レーザーの世代

レーザーの世代
レーザーの発生は、1916年にアインシュタインが提唱した「自発放出と誘導放出」の理論によって初めて提唱されました。この理論は、現代のレーザーシステムの物理的基礎となっています。光子と原子の相互作用は、誘導吸収、自発放出、誘導放出という3つの遷移過程を引き起こす可能性があります。誘導放出が持続的かつ安定的に起こる限り、レーザーが得られます。そのため、レーザーという特殊な装置を製造する必要があります。レーザーは一般的に、動作物質、励起装置、光共振器という3つの主要部分から構成されています。

1. 有効成分

レーザー光を発生させるレーザー内の物質を作動物質と呼びます。通常、作動物質中の各エネルギー準位における原子数の分布は正規分布です。低エネルギー準位の原子数は常に高エネルギー準位の原子数より多くなります。そのため、光が発光物質の通常の状態を通過する際、吸収過程が支配的となり、光は常に弱まります。発光物質を通過した後に光を強めて光増幅を実現するには、誘導放出を支配的にする必要があります。高エネルギー準位の原子数を低エネルギー準位の原子数より多くすることで、この分布は正規分布とは逆になり、粒子数反転と呼ばれます。
2. 励起装置
励起装置の機能は、低エネルギー準位の原子を高エネルギー準位に励起し、作動物質の粒子数反転を実現することです。物質のエネルギー準位には、基底状態、励起状態、および準安定状態が含まれます。準安定状態は基底状態よりも不安定ですが、励起状態よりははるかに安定しています。相対的に言えば、原子は準安定状態に長く留まることができます。例えば、ルビー中のクロムイオン（Cr3+）は、10⁻³秒程度の寿命を持つ準安定状態を有しています。作動物質が励起され、粒子数反転が実現した後、自発放射によって放出される光子の伝搬方向が異なるため、誘導放射光子の伝搬方向も異なり、出力と吸収において多くの損失が生じるため、安定したレーザー出力は生成できません。誘導放射が作動物質の限られた体積内に存在し続けるためには、光の選択と増幅を実現する光共振器が必要です。
3. 光共振器
これは、主軸に垂直に、作動物質の両端に設置された一対の平行な反射鏡である。一方の端は全反射鏡（反射率100%）であり、もう一方の端は半透明かつ半反射鏡（反射率90%～99%）である。
共振器の機能は、①光増幅の生成と維持、②出力光の方向の選択、③出力光の波長の選択です。特定の作動物質の場合、様々な要因により、実際に放出される光の波長は一定ではなく、スペクトルには一定の幅があります。共振器は周波数選択の役割を果たすことで、レーザーの単色性を向上させることができます。