レーザー結晶はどのように機能するのでしょうか?

2023-08-16

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レーザー結晶はレーザー システムの中心であり、コヒーレント光の生成と増幅を可能にします。レーザー結晶がどのように機能するかを理解するには、誘導放出とレーザー発振のプロセスの基礎となる原理を詳しく調べる必要があります。

1. 誘導放出:

レーザー結晶は通常、ルビー (クロムをドープした酸化アルミニウム) や固体材料などで構成されています。 Nd:YAG (ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット)。これらの結晶には、結晶格子内にエネルギー準位を持つドーパント イオン (クロムやネオジムなど) が含まれています。

フラッシュランプや別のレーザーなどの外部エネルギー源によってレーザー結晶が励起されると、ドーパント イオンがエネルギーを吸収し、より高いエネルギー レベルに遷移します。このプロセスは吸収と呼ばれます。その後、励起されたイオンは自然放出によって緩和されてより低いエネルギー レベルに戻り、ランダムな方向と位相で光子を放出します。

ただし、レーザー結晶では誘導放出と呼ばれる現象が発生することがあります。特定のエネルギー(励起エネルギーレベルとより低いエネルギーレベルのエネルギー差に一致する)を持つ光子が励起イオンの近くを通過すると、イオンが刺激されて、エネルギー、方向、位相、偏光が同じである 2 番目の光子が放出されます。このプロセスでは、放出された光子が他の励起イオンを刺激してより多くの光子を放出し、その結果光が増幅されるため、カスケード効果が生じます。

2.光共振器:

レーザー動作を実現するために、レーザー結晶は、空洞を形成する 2 つのミラーで構成される光共振器内に配置されます。 1 つのミラーは部分反射性で、放出された光の一部を逃がしますが、もう 1 つのミラーは反射性が高く、光を結晶内に反射します。

光共振器はレーザーの動作において重要な役割を果たします。光子を結晶内に反射して増幅プロセスを維持するためのフィードバックを提供し、さらなる放出と増幅を刺激します。共振器の長さによって、レーザー結晶によって増幅され放射される光の特定の波長が決まります。

3. ポンプ機構:

レーザー結晶 ドーパントイオンを励起してレーザー発振プロセスを開始するには、外部エネルギー源が必要です。このエネルギー源はポンプとして知られています。ポンプは、特定の結晶材料と用途に応じて、フラッシュランプ、ダイオード レーザー、またはその他のレーザーの形式にすることができます。

ポンプはレーザー結晶内のドーパント イオンを励起し、より高いエネルギー レベルに引き上げます。イオンが誘導放出によって緩和されてより低いエネルギーレベルに戻ると、イオンは光子を放出し、光共振器によって結晶内で増幅されます。この増幅プロセスは、共振器内に十分な数の光子が存在してコヒーレントで強力なレーザービームが形成されるまで継続します。

要約すると、レーザー結晶は誘導放出と光共振器の原理を利用して機能します。結晶内のドーパント イオンは、外部ポンプ源からエネルギーを吸収し、より高いエネルギー レベルに遷移し、誘導放出によって光子を放出します。これらの光子は光共振器により結晶内で増幅され、その結果コヒーレントで集束されたレーザービームが生成されます。