半導体レーザー

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、ヒ化ガリウム、ヒ化インジウム、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的注入です。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？

半導体レーザーは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、半導体では反転分布を実現するために、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、特定の波長の光が空洞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、量子井戸が基本であることが現在認識されています