レーザ
レーザとは？
「レーザ」という言葉は、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（励起誘導放射による光増幅）の頭字語です。すべてのレーザは、誘導放出というプロセスで入力エネルギーを光に変換します。
レーザの大きさは、小型の半導体装置から建物全体を埋め尽くすような巨大なシステムまでさまざまです。また、自由電子から固体まで、多様な利得物質も利用します。しかし、これらの異なるレーザはすべて同じ基本原理で動作します。
レーザの核心は「誘導放出」という現象です。誘導放出を発生させ、維持する条件を作り出すために、レーザには3つの重要な機能要素が組み込まれています。これらは次のとおりです。
- 利得媒質は反転分布をサポートする能力があります
- 励起光源は、反転分布を生じるエネルギーを供給します
- 共振空洞は、フィードバックメカニズムを提供して増幅をサポートし、空間的特性とスペクトル特性を決定します
しかし、これら3つの要素は、レーザの種類によって、その形態や実装が大きく異なります。具体的には、さまざまな種類のレーザ材料（誘導放出をサポートする利得媒質）の使用、この材料へのエネルギー供給方法、レーザ共振器の形状、出力特性などが含まれます。
これらの各要素の基本原理と、さまざまなタイプのレーザにおけるそれらの形態を見てみましょう。
提供元：LaserAnimation Sollinger GmbH
レーザ利得媒質
レーザ利得物質とは何かを理解するには、まず誘導放出のプロセスを理解する必要があります。量子力学では、原子や分子はある特定の離散的なエネルギー準位でしか存在できないとされています。最も低いエネルギー準位は基底状態と呼ばれ、より高いエネルギー準位は励起状態と呼ばれます。
通常、物質の温度は、その原子や分子がどのようなエネルギー準位に分布するかを決定します。典型的な熱平衡状態では、ほとんどの原子や分子は低エネルギー状態にあり、励起状態にあるものは次第に少なくなっていきます。
物質によっては、エネルギーを供給して（「励起」と呼ばれるプロセス）反転分布を作り出すことができます。これは、原子や分子の50％超が励起状態にあることを意味し、通常の熱平衡状態とは正反対です。
反転分布は、誘導放出のプロセスに有利な状況を作り出します。このプロセスは、ある原子や分子が光子を放出し、高いエネルギー状態から低いエネルギー状態に落ちることから始まります。これを自然放出といいます。
この最初の光子が別の原子や分子の近くを通り、それを刺激して2番目の光子を放出させます。2番目の光子は、刺激光子と同じエネルギー、方向、位相、偏光を持っています。この2つの光子がさらに2つの光子の誘導放出を引き起こし、4つの光子が発生します。このプロセスは急速にカスケードし、同一の光子が大量に生成されます。この光子のカスケード（増幅または利得と呼ばれる）がレーザ作用の基礎です。これにより、励起エネルギーを一貫性のあるレーザ光に変換することができます。
しかし、すべての物質が反転分布と誘導放出をサポートできるわけではありません。これを行う能力は、原子や分子の許容エネルギー準位、これらのエネルギー準位間の遷移確率、励起状態の寿命（原子や分子がその励起状態に留まる期間）、その他いくつかの要因などによって決まります。
利得を支える物質には、固体、液体、ガスなど、事実上あらゆる形態があります。慣例として、これらは通常、表に示すようなカテゴリに分類されます。
レーザ励起
反転分布を生成するには、利得媒質に外部からエネルギーを供給する必要があります。（このプロセスよって誘導放出が起こり、レーザ出力が得られます）。この方法は利得媒質によって異なります。最も一般的には、エネルギーは電気または光の形で供給されます。あまり一般的ではありませんが、発熱性化学反応から放出されるエネルギーを利用する方法もあります。
さまざまな固体結晶や光ファイバーの利得媒質はすべて電気絶縁体であり、電流を流すことはできません。したがって、これらのレーザ材料は光学的に励起される必要があります。つまり、外部光源が利得媒質に集光され、レーザ材料の原子または分子がこの光を吸収します。結果：原子または分子が必要な励起状態に達します。
初期の固体レーザは、励起光源としてフラッシュランプを使用していました。このレーザは現在でも一部のアプリケーションで使用されています。 その主なメリットは、低コストで高いレーザパルスエネルギーを供給できることです。
しかし、フラッシュランプは幅広いスペクトルの光を発します。レーザの利得物質は、この光の非常に狭いスペクトル（具体的には、基底状態と最高励起状態のエネルギー差に対応する波長）しか利用できません。実際、フラッシュランプの励起エネルギーのほとんどは浪費されるため、レーザは電気効率が悪く、多くの廃熱を発生します。その結果、この熱を除去するためにかなり大規模な冷却装置が必要になります。
現在では、固体レーザやファイバーレーザを別のレーザ（一般的には半導体レーザや固体レーザ）で励起することが一般的になっています。励起レーザの波長は、利得媒質の吸収に合わせて特別に選択されます。これにより、全体的な励起効率が大幅に向上し、冷却要件が軽減されます。
励起光源としてレーザを使用することには、さらにメリットがあります。ほとんどのレーザは集光しやすいビームを発生します。これにより、励起光を利得媒質の最も効果的な場所に集中させることができます。つまり、「モードボリューム」と呼ばれる領域内です。これは、レーザビームが実際に占める利得媒質内の領域です。励起光がレーザ媒質の他の部分に入ると、無駄になります。モードボリュームを効果的に埋めることで、レーザ効率を最大化し、出力ビーム品質を向上させることができます。
ファイバー結合半導体レーザを励起光源として使用するファイバーレーザは、この原理の良い例です。これらは、必要に応じて、励起光が主に利得ファイバーのコアまたはクラッディング（肉盛り）に照射されるように簡単に構成できます。その結果、高効率のレーザシステムが実現します。
半導体レーザは特に電気を通すことを目的としたデバイスであるため、半導体レーザで電気励起を使用することができます。特に、これらは順方向バイアスの半導体p-n接合で構成されています。印加された電圧は、半導体の価電子帯から伝導帯に十分な電子を移動させ、反転分布を作り出すためのエネルギーを供給します。電子と、価電子帯に電子がない正孔が再結合することで、光子が放出され、その反転分布によって誘導放出が起こります。
半導体レーザを光学的に励起することも可能です。この場合、別の半導体レーザの出力が半導体レーザの活性領域に集光されます。これにより、電流を使用する代わりに励起エネルギーが供給されます。光励起は半導体レーザをより複雑にしますが、レーザの出力波長の選択肢が拡大し、出力が上昇して効率を良くすることができます（発熱が少ない）。
ガスレーザの電気励起は少し複雑です。ガスレーザは通常、レーザ管内に含まれる数種類のガスで構成されます。高電圧を使ってレーザ管内に電子放電を起こします。これらの高エネルギー電子はガス分子に衝撃を与え、エネルギーを与えます。
CO2レーザの場合、電子が窒素分子と衝突し、窒素分子を振動励起させます。これらの窒素分子はその後CO2分子と衝突し、CO2分子にエネルギーを伝達して反転分布を作り出します。
別の例はイオンレーザです。この場合、電子放電により、レーザ管内でアルゴンまたはクリプトンガスとの衝突が再び発生します。最初の衝突でガスがイオン化します。その後、イオンとのさらなる衝突によってエネルギーが与えられ、イオンが励起状態になり、反転分布が生じます。
共振空洞
通常、共振空洞（または共振器）は、光子がレーザから出る前に利得媒質を何度も通過させるために使用されます。利得媒質を通過するたびに増幅される量は比較的小さいため、これは有用なレベルのレーザ出力を構築するために必要です。その大きな例外がエキシマレーザで、少ないパス数でも非常に大きな利得（増幅）が得られます。
最も単純な共振空洞では、2枚のミラーを向かい合わせて、その間にレーザ利得媒質を配置しています。リアミラーは可能な限り100%に近い反射率です。出力カプラーと呼ばれるフロントミラーの反射率は、利得媒質に応じて30%～99%です。
動作中、光はこれらのミラーの間を行き来して、レーザ媒質を通過するたびに強度を増します。光の一部は出力カプラーを通って共振器から出ます。その結果、レーザ共振器内の光強度は、デバイスから出る光強度よりも常にはるかに高くなります。
エンドミラーには、光子が複数回通過した後に共振器から「ウォークオフ」するのを防ぐために光を空間的に閉じ込めるためと、ビームの形状を定義するために、多くの場合、曲率が付けられています。
レーザ共振器の基礎
レーザ共振器の主な要素。励起光源は、ミラーの間に配置された利得媒質にエネルギーを供給します。ミラーはフィードバックを提供し、放出された光子が利得物質を複数回通過して増幅されます。
2枚の平らなミラーを使った共振器は構造が簡単ですが、わずかな回数の通過で光子が「ウォークオフ」するため、位置ずれに非常に敏感です。ただし、共振器が物理的に小さい場合、これは問題になりません。この構成は半導体レーザで一般的に使用されます。
ミラーの一方または両方を凹面にすることで、ビームが共振器内にうまく閉じ込められ、小さい整ったビームを持つレーザが得られます。この共振器設計のバリエーションは、多くの固体レーザやガスレーザで一般的です。
ファイバーレーザでは、ミラーは多くの場合、ファイバーに直接組み込まれた高反射ファイバーブラッググレーティング（FGB）です。この場合、ファイバー自体がビームを空間的に閉じ込めて、その形状を定義します。半導体レーザでは、ミラーは半導体デバイスの両端を劈開して、光学薄膜コーティングを施すことで形成されます。
レーザ光の独特な特性
レーザは、さまざまな用途で欠かせないツールとなりました。実際、その動作原理と構造は、他の技術では真似のできない独自のビーム特性を備えています。最も重要な特性のいくつかをここで説明します。
特性 |
説明 |
アプリケーション |
一貫性 |
誘導放出は、位相の揃った光子を生成します。これを「コヒーレンス」（一貫性）と呼びます。この性質により、レーザ光は明確な干渉縞パターンを作り出すことができます。 |
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指向性 |
誘導放出のメカニズムと多くのレーザ共振器の特性が組み合わさり、レーザビームは指向性が高く、距離が離れてもすぐに広がることはありません。 |
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高強度 |
レーザ光は、すべてのレーザ出力を小さなスポットに容易に集中（集光）させることができるため、非常に強くなります。 |
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単色性 |
誘導放出は、すべて同じ単一波長または非常に狭い範囲の波長を持つ光子を生成します。 |
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最初のレーザは1960年に実証されました。ある程度の関心と興奮を呼び起こしたものの、最初の数年間はほとんど「どのように役に立つのかわからない技術」であり続けました。しかし、少しずつレーザの実用化が進みました。今日、レーザは一般的なものとなり、非常に多様な用途で使用されています。
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