レーザー — デバイスと動作原理

媒体を通過するときの光の通常の動作

通常、光が媒質を通過すると、その強度は減少します。この減衰の数値は、ブーゲーの法則から求めることができます。

この式には、媒質に出入りする光の強度 I に加えて、媒質の線光吸収係数と呼ばれる係数も含まれます。従来の光学系では、この係数は常に正です。

負の光吸収

何らかの理由で吸収係数が負の場合はどうなるでしょうか?じゃあ何？光が媒体を通過する際に増幅が起こります。実際、媒体は負の吸収を示します。

このような写真を観察するための条件は人工的に作り出すことができます。提案された現象を実現する方法に関する理論的概念は、1939 年にソ連の物理学者ヴァレンティン アレクサンドロヴィッチ ファブリカントによって策定されました。

ファブリカントは、通過する仮想的な光増幅媒体を分析する過程で、光増幅の原理を提案しました。そして1955年にソビエトの物理学者ニコライ・ゲナディエヴィチ・バソフとアレクサンダー・ミハイロヴィチ・プロホロフは、このファブリカントのアイデアを電磁スペクトルの無線周波数領域に適用しました。

負の吸収の可能性について物理的側面を考慮してください。理想的な形式では、各状態の原子が厳密に定義されたエネルギー E1 と E2 のみを持っているかのように、原子のエネルギー レベルを線で表すことができます。これは、原子が状態から状態に遷移するときに、正確に定義された波長の単色光のみを放出または吸収することを意味します。

しかし、現実は理想とは程遠く、実際、原子のエネルギー準位にはある有限の幅があり、正確な値の線ではありません。したがって、レベル間の遷移中に、遷移が発生するエネルギーレベルの幅に応じて、特定の範囲の放射または吸収周波数 dv も存在します。 E1 と E2 の値は、原子の中間エネルギー準位のみを示すために使用できます。

したがって、E1 と E2 がエネルギー準位の中点であると仮定しているため、これら 2 つの状態にある原子を考えることができます。 E2>E1 とします。原子は、これらのレベルの間を通過するときに電磁放射線を吸収または放出する可能性があります。基底状態 E1 にある原子がエネルギー E2-E1 で外部放射線を吸収し、励起状態 E2 になったとします (このような遷移の確率はアインシュタイン係数 B12 に比例します)。

励起状態 E2 にあるとき、エネルギー E2-E1 の外部放射線の作用を受けた原子は、エネルギー E2-E1 の量子を放出し、エネルギー E1 の基底状態に強制的に遷移します (そのような遷移の確率は、アインシュタイン係数 B21)。

体積スペクトル密度 w (v) の単色放射線の平行ビームが、単位断面積と厚さ dx の層を持つ物質を通過すると、その強度は次の値によって変化します。

ここで、n1 は E1 状態の原子の濃度、n2 は E2 状態の原子の濃度です。

B21 = B12 と仮定して式の右側の条件を代入し、B21 に式を代入すると、狭いエネルギー レベルでの光強度の変化に関する式が得られます。

実際には、上で述べたように、エネルギー準位は無限に狭いわけではないため、その幅を考慮する必要があります。変換の説明や多数の式で記事が煩雑にならないようにするために、周波数範囲を入力して x にわたって積分すると、最終的に平均の実際の吸収係数を求める式が得られることだけを記しておきます。

熱力学的平衡の条件下では、より低いエネルギー状態 E1 の原子の濃度 n1 がより高いエネルギー状態 E2 の原子の濃度 n2 より常に大きいことは明らかであるため、通常の状態では負の吸収は不可能であり、増幅することは不可能です。特別な対策を講じずに実際の環境を通過するだけで光...

負の吸収が可能となるためには、媒質中の励起状態 E2 の原子濃度が基底状態 E1 の原子濃度よりも高くなる条件を作り出す必要があります。つまり、組織化する必要があります。エネルギー状態に応じた媒体内の原子の逆分布。

環境にエネルギーを汲み上げる必要性

エネルギー準位の反転集団を組織化するために（活性媒体を得るために）、ポンピング（例えば、光または電気）が使用される。光ポンピングには、原子による放射の吸収が含まれ、これによりこれらの原子は励起状態になります。

ガス媒体中での電気ポンピングには、ガス放電中の電子との非弾性衝突による原子の励起が含まれます。ファブリカントによれば、原子の低エネルギー状態の一部は分子不純物によって除去されなければならないという。

2 準位媒質で光ポンピングを使用して活性媒質を得るのは事実上不可能です。この場合、単位時間あたりの原子の状態 E1 から状態 E2 へ、および状態 E2 から状態 E2 への遷移 (!) は定量的に同等になるためです。これは、次のことを意味します。少なくとも 3 層システムに頼る必要があります。

3 段階のポンプ システムを考えてみましょう。媒体内の原子がエネルギー E1 の状態からエネルギー E3 の状態に移行する間に、光子エネルギー E3 ～ E1 の外部放射線が媒体に作用するとします。 E3 エネルギー状態から、E2 状態および E1 への自発的遷移が可能です。反転集団 (特定の媒体中に E2 レベルを持つ原子がより多く存在する場合) を得るには、E2 レベルの寿命を E3 レベルよりも長くする必要があります。このためには、次の条件に従うことが重要です。

これらの条件に従うということは、原子が E2 状態に長く留まるということ、つまり、E3 から E1 および E3 から E2 への自発的遷移の確率が、E2 から E1 への自発的遷移の確率を超えることを意味します。その場合、E2 レベルはより長く続くことが判明し、E2 レベルのそのような状態は準安定と呼ぶことができます。したがって、周波数 v = (E3 — E1) / h の光がそのような活性媒体を通過すると、この光は増幅されます。同様に、4 レベル システムを使用すると、E3 レベルが準安定になります。

レーザー装置

したがって、レーザーには 3 つの主要なコンポーネントが含まれています。活性媒体 (原子のエネルギー準位の反転分布が生成される)、ポンピング システム (反転分布を取得するためのデバイス)、および光共振器 (放射を増幅する) です。何度も繰り返し、出力の有向ビームを形成します)。活性媒体は、固体、液体、気体、またはプラズマであり得る。

ポンピングは連続的にまたはパルス的に行われます。連続ポンピングでは、媒体の過熱とその過熱の影響によって媒体の供給が制限されます。パルスポンピングでは、個々のパルスのパワーが大きいため、媒体に少しずつ導入される有用なエネルギーがより多く得られます。

異なるレーザー - 異なるポンピング

固体レーザーは、強力なガス放電フラッシュ、集光された太陽光、または別のレーザーを加工媒体に照射することによって励起されます。出力が非常に高いため、連続動作中に加工ロッドが崩壊してしまうため、これは常にパルス励起となります。

液体レーザーと気体レーザーは、放電によって励起されます。化学レーザーは、活性媒体中で化学反応が起こることを想定しており、その結果、反応生成物または適切な準位構造を持つ特殊な不純物から原子の反転分布が得られます。

半導体レーザーは、pn 接合を通る順方向電流または電子ビームによって励起されます。このほか、光解離法やガスダイナミック法（加熱したガスを急冷する）などのポンピング法もあります。

光共振器 — レーザーの心臓部

光共振器は一対のミラーからなるシステムであり、最も単純なケースでは、2 つのミラー (凹面または平行) が互いに向かい合って固定されており、共通の光軸に沿ってそれらの間には結晶または結晶の形の活性媒体が存在します。ガスが入ったキュベット。媒体を斜めに通過する光子は媒体の側面から離れ、軸に沿って移動する光子は複数回反射され、増幅されて半透明のミラーから出ます。

これにより、レーザー放射、つまりコヒーレントな光子のビーム、つまり厳密に指向されたビームが生成されます。ミラー間を光が 1 回通過する間に、利得の大きさは特定のしきい値、つまり 2 番目のミラーを通過する放射損失の量を超える必要があります (ミラーの透過性が優れているほど、このしきい値は高くなければなりません)。

光増幅が効果的に行われるためには、活性媒質内の光の経路を増やすだけでなく、共振器から出る波が互いに同位相であることを保証する必要があります。そうすれば、干渉波は次のような影響を与えます。可能な最大振幅。

この目標を達成するには、ソースミラー上の点に戻る共振器内の各波が、一般に活性媒体内の任意の点で、任意の回数の完全反射後に主波と同位相である必要があります。 。これは、2 つの戻りの間で波が通過する光路が次の条件を満たす場合に可能です。

ここで、m は整数です。この場合、位相差は 2P の倍数になります。

ここで、各波の位相が前の波と 2pi だけ異なるため、これは共振器を出るすべての波が互いに同位相になり、最大振幅の干渉が生じることを意味します。共振器の出力にはほぼ単色の平行放射が生じます。

共振器内のミラーの動作により、共振器内の定在波に対応するモードが増幅されます。他のモード（実際の状況の特殊性により生じる）は弱められます。

ルビーレーザー — 最初の固体

最初の固体デバイスは 1960 年にアメリカの物理学者セオドア・メイマンによって作られました。それはルビーレーザーでした（ルビー - Al2O3、格子サイトの一部 - 0.5%以内 - が三重にイオン化されたクロムで置き換えられています。クロムが多ければ多いほど、ルビー結晶の色は暗くなります）。

1960 年にテッド メイマン博士によって設計され、最初に成功した作業用レーザー。

直径4〜20 mm、長さ30〜200 mmの最も均質な結晶で作られたルビーの円柱が、慎重に磨かれた端に銀の層の形で作られた2つの鏡の間に配置されます。シリンダー。らせん状のガス放電ランプはその全長に沿って円筒を取り囲み、コンデンサを通じて高電圧が供給されます。

ランプがオンになると、ルビーは強く照射され、クロム原子はレベル 1 からレベル 3 に移動します (この励起状態にあるのは 10-7 秒未満です)。これは、最も可能性の高い次の状態に移行する場所です。レベル 2 は準安定レベルまで実現されます。過剰なエネルギーはルビーの結晶格子に伝達されます。レベル 3 からレベル 1 への自発的な移行は重要ではありません。

レベル 2 からレベル 1 への移行は選択ルールによって禁止されているため、このレベルの継続時間は約 10 ～ 3 秒で、これはレベル 3 の 10,000 倍です。その結果、レベル 2 のルビーに原子が蓄積されます。これはレベル 2 の逆母集団です。

自発的遷移中に自発的に発生する光子は、レベル 2 からレベル 1 への強制遷移を引き起こし、二次光子の雪崩を引き起こす可能性がありますが、これらの自発的遷移はランダムであり、その光子は無秩序に伝播し、ほとんどが側壁を通って共振器から出ます。

しかし、軸に衝突した光子はミラーで複数の反射を受け、同時に二次光子の強制放出を引き起こし、それが再び誘導放出を引き起こす、という具合です。これらの光子は、一次光子と同様の方向に移動し、結晶の軸に沿った光束が雪崩のように増加します。

増倍された光子の流れは、共振器の側面の半透明ミラーを通って、巨大な強度の厳密に指向性のある光ビームの形で出射されます。ルビーレーザーは694.3nmの波長で動作し、パルス出力は最大109Wです。

ヘリウムを使用したネオンレーザー

ヘリウム ネオン (ヘリウム / ネオン = 10/1) レーザーは、最も人気のあるガス レーザーの 1 つです。混合ガス内の圧力は約 100 Pa です。ネオンは活性ガスとして機能し、連続モードで波長 632.8 nm の光子を生成します。ヘリウムの機能は、ネオンの上位エネルギーレベルの 1 つから逆の集団を作成することです。このようなレーザーのスペクトル幅は約5 * 10-3 Hz、コヒーレンス長は6 * 1011 m、コヒーレンス時間は2 * 103℃です。

ヘリウムネオンレーザーが励起されると、高電圧放電によりヘリウム原子が E2 レベルの準安定励起状態に遷移します。これらのヘリウム原子は、E1 基底状態にあるネオン原子と非弾性的に衝突し、そのエネルギーを伝達します。ネオンの E4 準位のエネルギーは、ヘリウムの E2 準位より 0.05 eV 高いです。エネルギー不足は原子衝突の運動エネルギーによって補われます。その結果、ネオンのＥ４レベルでは、Ｅ３レベルに対して反転した分布が得られる。

最新のレーザーの種類

活性媒体の状態に応じて、レーザーは固体、液体、気体、半導体、結晶に分類されます。ポンピング方法に応じて、光学的、化学的、ガス放電が可能です。レーザーは、生成の性質により、連続レーザーとパルスレーザーに分けられます。これらのタイプのレーザーは、電磁スペクトルの可視範囲の放射線を放射します。

光学レーザーは他よりも遅れて登場しました。これらは近赤外線範囲の放射線を生成することができ、そのような放射線（最大 8 ミクロンの波長）は光通信に非常に適しています。光学レーザーにはファイバーが含まれており、そのコアには適切な希土類元素のイオンがいくつか導入されています。

ライトガイドは、他のタイプのレーザーと同様に、一対のミラーの間に取り付けられます。ポンピングの場合、必要な波長のレーザー放射がファイバーに供給され、その作用により希土類元素のイオンが励起状態になります。より低いエネルギー状態に戻ると、これらのイオンは開始レーザーの波長よりも長い波長の光子を放出します。

このようにして、ファイバーはレーザー光源として機能します。その頻度は添加される希土類元素の種類によって異なります。ファイバー自体は重金属フッ化物でできており、その結果、赤外線範囲の周波数でレーザー放射が効率的に生成されます。

X 線レーザーは、スペクトルの反対側 (紫外線とガンマ線の間) を占め、波長は 10-7 ～ 10-12 m で桁違いです。このタイプのレーザーは、すべてのタイプのレーザーの中で最も高いパルス輝度を持っています。

最初の X 線レーザーは 1985 年に米国のリバモア研究所で製造されました。ローレンス。セレンイオンから発生するレーザーで、波長範囲は18.2～26.3nmで、最大輝度は20.63nmの波長線上にあります。現在、アルミニウムイオンを使用して、波長 4.6 nm のレーザー放射が実現されています。

X 線レーザーは、プラズマ形成の寿命に応じて 100 ps ～ 10 ns の持続時間のパルスによって生成されます。

実際のところ、X 線レーザーの活性媒体は高電離プラズマであり、これは、たとえばイットリウムとセレンの薄膜に可視または赤外スペクトルの高出力レーザーを照射したときに得られます。

パルス内の X 線レーザーのエネルギーは 10 mJ に達しますが、ビームの角度発散は約 10 ミリラジアンです。ポンプパワーと直接放射の比は約 0.00001 です。