レーザーの動作原理

レーザーはさまざまな製品や技術で広く使用されており、その多様性は驚くべきものです。 CDプレーヤー、歯科用ドリル、高速金属切断機から測定システムまで、すべてにレーザーの影があるようで、すべてにレーザーが必要です。 しかし、レーザーとは正確には何ですか？ レーザービームと懐中電灯ビームの違いは何ですか？

ラングレー研究所、米国航空宇宙局
光学的損傷しきい値テストデバイスには、3つのレーザーがあります。高エネルギーパルスネオジム-イットリウムアルミニウム
ガーネットレーザー、チタンサファイアレーザー、共鳴ヘリウムネオンレーザー。

ラングレー研究所、米国航空宇宙局
光学的損傷しきい値テストデバイスには、3つのレーザーがあります。高エネルギーパルスネオジム-イットリウムアルミニウム
ガーネットレーザー、チタンサファイアレーザー、共鳴ヘリウムネオンレーザー。
https://www.htrlaser.com/product-p2761850.html
宇宙全体には約100種類の原子しかありません。私たちが目にするものはすべて、100種類以上の原子が無限に組み合わされて構成されています。これらの原子が配置され、組み合わされる方法によって、構成されるオブジェクトがコップ一杯の水、金属片、または炭酸飲料の泡であるかどうかが決まります。

原子は永遠に動いています。それらは絶えず振動し、動き、回転し、私たちの座席を構成する原子でさえ絶えず動いています。ソリッドボディが実際に動いています！原子にはいくつかの異なる励起状態があります。言い換えると、原子には異なるエネルギーがあります。原子に十分なエネルギーが与えられると、基底状態のエネルギーレベルから励起状態のエネルギーレベルに上昇する可能性があります。励起状態のエネルギーレベルは、熱、光、電気エネルギー、その他の形態を通じて原子に与えられるエネルギーの量に依存します。

次の図は、原子の構造をよく説明しています。



最も単純な原子モデル
原子核と軌道に沿って回転する電子で構成されています。

原子核と軌道に沿って回転する電子で構成されています。

単純な原子は、原子核（陽子と中性子を含む）と電子の雲で構成されています。電子雲の中の電子は、複数の異なる軌道に沿って原子核の周りを移動していると想像できます。

現代の技術で原子を観測しても、電子の離散軌道は見えませんが、これらの軌道を原子の異なるエネルギー準位として想像することは理解に役立ちます。言い換えれば、原子を加熱すると、低エネルギー軌道の電子の一部が励起されて、原子核から離れた高エネルギー軌道にジャンプする可能性があります。



エネルギー吸収：
原子は、熱、光、電気エネルギーの形でエネルギーを吸収することができます。その後、電子は低エネルギー軌道から高エネルギー軌道に遷移することができます。

この説明は簡単ですが、原子がレーザーを形成する方法の基本原理を明らかにしています。

電子がより高いエネルギー軌道にジャンプした後、最終的に基底状態に戻ります。この過程で、電子は光子（一種の光粒子）の形でエネルギーを放出します。原子が光子の形でエネルギーを継続的に放出していることがわかります。たとえば、オーブン内の発熱体は真っ赤になり、赤い色は、熱によって励起された原子によって放出された赤い光子です。テレビ画面で画像を見ると、実際には高速電子で励起されたリン原子から放出されるさまざまな色の光が見えます。蛍光灯、ガス灯、白熱灯など、発光するものはすべて、電子の軌道を変えて光子を放出することで発光します。

レーザーは、励起さ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、誘導放出による光増幅の略語です。この名前は、レーザーの動作原理を簡単に説明しています。

レーザーには多くの種類がありますが、それらはすべていくつかの基本的な特性を持っています。レーザーでは、原子を励起状態にするためにレーザー媒質を励起する必要があります。一般的に言えば、高強度のフラッシュまたは放電は、媒体をポンピングし、その後、多数の励起された原子（高エネルギー電子を含む原子）を生成する可能性があります。レーザーが効果的に動作するためには、多数の励起原子が必要です。一般的に言えば、原子は基底状態より2〜3エネルギー準位上昇するように励起される必要があります。これにより、反転分布の程度が向上します。反転分布とは、励起状態の原子と基底状態の原子の数の比率を指します。

レーザー媒質が励起された後、励起された電子を持つ原子のグループが含まれます。励起された電子に含まれるエネルギーは、低レベルの電子のエネルギーよりも高くなります。電子が一定量のエネルギーを吸収して励起状態に達することができるように、電子もこのエネルギーを放出することができます。下の図に示すように、電子がより低いレベルに遷移する限り、そのエネルギーの一部を放出します。放出されたエネルギーは、光子（光エネルギー）の形に変換されます。放出された光子は特定の波長（色）を持っており、それは光子が放出されたときの電子のエネルギー状態に依存します。同じ電子状態を持つ2つの原子は、同じ波長の光子を放出します。
5000ｍｗ緑色レーザー



レーザーは通常の光とは大きく異なります。次の特徴があります。



放出されるレーザー光は単色です。レーザーには、特定の波長（つまり、特定の色）の光が含まれています。光の波長は、電子が低エネルギー軌道に戻ったときに放出されるエネルギーによって決まります。

放出されたレーザー光は良好なコヒーレンスを持っています。レーザーの構成はより良く、各光子は他の光子の動きに従います。言い換えれば、すべての光子の波面はまったく同じです。

レーザーの指向性は良好です。レーザービームはタイトで集中しており、エネルギーが非常に高くなっています。逆に、懐中電灯が発する光は多方向に散乱し、光エネルギーが弱く、濃度が低くなります。



上記の3つの特性を実現するには、誘導放出と呼ばれるプロセスが必要です。この現象は、原子がランダムに光子を放出するため、通常の懐中電灯では発生しません。誘導放出の場合、原子は組織化された方法で光子を放出します。

原子から放出される光子は、励起状態と基底状態のエネルギー差に依存する特定の波長を持っています。光子（特定のエネルギーと位相を持つ）が別の原子に衝突し、その原子が同じ励起状態の電子を持っている場合、誘導放出を引き起こす可能性があります。最初の光子は原子を励起または誘導して光子を放出することができ、放出された光子（つまり、2番目の原子によって放出された光子）は、入ってくる光子と同じ周波数と方向で振動します。

レーザーのもう1つの重要なコンポーネントは、レーザー媒質の両端に配置された1対のミラーです。特定の波長と位相の光子は、両端のミラーで反射され、レーザー媒体間を行き来します。このプロセスでは、それらはより多くの電子を励起して高エネルギー軌道から低エネルギー軌道にジャンプし、同じ波長と位相のより多くの光子を放出し、次に「ウォーターフォール」効果を生成し、次に多数のレーザーの同じ波長そして位相光子。レーザー媒質の一方の端にあるミラーは、「半反射」コーティングを使用しています。つまり、光の一部のみを反射し、他の光は透過できます。透過する光はレーザーです。

ルビーレーザーには、カメラのフラッシュに似たフラッシュチューブ、ルビーロッド、および2つのミラー（そのうちの1つは半反射ミラー）が含まれています。ルビーロッドはレーザー媒質であり、フラッシュチューブはポンプ源です。



1.非発光状態のレーザー



2.フラッシュチューブが点滅し、ルビーロッドに光を放ちます。光はルビーの原子を励起します。



3.一部の原子は光子を放出します。



4.光子の一部はルビー軸に平行な方向に移動するため、2つのミラー間で前後に跳ね返ります。彼らがルビーの結晶を通過するとき、彼らは他の原子を励起し続けます。



5.半反射ミラーを介してルビーロッドから単色の単相シリンドリカル光ビームがレーザーを形成します！

以下は、実際の3レベルレーザーの動作原理の概略図です。







レーザーにはさまざまな種類があります。レーザー媒質は、固体、気体、液体、または半導体である可能性があります。私たちは通常、レーザーを放射するために使用される媒体に従ってそれを分類します：



固体レーザーの発光材料は、固体マトリックス（ルビーレーザーやネオジム-イットリウムアルミニウムガーネットレーザーなど）に分散されています。ネオジム-イットリウムアルミニウムガーネットレーザーは、1064ナノメートル（nm）の波長の赤外線レーザーを放射できます。1ナノメートルは1x10-9メートルに相当します。

ガスレーザーは主に赤色の可視光線を出力しますが、最も一般的なガスレーザーにはヘリウムレーザーとヘリウムネオンレーザーがあります。 CO2レーザーは、高硬度の材料を切断するために遠赤外線エネルギーを放出できます。

エキシマレーザーは、塩素やフッ素などの反応性ガスと、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスの混合物を使用しており、英語名は「励起」（励起）と「ダイマー」（ダイマー）に由来しています。エキシマー（すなわちダイマー）は、電気によって励起されると生成されます。レーザーが放出された後、二量体は紫外線帯域の光を生成することができます。

色素レーザーは、ローダミン6Gなどの合成有機色素の溶液または懸濁液をレーザー媒体として使用します。色素レーザーは非常に広い波長調整範囲を持っています。

半導体レーザーは、ダイオードレーザーと呼ばれることもあり、非固体レーザーです。このような電子デバイスは通常、サイズが小さく、電力が少ない。それらは、大きなレーザーダイオードアレイ（レーザープリンターやCDプレーヤーの書き込みソースなど）に組み込むことができます。




ルビーレーザー（上記のとおり）は、694ナノメートルの波長を放射する固体レーザーです。希望する発光波長（下の表を参照）、出力、およびパルス幅に応じて、他のレーザー媒体を選択できます。一部のレーザーは非常に強力です。たとえば、二酸化炭素（CO2）レーザーは鋼板を切断できます。炭酸ガスレーザーが非常に危険である理由は、それらが放出するレーザーがスペクトルの赤外線およびマイクロ波領域にあるためです。赤外線は熱であるため、炭酸ガスレーザーは基本的に目的のすべてを溶かすことができます。

ダイオードレーザーなどの他のレーザーは出力が低く、通常、今日のポータブルレーザーポインターで使用されています。これらのレーザーは通常、630ナノメートルから680ナノメートルの波長の赤色光ビームを放射します。レーザーは、産業や科学研究で広く使用されています。たとえば、強力なレーザーは、他の分子を励起してそれらの反応を観察するために使用されます。

以下は、いくつかの一般的なレーザーとそのレーザー波長です。

レーザータイプ

波長（nm）

アルゴンフッ素レーザー（紫外線）

193

クリプトンフッ素レーザー（紫外線）

248

キセノン塩素レーザー（紫外線）

308

窒素レーザー（紫外線）

337

アルゴンレーザー（青色光）

488

アルゴンレーザー（緑色光）

514

HeNeレーザー（緑色光）

543

HeNeレーザー（赤色光）

633

ローダミン6G染料（調光可能）

570-650

ルビー（CrAlO3）（赤信号）

694

ネオジム-イットリウムアルミニウムガーネット（近赤外光）

1064

二酸化炭素（遠赤外線）

10600

起こりうる物理的損傷に応じて、レーザーは4つの大きなカテゴリーに分類できます。レーザー機器の各セットには、次の4つの兆候のいずれかが必要です。



クラスI：このレーザーは既知の損傷を引き起こしません。

I.A.レベル：これは、スーパーマーケットで使用されるレーザースキャナーなど、「目で直接見るのに適していない」レーザーを指す特別なレベルです。このクラスのレーザーの最大制限出力は4.0ミリワットです。

クラスII：放射パワーがクラスIよりも高いが、放射パワーが1ミリワット以下である低出力可視光レーザーを指します。強い光に対する人間の自動防御反応は、人間を危害から保護することができます。

クラスIIIA：低出力および中出力のレーザー（連続波：1〜5 mW）を指します。これは、ビームが内部で表示されている場合にのみ危険です。ほとんどのペン型レーザーポインターはこのクラスに属しています。

クラスIIIB：通常の出力のレーザーを指します。

クラスIV：高出力レーザー（連続波：500 mW、パルス波：10 J / cm2または拡散反射限界）を指します。いずれの場合も、直接または間接の観察は危険であり、火災や皮膚の火傷を引き起こす可能性があります。クラスIVレーザー機器は厳密に管理する必要があります。