How Are Lasers Generated? The Physics Explained Simply

レーザーは単なる明るい光ではありません。レーザーは、エネルギーをコヒーレントで強力な光線に変換する、正確で制御された物理的プロセスの産物です。 レーザービームの生成には、エネルギー入力から始まり、集束された増幅されたビームの放出に至るまで、一連の重要なステップが含まれます。 この記事では、これらの重要な段階を説明し、レーザーポンピング、反転分布、誘導放出、光増幅、およびビーム抽出がどのように連携して、無数のアプリケーションで依存しているレーザー光を作成するかを説明します。

ステップ1: エネルギーポンピング-レーザーシステムに燃料を供給する

すべてのレーザービームは、エネルギーという1つの単純な要件から始まります。 火を起こすために火花が必要なのと同じように、レーザービームにはシステムに電力を供給するための外部ポンプ源が必要です。 これは、レーザーのタイプに応じて、いくつかの方法で実行できます。

• フラッシュランプまたはレーザーダイオードを使用した光ポンピング
• ガスレーザーの放电
• 半導体レーザーにおける電流注入
• いくつかの高エネルギー軍事システムにおける化学ポンプ

このエネルギーが供給されると、レーザー光が最終的に形成されるコア材料であるゲイン媒体内の原子または分子がそれを吸収し、より高いエネルギー状態にジャンプします。 これをシステムの「充電」と考えてください。 しかし、この料金は一度だけ発生することはできません-それは蓄積する必要があります。 目標は、いくつかの粒子を励起するだけではなく、システム全体が反応する準備ができている転換点に到達することです。 この蓄積は、反転分布として知られる重大な状態につながり、レーザー作用の段階を設定します。

ステップ2: 人口反転-システムを反応させる準備をする

ゲインメディアにエネルギーを供給することはほんの始まりに過ぎません-マッチを照らすことが轟音の火を保証しないように。 レーザー光が機能するためには、そのエネルギーは特定のしきい値を超えて蓄積する必要があります。 私たちが目指しているのは、反転分布と呼ばれるものです。これは、より低いレーザーレベルよりも多くの粒子が関連する励起状態を占める状態です。

なぜこれが重要なのですか? レーザー作用には、反転分布と、空洞の損失を克服するのに十分な利益が必要であるためです。 システムは「プライミング」する必要があります-湿った木材が簡単に発火しないように、乾燥した味付けされた木材はすぐに発火し、着実に燃えます。 ガス、結晶、ファイバーを問わず、さまざまなゲインメディアは、それぞれエネルギー入力に対して異なる反応を示し、わずかに異なる条件下でこの反転ポイントに到達します。

すべての材料がこの状態に達するわけではありません。 適切なゲイン媒体には次のものが必要です。

• 適切なエネルギーレベルの構造
• 早期崩壊を防ぐための長寿命の興奮状態
• ポンプ源との効率的な相互作用

素材に応じて、ゲインメディアは4つのカテゴリに分類されます。

表1: 一般的なゲイン媒体タイプと代表的な例

反転分布が達成されると、システムはレーザー光生成のために「プライミング」されますが、それでも光を効果的に増幅するメカニズムが必要です。

ステップ3: 刺激された排出-1つの光子が連鎖反応を開始するとき

ゲイン媒体が励起粒子でいっぱいになったので、本当の魔法が始まります。 ちょうどいいエネルギーの1つの光子が通過すると、それらの励起された原子の1つをトリガーして、同じ周波数、位相、方向、および偏光を持つ一致する光子である2番目の光子を放出できます。 これは刺激放出と呼ばれ、すべてのレーザー光の基盤です。

これを非常に強力なものにしているのは、2つの光子だけで止まらないということです。 その2番目の光子は、別の光子をトリガーする可能性があります。これにより、すべて同期して移動する同一の光子のカスケードが作成されます。 このプロセスは、散乱したランダムなエネルギーを、高度にコヒーレントで集束された光線に変換します。

簡単に言えば、これはレーザー光が本当に輝き始めるときです-文字通り。

詳細: 自発的および刺激的なプロセス

ステップ4: 光学増幅-共振器の内部にビームを構築する

もちろん、一度に1つの光子があなたに強力なレーザーを得ることはありません。 そこで光共振器が登場します。 通常、ゲイン媒体の両端に配置された2つのミラーで構成されます。

• 1つの高反射率ミラー (100% の反射に近い)
• 1つの部分反射ミラー (出力カプラーと呼ばれる)

光が利得媒体を通して反射するたびに、それはより多くの放出を刺激する。 光子の数は急速に増加し、光はより強く、より集中します。 それはボイラー内の圧力上昇のようなものです。すべてが封じ込められ、解放の瞬間まで増幅されます。

ビームが十分に高い強度に達すると、その一部は出力カプラーを通って出ます-そしてそれは私たちが見て使用するレーザービームです。

ステップ5: ビーム抽出-使用のためにレーザーを解放する

光が共振器内で増幅された後、それは最後のステップのための時間です: それを出す。 これは、出力カプラーと呼ばれる特別なミラーを介して行われます。これは、部分的に反射する表面であり、残りの光を空洞内でバウンドさせたまま、光の一部を逃がすことができます。

出現するのは、通常の光よりもはるかに高いコヒーレンスとはるかに狭いスペクトル幅を持つ指向性の高いビームです。 これは私たちがレーザービームとして認識しているものであり、切断、彫刻、マーキング、測定、通信など、さまざまなアプリケーションに向けたり、焦点を合わせたり、パルス化したりするのに十分な強度になりました。

このビームの品質は、調和して動作するシステム全体に依存します。

• ポンプ源は安定したエネルギーを提供します
• ゲイン媒体は特定の波长で光を増幅します
• 光キャビティは、発光をガイドし、強化します
• そして最後に、出力カプラーは増幅された光の一部が有用な出力ビームとして空洞を去ることを可能にします

結局のところ、レーザービームは単なる「光」ではなく、量子物理学と光学設計の正確に設計された製品です。

結論

エネルギーポンピングや反転分布から刺激放出や光増幅まで、各段階は生エネルギーを集束された高性能ビームに変換する上で重要な役割を果たします。 レーザー光を非常にユニークなものにしているのは、その作成の背後にある精度です。これは、物理学に根ざしたプロセスでありながら、彫刻機から医療ツールまですべてに電力を供給します。

レーザーがさまざまな材料に当たると、レーザーがどのように動作するかについてはまだ興味がありますか? 次のガイドをチェックしてください レーザーマシンが木材、プラスチック、金属などとどのように相互作用するか!