レーザー技術入門：構造と動作原理

レーザーの基本構造は図1に示されており、以下のコンポーネントで構成されている：

1) レーザー活性媒体

レーザー光の生成には、気体、液体、固体、半導体などの適切な活性媒体が必要である。この媒質では、レーザー光の生成に必要な条件を作り出すために、ポピュレーション・インバージョン（集団反転）を達成することができる。準安定エネルギー準位の存在は、ポピュレーション・インバージョン（集団反転）を非常に容易にします。

紫外線から遠赤外線まで、幅広いスペクトルをカバーするレーザー波長を発生できる活性媒体は、1000種類近くある。

レーザーの心臓部である活性媒質は、活性剤粒子（通常は金属）とマトリックスから構成される。活性剤粒子のエネルギー準位構造はレーザーのスペクトル特性と蛍光寿命を決定し、マトリックスは主に活性媒質の物理的・化学的特性を決定する。

レーザーは、活性剤粒子のエネルギー準位構造に基づいて、3準位システム（ルビーレーザーなど）と4準位システム（Nd:YAGレーザーなど）に分けられます。一般的に使用される活性媒質の形状は、円柱状（最も広く使用されている）、平面状、円板状、管状です。

2) 外部汲み上げ源

活性媒体中でポピュレーション・インバーシブを達成するためには、原子をある方法で励起し、より高いエネルギー準位の粒子数を増加させる必要がある。そのため、外部励起源はポンプ源とも呼ばれます。

ポンプ光源は、高エネルギーレベルと低エネルギーレベルの間で母集団を逆転させるためのエネルギーを供給するもので、今日では光ポンピングが主な方法として用いられている。ポンプ光源は2つの基本的な条件を満たさなければならない。すなわち、高い発光効率を持ち、そのスペクトル特性が活性媒体の吸収スペクトルと一致しなければならない。一般的な励起光源には、不活性ガス放電ランプ、太陽エネルギー、ダイオードレーザーなどがある。

不活性ガス放電ランプは、最も一般的に使用されるポンプ源である。太陽エネルギー励起は、低出力デバイス、特に太陽エネルギーを恒久的な電源として使用できる宇宙用途の小型レーザーによく使用される。ダイオード励起は、固体レーザーの将来の方向性を示すもので、多くの利点を兼ね備え、最も急速に発展しているレーザーのひとつとなっている。

ダイオード励起方式は、横方向励起（同軸入射による端面励起）と縦方向励起（垂直入射による側面励起）の2種類に分けられる。

ダイオード励起固体レーザーは、長寿命、良好な周波数安定性、最小限の熱光学歪みなど多くの利点を持ち、最も顕著な利点は、励起光波長と活性媒質の吸収スペクトルの正確な一致による高い励起効率である。

3) キャビティ

すなわち、ポンプ光源と活性媒質を効果的に結合し、活性媒質上のポンプ光密度分布を決定することで、出力ビームの均一性、発散、光学歪みに影響を与える。

活性媒質とポンプ光源の両方が集光共振器内に設置されるため、その品質はポンプの効率と性能に直接影響します。楕円シリンダー集光共振器は、小型固体レーザーで最も一般的に使用されています。

4) 光共振器

光共振器は基本的に、レーザーの端に向かい合わせに置かれた2枚の高反射ミラーである。一方のミラーは全反射、もう一方は部分反射で、光の大部分が反射され、少量が透過してレーザー光が発生する。活性媒質に反射された光は新たな誘導放出を続け、光を増幅する。

光は共振器内で前後に振動し、連鎖反応と雪崩のような増幅を引き起こし、その結果、部分的に反射するミラー端から強いレーザー光が放出される。

光共振器は、連続的なレーザー発振と誘導放出を維持するための光フィードバックを提供するだけでなく、出力レーザーの高単色性と高指向性を確保するために、発振光ビームの方向と周波数を制限します。固体レーザー用の最もシンプルで一般的な光共振器は、向かい合った2枚の平面（または球面）ミラーで構成されています。

(5) 冷却およびろ過システム

冷却システムとフィルターシステムは、レーザーにとって不可欠な補助装置である。レーザーは動作時に大きな熱を発生するため、冷却対策が必要となります。冷却システムは、主にレーザー活性媒質、励起光源、集光共振器を冷却し、レーザーの正常な動作を保証し、機器を保護します。

冷却方法には液体、気体、伝導などがあり、液体冷却が最も広く使われている。さらに、単色性の高いレーザービームを得るためには、出力をフィルタリングする必要がある。フィルタリングを行うことで、ポンプ光などの干渉光をほとんど除去することができ、単色性の高いレーザービームを出力することができる。

ルビー・レーザーを例に、レーザーの動作原理を説明しよう。活性媒質はルビーロッドである。ルビーは少量の3価クロムイオンがドープされた酸化アルミニウム結晶で、通常、酸化クロムの質量比は約0.05%である。クロムイオンは白色光から緑色光と青色光を吸収するため、宝石はピンク色に見える。

マイマンが1960年に発明した最初のレーザーに使用したルビーは、直径0.8cm、長さ約8cmの円柱状の棒である。その両端は一対の平行平面鏡になっており、一方は全反射膜でコーティングされ、もう一方は透過率10%でレーザーが通過できるようになっている。

ルビーレーザーでは、高圧キセノンランプを「ポンプ」として使用し、クロムイオンを励起状態E₃.Eにポンピングされた電子₃ すぐに移行する。^-8 秒）からE₂ 放射線なしでE₂ への自然放出が起こる準安定エネルギー準位である。₁ は非常に低く、寿命は最大10年である。^-3 秒、粒子を長時間滞留させることができる。

その結果、粒子はE₂エネルギー準位E₂ とE₁.からの光の誘導放出。₂ Eへ₁ は波長694.3nmの赤色レーザーである。パルスキセノンランプから得られるパルスレーザーの持続時間は、1パルスあたり1ミリ秒未満であり、各パルスエネルギーは10Jを超え、各パルスレーザーの出力は10kWを超えることが可能である。

クロムイオンが励起されてレーザー光を発する過程には3つのエネルギー準位が含まれるため、3準位系と呼ばれる。三準位系では、低エネルギー準位E₁ は基底状態であり、一般的に多数の原子を蓄積するため、ポピュレーション反転を達成するにはかなりの量の励起が必要である。