光源である。プラス側、アノードは、電子とこの欠如から対応する穴の不在を介して作成されています。マイナス側、カソードは、電子の流入が含まれています。穴に電子の参加は、光を作成します。

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Jul 132012
 

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Jul 112012
 

波長領域による種類では、紫外レーザー、可視レーザー、赤外レーザー、遠赤外レーザー、さらに真空紫外レーザー、X線レーザーがある。動作媒質に関しては気体、固体、液体、半導体の各レーザーの種類がある。

気体レーザー

気体レーザーは動作物質として中性原子、電離原子、分子を用いたものである。ヘリウムネオンレーザー(波長633ナノメートル)、アルゴンイオンレーザー(波長488と515ナノメートル)、炭酸ガスレーザー(波長9.4と10.4マイクロメートル)、塩化ゼノン、フッ化アルゴン(波長はそれぞれ308と193ナノメートル)などのエキシマーレーザーなどが代表的なものである。

固体レーザー

固体レーザーは遷移金属、希土類元素イオンを均一性のよい結晶あるいはガラス、もしくは光ファイバーに不純物としてわずかな量(0.1~数%)を溶かしたものや、色中心を含む結晶が用いられる。クロムイオンをサファイア結晶に混入させたルビーレーザー(波長694ナノメートル)、ネオジムイオンをイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶またはガラスに入れたNd‐YAGレーザー(波長1.06マイクロメートル)、ガラスレーザー(波長1.05マイクロメートル)、チタンサファイアレーザーなどが代表的なものである。とくに、チタンサファイアレーザーは共振器内に入れた波長選択素子によりレーザーの波長を連続的に変えることができるので広い用途がある(波長可変範囲は680~1100ナノメートル)。このレーザーはまた、モード同期法(ファブリー・ペロー共振器の多数の共振モードで発振する場合に、モード間の光の位相を固定する方法)を用いることにより、すでに述べた超短時間パルスを発生させるのにも適している。

液体レーザー

液体レーザーではローダミンなどの色素分子を有機溶媒に溶かし、光ポンピング法で励起する色素レーザーが重要である。前述のチタンサファイアレーザーと同様に波長可変レーザーとして(色素の種類によって波長可変範囲が異なる)、あるいは超短時間パルス発生用として使われている。

半導体レーザー

社会に与えた影響の大きさの観点からは、あるいは産業界では、半導体レーザー(レーザーダイオードLDともいう)がもっとも重要である。半導体レーザーは直接遷移型のヒ化ガリウムGaAs(波長830~900ナノメートル)などの―族、―族化合物半導体結晶や、これらの三元、四元混晶が使われている。後者はAlGaAsあるいはGaAsP(ともに波長630~900ナノメートル)、InGaN(波長400~470ナノメートル)、InGaAsP(波長1~2マイクロメートル。主として光ファイバー通信用に使われている)などで、組成比によって発振波長を選ぶことができる。半導体レーザーは電流駆動(励起)で用い、また共振器として、とくに外部の鏡を用いないで、レーザー材料の半導体自身の両端の劈開(へきかい)面(結晶をある特定の方向に沿って割ることによって生ずる平滑な面)を用いるのが一般的である(反射率が比較的高い)。初期のころの半導体レーザーでは、図Cで活性層の上下のp型、n型のAlGaAs層がともにない単純なpn接合の構造を用いていた。最近では、電子も光も活性領域に効果的に閉じ込めるために、図Cに示したように半導体量子井戸(異なる2種類の半導体材料を薄い層状に交互に人工的に積み重ねた構造で、一つの層の中に電子が閉じ込められる)の二重ヘテロ構造を用い、かつ分布帰還型共振器による後方フィードバックを用いたものが汎用されている(実際には活性領域の厚さ方向のみならず、横方向に関しても狭い領域に光を閉じ込める埋込みヘテロ構造を用いる場合が多い)。このタイプのものは、駆動電流が小さくてすむなど優れた特性をもっている。また、前記の劈開面を利用したファブリー・ペロー型共振器のかわりに、分布帰還型共振器を用いて特定の波長のみをフィードバックする単一モード型も開発され、おもに光通信用に活用されている。一般に、半導体レーザーはサイズが非常に小さい(典型的には長さが100~500マイクロメートル)点が他のレーザーにない顕著な特色である。ほかに、電子の伝搬方向と垂直(レーザー基板面と垂直)な方向にレーザー光が生じる垂直共振器面発光半導体レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)も重要である。半導体レーザーは小型電流源で駆動でき、サイズが非常に小さく安価なので、機器に組込みが容易であり使用用途が多い。たとえば、光通信用の光源、コンパクトディスク、バーコードの読取りなどに使われている。なお、半導体レーザーは出力光の強度、周波数の安定度、単一モード発振が容易であるなどの点でも優れている。

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Jul 112012
 

(1)可干渉性(コヒーレンス)に優れている。通常の光の干渉可能な距離が優れたスペクトル光源でもたかだか数十センチメートルなのに対し、レーザー光でははるかに遠く離しても干渉する。

(2)指向性がよい(ただし、半導体レーザーを除く)。回折限界できまるわずかな広がりで直進する。

(3)単色性に優れている、すなわちスペクトル純度がきわめてよい。極端に狭いスペクトル幅の中に膨大な数の光子が集中している。

(4)したがって、輝度温度が非常に高い。太陽表面の輝度温度6000Kより桁(けた)違いに高温である。

(5)レンズで集光すると、単位面積を単位時間に通過する光エネルギー(ポインティングベクトル)が非常に大きい。とくにパルスレーザー光の場合、閃頭(せんとう)光出力が大きく莫大(ばくだい)な値となる。その結果、光の電場の強さ(磁場の強さも)はきわめて大きく108V/m程度あるいはそれ以上の値に容易に達する。

(6)特別な場合、10-13秒程度の極端に短い時間幅の光パルスが得られる。なお、最近の研究では、わずか数フェムト秒(1フェムト秒=1000兆分の1秒)だけ持続する(たとえば2×10-15秒程度の時間幅の)超短時間光パルスも得られている(これは1サイクルあるいはそれ以下しか振動しない光に対応する)。

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原理

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Jul 112012
 

基本的にはメーザーの原理と同じである。

原子集団(または物質)の適当な二つのエネルギー準位間で反転分布(エネルギーの高い準位の原子分布数または電子分布数が低い準位より多い状態をいい、負温度状態ともいう)をつくる。二つの準位間のエネルギーに共鳴する周波数をもつ光に誘発されて上の準位の原子(電子)が下の準位に遷移してエネルギーを光に与える誘導放射がおこる。その結果、外部から入射させた光は周波数、位相が同じままで強度が増大する。これをコヒーレント(可干渉)な光の増幅という(反転分布がない通常の場合に生じる光吸収の逆の現象である)。

負温度媒質を光の共振器の中に置き、増幅された光の一部分または相当部分を繰り返し往復させる(帰還―フィードバックさせるという)と、光の自励発振がおこりレーザーとなる。図Aに基本構成図を示す。外部から光を入れなくとも共振器内部で自発放射で発生する弱い光が種となって光共振器の特定の一つ、または複数の共振モードでのみ発振する。

したがってレーザー光は位相のそろった波となり、通常の光とは本質的に性質が異なる(通常の光は自発放射によるものであるので、たとえば、ナトリウムランプから取り出した一つのスペクトル線の光でも周波数が少しずつ異なった無数の、そして位相も無秩序な光である)。光の共振器は基本的には反射率の高い二つの平面鏡(凹面鏡も使う)を、光の波長よりはるかに長い距離だけ離して互いに平行に向かい合わせて置いたもので、これをファブリー・ペロー型共振器という。

この場合には面に垂直な定在波が共振モードになり、隣り合ったモードのエネルギー間隔は同じになる。後述するように、鏡を用いずに、光を伝搬させる方向に一次元の屈折率の周期構造(回折格子)を利用する分布帰還型共振器もある。レーザー媒質で増幅可能な周波数範囲にかなりの数の光の共振モードが存在するので、複数個のモードでレーザーが同時に発振するのが普通である。特殊な方法により一つのモードで発振させたものを単一周波数レーザーという。なお、連続的に光が持続する連続波レーザーのほかに、一定時間だけ光が持続するレーザーもあり、これをパルスレーザーという。

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Jul 112012
 

励起状態にある原子、物質の誘導放射の性質を利用して光(電磁波)を発生させる装置をいう。(誘導放射による光の増幅)の頭文字からつくったことばである。発生する光そのものをレーザー光という。サブミリ波から真空紫外光領域に至る波長範囲のものをレーザーといい、ミリ波より長波長のものは別にメーザーという。

1954年に発明されたメーザーの拡張としてアメリカの物理学者C・H・タウンズとA・L・ショウロウがレーザーの可能性を具体的に提唱し、1960年にルビー結晶でメイマンTheodore Harold Maiman が初めてレーザー発振に成功した。以後、次々とレーザーが発明され、現在では非常に多くの原子、分子、物質を用いて多種多様なレーザーが実現している。その結果、われわれの身近なものも含めて社会の非常に広範な分野において、これらのレーザーが使われている。