半導体レーザー

LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
日本語訳で”輻射の誘導放出による光増幅”。

コヒーレンス,デコヒーレンス

光の位相の話。
位相が揃った光のことをコヒーレンス、揃っていない光のことをデコヒーレンスという。
コヒーレンスが取れた光は干渉することなく強めあい、デコヒーレンスな光は不定である。
レーザーはこのコヒーレンスが取れた光を増幅する事によって強い光を発生することを目的とする。

自然放出,誘導放出

光の放出について、自然放出と誘導放出の二種類が存在する。
自然放出は一般的なLEDなどと一緒で、励起状態にある電子が安定を求めて基底状態に移る際に光がエネルギーとして放出される。
金属を熱したときの炎色反応もこれに分類される。
材料により励起状態から基底状態に移ったときに放出されるエネルギーが違うため、光のエネルギー\(E=h\nu\)の\(E\)が異なってくる。
これにより放出される波長が決定される。
LEDはPN接合で電子と正孔が反応するエネルギーが光として放出される。
この光は散乱することからも分かる通り、デコヒーレンスな光である。

誘導放出というのは、光によって励起状態から基底状態への移動が誘発されるものを指す。
このとき誘発された光は、誘発した光と同じ位相、周波数を持つ特性がある。
つまりはコヒーレントな光が発生する。

LASER

レーザーとは、単一色であること、散乱しにくいことからも、コヒーレントな光である事がわかる。
半導体レーザーは出力したい周波数に共振するように設計されており、共振させるために内部の長さを調節している。

半導体レーザーの段階を順を追うと以下のようになる。

1. 電流を流す
2. 電子と正孔が反応し、自然放出により光を発する。(LEDと同様の原理)
3. 発生した光によって基底状態から励起状態に活性化される。これをホッピングという。ここからこの光はホッピングに使われる。
4. 自然放出した光と励起状態の原子により誘導放出が起こる。
5. 特定の波長の光だけが共振する。
6. 共振した光により、また誘導放出が起こる。
7. 一部を外に放出する。