青色レーザー

青色レーザーは400～500ナノメートルの波長の電磁波を放射し、人間の目には可視スペクトルの中で青や紫として見える。^[1]

青色レーザーは次のように生成されます。

• 380-417nmの窒化ガリウム(III)の量子井戸に基づく直接無機ダイオード半導体レーザー^{[2] [3]}または450nmの窒化インジウムガリウムの量子井戸に基づく直接無機ダイオード半導体レーザー
• 408nmまで周波数を倍増できるダイオード励起固体赤外線レーザー
• 480 nmでのツリウムまたはプラセオジム添加ファイバーによる直接ダイオード半導体レーザーのアップコンバージョン^[4]
• 金属蒸気、ヘリウムカドミウムイオン化ガスレーザー（442 nm、10～200 mW） ^[5]
• 458および488nmのアルゴンイオンレーザー^[5]

445 nm 未満の波長を放射するレーザーは紫色に見えますが、青色レーザーとも呼ばれます。可視スペクトルにおける紫色の光の 405 nm の短波長は、紫外線(「ブラック ライト」) スペクトル (400 nm 未満の波長) の放射のように、一部の化学物質で蛍光を引き起こします。

1960年代以前から1990年代後半までは、ガスレーザーとアルゴンイオンレーザーが一般的でしたが、効率が低く（0.01%）、サイズが大きいという問題がありました。^[4]

1960年代には、サファイア製造の進歩^{[6]により、研究者は}サファイアベースにGaNを堆積させて青色レーザーを作成できるようになりましたが、窒化ガリウムとサファイアの構造間の格子不整合により多くの欠陥や転位が生じ、寿命が短く（<10時間）、効率も低くなります（<1%）。

さらに、窒化ガリウム（GaN）結晶層構造は、合成ダイヤモンドの製造環境と同様に、高い窒素ガス圧と温度を必要とするため、製造が困難であることが判明しました。

1992年、日本の発明家中村修二氏は日亜化学工業に勤務していた当時、InGaN活性領域、GaN光ガイド、AlGaNクラッドを用いた初の青色半導体LEDを発明し、その4年後には初の低出力青色レーザーを発明した。この発明により、 2006年にミレニアム技術賞、2014年に赤﨑勇教授、天野浩氏と共にノーベル物理学賞を受賞した^{[7] [8] [3] [9]}。^[10]利得媒体の欠陥は依然として高すぎた（10 ⁶ –10 ¹⁰欠陥/cm ^{2 ）ため、}パルス励起を用いた低出力レーザーの寿命は300時間未満と短かった^{[11] [12]}。

1990年代後半、ワルシャワ（ポーランド）のポーランド科学アカデミー高圧物理学研究所のシルヴェスター・ポロフスキ博士は、マグネシウムをドーピングして欠陥数を100個/cm ²未満に抑えた、構造品質の高い窒化ガリウム単結晶を作成する技術を開発しました。これは、以前の試みよりも少なくとも10,000倍優れたものでした。^[13] 1999年、中村はポーランドで製造されたGaN結晶を使用して、当初の設計に比べて2倍の収率と10倍の寿命（30mWで3,000時間）を持つレーザーを作成しました。

2000年代には、日本のメーカーが60mWの出力と長寿命を備えた青色レーザーの製造を習得し、Blu-ray、BD-R、BD-REから高密度（青色の短波長による）の高速データストリームを読み取るデバイスに適用できるようになりました。半導体レーザーにより、以前は入手できなかった小型で便利で安価な青色、紫色、紫外線（UV）レーザーの開発が可能になり、多くの用途への扉が開かれました。

現在、青色半導体レーザーにはサファイア基板（主に日亜化学工業が使用し、契約メーカーはソニー）かGaN単結晶基板（主にTopGaN ^{[14]が使用）が使用されており、どちらも窒化ガリウムの層で覆われています。日亜化学工業のデバイスのGaN光ガイド層は、活性領域の}InGaN 量子井戸または量子ドットから自己組織化によって自発的に形成されます。

ポーランドの技術は日本のものより安価であると考えられていますが、市場シェアは小さいです。別のポーランドの会社であるAmmonoは青色ダイオード用のGaN結晶を製造していますが、^{[15] [16]}青色レーザーは製造していません。

青色の直接ダイオード半導体レーザーは、無機窒化ガリウム (GaN) または InGaNゲイン媒体を使用して構築できます。その上に多数 (数十以上) の原子層を配置して、量子井戸から光子を生成するレーザーのアクティブ部分を形成します。ガリウムヒ素( Ga As ) 半導体上に構築された赤外線レーザーは、同様の製造技術を使用します。ゲイン媒体に光子を閉じ込めるために、AlGaN クラッドが構築されます。ドーピング材料 (マグネシウムなど) を含めるなど、シリコン半導体用に開発された方法と同様の方法を使用すると、転位と呼ばれる種類の欠陥がなく、キャリア分布が均一な基板を構築できるため、ゲイン媒体原子を層状にして、グラウンドを構成する原子と量子井戸を構成する原子間の距離が均一に同じになるようにすることができます。

青色の直接ダイオードレーザーは、InGaN半導体（445nm～465nm）を使用して製造することもできます。^[17] InGaNデバイスは、波長が長いほど人間の目の感度のピークに近いため、GaN（405）nm直接ダイオードレーザーよりも大幅に明るく感じられます。^[18]

レーザー用リン光直接ダイオード青色有機発光ダイオードは寿命が短い（<200時間）ため実用的ではない。^[19]

ツェナーダイオードを回路に組み込むことでESD障害を最小限に抑えることができます。^[20]

半導体レーザーはパルス駆動または連続波駆動のいずれかで駆動することができる。^[21]

半導体レーザーは、最終用途に応じて、レーザー媒体層に対して垂直または水平に光子を放射するように構成できます。

1960年代から通信用レーザーの励起光源として広く利用されている直接ダイオード赤外線半導体レーザーは、一般的な非線形結晶（ BBOまたはKTP ）によって青色領域まで周波数を2倍にすることができます。^[22]周波数2倍化が共振器強化されると1Wを超える出力が得られ、出力2.6Wの400nm青色レーザーなど、可視スペクトル全体にわたるワットクラスの光源が得られます。^[23]

バイオレット DPSS レーザー ポインター (405 nm で 120 mW) は、ダイオード レーザーと倍増結晶の間に挿入された長波長ダイオード励起固体レーザーを使用せずに、直接倍増される直接ダイオード赤外線ガリウム ヒ素(808 nm で 1 W) レーザーを使用して、より高い出力を実現します。

2006 年頃に初めて利用可能になった青色 DPSSレーザー ポインターは、 DPSS緑色レーザーと同じ基本構造を持っています。これらは最も一般的に 473 nm の光を放射しますが、これはダイオード ポンプNd:YAGまたはNd:YVO4結晶からの 946 nm レーザー放射の周波数倍増によって生成されます。^[24]ネオジム添加結晶は通常 1064 nm の主波長を生成しますが、適切な反射コーティングを施したミラーを使用して、青色レーザー アプリケーションで使用される 946 nm 遷移など、他の非主ネオジム波長でレーザーを放射することもできます。高出力の場合は、BBO結晶が周波数倍増器として使用され、低出力の場合はKTPが使用されます。使用可能な出力は最大 5000 mW です。 473 nmレーザー放射を生成するための変換効率は低く、研究室で生成された最良の結果でも、946 nmレーザー放射を473 nmレーザー放射に変換する効率は10～15%です。^[25]変換効率が低いため、1000 mWのIRダイオードを使用すると、最大で150 mWの可視青色DPSSレーザー光が生成されますが、より現実的には120mWになります。

青色ガスレーザーは、希ガス混合物の反転分布を利用する大型で高価な機器であり、効率が低いため高電流と大きな冷却を必要とする。^{[4]青色ビームは、441.6 nmのヘリウムカドミウム}ガスレーザー、または458および488 nmの アルゴンイオンレーザーを使用して生成できる。

405 nm の紫色レーザー (GaN から直接製造されたものでも、周波数を 2 倍にした GaAs レーザー ダイオードから製造されたものでも) は実際には青色ではありませんが、目には紫色に見えます。この色に対する人間の目の感度は非常に限られています。多くの白い物体 (白い紙や特定の洗剤で洗った白い衣服など) にレーザーを向けると、増白染料の蛍光により、レーザー ドットの視覚的な外観が紫色から青色に変わります。

「真の青」を映し出す必要があるディスプレイアプリケーションでは、445～450 nmの波長が必要です。量産化の進歩により、445 nm InGaNレーザーダイオードの価格が下がり、レーザー蛍光体プロジェクターに最適なソリューションになりました。^[26]

青色レーザーの応用分野は次のとおりです。

• 潜水艦との通信^[27]
• DLPおよび3LCDプロジェクター
• 電子機器
• 環境モニタリング
• ハンドヘルドプロジェクターとディスプレイ
• 高画質ブルーレイプレーヤー、ブルーレイ録画
• 情報技術
• レーザーエッチング装置およびカッター^{[25] [28]}
• レーザープロジェクター
• 医療診断
  • フローサイトメトリー^[29]
• 医療処置^[30]
• レーザー手術^[31]
  • 喉頭科学
  • 音声外科手術
  • 耳科学
  • 鼻科学
• 高密度の光電子データストレージ
• 通信

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