レーザーの原理とその応用

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、平行で単色かつコヒーレントな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、レーザー生成には「共振器」、「利得媒体」、「励起光源」という3つの要素が必要です。

A. 原則

原子の運動状態は様々な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へ遷移する際に、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へ遷移します（いわゆる励起吸収）。その後、高エネルギー準位へ遷移した原子の一部は低エネルギー準位へ遷移し、光子を放出します（いわゆる誘導放射）。これらの運動は単独で起こるのではなく、多くの場合並行して起こります。適切な媒質、共振器、十分な外部電場などを用いて、誘導放射が誘導吸収よりも多く増幅されるような条件を作り出すと、一般的に光子が放出され、レーザー光が発生します。

B. 分類

レーザーは、その発生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る。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ある。

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、主な励起手段としては、光、電気、または化学反応が用いられています。レーザー材料は、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および選択することです。

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、幅広い用途で利用されている。

E. 歴史

1958年、アメリカの科学者シャオルオとタウンズは、不思議な現象を発見しました。電球内部の光を希土類結晶に当てると、結晶の分子が明るく、常に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、拡散しない強い光、すなわちレーザー光が生成されるという原理です。彼らはこの原理に関する重要な論文を発見しました。

シオロとタウンズの研究結果が発表された後、各国の科学者たちが様々な実験計画を提案したが、いずれも成功しなかった。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マイクロメートルのレーザーを生成したと発表した。これは人類が生成した最初のレーザーであり、メイマンは世界で初めてレーザーを実用化した科学者となった。

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た。メイマンの構想は、高強度のフラッシュチューブを用いてルビー結晶中のクロム原子を励起し、非常に集中した細い赤色の光柱を生成するというもので、特定の地点に照射すると、太陽の表面温度よりも高い温度に達することができる。

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、活性層から構成され、二重ヘテロ接合を形成します。その特徴は、小型、高結合効率、高速応答速度、波長とサイズが光ファイバーのサイズに適合し、直接変調が可能で、コヒーレンスが良好であることです。

6. レーザーの主な応用方向

F. レーザー通信

光を使って情報を伝達することは、今日では非常に一般的です。例えば、船舶は信号機を使って通信を行い、交通信号は赤、黄、緑で色分けされています。しかし、これらの通常の光を使った情報伝達方法は、いずれも短距離に限られます。光を使って遠く離れた場所に直接情報を伝達したい場合は、通常の光ではなく、レーザー光を使うしかありません。

では、レーザー光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、光は普通の金属線では伝送できません。そこで科学者たちは、光を伝送できるフィラメント、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できており、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、光ファイバーの内部コアは高屈折率の透明光学ガラスでできており、外側の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。このような構造により、一方では、水道管の中を水が流れるように、また電線の中を電気が伝わるように、光は内部コアに沿って屈折し、たとえ何千回もねじれたり曲がったりしても影響を受けません。他方では、低屈折率のコーティングにより、水道管が水を漏らさないように、また電線の絶縁層が電気を通さないように、光が漏れるのを防ぐことができます。

光ファイバーの登場は光伝送の問題を解決しましたが、それによってどんな光でも遠くまで伝送できるようになったわけではありません。高輝度で純粋な色、優れた指向性を持つレーザー光だけが、情報を伝送するのに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、ほぼ損失なく他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、豊富な材料源、高い機密性、耐久性などの利点を持ち、科学者からは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。