レーザーダイオードとは？

レーザーダイオードは、電気回路を通る電流を強力な光線に変換するデバイスです。半導体ダイオードレーザーとも呼ばれ、その特有の構造から、レーザーダイオードは電気回路内で直接光を生成する必要がある回路に人気のある選択肢となっています。異なる波長の出力があり、必要に応じて赤外線光を生成することができるため、これらのデバイスはLEDなどの代替品と比較して独自の利点を提供しています。このガイドでは、レーザーダイオードが具体的に何であり、その構造がどのように特定の利点をもたらすかについて詳しく説明します。

レーザーダイオードの構造が、その動作原理の鍵になります。レーザー・ダイオードの中心にはpn接合があり、これはn型半導体材料の層とp型半導体材料の層の間にある領域です。これは、電流が一方向にしか流れない（順方向バイアスである）ことを意味します。一般的にこれらの材料は、アルミニウム、シリコン、セレン、インジウム等がドープされたガリウムヒ素で構成されています。p型層は負電荷を帯びた粒子が多く、n型層は電子で満たされています。これらの層の端には反射面があり、一方は完全に反射し、もう一方は部分的に反射します。つまり、レーザーダイオードに電流が供給されると、次のようなプロセスが起こります：

1. 自由電子がn型層からp型層に移動する。
2. これらの電子の一部はマイナスに帯電した粒子と結合し、粒子を刺激します。
3. この刺激によってエネルギー準位が上昇し、光子（光エネルギー）が放出されます。
4. これらの光子はさらに多くの電子と結合し、より大きな刺激とさらなる光子の生成を引き起こします。
5. この光エネルギーが2つの反射層の間で跳ね返り、レーザーダイオードから強い光線が放出されます。

レーザーダイオードとLEDは、しばしば半導体として同じカテゴリーに分類されますが、回路製作者が考慮すべき重要な違いがあります。これには以下が含まれます：

• レーザーダイオードが生成する高い光利得は、デバイスから光が逃げないようにする組み込みの共振器の存在によるものです。これにより、生成される光ビームはLEDよりも強力です。
• LEDの光は自然放出によって生成されるため、それが発生するためには電流の供給が不要です。また、レーザーダイオードのように光子の刺激による余分な利得がないため、光の出力は低くなります。
• レーザーダイオードが生成する光は、方向性があり、波長に関して一貫性があります。これに対して、LEDが生成する光はさまざまな色を含むことができます。

したがって、回路設計者が効率的に強力な光ビームを作りたい場合は、レーザーダイオードが最も適しています。しかし、回路が特定の波長や規則的な波長を必要とせず、低レベルの光だけを必要とする場合は、LEDが経済的な選択肢となります。

両端のp-n接合部にある反射層は、ダイオードを通る電流が一方向に流れる中で放出された光子の数が直接比例することを意味します。励起され、放出される電子の数も同じです。生成される各光子のエネルギーレベルも同一です。 これにより、レーザーダイオードによって生成される光の波長が一定（一貫性があり、位相が整っている）であることを意味します。したがって、レーザーダイオードによって作成される光の色は、その波長と直接関係しています。これはナノメートル（nm）で示されます。

特定のタイプや用途によっては、レーザーダイオードの配線方法が変わることに留意する必要がありますが、一般的な手順は以下の通りです（この手順は適切な防護具を着用して行う必要があります）：

1. 使用するレーザーダイオードの電圧および電流要件を特定します。これらは通常、製造元の仕様書に記載されています。
2. ダイオードに必要な電圧と電流を供給する電源を選択します。電流が制御され、ダイオードの最大定格を超えないようにするために、電流制限抵抗またはドライバーサーキットを使用する必要があるかもしれません。
3. ワイヤーやPCBを使用して電源をレーザーダイオードに接続します。極性が正しいことを確認し、ワイヤーがしっかりと接続されていることを確認します。必要に応じて、過熱を防ぐためにヒートシンクや冷却システムを追加します。
4. パワーメーターまたはオシロスコープを使用して、レーザーダイオードが仕様の範囲内で動作することを確認します。