レーザーダイオードの動作とその応用

自然な白色光は、可視光スペクトルのすべてのVIBGYOR色で構成されています。これは、多くの異なる周波数の広帯域です。通常のLEDは、多くの場合1色で構成される光出力を提供しますが、その光でさえ、非常に広い周波数帯域をカバーする電磁波を含んでいます。光を集束させるレンズシステムの焦点距離は固定されていますが、さまざまな波長（色）の光を集束させるために必要な焦点距離は異なります。したがって、各色は異なるポイントに焦点を合わせ、「色収差」を引き起こします。ザ・ レーザーダイオードライト 単一の周波数のみが含まれます。したがって、単純なレンズシステムでも非常に小さなポイントに焦点を合わせることができます。波長が1つしかないため色収差がなく、光源からのエネルギーもすべて非常に小さな光点に集中します。 LASERは、誘導放出による光増幅の頭字語です。

色収差

レーザーダイオードの構造

上の図は、レーザーダイオードの簡略化された構造を示しています。 発光ダイオード（LED） 。セレン、アルミニウム、シリコンなどの元素をドープしたガリウム砒素を使用して、P型とN型を生成します。 半導体材料 。レーザーダイオードにはドープされていない（固有の）ガリウムヒ素の追加の活性層がありますが、P層とN層の間に挟まれた厚さはわずか数ナノメートルであり、効果的に PINダイオード（P型-不純物-N型） 。レーザー光が生成されるのはこの層です。

レーザーダイオードの構造

レーザーダイオードはどのように機能しますか？

量子論によると、すべての原子は、特定の離散エネルギーレベル内でのみエネルギーを得ることができます。通常、原子は最低エネルギー状態または基底状態にあります。基底状態の原子に与えられたエネルギー源が励起されて、より高いレベルの1つに進むことができる場合。このプロセスは吸収と呼ばれます。非常に短い時間そのレベルにとどまった後、原子は最初の基底状態に戻り、その過程で光子を放出します。この過程は自然放出と呼ばれます。これらの2つのプロセス、吸収と自然放出は、従来の光源で行われます。

レーザー作用の原理

まだ励起状態にある原子が、自然放出に必要なエネルギーを正確に持った外部光子に当たった場合、外部光子は励起原子によって放棄されたものだけ増加します。さらに、両方の光子が同じフェーズでの同じ励起状態、誘導放出と呼ばれるこのプロセスは、レーザー作用の基本です（上の図に示されています）。このプロセスで重要なのは、放出される光の波長とまったく同じ波長を持つ光子です。

増幅と反転分布

誘導放出に適した条件が作成されると、ますます多くの原子が光子を放出するように強制され、それによって連鎖反応が開始され、膨大な量のエネルギーが放出されます。これにより、特定の固定方向にコヒーレントに移動する、特定の1つの波長（単色光）を放出するエネルギーが急速に蓄積されます。このプロセスは、誘導放出による増幅と呼ばれます。

特定の時間における任意のレベルの原子の数は、そのレベルの母集団と呼ばれます。通常、材料が外部から励起されていない場合、下位レベルまたは基底状態の人口は上位レベルの人口よりも多くなります。上位レベルの人口が下位レベルの人口を超える場合、これは通常の占有率の逆転であり、このプロセスは反転分布と呼ばれます。この状況は、レーザーアクションに不可欠です。誘導放出に対して。

高いエネルギー準位または満たされた安定状態は長い寿命を持つ必要があります。つまり、原子は低いエネルギー準位よりも長い時間、満たされた安定状態で一時停止する必要があります。したがって、レーザー作用の場合、（外部ソースで励起される）ポンピングメカニズムは、下位レベルの原子集団と比較して上位エネルギーレベルの原子の集団をより多く維持するようなものでなければなりません。

上部のエネルギー準位または満たされた安定状態は長い寿命を持つ必要があります。つまり、原子は低いレベルよりも長い時間、満たされた安定状態で一時停止する必要があります。したがって、レーザー作用の場合、（外部ソースで励起される）ポンピングメカニズムは、低レベルの原子に比べて高エネルギーレベルの原子の集団をより多く維持するようなものでなければなりません。

レーザーダイオードの制御

レーザーダイオードは、通常のLEDの約10倍の、はるかに高い電流で動作します。下の図は、通常のLEDの光出力とレーザーダイオードの光出力のグラフを比較しています。 LEDでは、ダイオード電流が増加するにつれて光出力が着実に増加します。ただし、レーザーダイオードでは、誘導放出が発生し始めたときに電流レベルがしきい値レベルに達するまで、レーザー光は生成されません。しきい値電流は通常、デバイスが破壊される前に通過する最大電流の80％を超えています。このため、レーザーダイオードを流れる電流は注意深く調整する必要があります。

LED間の比較

もう1つの問題は、光子の放出が温度に大きく依存し、ダイオードがすでに限界近くで動作しているために高温になり、放出される光（光子）の量とダイオード電流が変化することです。レーザーダイオードが効率的に動作する頃には、災害の危機に瀕しています！電流が減少してしきい値電流を下回ると、誘導放出はわずかに過剰な電流を停止し、ダイオードが破壊されます。

活性層が振動する光子で満たされると、光の一部（通常は約60％）がダイオードチップの端から狭い平らなビームで逃げます。下の図に示すように、一部の残留光も反対側のエッジで逃げ、 フォトダイオードをアクティブにします 、光を電流に戻します。この電流は、自動ダイオードドライバ回路へのフィードバックとして使用され、レーザーダイオードのアクティビティを測定します。したがって、レーザーダイオードを流れる電流を制御して、電流と光の出力が一定で安全なレベルに保たれるようにします。

レーザーダイオードの制御

レーザーダイオードの応用

レーザーダイオードモジュールは、ライフサイエンス、産業、または科学機器などのアプリケーションに最適です。レーザーダイオードモジュールは、さまざまな波長、出力パワー、またはビーム形状で利用できます。

低出力レーザーは、CDおよびDVDプレーヤーやレコーダー、バーコードリーダー、セキュリティシステム、光通信、手術器具など、ますます多くの使い慣れたアプリケーションで使用されています。

産業用アプリケーション： 彫刻、切断、スクライビング、​​穴あけ、溶接など。
医療アプリケーションは、不要な組織の除去、蛍光を使用した癌細胞の診断、歯科用医薬品です。一般に、レーザーを使用した結果は、外科用ナイフを使用した結果よりも優れています。

テレコムに使用されるレーザーダイオード： テレコム分野では、シリカファイバーレーザーの主な光源として使用される1.3μmおよび1.55μmバンドのレーザーダイオードは、バンド内の伝送損失が少なくなっています。異なる帯域のレーザーダイオードは、光増幅用の励起源または短距離光リンクに使用されます。

したがって、これはすべてについてです レーザーダイオードの構造 とその用途。興味のある方 LEDベースのプロジェクトの構築 自分で、下のコメントセクションに質問や革新的な考えを投稿することで私たちにアプローチすることができます。ここにあなたへの質問があります、 レーザーダイオードの機能は何ですか？