レーザー装置の温度と波長の関係
3 年 A 組 小池 剛央
3 年 C 組 大村 啓輔
指導教諭 末谷 健志

１．要約
私たちはペルチェ素子を用いて、半導体レーザー装置の温度と出力されるレーザーの波長の関係ついての研究を行った。その結果、半導体レーザーの温度が上がるほど、出力されるレーザーの波長が長くなることが分かった。
キーワード

温度変化、温度差、ペルチェ素子、回折、回折格子、干渉、レーザー装置、波長２．研究の背景
前回の研究成果によって、ペルチェ素子を用いた冷却装置が完成した。この装置は、零下まで温度を下げることが可能であるあったり弱めあったりする現象のこと。
レーザー
位相が揃っている整った光のこと。
回折格子とともに、水分のある物質を用いていない透明の板状のプラスチックの表面に１ために、温度を下げる物体を濡らさない点

センチあたり何千本という数の溝が彫らで優れている。今回の研究は、この冷却装れており、光はそこを通ることができない。

置で半導体レーザーの温度を変化させ、出つまりこれはスリットの働きをすること力されるレーザーの波長の変化を調べた。

ができる。また溝と溝との間隔のことを格子定数という。

３．目的
回折格子を用いて、レーザー装置から出４．研究内容

力されるレーザーの波長が、装置の温度に（１）仮説よって、どのように変化するかを調べる。

半導体レーザーの温度を上げると、出力されるレーザーの波長が長くなる。

＜用語について＞
回折
反射や屈折によらず波の伝わる方向が変わる現象のこと。
干渉
二つ以上の同一種類の波動が同一点に会したときに、その点において互いに強め（２）実験方法＜実験原理① 光の干渉について＞
光が単スリットを通過するとき、光はそのスリットを波源として空間に広がる（図１）。それをダブルスリットに通すと波動が２つでき、波動同士が重なりあう。すると波長の強め合う所と打ち消しあう所ができる（図２）。これを光の干渉という。
図２では、波長の最も高い頂点と最も低い頂点を結んだ線をそれぞれ線と破線で表している。つまり線から線、破線から破線までが１周期、１波長といえる。同じ種類の線が交わる交点では波は強めあう。つまり光の強さは増幅され明るくなる。
また、図３に示すように、入射するレー
図1

ザーの進行方向にのびる光の筋は最も明るくなり、0 次像という。そして次に明るくなる筋を＋１次像および－１次像という。
波源 A から出た光および波源 B から出た光が、ちょうど重なり合ったときになったレーザー光

ときに光は強め合う。従って、0 次像ができる点では、２つの波源からの距離が等しくなるので、波はちょうど重なり合って、強め合う。
0 次像ができる外側では、２つの波源か波長の最も高い点を結んだ線

らやってくる波はずれてしまい、強め合う波長の最も低い点を結んだ線ことはない。しかし、0 次像から徐々に離図２れていくと、再び２つの波源と距離がちょうど１波長分ずれたところで、その点においては波がちょうど重なり合うために強め合う。これが１次像のできる点である。
従って、１次像ができる点を C とすると、|AC – BC| ＝ λが成り立つ。

図３

＜実験原理② 波長λの測定について＞

像で違う一波長分の長さ、つまりλを表し光の干渉を利用すると、光の波長を求めている。このとき、ることができる。

ａ°＋ｂ°＝９０°.

図４は、今回の実験の簡単な模式図を示

また、ｂ°＋ｃ°＝９０°だから、している。レーザー装置からレーザー光がａ°＝ｃ°出て、スリットを通りスクリーンに映し出されるまでを表している。説明を簡潔にするため０次像と１次像以外は省いている。
図中の x は０次像と１次像の距離を表している。またＬはスリットとスクリーン間の距離を表している。ここで、スリットから１次像までの斜辺の長さはピタゴラスの定理により、x,L で表すことができる。

図５
すると、図 4 における、１次像と０次像、そしてレーザー光がスリットを通過している点を結んだ三角形と、図 5 の三角形ＢＣＤとが、互いの２角が共に等しいため、相似の関係があることが分かる。
図４相似の関係を持つ三角形は対応する辺の比が等しい。このことから、次式に示す

次に図５を説明する。この図は、回折格子にレーザー光が通過するときの様子を拡大視して表している。Ｐ、Ｑ、Ｒがスリットの穴を表していて、ｄが格子定数、線分ＣＤがＱとＲからできた０次像と１次ように光の波長λを d,x,L で表すことができる。

つまり、回折格子の格子定数 d が分かり、0 次像と１次像の距離 x を実験で求めることができれば、波長λを計算から導くことができる。
＜実験方法について＞そのためＬの値はメジャーで測り、１０２２．２ｍｍに設定した。またレーザー装置の温度調節をするためのペルチェ素子は直接セロハンテープで固定させ、ペルチェ素子とレーザー装置の温度は放射温度計で測定した。その実験の様子の写真を下に載せる。

（３）実験結果
回折格子とスクリーンの距離L = 10.0mはないかと予想を立てましたが、今回は実際に確認することは残念ながらできませんでした。

回折格子の格子定数d = 5.0μm（1cm につき 2 千本）装置の温度とレーザー波長の関係※資料に添付

６．まとめと今後の課題
今回の実験のまとめは、レーザー装置の温度を上昇させるとレーザー光の波長が長くなるということがわかりました。今後

５．考察
実験結果は予想通り０次像と１次像の間の距離 x が広がるにつれて光の波長の課題は今回の実験で立てた予想が本当に正しいかどうかを確認することです。

λ も長くなるというものになった。この理由について、私たちは以下のように考え

７．参考文献・サイト

た。

http://www.fujitaka.com/peltier/exper

レーザー装置は、レーザー光を発生させience/experience2.html

るための共振器（キャビティ）と、その中http://www.n-tecmo.co.jp/custama/per_に設置された媒質、および媒質をポンピン

gen.htmグ（電子をより高いエネルギー準位に持ち

http://www.ohmdenki.com/boxcool/catal

上げること）するための装置から構成され

og/peltier.htm

る。キャビティは典型的には、２枚の鏡がhttp://nkiso.u-tokai.ac.jp/phys/matsu

向かい合った構造を持っている。波長がキura/lecture/general/presentation/Diffャビティの長さの整数分の一となるよう

ract/Diffract.files/frame.htm

な光は、キャビティ内をくり返し往復し、

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A定常波を形成する。このとき、熱でキャビ

C%E3%83%BC%E3%82%B6%E3%83%BC

ティの構造を構成する部品が膨張しキャビティの距離が長くなってしまうために

８．謝辞

通常時よりも長い波長の光しか共振条件

末谷先生今回の研究でいろいろと教えを満たさず、より長い光の波長しか存在でていただきありがとうございました。またきないため、レーザー装置の温度を上昇さその他の実験や研究を指導してくださっせるとレーザー光の波長が長くなるのでた先生方ありがとうございました。

９．資料（１）実験数値データ
レ ー ザ ー 装 置 0 次像と 1 次像の距離 レーザーの波長(nm)の温度（℃）

(cm)

2℃

135.0

669

℃

137.2

672

40℃

137.8

683

59℃

138.1

684

（２）レーザー装置の温度とレーザー波長の関係

波長（nm）

700
690
680
670
660
0

a*x+b
a=2.94738361e-01
b=6.68010470e+02

2040

レーザー装置の温度(℃）

60