レーザーの原理とその応用

レーザーとは、誘導放射線の増幅と必要なフィードバックを通じてコリメートされた単色のコヒーレント光ビームを生成するプロセスおよび装置を指します。基本的に、レーザーの生成には「共振器」、「利得媒体」、「励起源」の 3 つの要素が必要です。

A. 原則

原子の運動状態はさまざまなエネルギー準位に分けることができ、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き、対応するエネルギーの光子を放出します（いわゆる自然放射）。同様に、光子がエネルギー準位系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、より高いエネルギー準位に遷移した原子の一部は、より低いエネルギー準位に遷移して光子を放出します (いわゆる誘導放射線)。これらの動きは単独で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、十分な外部電場を使用するなどの条件を作り出すと、誘導吸収を超えるように誘導放射線が増幅され、その後、一般に光子が放出され、その結果レーザー光が発生します。

B. 分類

レーザーを発生する媒体に応じて、レーザーは液体レーザー、気体レーザー、固体レーザーに分類できます。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デバイスです。現在、主に使用されるインセンティブ手段は、光、電気、または化学反応です。レーザー物質とは、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、波長と方向を調整および選択することです。レーザーの。

D. アプリケーション

レーザーは、主にファイバー通信、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ルオとタウンズは魔法のような現象を発見しました。内部の電球から発せられる光をレアアースの結晶に当てると、結晶の分子が常に一緒になって明るく強い光を発します。この現象に従って、彼らは「レーザー原理」を提案しました。つまり、物質がその分子の固有振動数と同じエネルギーで励起されると、発散しないこの強い光、つまりレーザーが生成されます。彼らはこれに関する重要な文書を見つけました。

シオロとタウンズの研究結果の発表後、各国の科学者がさまざまな実験計画を提案しましたが、成功しませんでした。 1960 年 5 月 15 日、カリフォルニアのヒューズ研究所の科学者メイマンは、人類が史上初めて入手したレーザーである波長 0.6943 ミクロンのレーザーを入手したと発表し、メイマンは世界初の科学者となりました。レーザーを実用分野に導入する。

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。メイマンの計画は、高輝度フラッシュ チューブを使用してルビー結晶内のクロム原子を刺激し、発射時に非常に集中した細い赤い光柱を生成するというものです。ある時点では、太陽の表面よりも高い温度に達する可能性があります。

ソ連の科学者 H.Γ Basov 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、ダブルヘテロ接合を形成する P 層、N 層、活性層で構成されます。その特徴は、小型、高い結合効率、速い応答速度、光ファイバのサイズに適合する波長とサイズ、直接変調可能、良好なコヒーレンスです。

六、レーザーの主な応用方向のいくつか

F. レーザー通信

今日、情報を伝達するために光を使用することは非常に一般的です。たとえば、船は通信に光を使用し、信号機は赤、黄、緑を使用します。しかし、通常の光を使用して情報を伝達するこれらの方法はすべて、短距離にのみ限定されます。光で遠くに直接情報を伝えたい場合は、通常の光ではだめでレーザーを使うしかありません。

では、どうやってレーザーを照射するのでしょうか？電気は銅線に沿って運ぶことができますが、光は通常の金属線に沿って運ぶことができないことはわかっています。この目的を達成するために、科学者は光ファイバーと呼ばれる、光を伝送できるフィラメントを開発しました。光ファイバーは特殊なガラス素材でできており、その直径は髪の毛よりも細く、通常は50～150ミクロンで非常に柔らかいです。

実際、ファイバーの内部コアは高屈折率の透明な光学ガラスであり、外部コーティングは低屈折率のガラスまたはプラスチックでできています。このような構造では、一方では、水道管の中を水が前方に流れるのと同じように、何千回のねじれや回転が何の影響も及ぼさなかったとしても、電気が電線の中を前方に伝達されるのと同じように、光を内部コアに沿って屈折させることができます。一方、低屈折率コーティングは、水道管が浸入せず、電線の絶縁層が電気を通さないのと同じように、光の漏れを防ぐことができます。

光ファイバーの登場により光の伝達方法は解決されましたが、光ファイバーを使えばどんな光でも遠くまで届けられるわけではありません。高輝度、純粋な色、指向性の良いレーザーのみが情報を送信するのに最も理想的な光源です。光はファイバーの一端から入力され、ほとんど損失がなく、もう一方の端から出力されます。したがって、光通信は本質的にはレーザー通信であり、大容量、高品質、幅広い材料ソース、強力な機密性、耐久性などの利点があり、通信分野における革命として科学者によって歓迎されており、科学者の注目を集めています。技術革命における最も輝かしい成果のひとつ。