レーザーとは何ですか?レーザー発生原理

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、さまざまなレーザーの応用例をよく目にします。今日は、レーザーとその生成の背後にある原理について詳しく理解しましょう。

レーザーとは何ですか?

レーザーは、レーザーを使用して特殊な光線を生成する光源です。レーザーは、誘導放射のプロセスを通じて外部の光源または電源から材料にエネルギーを入力することにより、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) と光反射体で構成される光学デバイスです。レーザー内の活性媒体は通常、選択および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備えた単色光であり、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、レーザーは非常に細いビームと優れた集束性を備えた指向性の高い光であり、これを使用して高い空間分解能を達成できます。

レーザーは光源です

レーザー発生原理

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含まれます。

S誘導放射線

誘導放射線はレーザー生成の鍵です。高エネルギーレベルの電子が別の光子によって励起されると、同じエネルギー、周波数、位相、偏光状態、およびその光子の方向の伝播方向を持つ光子を放出します。このプロセスは誘導放射線と呼ばれます。つまり、光子は誘導放射線のプロセスを通じて同一の光子の「クローン」を作成し、それによって光の増幅を達成することができます。

S自然放出

原子、イオン、または分子の電子が高いエネルギー レベルから低いエネルギー レベルに遷移すると、一定量のエネルギーの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コヒーレンスはありません。つまり、それらの位相、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、自身と同じ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。このプロセスは刺激吸収と呼ばれます。

レーザーでは、誘導放射プロセスを強化するために、2 つの平行なミラーで構成される共振空洞が通常使用されます。 1 つのミラーは全反射ミラーで、もう 1 つのミラーは半反射ミラーであり、レーザーの一部を通過させることができます。

レーザー媒質内の光子は 2 つのミラーの間で前後に反射し、各反射によって誘導放射プロセスを通じてさらに多くの光子が生成され、それによって光の増幅が達成されます。光の強度がある程度強くなると、半反射鏡を通してレーザーが発生します。