レーザーダイオード

レーザーダイオード

レーザー光

白色光は、可視光スペクトルのすべての色で構成されており、多くの異なる周波数の非常に広い帯域です。 通常のLedは、多くの場合、一つの色で構成される光出力を与えますが、その光でさえ、かなり広い周波数帯域をカバーする電磁波を含んでいます。

白色光のように、複数の周波数や波長を含む光は、非常に細かい点に焦点を合わせることが困難です。 これは、光を集光するレンズシステムが固定焦点距離を有するが、光の様々な波長（色）を集光するのに必要な焦点距離が異なるためである。 したがって、各色は異なる点に焦点を当て、”色収差”と呼ばれるものを引き起こします。 これはレンズを通して見られるイメージのまわりで着色された縁取りとして良質レンズシステムで、見ることができます。

レーザーからの光は単一の周波数しか含まれていないため、単純なレンズシステムでも非常に小さな点に集光することができます。 一つの波長だけが存在するので色収差はなく、光源からのエネルギーもすべて非常に小さな光のスポットに集中しています。 典型的には、CDプレーヤーに見られるようなレーザーからの集束光ビームの直径は約1.6μ m（ミリメートルの二千分の一未満）であろう。 これは、レーザーダイオードの出力がわずか0.5mWの場合、ビームの集束（赤外線）パワー（集束レンズの損失を可能にする）は約12kW/cm2になることを意味します。

低消費電力レーザーは、CDやDVDプレーヤー、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、身近な用途でますます使用されています。 レーザーは頭字語（単語になされる頭文字の束）のためのです:

で構成されている。 2.6.1. ガリウムの原子

放射線の誘導放出による光増幅

名前は、いくつかの基本原則が理解されている限り、デバイスがどのように動作するかの説明を

原子の基本

宇宙のすべては、純粋な形（元素）、または無制限の数の組み合わせ（化合物と混合物）のいずれかで、約100の異なる原子から構成されています。 原子は常に動いています。 彼らは継続的に振動し、移動し、回転します。 固体材料でさえ実際に動いています。 この運動は励起と呼ばれます。 原子は異なる励起状態にあり得る。 言い換えれば、彼らは異なるレベルのエネルギーを持つことができます。 多くのエネルギーが熱、光、または電気を介して原子に印加されると、基底状態のエネルギー準位と呼ばれるものを残して励起準位に行くことができます。 励起のレベルは、原子に印加されるエネルギーの量に依存する。

2.6.1は原子の簡略化された図である。 これは、電子雲に囲まれた（陽子と中性子を含む）核で構成されていますが、この単純化された電子モデルでは、中性子は電荷を持たないため無視され、いくつかの固定軌道で核を周回する電子を考えるのにも役立ちます。 原子の他のモデルは電子の離散的な軌道を描写していないが、これらの軌道を原子の異なるエネルギー準位と考えることは有用であり得る。 言い換えれば、いくつかの熱が原子に適用される場合、低エネルギー軌道の電子のいくつかは、核からさらに離れた高エネルギー軌道にジャンプします。 これは物事の非常に単純化されたビューですが、原子がレーザーの面でどのように機能するかの基本的な考え方が含まれています。

原子はエネルギーを吸収し、その電子の一部はより高いエネルギー軌道にジャンプするので、最終的には基底状態に戻りたいと考えています。 それが起こると、各電子は光子としてそのエネルギーを放出します−光の粒子。 原子は常に光子としてエネルギーを放出するのを見ることができます。 例えば、金属が赤く熱く光るとき、見られる赤い光は赤い光子を解放する熱い金属の原子です。 テレビの画面で写真を見るとき、あなたが見ているのは、画面を覆う蛍光体原子、または白色Ledの表面が高エネルギー原子の電子として励起され、光子を放出し、直接または間接的に異なる色の光を生成することである。 多くの装置はこのようにライトを作り出す−蛍光灯、ネオンサイン、LEDの街路照明および従来の白熱電球は軌道を変え、光子を解放する電子の行為によ

レーザーダイオード工事

図。 2.6.2. レーザダイオード構造

レーザダイオードにはいくつかのバリエーションがあり、それぞれ電流をレーザ光に変換するための最大効率を達成することを目的としています。

2.6.図2は、アルミニウム、シリコン、セレンなどの元素をドープしたヒ化ガリウムを使用してP型およびN型半導体材料を製造するという点で、発光ダイオード(LED)と同様の構造を示している。 しかし、レーザダイオードは、p層とN層の間に挟まれた、わずか数ナノメートルの厚さの非ドープ（真性）ヒ化ガリウムの追加の活性層を有し、効果的にPIN（P型/真性/N型）ダイオードを作成する。 この層では、レーザ光が生成される。

レーザーダイオードアクション

レーザーダイオードは、最大電流の約80％以上で動作すると、レーザー光線を生成するため、LEDで使用されるものよりもはるかに大き

レーザーポンプ

図。 2.6.3. エネルギーの吸収

これらの条件下では、原子は高度に励起された（励起された）状態にあり、電荷キャリア（電子と正孔）がPN接合で活性層に入る。 電子は正孔のエネルギーレベルよりも高いエネルギーレベルにあり、電子と正孔が再結合するとエネルギーは光子の形で失われます。 生成された光子は、すべて、活性層の光反射壁の間で上下に「跳ね返る」ように、特に正確な周波数で振動する。 いくつかの光子は他の原子と衝突するので、さらに多くの光子を生成する追加の通電電子を作成します。 このプロセスは「ポンピング」と呼ばれ、励起状態の電子が非励起状態の「基底」状態よりも多くなるまで、高度に励起された電子の数を増加させます。 この時点で、母集団反転として知られている、コヒーレントまたはレーザー光の一定の流れが生成され、余分な励起光子は、半導体材料内で再吸収される光子に起因する損失を補う以上のものである。 光子は単一の正確な周波数で振動するので、それらは単一の波長のみを有するレーザ光を生成する。

共振空洞

図。 2.6.4. 共鳴空洞

光子の数が増えるにつれて、光は電力が増加します。 いくつかの光は、異なる方向に逃げるか、または半導体材料内で吸収されるが、いくつかの光子は、図１に示されるように、レーザ軸に平行な方向に走る。 2.6.4これらは、レーザー材料の端から前後に跳ね返ります。 端の表面は非常に正確に平行反射鏡を作成するために切られ、磨かれる。 これらの反射面間の距離は、1つの波長の正確な倍数であるため、光波（光子）がキャビティの各端から反射すると、それらは位相を維持する。 反射波の振幅は、空洞内の他の波の振幅に加算されるため、波はミラー間で前後に跳ね返るにつれて加算され続けます。 このようにして、活性層は、光の増幅を補助する「共振空洞」を形成する。 光子が結晶レーザー材料を通過すると、それらはまた、他の原子の放出を刺激する。 その結果、増幅された単色の単相光は、部分的に反射するミラーを通ってレーザの共振空洞を離れる。

図。 2.6.5. Ledとレーザダイオードの比較

図。 2.6.6. レーザダイオードの制御

レーザダイオードは基本的にレーザ光を生成するLEDであり、これを行うために、レーザダイオードは通常のLEDよりも約10倍大きいはるかに高い電流で動作する。 図1.1.1. 2.6.5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ます。 LEDでは、ダイオード電流が増加するにつれて、光出力は着実に増加します。 しかし、レーザダイオードでは、誘導放出が発生し始めると、電流レベルがしきい値レベルに達するまでレーザ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％以上です。 このため、レーザダイオードを流れる電流は慎重に調整する必要があります。 もう一つの問題は、光子の放出が温度に非常に依存しており、ダイオードはすでに限界近くで動作しているため、熱くなり、放出される光（光子）の量とダイ レーザーダイオードが効率的に働いている時までに、それは災害の瀬戸際に動作しています！ 電流が減少し、スレッショルド電流を下回ると、誘導放出が停止し、わずかに多くの電流が流れ、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（典型的には約60％）はダイオードチップの端から狭く平坦なビームで逃げる。 図2.6.6に示すように、いくつかの残留光も反対側のエッジで逃げ、光を電流に変換するフォトダイオードを活性化するために使用されます。 この流れが自動ダイオードの運転者回路へのフィードバックとして、半導体レーザーの活動を測定するのに使用され、従って半導体レーザーを通した流れの制御

レーザーモジュール

これらの理由から、レーザーダイオードは単独で使用されることはほとんどありません。:

図。 2.6.7一般的なレーザーモジュール

• ダイオード自体。

•フォトダイオード光センサー。

•電流レギュレーション回路。

•コリメートレンズ。

レーザダイオードモジュールは、自身の光出力を感知し、消費電流と温度を自動的に調整し、レーザ光が生成される臨界条件でダイオードを動作させ続ける自

光学補正

2.6.8コリメートレンズ

レーザダイオードによって生成された光のビームは、レーザ光がダイオードの薄い活性層を離れるにつれて生成された楕円形の拡散ビームから円形の平行ビームに変更するためには、まだいくつかの修正が必要です。 このプロセスは、コリメートレンズと呼ばれる光学装置によって行われます（図。 2.6.8). これは、楕円形のビームを円形のものに変換することができる単純な球面レンズまたは非球面タイプであってもよい。

レーザーダイオードモジュールは、光学および電子機器を備えた完全なものが利用可能です。 典型的なモジュールは作り付け力の安定、作り付けの遅い開始および脱熱器のような設備を特色にする。 低い電力モジュール（クラス2）は教育および実験室の使用のレーザーのポインター、バーコードの読者、目撃、水平になり、そして位置装置、また広い範囲で使用される。 それらは500nmと900nm間のさまざまな波長で脈打った波の出力よりもむしろ連続的な波を、作り出し、従ってレーザー光線の異なった色が（532nmで緑および650nm それらは使用しやすく、作動するように3Vから5V DCの供給を普通要求する。

レーザーの分類

レーザーは、生物学的損傷を引き起こす可能性に応じて四つの広い領域（プラスサブ領域）に分類されます。 レーザーが表示されたら、以下で簡単に説明する適切なクラス指定でラベル付けする必要があります:

図。 2.6.9一般的なレーザワーニングステッカー

• •クラス1-正常な使用の状態の下の金庫。 出力は0未満に制限されます。600nm（より短い波長のためのより少し）の39mw。
• •クラス1M−発散ビームを生成するレーザーは、顕微鏡や望遠鏡などの拡大光学系を通過した場合を除き、すべての使用条件に対して安全です。
• •クラス2−クラス1レベルを超えて放射するが、1mwを超えない低電力可視レーザー。 コンセプトは、明るい光（点滅反射）に対する人間の嫌悪反応が人を保護するということです。 このクラスは、レーザーポインタに使用されます。
• •クラス2M−クラス2に似ていますが、この分類のビームは広いまたは発散ビームを生成する必要があるため、より多くの電力を許可することができます。 観察者の瞳孔を通過する光は、クラス2で許可されている光よりも大きくてはなりません。
• •クラス3R−5mw以下の中程度のパワーレーザー、視聴が制限されている場所では安全であると考えられ、怪我のリスクが低い。
• •クラス3B-最大500mwの高出力パルスレーザー: 見ること危険（マットの表面からの反射光として除いて）保護eyewearおよび安全連結のような重要な制御はクラス3Bレーザー設備の要求される。
• •クラス4−500mwを超える高出力レーザー。 それらは皮を燃やすことができ直接か拡散ビーム観覧の結果として可能性としては破壊的で、永久的な目の損傷を引き起こします。 それらはまた可燃性材料を発火させるかもしれ従って火災危険を表すかもしれません。 この分類には、多くの産業用、科学用、医療用、軍事用のレーザーが含まれます。

上記の分類のいずれかのレーザーを使用する機器には、図1の警告ラベルと同様の警告ラベルが付いています。 2.6.9使用されるレーザーの危険性と分類の概要。

上記のリストは、IEC60825-1規格に含まれているレーザー仕様の要約版であり、包括的なガイドとして信頼するべきではありません。 他の関連した安全情報とともに完全な標準は、国際電気標準会議のウェブストア

から購入することができます