レーザーとは何か？AGA-HEP.ppt

レーザーの仕組み工藤 レーザーは分子の性質を利用している 何が反転というのか？？ 　普通、励起していない分子は励起状態の分子より数が多いはずだが、励起状態の分子の方が、励起していない分子よりも数が多いので、その比が逆転しているという意味。 まだレーザーとはいえない??? 反転分布と誘導放出により位相のそろった光（これをコヒーレント光と言う）は発生しましたが、我々がそれを、レーザー光として使うには問題が残されています。その一つには、このように、発生した誘導放出による光はあらゆるところで発生し、様々な方向に、しかもいくつかの位相の違う光の束が存在しているだけに過ぎないのです。そこで、ある一定方向の光だけが出てくるガラスの筒を作ります。この筒の両側に反射鏡を取り付けます。ただし、片方の反射鏡はいくらか光が漏れる様に反射面を薄くしておきます。 」 電球とレーザーの違い 終 * * 分子に光が入射すると、その光の持っているエネルギーを蓄えて、より活発な分子の状態に変化します。このよりエネルギーの高い状態を励起状態といいます。 これとは逆に、左図の様な光の吸収などによって励起している分子が、ある特定の光によって刺激を受けた時には、分子はその光と全く同じ波長を持つ光を、やってきた光と同じ方向に、かつ同じ位相で放出します。 これを 誘導放出 という 誘導放出はレーザーの発振に最も重要な事なのですが、せっかく出た誘導放出の光も周りにいる励起していない分子に吸収されてしまいがちです。 そこで周りの分子もみんな励起状態になってしまいます。そうすると??? 上の図ように、光はどんどん増幅され、進行方向は等しく、位相のそろった光が得られます。 そしてこれを反転分布といいます 青色のガラス筒の中で動き回っているのは、励起分子です。励起分子の中を飛び回って、二つの反射鏡の中を行ったり来たりする間に光は増幅し、右の反射鏡で反射する度に、レーザー光を右に放出しています。  従って、この二つの反射鏡を行き来できない方向に進む誘導放出光や自然発光はガラス管の外に飛び出していってしまいます。このように、ガラス管が長ければ長いほど、方向のそろった光の束がレーザー光となって飛び出してきます。また、このガラス筒は、両端をつながれた弦のように、一定の波（光）を定常的に発生させます。このような構造を??? 反射板がいくらか光が漏れるようなつくりだから 共振器という 電球のような光はあらゆる方向に、光が放出されるため光源から離れれば離れるほど光は弱くなっていく。 光の波長が一つだけ（これを単色光と言う）ではないので、プリズムの中を通ると様々な色の光に分かれてしまう。 位相がそろっていないため、光の干渉によっていくらランプのパワーを強くしても光子の数に比例した分だけの光強度を得ることができない。 レーザーでは、共振器のなかで一定の方向の光以外取り除いてあるので、その方向に進む光は何かに遮られない限り、弱まらずに進んで行く。 レーザー光は非常に波長の良くそろった単色光なので、プリズムを通っても光が様々な色に分けられることはない。 位相がそろっているため、この全く同じ波同士を重ね合わせると、二倍大きな波が起こる。 波の重ね合わせで考える☆ 波の位置をずらして重ね合わせると波は、二倍にはならない。これが干渉。 現在では69個の元素からレーザ発振が確認されている。レーザーは大別すると、固体、気体、液体に分けられる。 すべてのレーザーがこの特徴を有しているわけではなく、レーザーにはその利用法によって一部の特徴を生かすために、それ以外の特徴を殺してしまっている物もたくさんある。 固体レーザーの材料としては、ルビ、（クロムイオンを含む酸化アルミニウム結晶）と、ネオジムイオンを含む結晶およびガラスが最も代表的。 ふつうこれらの材料を直径3～10ｍｍほどの大きさの棒とし、その両端面を研磨して、そこに直接反射鏡を蒸着して共振器とする場合が多い。 固体レーザーは、大きな出力が得られるという特徴があるが、十分強い連続光原が得にくいので、連続的な動作を行わせることは 難しい。 しかし非常に ピーク出力の大きい、時間幅の狭いパルス発振が得られる。 気体レーザーの材料としては、ヘリウム（Ｈｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合気体、アルゴン（Ａｒ）、炭 酸ガスＣＯ3などが最も代表的なものである。 低圧の気体は、数多くのケイ光線をもち、しかもそれらの多くが基底隼位より十分高い隼位の間の遷移に対応する ので、負の温度の状態が実現しやすい。 そのためほとんどの気体がレーザー媒体となる可能性をもっており、実際多く気体で成功している。 気体レーザー は、他のレーザーと比べて連続的発振が容易で