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レーザーの原理構成と応用

2021-08-04

レーザーはレーザーを照射できる装置です。レーザーは、作動媒体に応じて、ガスレーザー、固体レーザー、半導体レーザー、色素レーザーの 4 つのカテゴリに分類できます。最近、自由電子レーザーが開発されました。高出力レーザーは通常、パルス化されます。出力。

レーザーの動作原理:
自由電子レーザーを除いて、さまざまなレーザーの基本的な動作原理は同じです。レーザー発生に不可欠な条件は、反転分布と損失よりも利得が大きいことであるため、デバイスに不可欠なコンポーネントは励起 (またはポンピング) 源と準安定エネルギー準位の作動媒体です。励起とは、作動媒体が外部エネルギーを吸収した後に励起状態に励起され、反転分布を実現および維持するための条件を作り出すことを意味します。励起方法には、光励起、電気励起、化学励起、核エネルギー励起が含まれます。
作動媒体の準安定エネルギー準位により誘導放射線が支配的になり、それによって光増幅が実現されます。レーザーの一般的なコンポーネントには共振空洞が含まれますが、共振空洞 (光共振空洞を参照) は必須のコンポーネントではありません。共鳴空洞は、空洞内の光子の周波数、位相、進行方向を同じにすることができるため、レーザーの指向性とコヒーレンスが良好になります。さらに、加工材料の長さを十分に短縮でき、共振空洞の長さを変更する（つまりモード選択）ことによって生成されるレーザーのモードを調整することもできるため、一般にレーザーには共振空洞があります。

レーザーは通常、次の 3 つの部分で構成されます。
1. 作動物質: レーザーの核心部分で、エネルギー準位遷移を達成できる物質のみがレーザーの作動物質として使用できます。
2. エネルギーの促進：その機能は、作動物質にエネルギーを与え、外部エネルギーの低エネルギーレベルから高エネルギーレベルまで原子を励起することです。通常、光エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー、化学エネルギーなどが考えられます。
3. 光共振空洞: 最初の機能は、作動物質の刺激放射を継続的に行うことです。 2 つ目は、光子を継続的に加速することです。 3 つ目は、レーザー出力の方向を制限することです。最も単純な光空洞共振器は、ヘリウムネオンレーザーの両端に配置された 2 つの平行ミラーで構成されます。一部のネオン原子が反転分布を達成した 2 つのエネルギー準位の間で遷移し、レーザーの方向に平行に光子を放射すると、これらの光子は 2 つのミラー間で往復反射され、誘導放射が継続的に発生します。非常に強力なレーザー光が非常に速く生成されます。

レーザーから放射される光の品質は純粋でスペクトルが安定しているため、さまざまな方法で使用できます。
ルビーレーザー: 元のレーザーは、明るい点滅電球によってルビーが励起されるもので、生成されるレーザーは連続的で安定したビームではなく「パルスレーザー」でした。このレーザーによって生成される光の速度の質は、現在使用されているレーザーダイオードによって生成されるレーザーとは根本的に異なります。わずか数ナノ秒しか持続しないこの強力な発光は、人物のホログラフィックポートレートなど、動きやすい物体の撮影に非常に適しています。最初のレーザーポートレートは 1967 年に誕生しました。ルビーレーザーは高価なルビーを必要とし、短い光パルスしか生成できません。

He-Ne レーザー: 1960 年、科学者の Ali Javan、William R. Brennet Jr.、および Donald Herriot は He-Ne レーザーを設計しました。これが最初のガスレーザーです。このタイプのレーザーは、ホログラフィック写真家によってよく使用されます。 2 つの利点: 1. 連続的なレーザー出力を生成します。 2. 光励起にはフラッシュバルブは必要ありませんが、電気励起ガスを使用します。

レーザーダイオード: レーザーダイオードは、最も一般的に使用されるレーザーの 1 つです。ダイオードのPN接合の両側で電子と正孔が自発的に再結合して発光する現象を自然放出といいます。自然放射線によって生成された光子が半導体を通過するとき、放出された電子と正孔のペアの近くを通過すると、その 2 つが励起されて再結合し、新しい光子が生成されます。この光子は、励起されたキャリアの再結合を誘発し、新しい光子を放出します。この現象は誘導放出と呼ばれます。

注入電流が十分に大きいと、熱平衡状態とは逆のキャリア分布、つまり反転分布が形成されます。活性層内のキャリアが多数の反転をしている場合、共振空洞の両端の往復反射により少量の自然放射が誘導放射を生成し、その結果、周波数選択性の共振正帰還が発生するか、またはある一定の頻度。利得が吸収損失よりも大きい場合、良好なスペクトル線を備えたコヒーレント光、つまりレーザー光が PN 接合から放出されます。レーザーダイオードの発明により、レーザーの応用が急速に普及することが可能になりました。さまざまな種類の情報スキャン、光ファイバー通信、レーザー測距、ライダー、レーザーディスク、レーザーポインター、スーパーマーケットコレクションなどが絶えず開発され、普及しています。

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