レーザーとは、誘導放射増幅と必要なフィードバックによって、平行で単色のコヒーレントな光ビームを生成するプロセスと装置を指します。基本的に、レーザー生成には「共振器」、「増幅媒体」、「励起光源」という3つの要素が必要です。
A. 原則
原子の運動状態は異なるエネルギー準位に分けられ、原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と、対応するエネルギーの光子（いわゆる自発放射）が放出されます。同様に、光子がエネルギー準位システムに入射して吸収されると、原子は低エネルギー準位から高エネルギー準位に遷移します（いわゆる励起吸収）。次に、高エネルギー準位に遷移した原子の一部は、低エネルギー準位に遷移して光子を放出します（いわゆる誘導放射）。これらの運動は独立して発生するのではなく、多くの場合並行して発生します。適切な媒体、共振器、十分な外部電場などの条件を作成すると、誘導放射が増幅され、誘導吸収よりも多くの光子が放出され、レーザー光が生成されます。
B. 分類
レーザーは、レーザーを生成する媒体によって、液体レーザー、気体レーザー、固体レーザーに分類されます。現在最も一般的な半導体レーザーは、固体レーザーの一種です。
C. 構成
ほとんどのレーザーは、励起システム、レーザー材料、光共振器の3つの部分で構成されています。励起システムは、光、電気、または化学エネルギーを生成する装置です。現在、主に使用されている励起手段は、光、電気、または化学反応です。レーザー材料とは、ルビー、ベリリウムガラス、ネオンガス、半導体、有機色素など、レーザー光を生成できる物質です。光共振制御の役割は、出力レーザーの輝度を高め、レーザーの波長と方向を調整・選択することです。
D. アプリケーション
レーザーは、主に光ファイバー通信、レーザー測距、レーザー切断、レーザー兵器、レーザーディスクなどに広く使用されています。
E. 歴史
1958年、アメリカの科学者シャオロウとタウンズは、不思議な現象を発見しました。内部の電球から発せられる光を希土類結晶に当てると、結晶の分子が常に明るく強い光を発するのです。この現象に基づき、彼らは「レーザー原理」を提唱しました。つまり、物質が分子の固有振動数と同じエネルギーで励起されると、発散しない強い光、つまりレーザー光が発生するというものです。彼らはこの現象について重要な論文を発表しました。
シオロとタウンズの研究成果が発表された後、各国の科学者が様々な実験計画を提案しましたが、いずれも成功しませんでした。1960年5月15日、カリフォルニア州ヒューズ研究所の科学者メイマンは、波長0.6943ミクロンのレーザーを取得したと発表しました。これは人類が初めて取得したレーザーであり、メイマンは世界で初めてレーザーを実用分野に導入した科学者となりました。
1960年7月7日、メイマンは世界初のレーザーの誕生を発表しました。メイマンの構想は、高強度閃光管を使用してルビー結晶内のクロム原子を刺激し、非常に集中した細い赤色光柱を生成するというものでした。この光柱を特定の地点に照射すると、太陽の表面よりも高い温度に達することができます。
ソ連の科学者H.Γバソフは1960年に半導体レーザーを発明しました。半導体レーザーの構造は通常、P層、N層、そして二重ヘテロ接合を形成する活性層で構成されています。その特徴は、小型、高い結合効率、高速応答、波長とサイズが光ファイバーのサイズに適合、直接変調が可能、良好なコヒーレンス性です。
6、レーザーの主な応用方向のいくつか
F. レーザー通信
光を用いて情報を伝送することは、今日では非常に一般的です。例えば、船舶は通信に光を使用し、交通信号は赤、黄、緑を使用しています。しかし、これらの通常の光を用いた情報伝送方法はいずれも短距離に限られています。光を通して遠距離に直接情報を伝送したい場合は、通常の光ではなく、レーザーを使用する必要があります。
では、レーザーはどのように伝送するのでしょうか？電気は銅線で伝送できますが、光は通常の金属線では伝送できないことは周知の事実です。そこで科学者たちは、光を伝送できるフィラメント、つまり光ファイバーを開発しました。光ファイバーは特殊なガラス材料で作られており、直径は人間の髪の毛よりも細く、通常50～150ミクロンで、非常に柔らかいです。
実際、光ファイバーの内核は高屈折率の透明光学ガラスで、外殻は低屈折率のガラスまたはプラスチックで作られています。このような構造により、一方では、水道管を流れる水のように、光は内核に沿って屈折し、数千回の屈曲があっても電気は電線を伝わります。他方では、低屈折率コーティングは、水道管が浸水せず、電線の絶縁層が電気を通さないのと同じように、光の漏れを防ぎます。
光ファイバーの登場は光の伝送方法の問題を解決しましたが、それによってあらゆる光を遠くまで伝送できるようになったわけではありません。高輝度、純色、優れた指向性を持つレーザーだけが、情報を伝送するための最も理想的な光源であり、ファイバーの一端から入力され、ほとんど損失なくもう一端から出力されます。したがって、光通信は本質的にレーザー通信であり、大容量、高品質、幅広い材料供給源、強力な機密性、耐久性などの利点を備えており、科学者から通信分野における革命として称賛され、技術革命における最も輝かしい成果の一つとなっています。
投稿日時: 2023年6月29日