レーザーの基本的な動作原理（誘導放出による光増幅）は、光の誘導放出現象に基づいています。精密な設計と構造を積み重ねることで、レーザーは高いコヒーレンス性、単色性、そして高輝度のビームを生成します。レーザーは、通信、医療、製造、計測、科学研究などの分野を含む現代技術で広く利用されています。その高い効率と精密な制御特性により、多くの技術の中核を成しています。以下では、レーザーの動作原理と様々なタイプ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
誘導放出誘導放出はレーザー生成の基本原理であり、1917年にアインシュタインによって初めて提唱されました。この現象は、光と励起状態にある物質との相互作用によって、よりコヒーレントな光子が生成される仕組みを説明しています。誘導放出をより深く理解するために、まずは自然放出から始めましょう。
自然放出原子、分子、その他の微小粒子では、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、励起状態と呼ばれるより高いエネルギー準位に遷移することができます。しかし、励起状態の電子は不安定であり、短時間で最終的には基底状態と呼ばれるより低いエネルギー準位に戻ります。この過程で、電子は自発放出光子を放出します。このような光子は周波数、位相、方向が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となるのは、励起状態の電子が自身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すと同時に新たな光子を放出する点です。新たな光子は、周波数、位相、伝播方向において元の光子と同一であり、結果としてコヒーレント光となります。この現象は光子の数とエネルギーを大幅に増幅し、レーザーの核となるメカニズムです。
誘導放出の正のフィードバック効果レーザーの設計では、誘導放出過程が複数回繰り返され、この正のフィードバック効果によって光子数が指数関数的に増加します。共鳴空洞の助けを借りて、光子のコヒーレンスが維持され、光ビームの強度が連続的に増加します。
2. ゲインミディアム
そのゲイン中レーザーのコア材料であり、光子の増幅とレーザー出力を決定します。誘導放出の物理的基盤であり、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。利得媒質の種類と特性は、レーザーの用途と性能に直接影響します。
励起メカニズム利得媒質中の電子は、外部エネルギー源によってより高いエネルギー準位に励起される必要がある。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る。一般的な励起メカニズムには以下が含まれる。
電気ポンプ電流を流して増幅媒体内の電子を励起する。
光ポンピング光源（フラッシュランプや他のレーザーなど）を使用して媒体を励起します。
エネルギーレベルシステム利得媒質中の電子は通常、特定のエネルギー準位に分布している。最も一般的なものは2レベルシステムそして4レベルシステム単純な2準位系では、電子は基底状態から励起状態へ遷移し、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をより複雑に遷移するため、多くの場合、より高い効率が得られます。
ゲインメディアの種類:
ガスゲインミディアム例えば、ヘリウムネオン（He-Ne）レーザー。ガスゲイン媒体は安定した出力と固定波長で知られており、実験室では標準光源として広く使用されています。
液体ゲイン培地例えば、色素レーザー。色素分子は様々な波長にわたって優れた励起特性を持つため、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例えば、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が高く強力で、産業用切断、溶接、医療用途に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、通信デバイスやレーザー 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
その共振空洞レーザーのフィードバックと増幅に使用される構造部品です。その主な機能は、誘導放出によって生成された光子を共振器内で反射・増幅することで光子数を増加させ、強力で集束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枚の平行な鏡で構成されます。1枚は全反射鏡で、バックミラーもう一つは、部分的に反射する鏡で、出力ミラー光子は空洞内で反射し、増幅媒体との相互作用によって増幅されます。
共鳴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など、特定の条件を満たす必要があります。そのためには、空洞長をレーザー波長の倍数にする必要があります。これらの条件を満たす光波だけが、空洞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透過させ、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、単色性を備えています。.
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投稿日時: 2024年9月18日