レーザーとは何か？レーザー発生の原理

レーザーは人類の重要な発明の一つであり、「最も明るい光」として知られています。日常生活では、レーザー美容、レーザー溶接、レーザー蚊取り器など、様々なレーザーの応用を目にすることができます。今日は、レーザーとその生成原理について詳しく見ていきましょう。

レーザーとは何ですか?

レーザーは、レーザーを用いて特殊な光線を生成する光源です。レーザーは、外部光源または電源からのエネルギーを誘導放射の過程を通じて物質に入力することで、レーザー光を生成します。

レーザーは、光を増幅できる活性媒体（気体、固体、液体など）と光反射器から構成される光学装置です。レーザーの活性媒体は通常、選定・加工された材料であり、その特性によってレーザーの出力波長が決まります。

レーザーによって生成される光には、いくつかの独特な特性があります。

まず、レーザーは、非常に厳密な周波数と波長を持つ単色光であり、いくつかの特殊な光学的ニーズを満たすことができます。

第二に、レーザーはコヒーレント光であり、光波の位相が非常に安定しているため、長距離にわたって比較的安定した光強度を維持できます。

第三に、レーザーはビームが非常に狭く、焦点合わせが優れているため、指向性の高い光であり、高い空間解像度を達成するために使用できます。

レーザーは光源である

レーザー発生の原理

レーザーの生成には、誘導放射、自然放出、誘導吸収という 3 つの基本的な物理プロセスが関与します。

S誘導放射

誘導放射はレーザー生成の鍵となる現象です。高エネルギー準位の電子が別の光子によって励起されると、その光子と同じエネルギー、周波数、位相、偏光状態、伝播方向を持つ光子が、その光子の方向に放出されます。この過程は誘導放射と呼ばれます。つまり、光子は誘導放射の過程を通じて同一の光子を「複製」することができ、それによって光の増幅が実現されるのです。

S自然放出

原子、イオン、または分子の電子が高エネルギー準位から低エネルギー準位へ遷移する際、一定量のエネルギーを持つ光子が放出されます。これを自然放出と呼びます。このような光子の放出はランダムであり、放出された光子間にはコヒーレンスがありません。つまり、位相、偏光状態、伝播方向はすべてランダムです。

S刺激吸収

低いエネルギー準位にある電子が、自身のエネルギー準位と等しいエネルギー準位差を持つ光子を吸収すると、高いエネルギー準位に励起されます。この過程は誘導吸収と呼ばれます。

レーザーでは、誘導放射過程を強化するために、通常、2枚の平行な鏡からなる共振空洞が用いられます。一方の鏡は全反射鏡、もう一方の鏡はレーザー光の一部を透過させる半反射鏡です。

レーザー媒質中の光子は2枚の鏡の間を往復反射し、その反射ごとに誘導放射過程によってより多くの光子が生成され、光の増幅が達成されます。光の強度が一定量に達すると、半反射鏡を通してレーザー光が生成されます。