レーザ励起とは？

レーザ励起とは、レーザシステムにエネルギーを供給し、励起状態の原子や分子が基底状態の原子や分子よりも多くなるような、反転分布を生じさせることです。これにより、光の誘導放出の確率が高まり、レーシングが実現します。

励起

レーザの種類によって、光励起、電気励起、ケミカル励起など、さまざまな方法で励起を行うことができます。どのような励起方法を用いても、レーザ作用を実現するためには、利得媒質中にポピュレーションの反転を発生させることが重要です。それは、レーザの作用が、アインシュタインが最初に説明した「誘導放出」というプロセスに基づいているためです。これは、利得媒質中の励起された原子や分子が、入射した光子によって刺激され、同じ波長と位相の2番目の光子を放出することで起こります。 

この増幅処理により、位相が揃い、波長と方向が一致した一貫性のある光が得られます。しかし、励起された粒子が誘導放出を起こす確率は、励起された粒子がいくつあるかによって非常に強く左右されます。したがって、基底状態よりも励起状態の方が、より多く必要となります。そうでなければ、他のメカニズムが優位になり、励起で送られたエネルギーは熱やランダムな光（自然放出）として失われることになります。クロスオーバーポイントは、励起しきい値と呼ばれることもあります。

それでは、代表的なレーザの種類で、その仕組みを見てみましょう。

レーザの種類は、通常、利得媒質の選択によって分類されます。励起エネルギーを実際にレーザ光に変換する材料です。利得媒質は、固体結晶またはガラス、半導体チップ、ガスプラズマ、または液体となります。

光励起固体レーザ

光励起では、励起光は利得媒質の吸収スペクトルと一致する波長を持つ必要があります。利得媒質が励起光を吸収すると、その電子が高いエネルギー準位に昇格し、その結果、ポピュレーションが反転します。 

光励起は、利得媒質がガラスや結晶の固体レーザを励起する最も一般的な方法です。励起光は長年、高輝度フラッシュランプという短時間で発光する高強度の光源でまかなわれてきました。フラッシュランプは一般的に強い白色光を発し、その光を利得媒質に集光させます。史上初のレーザは、このタイプの固体レーザでした。つまり、ルビーレーザをフラッシュランプで励起したものです。

LD励起固体（DPSS）レーザ

残念ながら、フラッシュランプは幅広いスペクトルの波長の光を発しますが、固体利得媒体は通常、1つまたは複数の非常に特定の波長にのみ吸収されます。つまり、フラッシュランプのエネルギーのほとんどは熱として終わってしまいます。そのため、積極的に水冷を行う必要があります。また、熱レンズと呼ばれる問題のため、出力ビームの品質を損なわずにレーザ出力を調整する能力も制限されます。

この加熱の問題を解決するために、フラッシュランプの代わりに、電気的に励起される半導体チップである半導体レーザを使用することを発見しました（下記参照）。半導体レーザは、固体利得媒質が光を吸収することが知られている波長でのみ光を発生するように設計されています。このタイプのレーザは、意外にもLD励起固体（DPSS）レーザと呼ばれています。

他のレーザの光励起

色素レーザでは、利得媒質は液体形状で、蛍光色素を含む溶媒です。これらのレーザは光学的に励起され、あるときは別のレーザによって、またあるときはフラッシュランプによって励起されます。常にマイナーな技術だった色素レーザは、その波長可変性から理科学研究に利用されていました。しかし、今日、波長可変が必要な用途のほとんどは、チタンサファイア（Ti:S）またはイッテルビウムの利得媒体を用いた固体代替品へ移行しています。しかし、フラッシュランプで励起されたパルス発振色素レーザは時折、結石破砕などごく一部のニッチな用途で使用されることがあります。

チタンサファイアレーザは、チタンイオンをドープしたサファイア結晶を利得媒質とする固体レーザです。これらのレーザは、ある種のグリーンレーザによって光学的に励起されます。波長域が広く、蛍光顕微鏡やフローサイトメトリーなど、簡単なチューニングが必要な用途をサポートするため、理科学分野で広く使用されています。また、モードロックと呼ばれる方法で、数フェムト秒という短いパルス発振で動作することもできます。

その他、イッテルビウム添加ガラスやイッテルビウム添加ファイバーなどの半導体レーザによる光励起を利用したレーザや、他の希土類金属を添加したファイバーを利用したレーザなどがあります。

ガスレーザの電気励起

電気励起はレーザ励起のもう1つの方法で、利得媒質に電流を流して原子や分子を励起させるものです。これはほぼすべてのガスレーザで使われている励起機構で、低圧のガスに電気を流すとプラズマが発生します。

エキシマレーザの出力には、電気的な励起が使われています。深紫外レーザ光を非常に高いパルス発振エネルギーでパルス状に放出する強力なガスレーザです。エキシマレーザのユニークな性能領域は、有機ELや最新のマイクロ有機EL技術に基づくものを含む、高性能ディスプレイの製造におけるいくつかの重要なプロセスの鍵を握っています。エキシマレーザは、視力矯正に用いられる屈折矯正眼科手術（レーシックなど）にも使用されています。さらに、最近出てきた多くのパルスレーザ成膜（PLD）用途の主力レーザ光源としても確立されつつあります。

アルゴンイオンレーザやヘリウムネオンレーザなどの連続波（CW）ガスレーザは、電気的な励起に依存する代表的な例で、一時は可視波長を必要とするレーザ用途の主要なものでした。高品質なビームが得られる反面、波長の選択肢が限られ、電気効率もきわめて低いため、現在ではニッチな製品にとどまっています。以前の用途は、現在では半導体レーザ、LD励起固体レーザ、光励起半導体レーザ（OPSL）などでまかなわれていることが多くあります（下記参照）。

半導体レーザの電気励起

電気的励起は、半導体レーザ（semiconductor laser）とも呼ばれることが多い半導体レーザ（diode laser）でよく使われ、p-n接合を用いてポピュレーションの反転を起こします。p-n接合とは、2種類の半導体の境界のことで、p型半導体はプラスに帯電した正孔が過剰になり、n型半導体はマイナスに帯電した電子が過剰になります。p-n接合に電圧をかけると、電子と正孔が半導体に注入され、ポピュレーションの反転が生じ、レーザ光が得られます。 

半導体レーザは小型で比較的安価であるため、現在では電気的励起を利用したレーザが圧倒的に多くなっています。そして、半導体レーザ自体は、他のレーザタイプの励起として広く使用されています。また、高出力半導体レーザは、プラスチック溶接や金属クラッディング（肉盛り）、硬化などの用途に直接使用されています。

光励起半導体レーザ（OPSL）

そこで、光励起半導体レーザ（OPSL）と呼ばれる重要かつユニークなタイプのレーザを紹介します。このレーザは、電気ではなく、1つ以上の半導体レーザの光によって励起される特殊なタイプの半導体チップを含んでいます。光励起半導体レーザ（OPSL）にはいくつかのユニークな利点があります。その半導体の細部は、近赤外線の広い範囲にわたって、特定の波長に合わせて設計することができます。近赤外線の波長を2倍にして可視光線に、さらに3倍にして紫外線を出力することも可能で、これは他に類を見ない波長選択のモデルです。また、数ミリワットから20ワットまで出力を拡張できるのも大きな特徴です。 

光励起半導体レーザ（OPSL）の例としては、CoherentのVerdi、Sapphire、Genesis、OBISシリーズのレーザがあります。これらのレーザは、ライフサイエンス分野、特にフローサイトメトリーや共焦点顕微鏡に広く使われています。光励起半導体レーザ（OPSL）は、他のレーザに比べて色のパレットが豊富なため、壮大なマルチカラーレーザライトショーにも使用されています。 

ケミカル励起

ケミカル励起は、レーザ励起の中でもあまり使われない方法で、化学反応を利用して利得媒質にポピュレーションの反転を生じさせるものです。ケミカル励起は、非常に特殊なガスレーザに用いられ、化学反応によってガス中の原子や分子を励起させるものです。ケミカル励起方式としては、ケミカルレーザの中で水素ガスとフッ素ガスを燃焼させ、ポピュレーションを反転させて、レーザ光を得る方法が最も一般的です。

概要

結論として、レーザ励起は、レーザシステムにおいて一貫性があり、高強度の光を生成するために重要なプロセスです。光学的、電気的、化学的な手段を問わず、レーザ励起の鍵は、利得媒質においてポピュレーションの反転を生じさせ、刺激された発光とレーザ光の生成を可能にすることです。