レーザーの原理と種類

原理と種類レーザ
レーザーとは何ですか？
レーザー（誘導放出による光増幅）：より理解を深めるには、以下の画像をご覧ください。

より高いエネルギー準位にある原子が、より低いエネルギー準位へ自発的に遷移し、光子を放出する現象を自発放射という。
一般的には、地面にあるボールが最も適した位置にあると理解できます。ボールが外部の力（ポンピングと呼ばれる）によって空中に押し上げられた瞬間、外部の力がなくなると、ボールは高い位置から落下し、一定量のエネルギーを放出します。もしボールが特定の原子であれば、その原子は遷移の際に特定の波長の光子を放出します。

レーザーの分類
人々はレーザー発生の原理を習得し、さまざまな形態のレーザーの開発に着手した。レーザーの動作材料によって分類すると、ガスレーザー、固体レーザー、半導体レーザーなどに分類できる。
1. ガスレーザーの分類：原子、分子、イオン
ガスレーザーの作動物質はガスまたは金属蒸気であり、その特徴はレーザー出力の波長範囲が広いことである。最も一般的なのはCO2レーザーであり、CO2を作動物質として用い、放電励起によって10.6μmの赤外線レーザーを生成する。
ガスレーザーは作動物質がガスであるため、レーザー全体の構造が大きくなりすぎ、出力波長が長すぎるため、材料加工性能が劣る。そのため、ガスレーザーはすぐに市場から姿を消し、特定のプラスチック部品へのレーザーマーキングなど、限られた分野でのみ使用されるようになった。
2, 固体レーザー分類：ルビー、Nd:YAGなど。
固体レーザーの作動材料は、ルビー、ネオジムガラス、イットリウムアルミニウムガーネット（YAG）などであり、これらの材料の結晶やガラスに均一に組み込まれた少量のイオンをマトリックスとしており、これを活性イオンと呼​​ぶ。
固体レーザーは、作動物質、ポンピングシステム、共振器、冷却およびフィルタリングシステムで構成されています。下の画像の中央にある黒い四角はレーザー結晶で、淡色の透明なガラスのように見え、希土類金属が添加された透明な結晶で構成されています。これは、光源によって照射されると粒子の反転分布を形成する希土類金属原子の特殊な構造であり（簡単に言えば、地面にある多数のボールが空中に押し上げられるようなものです）、粒子が遷移するときに光子を放出し、光子の数が十分になるとレーザーが形成されます。放出されたレーザーが一方向に出力されるようにするために、全反射ミラー（左のレンズ）と半反射出力ミラー（右のレンズ）があります。レーザーが出力され、特定の光学設計を通過すると、レーザーエネルギーが形成されます。

3, 半導体レーザー
半導体レーザーに関しては、簡単に言えばフォトダイオードとして理解できます。ダイオードにはPN接合があり、一定の電流を加えると、半導体内で電子遷移が起こり、光子が放出されてレーザーが発生します。半導体から放出されるレーザーエネルギーが小さい場合、低電力半導体デバイスはレーザーのポンプ光源（励起光源）として使用できます。ファイバーレーザーこうしてファイバーレーザーが形成される。半導体レーザーの出力をさらに高め、加工材料に直接出力できるレベルまで高めると、直接半導体レーザーとなる。現在、市販されている直接半導体レーザーは1万ワットレベルに達している。

上記のような様々なレーザーに加え、燃料レーザーとも呼ばれる液体レーザーも発明されている。液体レーザーは固体レーザーに比べて体積や作動物質が複雑で、実用化されることは稀である。