レーザーの基礎知識：主要特性の理解

典型的な光源は、あらゆる方向に放射する光を放ち、距離が長くなるにつれて減衰する。この減衰は主に、このような光源からの光が、光源内の多数の分子や原子が自然放射中に独立して光子を放出した結果であるためである。対照的に、レーザーは誘導放出によって入射光子を増幅する。

通常の光源とは異なるレーザー発生メカニズムにより、レーザーは通常の光とは異なるユニークな特性を示す。

レーザーの指向性

レーザーは誘導放射によって光を放出する。各光子は入射光と同じ周波数、位相、偏光状態を維持し、すべて光共振器の制御下にある。この制御により、レーザービームは共振器の軸に沿って厳密に伝播し、発散角は非常に小さく、平行光に近づきます。

レーザーの高い指向性は、誘導放出のメカニズムと、発振する光ビームの方向に対する光共振器の制限的な影響によって決定される。精密なデータによると、地球から月までの距離は約38万キロメートルで、月面に照射されるレーザービームのスポットは直径1000メートル以下である。

この優れた指向性により、レーザーは測距、通信、測位に広く使用されている。レーザーの高い指向性は、長距離の効果的な伝送と非常に高い出力密度への集束を可能にします。 レーザー加工.

レーザーの単色性

光の色は波長によって決まる。強度が最大値の半分になる2つの波長の間の幅は、通常、スペクトル線の幅として定義される。スペクトル線の幅が狭いほど、光の単色性が高い。可視光は7色で構成され、それぞれのスペクトル線の幅は40～50ナノメートルである。

レーザーの単色性は、通常の光源をはるかに上回る。例えば、ヘリウム・ネオン・レーザーが発する赤色レーザー光のスペクトル線幅は、わずか10^-8 ナノメートルであり、クリプトンランプよりもかなり単色性が高い。特殊なレーザーの中には、さらに高い単色性を持つものもある。

レーザーの極めて高い単色性は、集光レンズの色分散（波長による屈折率の変化）を実質的に排除し、光ビームを焦点に正確に集光させ、高い出力密度を達成することを可能にする。レーザーの優れた単色性は、精密機器の測定や科学実験における特定の化学反応の刺激に有利なツールを提供します。

レーザーのコヒーレンス

コヒーレンスは主に光波の異なる部分間の位相関係を記述するもので、時間的コヒーレンスと空間的コヒーレンスという2つの側面を含んでいます。レーザーの場合、光場の空間分布は通常、伝搬方向（共振器軸）に沿った分布に分解される。 E(z) と、伝搬方向に垂直な横断面上の分布 E（x, y）.

このように、レーザー共振器のモードは縦モードと横モードに分けることができ、それぞれ共振器モードの縦方向と横方向の光場分布を表している。

(1) 時間的コヒーレンス

レーザーの時間コヒーレンスとは、ビームの伝搬方向に沿った点間の位相関係を指します。実用的なアプリケーションでは、レーザーの時間的コヒーレンスを表すためにコヒーレンス時間がよく用いられます。スペクトル線幅が狭いほど、つまり単色性が高いほど、コヒーレンス時間は長くなります。

シングルモード安定化周波数ガスレーザーは最高の単色性を持ち、通常10⁶ から10¹³ 固体レーザーは単色性が劣るが、その主な理由は利得曲線が広く、単一縦モード動作を確保するのが難しいからである。

単一モード動作（モード選択技術）と周波数安定化は、コヒーレンスを高めるために極めて重要である。周波数安定化された単一横モード・レーザーは、理想的な単色平面波に近い、つまり完全にコヒーレントな光を放出する。

(2) 空間的コヒーレンス

レーザーの空間コヒーレンスとは、ビームの伝播方向に垂直な平面上の点間の位相関係のこと。ビームから放出された光が、空間上のある点に収束して干渉パターンを形成することができるスケールのことで、空間コヒーレンスは光源のサイズと関係している。

理想的な平面波は完全に空間的にコヒーレントであり、発散角はゼロである。しかし実際には、回折効果により、レーザーが達成可能な最小のビーム放射角度は、出力アパーチャを通過する際の回折限界角度以下にはなりません。

レーザーの空間コヒーレンスを改善するためには、まず、レーザーが単一の横モードで動作するように制限すること、次に、光共振器の種類を適切に選択し、共振器長を長くしてビームの指向性を高めることが不可欠です。さらに、活性媒質の不均一性、共振器の加工や調整における誤差、その他の要因も、ビームの指向性を低下させる可能性があります。

高強度レーザー

レーザービームの優れた指向性により、放出されるエネルギーは非常に狭い立体角内に閉じ込められ、エネルギーは狭いスペクトル線幅内に集中する。これにより、従来の光源に比べてレーザーのスペクトル輝度が大幅に向上する。エネルギー放射が非常に短い時間間隔にさらに圧縮されるパルス・レーザーでは、スペクトル輝度をさらに高めることができる。

現在、出力と効率の向上はレーザー開発の重要な方向である。CO₂固体レーザーは最高のパルスパワーを出すことができる。

特に、光共振器変調技術やレーザー増幅器の使用により、レーザー発振時間は非常に小さな値（10?^-9 秒）、出力エネルギーを増幅し、極めて高いパルスパワーを得ることができる。モードロックとパルス幅圧縮技術を使えば、レーザーのパルス幅をさらに10^-15 秒。

最も重要なことだ、 レーザー出力 (エネルギー）を単一（または少数）のモードに集中させることができるため、非常に高度な光子縮退を達成することができる。レーザービームをレンズを通して集光すると、焦点付近で数千度、数万度の温度を発生させることができ、あらゆる材料の加工が可能になる。

例えば、ハイパワーCO₂ レーザー切断 産業界で一般的に使用されている装置は、焦点距離127～190mm、スポット径0.1～0.4mmで、エネルギー密度は10W/cmに達する。².