GaNレーザー

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GaNレーザー（窒化ガリウムレーザー）は、窒化ガリウムおよびその合金（窒化インジウムガリウム、InGaN、または窒化アルミニウムガリウム、AlGaNなど）を活性レーザー媒質として使用する半導体レーザーダイオードの一種です。この種のレーザーは、電磁スペクトルの紫外（UV）、紫、青、緑の領域で発光でき、一般的な波長範囲は375 nmから530 nmです。

動作原理

GaNレーザーはエレクトロルミネセンスの原理で動作し、半導体p-n接合内で誘導放出を起こします。

  1. キャリア注入：順方向の電気バイアスを印加すると、n型層の電子とp型層の正孔が活性領域（「量子井戸」）に注入されます。
  2. 再結合： 活性領域で電子と正孔が再結合すると、光子の形でエネルギーが放出されます。GaN材料系の広いバンドギャップにより、これらの光子は短波長（青色/UV）に対応する高いエネルギーを持ちます。
  3. 誘導放出： 通常は半導体結晶の劈開面をミラーとして構成される光共振器が、光子を繰り返し反射させます。これにより誘導放出が生じ、1個の光子が同一の光子の放出を誘導することで光が増幅され、コヒーレントなレーザービームになります。

物理構造

GaNレーザーの構造は非常に複雑で、有機金属化学気相成長法（MOCVD）などのエピタキシャル成長技術を利用しています。基本的な物理構造は次の要素で構成されます。

  • 基板: 従来はサファイアまたは炭化ケイ素（SiC）が使用されていましたが、欠陥密度を低減し、熱管理を改善するため、近年ではネイティブの自立GaN基板の使用が増えています。
  • クラッド層: AlGaN層が導波路領域を囲んでいます。屈折率が低いため、活性領域内に光を垂直方向に閉じ込めるのに役立ちます。
  • 導波路層：通常はGaNまたはInGaNで構成され、光を水平方向に導きます。
  • 活性領域：通常はInGaNとGaNの非常に薄い層を交互に積層した多重量子井戸（MQW）構造です。ここで電子と正孔の再結合が起こります。
  • コンタクト：電流を注入するため、チップの上面に金属電極（pコンタクト）、下面に金属電極（nコンタクト）が設けられています。

主要な光学指標

光学システム用のGaNレーザーを仕様選定する際は、いくつかの主要指標を評価します。

  • 中心波長（λc）： 発光ピークの波長で、InGaN量子井戸内のインジウム含有量に大きく依存します（例：405 nm、450 nm、520 nm）。
  • しきい値電流（Ith）：誘導放出（レーザー発振）を開始するために必要な最小電流です。
  • 光出力：民生用電子機器向けの数ミリワット（mW）から産業用途向けの数ワット（W）までの範囲です。
  • ビーム発散角: 半導体レーザーのビームは本来、楕円形で発散性を持ちます。進相軸（接合面に垂直）と遅相軸（接合面に平行）の両方について、度単位で測定されます。
  • スペクトル幅（∆λ）： 放射光スペクトルの狭さを表し、ファブリ・ペロー型端面発光素子では通常数ナノメートルです。

分類と種類

  • 端面発光レーザー（EELs）：最も一般的な種類です。レーザービームは半導体チップの端面から出射されます。高い光出力が可能です。
  • 垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）： レーザービームはチップ上面に対して垂直に放射されます。GaN VCSELは、GaN材料系で高反射ミラー（分布ブラッグ反射器）を形成することが難しいため、製造が極めて困難であることで知られていますが、円形のビームプロファイルや高密度の2Dアレイとして製造できるといった利点があります。
  • シングルモードとマルチモード： シングルモードレーザーは、精密光学に適した高コヒーレンスの回折限界ビームを生成します。一方、マルチモードレーザーは、レーザープロジェクターなど、高出力が最優先される用途で使用されます。

用途

GaNレーザーは波長が短いため、高分解能、高エネルギー、または特定の物質との相互作用を必要とする用途に不可欠です：

  • 高密度光ストレージ： 405 nm の紫色レーザーは、Blu-rayディスクの中核技術です。
  • レーザープロジェクション & ディスプレイ： 高出力の青色および緑色GaNレーザーを赤色レーザーと組み合わせ、高光束で鮮明なレーザープロジェクターを実現します。
  • 医療機器 & バイオメディカル機器： フローサイトメトリー、蛍光分光法、共焦点顕微鏡法で使用されます。
  • 材料加工： 微細加工および3Dプリンティング（特に、UV／紫色光でフォトポリマー樹脂を硬化させる光造形法/SLA）。

実用例：Blu-ray光ピックアップユニット（OPU）

405 nm GaNレーザーダイオードの代表的な実用例は、Blu-rayプレーヤーの光ピックアップユニット（Optical Pickup Unit、OPU）です。405 nmの波長はDVDで使用される650 nmの赤色レーザーより大幅に短いため、はるかに小さなスポットに集光でき、ディスク上のより小さなデータピットを読み取れます。

光路：
  1. 光源: GaNレーザーダイオードは、発散する楕円形の405 nmビームを放射します。
  2. ビーム整形： 光はコリメートレンズを通過して平行光となり、多くの場合、アナモルフィックプリズムペアによって楕円形のビームが円形プロファイルに補正されます。
  3. 光路制御: ビームは偏光ビームスプリッター（PBS）と1/4波長板を通過します。これらは後で戻り光の光路制御に使用されます。
  4. 集光: 高開口数（NA = 0.85）の対物レンズにより、回転するBlu-rayディスクのデータ層へ光を微小スポットに集光します。
  5. 戻り光路: 光はディスクで反射し、対物レンズを通って戻ります。その偏光は1/4波長板によって回転します。この回転により、PBSは戻り光を直進透過させずに反射します。
  6. 検出: 反射光はフォトダイオードアレイに導かれ、ディスクのデータピットに起因する光強度の変化がデジタル電気信号に変換されます。