レーザーはどのように生成されますか?

レーザー20世紀の偉大な発明であり、最速のナイフ、最も正確な定規、最も明るい光と呼ばれています。 レーザー (誘導放射による光増幅) は、誘導放射光増幅を意味し、レーザー世代をご利用ください。 次に、レーザーがどのように生成されるかを見てみましょう。

レーザーの理論的根拠

誘導放射線の理論は、1917年にアインシュタインによって提唱されたレーザー生成の基礎です。 レーザーゲイン媒体には2つのエネルギーレベルS1とS2があり、これは低エネルギー状態と高エネルギー状態に対応します。それぞれレーザー転移の。 それらの間のエネルギー差E2-E1は、h ν に等しい。 システムがエネルギーレベルS1にあり、エネルギーh ν を有する光子によって照射されると、光子を吸収してエネルギーレベルS2に移行する可能性がある。 このプロセスは刺激吸収と呼ばれます。 システムがエネルギーレベルS2にあるとき、エネルギーレベルS1にジャンプして蛍光光子h ν を放出する可能性がある。 このプロセスは自発放出と呼ばれます。 システムがエネルギーレベルS2にあり、h ν で照射されている場合、入射光子と同じ周波数、位相1、および伝搬方向を持つ光子を放出する可能性があります。 このプロセスは刺激放射線と呼ばれます。 S2エネルギーレベルで多数の分子を含むこのような利得媒体が2つの反対の平行ミラーの間に配置されている場合、ミラーに垂直な一部の蛍光光子は、誘導放射線によって増幅されて自己励起振動を形成し、レーザー光を放出することができます。 共振キャビティの左端の光学素子は出力カプラと呼ばれ、一定の透過率を持つ反射面に相当し、そして共振キャビティ内のレーザーの出口です。

レーザー生成への鍵

一般に、誘導放射線は非常に弱いため、レーザーを生成するために使用することは言うまでもなく、観察することさえ困難です。 物質が熱平衡状態にある場合、エネルギーレベルでの分子の分布はボルツマン分布に従います。 低エネルギー状態S1の粒子数N1は、高エネルギー状態S2の粒子数N2よりもはるかに多い。また、h ν 光子の吸収は誘導放射線の吸収よりもはるかに大きいため、光学信号を巨視的に実現することは不可能です。 レーザー生成の鍵は、N2>N1となるように、粒子数の反転にある。 現在、レーザーが機能するときには、特定のエネルギーレベルでの粒子数の反転を実現するために適切な励起 (ポンピング) 法を採用する必要があります。

色素レーザーを例にとると、この論文では、粒子数の反転を実現する方法を紹介します。 レーザーの利得媒体は、有機染料溶液である。 一般的に使用される染料には、青と紫のバンドのクマリン、赤と黄色のバンドのローダミンなどがあります。有機染料のレーザー遷移は、主にS0とS1の一重項状態のエネルギーバンドで発生します。 これらの2つのエネルギーバンドは多くの回転および振動エネルギーレベルで構成されており、溶液中の衝突の広がりにより連続していると見なすことができます。 レーザー生成の過程で、色素分子はポンプ光によって照射され、S0バンドの下部エネルギーレベルからS1バンドに移行し、その後、非放射線、つまりレーザー移行の上位エネルギー状態を介してS1の下部エネルギーレベルに急速に移行します。 レーザー遷移では、分子はS0エネルギーバンドで指定されたエネルギーレベルに遷移し、光子を放出してから、S0エネルギーバンドの下部エネルギーレベルにすばやく遷移します。 レーザー遷移の上部エネルギー状態S2は寿命が長いため、S1の寿命は非常に短く、ポンプ光の作用下では、すなわち、多数の分子が上位エネルギー状態S2に励起されるので、反転分布を実現することができる。 レーザー生成と同時に、色素分子はS1バンド生成システム間を交差し、T1で長寿命のトリプレットシステムに入り、レーザー遷移サイクルを離れます。これはレーザー効率に影響を与えます。 したがって、染料レーザーが働くとき、それはあります染料溶液をリサイクルするために必要です。

レーザーの波长

多くのレーザーは、良好な単色性、すなわち、出力光のスペクトル帯域幅が狭い。 レーザーの出力スペクトルが狭いかどうかは、次の要因に関連しています。 まず第一に、レーザー利得媒体とポンピングモードは、どの波長帯域光子を増幅できるかを決定します。 ガスレーザー、エキシマレーザー、Nd:YAGレーザーなどのゲインメディアは、エネルギーレベルがまばらでエネルギー分布が狭いため、線幅が狭いレーザーを自然に生成します。 第二に、レーザーの単色性は、共振空洞によって調整することができる。 良好な単色度のレーザーを製造する必要がある場合は、特定のスペクトル成分を増幅するために、共振キャビティ内のさまざまなスペクトル成分の減衰を設定する必要があります。