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、さまざまなレーザー応用例を目にする機会が多くあります。今回は、レーザーとその発生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？

レーザーとは、レーザー光を用いて特殊な光線を生成する光源のことです。レーザーは、外部の光源または電源からエネルギーを物質に入力し、誘導放射の過程を経て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）と光学反射板から構成される光学装置である。レーザーにおける活性媒体は通常、選択・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る。

レーザー光には、いくつかの独特な特徴がある。

まず、レーザーは周波数と波長が非常に厳密に制御された単色光であり、特定の光学的ニーズを満たすことができる。

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る。

第三に、レーザーは非常に狭いビームと優れた集束性を持つ指向性の高い光であり、高い空間分解能を実現するために利用できる。

レーザーは光源である

レーザー発生の原理

レーザーの発生には、誘導放射、自然放出、誘導吸収という3つの基本的な物理過程が関わっている。

S誘導放射線

誘導放射はレーザー発生の鍵となる現象です。高エネルギー準位にある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、伝搬方向を持つ光子を放出します。この過程を誘導放射と呼びます。つまり、光子は誘導放射の過程を通して同一の光子を「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に遷移する際、一定量のエネルギーを持つ光子を放出します。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、光子の位相、偏光状態、および伝搬方向はすべてランダムです。

S吸収促進

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ることがある。この過程を誘導吸収という。

レーザーにおいては、誘導放射過程を増強するために、通常、2枚の平行な鏡で構成された共振器が用いられる。一方の鏡は全反射鏡であり、もう一方の鏡は半反射鏡で、レーザー光の一部を透過させることができる。

レーザー媒質中の光子は2枚の鏡の間で反射を繰り返し、反射のたびに誘導放射によってさらに多くの光子が生成され、光の増幅が実現される。光の強度が一定レベルに達すると、半反射鏡を通してレーザー光が生成される。