レーザーの原理

レーザーの原理は、20 世紀初頭にアインシュタインによって最初に提案された概念である誘導放出に基づいています。主なプロセスは次のとおりです。

- 電子遷移: 作動媒体内の原子または分子は、ポンプ源 (電気エネルギー、光エネルギーなど) の影響下でエネルギーを獲得し、低エネルギー レベルから高エネルギー レベルに遷移し、励起状態に入ります。高エネルギー準位は不安定であるため、原子または分子は自発的に低エネルギー準位に戻り、その過程で光子を放出します。

- 共鳴空洞反射: これらの光子は共鳴空洞内で前後に反射し、作動媒体内の他の励起状態の原子または分子と相互作用し、より刺激された放出を引き起こします。これにより光子の数が急激に増加し、高強度、高度に単色性、かつ極めて指向性の高いレーザー光が生成されます。

レーザーコンポーネント

レーザーは主に、作動媒体、ポンプ源、共振空洞の 3 つの部分で構成されています。

- 作動媒体: これはレーザー生成の基礎です。これは、ルビー、ネオジム ガラス、炭酸ガスなどの反転分布を可能にする活性媒体で構成されています。

- ポンプ源: 作動媒体にエネルギーを供給し、誘導放出を引き起こします。一般的な方法には、電気励起と光励起が含まれます。

- 共鳴空洞: 全内部反射ミラーと部分内部反射ミラーで構成され、光子にフィードバックと振動環境を提供し、光子が空洞内で何度も往復できるようにして、誘導放出効果を強化し、最終的にレーザー出力を形成します。

シングルモードレーザーとマルチモードレーザーの違い

シングルモード レーザーとマルチモード レーザーの主な違いは、出力ビームのモードの数にあります。

- シングルモード レーザー: 1 つの光伝播モードのみをサポートします。高いビーム品質、良好な指向性とコヒーレンス、標準的な円形ビームスポット、および小さな発散角を備えています。レーザー干渉計や光ファイバー通信などの高精度アプリケーションに適しています。

- マルチモードレーザー: 複数の光伝播モードをサポートします。大きな出力ビーム発散角、複雑なビーム形状と強度分布、短いコヒーレンス長を備えていますが、高い出力パワーを備えています。材料処理やレーザー照明など、それほど要求の厳しいアプリケーションに適しています。

レーザー – ガウス ビーム

レーザーは、断面全体の強度分布がガウス関数にほぼ一致しているため、ガウス ビームと呼ばれます。つまり、強度は中心で高く、端に向かって徐々に減少し、釣鐘型の曲線を示します。

この分布特性は、共振空洞内でレーザーが形成される際のレーザーの自己再現性に由来します。回折と伝播の後でも、その強度分布はガウス形状を維持します。ガウシアンビームは優れた集光性能と単色性を備え、モード競合を効果的に低減しビーム品質を向上させるため、光学システム設計、レーザー加工などの分野で広く使用されています。

レーザーの分類 レーザーはさまざまな方法で分類できますが、そのうちの 1 つは作動媒体によるものです。

- 固体レーザー: ネオジムドープアルミニウムガーネット (Nd:YAG) レーザーなど、固体材料を作動媒体として使用します。これらのレーザーは通常、高出力と優れた安定性を備えており、工業加工、医療、科学研究で広く使用されています。

- ガスレーザー: ヘリウムネオンレーザー (He-Ne) や二酸化炭素レーザー (CO2) などのガスを作動媒体として使用します。ガスレーザーは、可視および赤外スペクトル領域で幅広い用途があります。

- 液体レーザー: 染料レーザーとしても知られており、作動媒体として有機染料溶液を使用します。波長調整機能により、科学研究や生物医学において独自の利点が得られます。

- 半導体レーザー: レーザーダイオードなどの半導体材料を作動媒体として使用します。これらのレーザーは小型化、集積化に優れており、光通信、レーザー印刷などの分野で広く使用されています。

- 自由電子レーザー: 高速自由電子ビームを作動媒体として使用します。幅広い出力パワーと波長を提供するため、高エネルギー物理学や X 線分光法に適しています。