レーザーダイオードの原理と各社の製品特徴

レーザーダイオードの原理と 各社の製品特徴

日常生活やビジネスシーンでほぼ毎日使っているのにあまり知られてない技術のひとつに、レーザーダイオード(以下、LD)があります。
バーコード読み取り機、レーザーポインター、CDやDVDやBDの再生機、レーザープリンタ、光ファイバーは、すべてLDから発した特殊な光を使っています。
LDの原理と実際の製品特性について紹介します。
LD(レーザーダイオード)は、半導体レーザーと呼ばれることもありますが、ここではLDと表記します。

レーザーダイオードの原理

レーザーダイオード

(著作権者:Pang Kakit、ライセンス:CC BY-SA 3.0 出典元:リンク)

LDは「半導体に電流を流してレーザーを出す素子」と定義されます。
LDの原理を解説する前に、そもそもレーザーとはなんなのかについてみていきます。

レーザーは自然の光とは異なる「工業製品に都合がよい光」

レーザー(Laser)は、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationの頭文字を取っていて、「誘導放出による光の増幅」と訳されます。素子とは、電気回路を構成する重要な要素のことをいいます。
メジャーリーガーのイチロー選手の外野からの送球はレーザービームと呼ばれていますが、まさにそれがレーザーのイメージです。
レーザーは力を蓄えて一直線に突き進みます。レーザーは光の一種ですが、自然の光とは性質がかなり異なります。
自然の光は、波が不連続で波長がそろってなく、「乱れた光」といったイメージです。
一方のレーザーの光には次のような性質を持つ「そろった光」です。

  • 指向性が鋭い(一方向にエネルギーが集中して、広がりが少ない)
  • 干渉性が高い(複数の光が干渉し合って強くなることができる)
  • 直進性が高い(真っすぐ進み、曲がらない)
  • 集光性が高い(光を一方向に集めやすい)
  • 単色性が高い(波長がひとつで、プリズムに通しても分解されない)
  • 高いエネルギーを持つ(鉄板を切ることもできる)

レーザー

こうした性質がさまざまな工業製品に都合がよいわけです。

なぜ半導体が光(レーザー)を発するのか

レーザーダイオード

(著作権者:Mar11、ライセンス:CC BY-SA 4.0 出典元:リンク)

光は蛍光灯をつけたり薪を燃やしたりしてもつくることができますが、それらはレーザーにはなりません。
レーザーの光のエネルギーは、結晶のなかにある電子を操作して生み出しているからです。
電子は結晶内の原子核の周囲に複数個存在し、それぞれの電子がそれぞれのエネルギーを持っています。
高いエネルギー状態(エネルギー準位)にある電子が低いエネルギー準位に移動するときに光を発するのです。
「エネルギーの喪失=光の発生」というわけです。
ちなみに電子が光を吸収すると、低いエネルギー準位の電子が高いエネルギー準位に移動します。
「光の吸収=エネルギーの増加」というわけです。
半導体とは、電気をよく通す良導体と電気をまったく通さない絶縁体の中間の性質を持つ物質です。
半導体は、通常の状態だと電気を通しませんが、熱や光を加えると電気を通します。
LD(レーザーダイオード)はN型半導体とP型半導体という性質の異なる2種類の半導体の間に活性層という物質を挟んだ構造になっています。

レーザーダイオードの構造N型半導体は電子が余った状態にあります。
P型半導体は電子が抜け落ちた状態にあります。電子が抜けて孔(あな)ができることから、この状態のことを正孔といいます。
N型半導体とP型半導体の両方に電圧をかけると、N型半導体の余った電子と、P型半導体の正孔(電子が入る穴)が中間の活性層に移動し、電子と正孔が結びつく「再結合」という現象が生じます。
再結合のときにエネルギーを放出し、それが光になります。
しかしこれだけでは光のエネルギーはそれほど高くなく、レーザービームのような強い光にはなりません。
再結合が一度発生すると、別の電子の再結合が誘発されます。
この現象を、誘導放射といいます。
N型半導体とP型半導体の間にある活性層は「合わせ鏡」のような構造になっています。
誘導放射で生まれた光を合わせ鏡の間を往復させながらためていき、その光が一定のエネルギーを持ったときに放出するのです。
それがLDによる光(レーザー)です。

LDは7つのことができる

レーザー加工

LDで「できる」ことは主に次の7つあります。
LDは微細信号を「読み込む(1)」ことができます。この性質を応用したのがCDやDVDやBDなどの再生です。
またLDは高い出力を放出するので、有機膜を変色させたり結晶を変化させたりすることができ、これは「記録(2)」に使えます。
CDやDVD、BDにデータを記録できるのはこの性質を応用しています。
LDの「感光(3)」の性質はレーザープリンタに使われています。
LDはインターネットの光通信に使われているので、LDには「通信(4)」機能も備わっていることになります。
ピンポイントで「照明(5)」できる機能はレーザー顕微鏡に使われています。
LDの光は長い距離を進んでも減衰しないので、「測定(6)」に使うことができます。
この技術は自動車の自動ブレーキシステムに使われていて、LDで自動車と障害物との距離を測定しているわけです。
LDの光は、外部の物体の状態が少しでも変化すると反応するので、煙報知機や、パソコン用のレーザー式マウスに使われています。
これはLDの「感知(7)」能力になります。

パナソニックのレーザーダイオードの特徴

パナソニックは主に「赤/赤外二波長LD」「赤色LD」「赤外LD」の3種類のLDを販売しています。
赤/赤外二波長LDは、赤色LDと赤外LDをワンチップ化しているので、レーザー発光点調整が1回で済み、ユーザーの生産性は単純計算で2倍になります。
以下はそれぞれの製品特性やスペックは次のとおりです。

種類:赤/赤外二波長レーザーダイオード
品番:LNCT22PK01WW、LNCT28PF01WW
波長[nm]:661/785、661/783
光出力[mW]:280/380(パルス)、300/380(パルス)

種類:赤色レーザーダイオード
品番:LNCQ28PS01WW、LNCQ28MS01WW
波長[nm]:661、661
光出力[mW]:100(CW)350(パルス)、100(CW)350(パルス)

種類:赤外レーザーダイオード
品番:LNC728PS01WW、LNC728MS01WW
波長[nm]:783、783
光出力[mW]:100(CW)350(パルス)、100(CW)350(パルス)

日亜化学のレーザーダイオードの特徴

日亜化学工業のLDはシングルモードとマルチモードがあります。
スペックは次のとおりです。

– シングルモードLD

種類:UV
品番:NDU4116、NDU4316
波長[nm]:370-380、390-400
光出力[mW]:70、120

種類:Violet
品番:NDV4316、NDV4B16、NDV4916、NDV4A16
波長[nm]:400-410、400-410、400-410、400-410
光出力[mW]:120、300、120、120

種類:Blue
品番:NDB411、NDB4216
波長[nm]:440-450 、450-460
光出力[mW]:100、100

種類:Aquamarine
品番:NDA4116、NDA4216
波長[nm]:468-478、465-480
光出力[mW]:100、300
種類:SkyBlue
品番:NDS1316、NDS4116、NDS4216
波長[nm]:483-493、483-493、483-493
光出力[mW]:25、60、200
種類:Emerald
品番:NDE4116
波長[nm]:503-507
光出力[mW]:80
種類:Green
品番:NDG4216
波長[nm]:510-520
光出力[mW]:80

– マルチモードLD

種類:UV
品番:NDU7216
波長[nm]:370-380
光出力[mW]:200

種類:Violet
品番:NDV7116、NDV7375
波長[nm]:400-405、400-405
光出力[mW]:600、1200

種類:Blue
品番:NDB7K75
波長[nm]:440-455
光出力[mW]:3500

種類:Aquamarine
品番:NDA7175
波長[nm]:468-478
光出力[mW]:1000

種類:Green
品番:NDG7K75T
波長[nm]:Typ.525
光出力[mW]:1000

シャープのレーザーダイオードの特徴

シャープのLDのスペックは次のとおりです。

– 可視光半導体レーザー

種類:R
品番:GH1631AA8C、GH0631IA5G、GH0631IA2GC、GH0632BA2G
波長[nm]:638、638、638、638
光出力[mW]:100、150、180、200

種類:G
品番:GH05130B5G、GH05130B2G
波長[nm]:515、515
光出力[mW]:30、30

種類:B
品番:GH04580A5G、GH04580A2G
波長[nm]:450、450
光出力[mW]:80、80

– 赤外半導体レーザー

種類:IR
品番:GH0832FA2G、GH0852WA2G、GH09W30A2G、GH09W90A2G、GH0942FA2G、GH0942WA2G
波長[nm]:830、850、905、905、940、940
光出力[mW]:250、700、30、90、250、700

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ライター紹介
ライタープロフィール
アサオカミツヒサ

フリーライター、ライティング事務所office Howardsend代表。北海道大学法学部を卒業後、鉄鋼メーカー、マスコミ、病院広報などを経て2017年独立。取材した分野は、地方政治、地方経済、過疎化、ワーキングプアなど。現在の執筆領域はIoT、AI、産業一般、人事制度、金融、最新抗がん剤、生活習慣病治療など。趣味はクルマとバイクと登山。北海道釧路市在住。

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