レーザーの仕組み

「スター ウォーズ」、「スタートレック」、「バトルスター ギャラクティカ」 —レーザー技術は、 SF映画や書籍で極めて重要な役割を果たしています。この種の話のおかげで、私たちが現在レーザーを未来の戦争や洗練された宇宙船と関連付けているのは間違いありません。

しかし、レーザーは私たちの日常生活においても極めて重要な役割を果たしています。実際、それらは驚くべき範囲の製品やテクノロジーに使用されています。 CD プレーヤーから歯科用ドリル、高速金属切断機、測定システムに至るまで、あらゆるものにこれらの製品が使用されています。タトゥーの除去、毛の置換、目の手術 – すべてレーザーを使用します。

しかし、レーザーとは何でしょうか？レーザー光線と懐中電灯の光線の違いは何ですか?具体的に、レーザー光は他の種類の光と何が違うのでしょうか？レーザーはどのように分類されますか?

この記事では、さまざまな種類のレーザー、さまざまな波長、およびそれらの用途 (レーザー ポインターなど) についてすべて学びます。まず、原子の基本を説明することで、レーザー技術の基礎から始めましょう。

アトムの基礎

宇宙全体には原子は約 100 種類しかありません。私たちが目にするものはすべて、これら 100 個の原子が無限に組み合わせられて構成されています。これらの原子がどのように配置され、互いに結合しているかによって、原子がコップ一杯の水、金属片、またはソーダ缶から出る炭酸のいずれを構成するかが決まります。

原子は常に運動しています。それらは継続的に振動、移動、回転します。私たちが座っている椅子を構成する原子さえも動き回っています。固体は実際に動いています。原子はさまざまな励起状態になる可能性があります。言い換えれば、それらは異なるエネルギーを持つことができます。原子に多くのエネルギーを加えると、原子はいわゆる基底状態のエネルギー準位を離れ、励起準位に進む可能性があります。励起のレベルは、熱、光、または電気を介して原子に加えられるエネルギーの量によって異なります。

上記は、原子がどのように見えるかについての古典的な解釈です。

この単純な原子は、原子核 (陽子と中性子を含む) と電子雲で構成されています。この雲の中の電子が原子核の周りをさまざまな軌道で周回していると考えるとわかりやすいでしょう。

エネルギーを吸収する

前のセクションの図を考えてみましょう。より現代的な原子の見方では、電子の離散的な軌道は描かれていませんが、これらの軌道を原子のさまざまなエネルギーレベルとして考えると役立つ場合があります。

言い換えれば、原子に熱を加えると、低エネルギー軌道にある電子の一部が原子核から遠く離れた高エネルギー軌道に遷移すると予想できます。これは非常に単純化した見方ですが、これは実際、レーザーに関して原子がどのように機能するかという中心的な考え方を反映しています。

電子がより高いエネルギーの軌道に移動すると、最終的には基底状態に戻ろうとします。その際、そのエネルギーは光子、つまり光の粒子として放出されます。

原子が常に光子としてエネルギーを放出しているのがわかります。たとえば、トースターの発熱体が真っ赤に変わるとき、その赤い色は、熱によって励起された原子が赤い光子を放出することによって引き起こされます。テレビ画面で画像を見るとき、あなたが見ているのは、高速電子によって励起され、さまざまな色の光を発する蛍光体原子です。

蛍光灯、ガスランタン、白熱電球など、光を生成するものはすべて、電子が軌道を変えて光子を放出するという作用によって生成されます。

レーザーと原子の関係

レーザーは、エネルギーを与えられた原子が光子を放出する方法を制御するデバイスです。 「レーザー」は、光の刺激による放射線の増幅による増幅の頭字語であり、レーザーがどのように機能するかを非常に簡潔に説明しています。

レーザーには多くの種類がありますが、すべてに特定の重要な機能があります。レーザーでは、レーザー発振媒体が「ポンピング」されて原子が励起状態になります。通常、非常に強いフラッシュや放電によりレーザー発振媒体が励起され、励起状態の原子 (高エネルギーの電子を持つ原子) が大量に集まります。レーザーが効率的に動作するには、励起状態にある原子が大量に集まっている必要があります。

一般に、原子は基底状態より 2 ～ 3 レベル上のレベルまで励起されます。これにより、反転分布の度合いが増加します。反転分布は、励起状態の原子の数と基底状態の原子の数の関係です。

レーザー発振媒体が励起されると、励起準位に位置する電子を含む原子の集合が含まれます。励起された電子は、より緩和された電子よりも大きなエネルギーを持っています。電子がこの励起準位に到達するためにある程度のエネルギーを吸収するのと同じように、このエネルギーを放出することもできます。電子は単にリラックスすることができ、その結果、エネルギーの一部を取り除くことができます。この放出されたエネルギーはフォトン（光エネルギー）の形で生じます。

放出される光子は、光子が放出されるときの電子のエネルギーの状態に応じて非常に特定の波長(色) を持ちます。同じ状態の電子を持つ 2 つの同一の原子は、同じ波長の光子を放出します。

レーザー光

レーザー光には次の特性があります。

誘導放出

これら 3 つの特性を実現するには、誘導放出と呼ばれるものが必要です。これは通常の懐中電灯では起こりません。懐中電灯では、すべての原子がランダムに光子を放出します。誘導放出では、光子の放出が組織化されます。

原子が放出する光子は、励起状態と基底状態の間のエネルギー差に依存する特定の波長を持っています。

この光子（特定のエネルギーと位相を持っている）が同じ励起状態の電子を持つ別の原子に遭遇すると、誘導放出が発生する可能性があります。最初の光子は原子の放出を刺激または誘発することができ、その後に放出される (2 番目の原子からの) 光子が入射光子と同じ周波数および方向で振動します。

鏡

レーザーのもう 1 つの鍵は、レーザー発振媒体の両端に 1 つずつある一対のミラーです。

非常に特定の波長と位相を持つ光子はミラーで反射し、レーザー媒体中を往復します。その過程で、他の電子を刺激してエネルギーが下向きにジャンプし、同じ波長と位相のより多くの光子の放出を引き起こす可能性があります。

カスケード効果が発生し、すぐに同じ波長と位相の非常に多くの光子が伝播します。レーザーの一端のミラーは「半銀色」になっており、一部の光を反射し、一部の光を通過させます。それを通過する光がレーザー光です。

これらのコンポーネントはすべて、単純なルビー レーザーがどのように動作するかを示す次のセクションの図で確認できます。

ルビーレーザー

ルビー レーザーは、フラッシュ チューブ (カメラにあるものと同じ)、ルビー ロッド、および 2 つのミラー (1 つは半分銀色) で構成されています。ルビーロッドがレーザー発振媒体であり、フラッシュチューブがそれを励起します。

3 レベルレーザー

以下は、実際の 3 レベル レーザーで何が起こるかです。

次のセクションでは、さまざまな種類のレーザーについて学びます。

レーザーの種類

レーザーにはさまざまな種類があります。レーザー媒体は、固体、気体、液体、または半導体です。レーザーは通常、使用されるレーザー発振材料の種類によって指定されます。

固体レーザー

固体レーザーは、固体マトリックス中にレーザー発振材料が分散されています (ルビーまたはネオジム:イットリウム – アルミニウム ガーネット「Yag」レーザーなど)。ネオジム YAG レーザーは、1,064 ナノメートル (nm) の赤外光を放射します。 1 ナノメートルは 1×10-9 メートルです。

ガスレーザー

ヘリウムおよびヘリウムネオン (HeNe) は、最も一般的なガス レーザーです。それらは可視赤色光を主出力とします。 CO2 レーザーは遠赤外線のエネルギーを放射し、硬い材料の切断に使用されます。

エキシマレーザー

「励起」および「ダイマー」という用語に由来するこれらのタイプのレーザーは、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスと混合した塩素やフッ素などの反応性ガスを使用します。電気刺激を与えると擬似分子（二量体）が生成されます。レーザーを照射すると、ダイマーは紫外線範囲の光を生成します。

色素レーザー

色素レーザーは、ローダミン 6G などの複雑な有機色素を、溶液または懸濁液としてレーザー発振媒体として使用します。広範囲の波長にわたって調整可能です。

半導体レーザー

ダイオード レーザーと呼ばれることもありますが、これらは固体レーザーではありません。これらの電子デバイスは一般に非常に小さく、消費電力も低くなります。これらは、一部のレーザー プリンタや CD プレーヤーの書き込みソースなど、より大きなアレイに組み込まれる場合があります。

あなたの波長は何ですか?

ルビー レーザー (前に示した) は固体レーザーであり、694 nm の波長で放射します。他のレーザー発振媒体は、必要な発光波長 (以下の表を参照)、必要な出力、およびパルス持続時間に基づいて選択できます。

CO2 レーザーなど、一部のレーザーは非常に強力で、鋼鉄を切断することができます。 CO2 レーザーが非常に危険なのは、スペクトルの赤外線およびマイクロ波領域のレーザー光を放射するためです。赤外線は熱であり、このレーザーは基本的に、焦点を合わせたものをすべて溶かします。

ダイオード レーザーなどの他のレーザーは非常に弱いため、今日のポケット レーザー ポインターに使用されています。これらのレーザーは通常、630 nm ～ 680 nm の波長を持つ赤色の光ビームを放射します。

レーザーは、強力なレーザー光を使用して他の分子を励起し、分子に何が起こるかを観察するなど、産業や研究でさまざまな目的で利用されています。

以下に、いくつかの代表的なレーザーとその発光波長 (ナノメートル単位) を示します。

レーザーの分類

レーザーは、生物学的損傷を引き起こす可能性に応じて、大きく 4 つの分野に分類されます。レーザーを目にした場合は、次の 4 つのクラス指定のいずれかがラベル付けされている必要があります。

レーザーポインターはどのように機能しますか?

レーザー ポインターは、光増幅と誘導放出の原理によって機能します。集中ビームを生成するように設計されたレーザー ダイオードの内部では、光増幅と呼ばれるプロセスが発生します。このプロセスには、原子または分子を励起して、光の粒子であるフォトンを放出させることが含まれます。この光子の放出は誘導放出として知られており、同期したコヒーレントなレーザー光線を生成します。

レーザー ポインターは、人間の目には見えない未変換の赤外線レーザー光も放射することに注意することが重要です。メーカーにはこの不可視光の大部分をブロックするフィルターが付属していますが、レーザー ポインターは責任を持って取り扱い、反射面や人の目に向けないようにすることが重要です。

レーザー光は単色です。つまり、特定の色または波長のみが含まれています。また、すべての光子が互いに同期して移動するため、コヒーレントでもあります。このコヒーレンスにより、レーザー光に集束性が与えられ、大幅な発散なしに長距離を伝播することが可能になります。