半導体レーザー (LD: Laser Diode)は，レーザー発振するダイオードで，波長や位相が揃った光を放出する素子です．本記事では半導体レーザー (LD)の仕組みを解説していきます．
半導体レーザー (LD)とは
半導体レーザー (LD)は，レーザー発振するダイオードです．レーザーの光はLEDや太陽光などとは，性質が違います．レーザーの光は波長 (色)，位相がそろっている特徴があります．
仕組み
半導体レーザーの仕組みについて解説していきます．まず半導体における光の放出は，図１のように自然放出と誘導放出があります．
自然放出は，外部からの光に誘起されず，電子と正孔の再結合によって光子が放出される現象です．誘導放出は，入射した光子に誘起され，同じ周波数・位相・進行方向・偏光の光子が放出される現象です．半導体レーザーでは，キャリアを十分に注入して誘導放出による増幅が吸収を上回る状態を作ります．
図２に半導体レーザーの構造を示します．
半導体レーザーはLEDと同様に活性層で発光します．図2のような構造では，活性層にキャリアを注入して光を増幅し，両端の反射面で構成する光共振器内を往復させます．往復中の増幅が吸収や出射による損失を補うしきい値に達すると，レーザー発振が始まります．光は反射面を一部透過して外へ出ます．片側の反射率を下げて主な出力側にする設計もありますが，光が必ず片側だけから出るわけではありません．
レーザー光は，一般にLEDより狭い波長範囲に集中し，位相の相関が保たれやすい特徴があります．この位相の相関の程度をコヒーレンスといい，干渉の起こりやすさに関係します．偏光や発振する波長の数はレーザーの構造によって異なります．回折格子などを用いて，特定の発振モードを選ぶ設計もあります．
図３に半導体レーザーとLEDの電流-光出力特性とスペクトル形状を示します．
LEDは電流が大きくなるにつれ光を放出します．半導体レーザーは電流が小さいときは自然放出のみで出力が小さいですが，あるしきい値を超えると誘導放出が急激に増えて，光出力が大きくなります．半導体レーザーのスペクトル形状を見ると，しきい値以下だと自然発光のみでスペクトル形状は広がってますが，しきい値を超えるとスペクトル形状はよりシャープになります．
スペックル
コヒーレンスの高いレーザー光を紙や金属などの粗い面に照射すると，異なる位置から散乱した光が干渉し，斑点模様ができます．これをスペックルといいます．多くの場合は邪魔になりますが，スペックルを利用する技術もあります．レーザーを利用する場合は，このスペックルを考慮する必要があります．
応用
半導体レーザーの応用例を以下に示します．
- CD，DVDなどのメディアの読取り
- 光ファイバによる通信
- レーザーポインタ
- センシング
- 材料加工
- スペックルを利用した計測
まとめ
- 半導体レーザー (LD)：波長や位相が揃った光を放出する素子
- 光共振器 (キャビティ)：鏡面で光を閉じ込めて定常波を作る機器
- コヒーレンス：光の位相の相関が保たれる程度
- スペックル：コヒーレンスな光が干渉して生じる斑点の模様