レーザーのしくみ

写真提供 ：NASAラングレー研究所の光学的損傷しきい値テストステーション。

「スターウォーズ」、「スタートレック」、「バトルスターギャラクティカ」-レーザー技術は、SF映画や本で極めて重要な役割を果たしています。この種の話のおかげで、レーザーを未来の戦争や洗練された宇宙船と関連付けることができるのは間違いありません。

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しかし、レーザーは私たちの日常生活においても極めて重要な役割を果たしています。実際、それらは驚くべき範囲の製品やテクノロジーに登場します。CDプレーヤーから歯科用ドリル、高速度金属切断機、測定システムまで、あらゆるものに使用されています。入れ墨の除去、髪の毛の交換、眼科手術-それらはすべてレーザーを使用しています。しかし、レーザーとは何ですか？レーザービームと懐中電灯のビームの違いは何ですか？具体的には、レーザー光が他の種類の光と異なる点は何ですか？レーザーはどのように分類されますか？

この記事では、さまざまな種類のレーザー、さまざまな波長、およびそれらの用途についてすべて学びます。しかし、最初に、レーザー技術の基礎から始めましょう。次のページに移動して、原子の基礎を見つけてください。

コンテンツ

1. アトムの基本
2. エネルギーを吸収する
3. レーザー/原子接続
4. レーザー光
5. ルビーレーザー
6. 3準位レーザー
7. レーザーの種類
8. あなたの波長は何ですか？
9. レーザー分類

宇宙全体には約100種類の原子しかありません。私たちが目にするものはすべて、無制限の数の組み合わせでこれらの100個の原子で構成されています。これらの原子がどのように配置され、結合されているかによって、原子が1杯の水、金属片、またはソーダ缶から出てくるフィズを構成するかどうかが決まります。

原子は常に動いています。それらは継続的に振動し、動き、回転します。私たちが座っている椅子を構成する原子でさえ動き回っています。固体は実際に動いています！原子はさまざまな励起状態にある可能性があります。言い換えれば、それらは異なるエネルギーを持つことができます。原子に多くのエネルギーを加えると、いわゆる基底状態のエネルギー準位を離れて、励起されたレベルに達する可能性があります。励起のレベルは、熱、光、または電気を介して原子に適用されるエネルギーの量に依存します。

上記は、原子がどのように見えるかの古典的な解釈です。

この単純な原子は、原子核（陽子と中性子を含む）と電子雲で構成されています。この雲の中の電子が多くの異なる軌道で原子核を周回していると考えると役に立ちます。

前のページの図を考えてみましょう。原子のより現代的な見方は、電子の離散軌道を描写していませんが、これらの軌道を原子の異なるエネルギー準位と考えることは有用です。言い換えれば、原子にいくらかの熱を加えると、低エネルギー軌道の電子の一部が、原子核から遠く離れた高エネルギー軌道に遷移すると予想されるかもしれません。

これは非常に単純化された見方ですが、実際には、レーザーの観点から原子がどのように機能するかというコアアイデアを反映しています。

電子がより高いエネルギーの軌道に移動すると、最終的には基底状態に戻りたいと考えます。すると、そのエネルギーを光子、つまり光の粒子として放出します。あなたは原子が常に光子としてエネルギーを放出しているのを見ます。たとえば、トースターの発熱体が真っ赤になると、赤い色は原子によって引き起こされ、熱によって励起され、赤い光子を放出します。テレビ画面で写真を見ると、高速の電子によって励起され、さまざまな色の光を放出するリン光物質が見えます。光を発するものすべて-蛍光灯、ガス灯、白熱電球 -それは、電子が軌道を変えて光子を放出する作用によって行われます。

レーザは、通電原子が光子を放出する方法を制御する装置です。「レーザー」は、放射線の誘導放出による光増幅の頭字語であり、レーザーがどのように機能するかを非常に簡潔に説明しています。

レーザーには多くの種類がありますが、すべてに特定の重要な機能があります。レーザーでは、レーザー媒質を「励起」して原子を励起状態にします。通常、非常に強い閃光または放電により、レーザー媒質が励起され、励起状態の原子（より高エネルギーの電子を持つ原子）の大規模なコレクションが作成されます。レーザーが効率的に機能するためには、励起状態の原子の大規模なコレクションが必要です。一般に、原子は基底状態より2〜3レベル上のレベルに励起されます。これにより、反転分布の度合いが高まります。反転分布は、励起状態の原子数と基底状態の原子数の関係です。

レーザー媒質が励起されると、励起レベルにある電子を含む原子の集まりが含まれます。励起された電子は、より緩和された電子よりも大きなエネルギーを持っています。電子がこの励起レベルに到達するためにある程度のエネルギーを吸収したように、電子はこのエネルギーを放出することもできます。下の図が示すように、電子は単にリラックスすることができ、次にそれ自体をいくらかのエネルギーから取り除くことができます。この放出されたエネルギーは、光子（光エネルギー）の形でもたらされます。放出された光子は、光子が放出されたときの電子のエネルギーの状態に依存する非常に特定の波長（色）を持っています。同じ状態の電子を持つ2つの同じ原子は、同じ波長の光子を放出します。

レーザー光は通常の光とは大きく異なり ます。レーザー光には次の特性があります。

• 放出される光は単色です。これには、1つの特定の波長の光（1つの特定の色）が含まれています。光の波長は、電子がより低い軌道に落ちるときに放出されるエネルギーの量によって決定されます。
• 放出される光はコヒーレントです。それは「組織化」されており、各光子は他の光子と歩調を合わせて移動します。これは、すべての光子が一斉に発射する波面を持っていることを意味します。
• 光は非常に指向性があります。レーザー光は非常にタイトなビームを持ち、非常に強く、集中しています。一方、懐中電灯は多くの方向に光を放出し、光は非常に弱く拡散します。

これらの3つの特性を発生させるには、誘導放出と呼ばれるものが必要です。これは通常の懐中電灯では発生しません。懐中電灯では、すべての原子がランダムに光子を放出します。誘導放出では、光子放出が組織化されます。

原子が放出する光子は、励起状態と基底状態のエネルギー差に依存する特定の波長を持っています。この光子（特定のエネルギーと位相を持っている）が同じ励起状態の電子を持つ別の原子に遭遇した場合、誘導放出が発生する可能性があります。最初の光子は、（2番目の原子からの）後続の放出された光子が入ってくる光子と同じ周波数と方向で振動するように、原子放出を刺激または誘発することができます。

レーザーのもう1つの鍵は、レーザー媒質の両端に1つずつある1対のミラーです。非常に特定の波長と位相を持つ光子は、ミラーで反射してレーザー媒質を前後に移動します。その過程で、それらは他の電子を刺激して下向きのエネルギーをジャンプさせ、同じ波長と位相のより多くの光子の放出を引き起こす可能性があります。カスケード効果が発生し、すぐに同じ波長と位相の多くの光子を伝播しました。レーザーの一方の端にあるミラーは「ハーフシルバー」です。つまり、一部の光を反射し、一部の光を通過させます。通過する光はレーザー光です。

これらのコンポーネントはすべて、次のページの図で確認できます。これは、単純なルビーレーザーがどのように機能するかを示しています。

ルビーレーザーは、フラッシュチューブ（ カメラの場合と同様）、ルビーロッド、および2つのミラー（1つは半銀色）で構成されています。ルビーロッドはレーザー媒質であり、フラッシュチューブがそれを励起します。

1.非レーザー状態のレーザー

 

2.フラッシュチューブが発射され、ルビーロッドに光が注入されます。光はルビーの原子を励起します。

 

3.これらの原子のいくつかは光子を放出します。

 

4.これらの光子の一部は、ルビーの軸に平行な方向に走るので、ミラーで前後に跳ね返ります。それらが結晶を通過するとき、それらは他の原子の放出を刺激します。

 

5.単色、単相、円柱状の光は、半銀色の鏡、つまりレーザー光を通してルビーを離れます。

これが実際の3レベルレーザーで起こることです。

次のセクションでは、さまざまな種類のレーザーについて学習します。

レーザーにはさまざまな種類があります。レーザー媒質は、固体、気体、液体、または半導体にすることができます。レーザーは通常、使用するレーザー材料の種類によって指定されます。

• 固体レーザーには、固体マトリックスに分散されたレーザー材料があります（ルビーまたはネオジム：イットリウム-アルミニウムガーネット「ヤグ」レーザーなど）。ネオジムYagレーザーは、1,064ナノメートル（nm）の赤外光を放射します。ナノメートルは1×10である^-9メートル。

• ガスレーザー（ヘリウムおよびヘリウムネオン、HeNeは最も一般的なガスレーザーです）は、可視赤色光の一次出力を持っています。CO2レーザーは遠赤外線でエネルギーを放出し、硬い材料の切断に使用されます。

• エキシマレーザー（名前は励起および二量体という用語に由来します）は、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスと混合された塩素やフッ素などの反応性ガスを使用します。電気的に刺激されると、疑似分子（二量体）が生成されます。レーザー発振すると、ダイマーは紫外線範囲の光を生成します。

• 色素レーザーは、ローダミン6Gなどの複雑な有機色素を溶液または懸濁液中でレーザー媒体として使用します。それらは広範囲の波長にわたって調整可能です。

• 半導体レーザーは、ダイオードレーザーと呼ばれることもあり、固体レーザーではありません。これらの電子機器は一般的に非常に小さく、低電力を使用します。これらは、一部のレーザープリンタやCDプレーヤーの書き込みソースなど、より大きなアレイに組み込まれている場合があります。

ルビーレーザー（以前図示）は、694ナノメートルの波長での固体レーザ及び放出します。他のレイジング媒体は、目的の発光波長（下の表を参照）、必要な電力、およびパルス幅に基づいて選択できます。鋼を切断できるCO2レーザーなど、一部のレーザーは非常に強力です。 CO2レーザーが非常に危険である理由は、スペクトルの赤外線およびマイクロ波領域でレーザー光を放出するためです。赤外線は熱であり、このレーザーは基本的に焦点が合っているものは何でも溶けます。

ダイオードレーザーなどの他のレーザーは非常に弱く、今日のポケットレーザーポインターに使用されています。これらのレーザーは通常、630 nm〜680nmの波長の赤い光線を放射します。レーザーは、強力なレーザー光を使用して他の分子を励起し、それらに何が起こるかを観察するなど、多くのことを行うために産業や研究で利用されています。

ここにいくつかの典型的なレーザーとそれらの発光波長があります：

レーザータイプ	波長（nm）
フッ化アルゴン（UV）	193
クリプトンフッ化物（UV）	248
キセノンクロリド（UV）	308
窒素（UV）	337
アルゴン（青）	488
アルゴン（緑）	514
ヘリウムネオン（緑）	543
ヘリウムネオン（赤）	633
ローダミン6G色素（調整可能）	570-650
ルビー（CrAlO 3）（赤）	694
Nd：Yag（NIR）	1064
二酸化炭素（FIR）	10600

レーザー警告サイン

レーザーは、生物学的損傷を引き起こす可能性に応じて、4つの広い領域に分類されます。レーザーを見るときは、次の4つのクラス指定のいずれかでラベル付けする必要があります。

• クラスI-これらのレーザーは、既知の危険レベルでレーザー放射を放出することはできません。
• クラスIA-これは、スーパーマーケットのレーザースキャナーなど、「表示を目的としていない」レーザーにのみ適用される特別な指定です。クラスIAの電力上限は4.0mWです。
• クラスII-これらは、クラスIレベルを超えて放射するが、1mWを超えない放射出力で放射する低出力可視レーザーです。コンセプトは、明るい光に対する人間の嫌悪反応が人を保護するというものです。
• クラスIIIA-これらは中出力レーザー（cw：1-5 mW）であり、ビーム内観察にのみ危険です。ほとんどのペンのようなポインティングレーザーはこのクラスにあります。
• クラスIIIB-これらは中程度の出力のレーザーです。
• クラスIV-これらは高出力レーザー（cw：500 mW、パルス：10 J / cm ²または拡散反射限界）であり、どのような条件下（直接または拡散散乱）でも見るのは危険であり、潜在的な火災の危険性がありますと皮膚の危険。クラスIVレーザー設備には重要な管理が必要です。

レーザーと関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

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著者について
MatthewWeschlerは、フロリダ州立大学で物理有機化学の修士号を取得しています。彼の論文のトピックはピコ秒レーザー分光法であり、彼は分子がレーザー光で衝撃を受けた後、ピコ秒でどのように反応するかを研究しました。