DPSSレーザーの動作原理

1. ダイオードポンピング：

このプロセスは、赤外線を放射するレーザーダイオードから始まります。この光はNd:YAG結晶を「励起」するために使用され、イットリウムアルミニウムガーネット結晶格子に埋め込まれたネオジムイオンを励起します。レーザーダイオードは、Ndイオンの吸収スペクトルに一致する波長に調整され、効率的なエネルギー伝達を実現します。

2. Nd:YAGクリスタル:

Nd:YAG結晶は能動的な利得媒質です。ネオジムイオンはポンピング光によって励起されると、エネルギーを吸収して高エネルギー状態に移行します。しばらくすると、これらのイオンは低エネルギー状態に戻り、蓄積されたエネルギーを光子の形で放出します。このプロセスは自然放出と呼ばれます。

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3. 反転分布と誘導放出：

レーザー動作が発生するには、反転分布、すなわち励起状態のイオンが低エネルギー状態のイオンよりも多く存在する必要があります。光子がレーザー共振器のミラー間を往復する際に、励起されたNdイオンが刺激され、同じ位相、方向、波長の光子をより多く放出します。このプロセスは誘導放出と呼ばれ、結晶内の光強度を増幅します。

4. レーザーキャビティ：

レーザー共振器は通常、Nd:YAG結晶の両端に配置された2つのミラーで構成されます。一方のミラーは高反射率で、もう一方のミラーは部分反射率で、一部の光がレーザー出力として放出されます。共振器は光と共振し、誘導放出を繰り返すことで光を増幅します。

5. 周波数倍増（第二高調波発生）

基本周波数光（通常、Nd:YAGから放射される1064 nm）を緑色光（532 nm）に変換するには、周波数逓倍結晶（KTP（リン酸チタン酸カリウム）など）をレーザー光路に配置します。この結晶は非線形光学特性を有し、元の赤外光から2つの光子を取り出し、エネルギーが2倍の1つの光子に結合します。つまり、元の光の波長の半分になります。このプロセスは第二高調波発生（SHG）として知られています。

6. 緑色光の出力:

この周波数倍増の結果、532nmの明るい緑色光が放出されます。この緑色光は、レーザーポインター、レーザーショー、顕微鏡における蛍光励起、医療処置など、さまざまな用途に使用できます。

このプロセス全体は非常に効率的であり、コンパクトで信頼性の高いフォーマットで、高出力でコヒーレントな緑色光を生成することができます。DPSSレーザーの成功の鍵は、固体利得媒体（Nd:YAG結晶）、効率的なダイオードポンピング、そして効果的な周波数逓倍の組み合わせによって、所望の光波長を実現していることです。