レーザー

レーザーはどのように光を作るのか

レーザーについて知りたいことがこれだけあれば、もう読むのをやめるか、あるいはさらにページの下のレーザーの種類に飛ばしてもかまいません。

Spontaneous emission

レーザーの「R」から始めましょう。レーザーが作る放射線は、ガイガーカウンターをカチカチ鳴らすような危険な放射能や、原子がぶつかったり壊れたりしたときに吐き出されるものとは関係がないのです。 レーザーは、通常の光、ラジオ波、X線、赤外線と同じように、電磁放射を作ります。 レーザーは、普通の光や電波、X線、赤外線と同じように電磁波を発生させますが、原子の中で電子が飛び跳ねたりして、全く別の方法で電磁波を発生させます。 原子の中の電子は、エネルギー準位という梯子の段のようなところに位置していると考えることができます。 通常、電子は、原子の基底状態と呼ばれる、可能な限り低いエネルギー準位に座っています。 もし、適切な量のエネルギーを発射すれば、電子をレベルアップさせ、「はしご」の次の段に移動させることができる。 これは「吸収」と呼ばれ、新しい状態では原子は「励起状態」と呼ばれますが、同時に「不安定状態」でもあります。 しかし、それは不安定でもあります。原子はすぐに基底状態に戻り、吸収したエネルギーを光子（光の粒子）として放出します。 原子が自ら（自発的に）光を放つ（放射線を出す）のです。

写真提供:日本原子力研究開発機構 ロウソクから電球、ホタル、懐中電灯に至るまで、従来の光はすべて自然放出というプロセスで動いています。 ロウソクでは、燃焼（酸素と燃料（この場合はロウ）の化学反応）により原子が励起され、不安定になる。 そして、原子が元の状態（基底状態）に戻るときに光を放つ。 このキャンドルの炎の中で自然放出された光は、他のどの光とも異なるため、さまざまな波長（色）の光が混ざり合い、「白色」の光となる。

Stimulated Emission

通常、典型的な原子の束は、励起状態よりも基底状態の電子が多いはずで、これが原子が自発的に光を発しない理由の1つです。 その場合、励起された電子の「集団」は基底状態の「集団」よりも大きくなり、光の光子を作る準備ができていて喜んでいる電子がたくさんあることになる。 このような状況を、原子の中の通常の状態が入れ替わる（反転する）ことから、「ポピュレーション・インバージョン」と呼んでいます。 ここで、原子が自動的に基底状態（メタ安定状態と呼ばれる一時的な励起状態）に戻ってしまわないように、この状態を少しの間維持することができたとしよう。 そうすると、本当に面白いものが見つかるはずです。 ちょうどよいエネルギーの光子を原子の束に照射すると、励起された電子の1つが基底状態に戻り、照射した光子と電子の状態変化で生じた光子の両方が放出されるのです。 原子を刺激して放射線を取り出すので、この過程は誘導放出と呼ばれます。 1個の光子を入れると2個の光子が出てくるので、実質的に光は2倍になり、増幅される（増える）のです。 これらの2つの光子は、他の原子togiveオフより多くの光子を刺激することができるので、かなりすぐに、我々は純粋な、コヒーレントレーザー光の鮮やかなビームを投げ出す光子-アチェイン反応-カスケードを取得します。

Artwork.Odyssey (英語): 「レーザーは、その名前が示すように、放射の誘導放出を使って光を増幅します。 レーザーは理論的にはどのように動作するか。 左：吸収。 エネルギー（緑）を原子に照射すると、電子（青）を基底状態から励起状態に移行させることができ、これは通常、電子を原子核（灰色）からさらに押し出すことを意味します。 中央。 自然放出。 励起された電子は、自然に基底状態に戻り、光子として量子（エネルギーの束）を放出する（緑色の揺らぎ）。 右図 誘導放出。 励起された原子の近くに光子を発射すると、同じ光子が次々と放出される。

なぜレーザー光はこれほど違うのでしょうか？

これがレーザーによる光の作り方だとしたら、なぜ単一色でコヒーレントなビームを作るのでしょうか？ それは、エネルギーは、量子と呼ばれる一定のパケットでしか存在できない、という考えに帰結します。 これはお金に似ています。 お金は、1セント、1ペニー、1ルピーなど、通貨の最も基本的な単位の倍数でしか持つことができないのです。 1セントの10分の1や1ルピーの20分の1は持てませんが、10セントや20ルピーは持つことができます。

梯子の段のように、原子の中のエネルギーレベルは決まった場所にあり、その間に隙間があるのです。 梯子の段のように、原子のエネルギー準位は固定された場所にあり、その間に隙間があります。梯子の上のどこにでも足をかけることはできませんが、段の上にだけは足をかけることができます。 電子を低いレベルから高いレベルにジャンプさせるには、2つのエネルギーレベルの差に等しい正確な量（量子）のエネルギーを供給する必要がある。 電子が励起状態から基底状態に戻るとき、同じ正確な量のエネルギーを与え、それが特定の色の光の光子の形をとる。 レーザーの誘導放出は、電子が同一のフォトン（エネルギー、周波数、波長が同一）のカスケードを生成するため、レーザー光が単色である。

レーザーの種類

写真。 レーザー-私たちの多くが知っているように。 これは、CD や DVD プレーヤーの中でディスクをスキャンするためのレーザーとレンズです。 右下の小さな円は半導体レーザー ダイオードで、大きな青い円は、ディスクの光沢のある表面で跳ね返されたレーザーからの光を読み取るレンズです。

さまざまな種類の原子をさまざまな方法で励起できるので、（理論的には）さまざまな種類のレーザーを作ることができます。

固体、液体、気体は物質の3つの主要な状態であり、私たちに3つの異なる種類のレーザーを提供します。 固体レーザーは、上で説明したようなものです。 媒質は丸棒などの結晶性の固体で、これにフラッシュチューブを巻きつけて原子にエネルギーを送り込みます。 固体原子の一部を不純物イオンで置換し、ある特定の周波数のレーザー光を発生させるのに必要なエネルギーを与えるのです。 固体レーザーは、一般的に非常に短いパルスで、高出力のビームを生成します。 一方、ガスレーザーは、希ガス化合物（エキシマレーザー）や炭酸ガス（CO2）を媒質とし、電気で励起して連続した明るいビームを発生させる。 CO2レーザーは強力で効率的であり、一般的に工業用切断や溶接に使用される。 液体色素レーザーは、有機色素分子の溶液を媒質として使用し、アークランプ、フラッシュランプ、または他のレーザーによって励起される。 その大きな利点は、固体やガスレーザーよりも光周波数の広いバンドを生成するために使用することができ、彼らはさらに異なる周波数を生成するために “チューニング “することができることです。 半導体レーザーは、従来の発光ダイオード（LED）と従来のレーザーを掛け合わせたようなもの。 LEDのように電子と正孔が飛び回って結合することで発光し、レーザーのようにコヒーレントな単色光を発生させる。 そのため、レーザーダイオード（またはダイオードレーザー）と呼ばれることもある。 ファイバーレーザは、光ファイバーの内部で魔法を使います。事実上、ドープされた光ファイバーケーブルが増幅媒体となります。

レーザーは何に使われる？

Theodore Maiman が最初の実用的なレーザーを開発したとき、これらの機器が最終的にどれほど重要になるかに気づいた人はほとんどいませんでした。 1964年のジェームズ・ボンド映画「ゴールドフィンガー」では、産業用レーザーが魔法のようにあらゆるものを切り裂く未来を垣間見ることができ、それが諜報員であっても！？ 同年、レーザーのパイオニアであるチャールズ・タウンズ氏がノーベル物理学賞を受賞したことを伝えるニューヨークタイムズ紙は、「レーザービームは、例えば世界中のすべてのラジオとテレビ番組、それに数十万件の電話を同時に流すことができる」と示唆した。 レーザー光線は、距離測定やミサイルの追跡にも広く使われている」。 半世紀以上たった今でも、このような精密機器、デジタル通信、防衛などの用途が、レーザーの最も重要な用途のひとつとなっています

Photo: 写真：印刷するたびに、机の上のレーザープリンターは何十億もの原子を刺激しています。

工具

CO2レーザーを使った切断工具は、工業分野で広く使用されています。 かつては手作業で布を裁断し、デニムジーンズなどを作っていましたが、今ではロボットのガイド付きレーザーで布を裁断しています。 人間よりも速く、正確に、一度に何枚もの厚さの布を裁断できるため、効率と生産性が向上します。 医師は日常的に患者の体にレーザーを使用しています。がんの腫瘍を吹き飛ばし、血管を焼灼し、人々の視力の問題を修正するため（レーザー眼科手術、網膜剥離の治療、白内障治療はすべてレーザーを使用します）

通信

レーザーは21世紀のあらゆる種類のデジタル技術の岩盤を形成します。 レーザーは、21世紀のあらゆる種類のデジタル技術の基盤を形成しています。食料品店のバーコード・スキャナーで買い物をするたびに、レーザーで印刷されたバーコードを、チェックアウト・コンピューターが理解できる数字に変換しているのです。 DVDを見るときも、CDを聴くときも、回転するディスクに半導体レーザーを当てて、印刷されたデータを数字に変換し、コンピュータチップがその数字を映画や音楽、音声に変換しているのです。 光ファイバーケーブルとともに、レーザーはフォトニクスと呼ばれる技術で広く使われています。たとえば、インターネット上で膨大なデータの流れを送ったり戻したりするために、光のフォトンを使って通信します。 レーザー兵器は未来なのか？ 2014年にUSSポンセでテストされた米海軍のレーザー兵器システム（LaWS）。 このようなレーザー銃には高価な弾丸やミサイルはなく、猛烈な指向性エネルギーが無限に供給されるだけである。 映画やテレビで人気が出たものの、1980年代半ばまで、敵を切り、殺し、あるいは見えなくするレーザー兵器のSF的なアイデアは空想に過ぎなかった。 1981年、ニューヨーク・タイムズ紙は、ある「軍事レーザー専門家」の言葉を引用して、こう述べている。 「ばかげている。 レーザーで一人の人間を殺すには、ミサイルを破壊するより多くのエネルギーが必要だ」。 その2年後、長距離レーザー兵器は、ロナルド・レーガン米大統領の物議を醸した戦略防衛構想（SDI）、通称「スターウォーズ計画」の根幹をなすものとして正式に採用された。 しかし、ソ連が崩壊し、冷戦が終結すると、この計画は次第に立ち消えになっていった。 米海軍は2014年、ペルシャ湾のUSSポンス艦でLaWS（レーザー兵器システム）のテストを初めて開始しました。 LEDで励起された固体レーザーを使用し、従来のミサイルよりも安価かつ正確に敵の機器を損傷または破壊するように設計されていました。 このテストは成功し、海軍は2018年にさらに多くのLaWSシステムを構築する契約を発表しました。一方、宇宙レーザーの開発は続いていますが、今のところ配備されたものはありません。

Photo。 カリフォルニアのローレンス・リバモア国立研究所の科学者たちは、核研究のために世界で最も強力なレーザーである国立点火施設（NIF）を開発しました。 10階建てでサッカー場3面分の広さの建物に、192本のレーザービームを使用して、最大500兆ワットの出力（他のレーザーの100倍のエネルギー）と1億度までの温度を発生させます。 NIFの総工費は35億ドルで、今後30年にわたり最先端の原子力研究を推進することが期待されている。 左：National Ignition Facilityのツインレーザーベイの1つ。 右：その仕組み。 レーザーからのビームをチャンバー内の小さな燃料ペレットに集中させ、星の奥深くにあるような強烈な温度を作り出す。 核融合（原子を結合させる）を起こし、大量のエネルギーを放出させるというものです。 写真提供：ローレンス・リバモア国立研究所.

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