レーザーの基本的な動作原理 (放射線の誘導放出による光の増幅) は、光の誘導放出の現象に基づいています。一連の精密な設計と構造を通じて、レーザーは高いコヒーレンス、単色性、輝度を備えたビームを生成します。レーザーは、通信、医療、製造、測定、科学研究などの分野を含む現代技術で広く使用されています。その高効率と正確な制御特性により、多くのテクノロジーの中核コンポーネントとなっています。以下に、レーザーの動作原理とさまざまな種類のレーザーのメカニズムについて詳しく説明します。
1. 誘導放出
誘導放出は、1917 年にアインシュタインによって最初に提案された、レーザー発生の背後にある基本原理です。この現象は、光と励起状態の物質の間の相互作用を通じて、よりコヒーレントな光子がどのように生成されるかを説明します。誘導放出をより深く理解するために、自然放出から始めましょう。
自然放出: 原子、分子、またはその他の微細な粒子では、電子は外部エネルギー (電気エネルギーや光エネルギーなど) を吸収し、励起状態として知られるより高いエネルギー レベルに遷移することができます。ただし、励起状態の電子は不安定であり、短時間後には最終的には基底状態として知られるより低いエネルギー レベルに戻ります。このプロセス中に、電子は自然放出である光子を放出します。このような光子は、周波数、位相、方向の点でランダムであるため、コヒーレンスがありません。
誘導放出: 誘導放出の鍵は、励起状態の電子がその遷移エネルギーと一致するエネルギーを持つ光子に遭遇すると、その光子が電子を基底状態に戻しながら新しい光子を放出できることです。新しい光子は、周波数、位相、伝播方向の点で元の光子と同一であり、結果としてコヒーレント光が得られます。この現象は光子の数とエネルギーを大幅に増幅し、レーザーの中核となるメカニズムです。
誘導放出の正帰還効果: レーザーの設計では、誘導放出プロセスが複数回繰り返され、この正のフィードバック効果によりフォトンの数が指数関数的に増加する可能性があります。共振空洞の助けにより、光子のコヒーレンスが維持され、光ビームの強度が継続的に増加します。
2. ゲイン媒体
のゲインミディアム光子の増幅とレーザー出力を決定するレーザーのコア材料です。これは誘導放出の物理的基礎であり、その特性によってレーザーの周波数、波長、出力が決まります。利得媒体の種類と特性は、レーザーの用途と性能に直接影響します。
励磁機構: 利得媒質内の電子は、外部エネルギー源によってより高いエネルギー レベルに励起される必要があります。このプロセスは通常、外部エネルギー供給システムによって実現されます。一般的な励起メカニズムには次のものがあります。
電気ポンピング: 電流を印加して利得媒質内の電子を励起します。
光ポンピング：媒体を光源（フラッシュランプや他のレーザーなど）で励起します。
エネルギーレベルシステム: 利得媒体内の電子は通常、特定のエネルギー レベルに分布しています。最も一般的なものは次のとおりです。2レベルシステムそして4 レベルのシステム。単純な 2 準位系では、電子は基底状態から励起状態に遷移し、その後誘導放出によって基底状態に戻ります。 4 準位系では、電子は異なるエネルギー準位間でより複雑な遷移を経験し、多くの場合効率が高くなります。
ゲインメディアの種類:
ガスゲイン媒体: たとえば、ヘリウムネオン (He-Ne) レーザーです。ガス利得媒体は、安定した出力と固定波長で知られており、研究室の標準光源として広く使用されています。
液体ゲイン媒体：例えば色素レーザー。色素分子はさまざまな波長にわたって優れた励起特性を備えているため、波長可変レーザーに最適です。
ソリッドゲインミディアム: たとえば、Nd (ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット) レーザー。これらのレーザーは非常に効率的かつ強力であり、工業用の切断、溶接、医療用途で広く使用されています。
半導体利得媒体: たとえば、ガリウムヒ素 (GaAs) 材料は、通信やレーザー ダイオードなどの光電子デバイスに広く使用されています。
3. 共振器空洞
の共振器空洞フィードバックと増幅に使用されるレーザーの構造コンポーネントです。その中心的な機能は、キャビティ内で誘導放出によって生成される光子の数を反射および増幅することで増加させ、強力で集中したレーザー出力を生成することです。
共振器空洞の構造: 通常は 2 つの平行なミラーで構成されます。 1 つは完全反射ミラーとして知られるものです。バックミラー、もう 1 つは部分反射ミラーとして知られています。出力ミラー。光子はキャビティ内で前後に反射し、利得媒体との相互作用によって増幅されます。
共振条件: 共振器空洞の設計は、光子が空洞内で定在波を形成することを保証するなど、特定の条件を満たす必要があります。これには、共振器の長さがレーザー波長の倍数である必要があります。これらの条件を満たす光波のみがキャビティ内で効果的に増幅されます。
出力ビーム: 部分反射ミラーは、増幅された光ビームの一部を通過させ、レーザーの出力ビームを形成します。このビームは高い指向性、コヒーレンス性、単色性を持っています。.
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投稿日時: 2024 年 9 月 18 日