レーザービームを作成する方法

レーザーを通して光の力を利用することにより、レーザーをさまざまな目的に使用し、レーザーを機能させる基礎となる物理学と化学を研究することで、レーザーをよりよく理解することができます。

一般に、レーザーは、固体、液体、気体など、光の形で放射線を放出するレーザー材料によって生成されます。 「誘導放出による光増幅」の頭字語として、誘導放出の方法は、レーザーが他の電磁放射源とどのように異なるかを示しています。 これらの光の周波数がどのように現れるかを知ることで、さまざまな用途にそれらの可能性を利用することができます。

レーザーは、電子を活性化して電磁放射を放出するデバイスとして定義できます。 このレーザーの定義は、放射線が電波からガンマ線まで、電磁スペクトル上であらゆる種類の形をとることができることを意味します。

一般的に、レーザーの光は狭い経路を進みますが、放射波の範囲が広いレーザーも可能です。 これらのレーザーの概念を通して、あなたはそれらを海岸の海の波のように波として考えることができます。

科学者は、2つの信号間の位相差が同相であり、周波数と波形が同じであるかどうかを説明する機能であるコヒーレンスの観点からレーザーについて説明しています。 レーザーを山、谷、谷のある波として想像すると、位相差は次のようになります。 多くの1つの波が別の波と完全に同期していないか、2つの波がどれだけ離れているか 重複。

光の周波数は、1秒間に特定のポイントを通過する波のピークの数であり、波長は、谷から谷まで、またはピークからピークまでの単一の波の全長です。

個々のエネルギーの量子粒子である光子は、レーザーの電磁放射を構成します。 これらの量子化されたパケットは、レーザーの光が常にエネルギーの倍数としてエネルギーを持っていることを意味します 単一光子とそれがこれらの量子「パケット」に入っていること。 これが電磁波を作るものです 粒子のような。

多くの種類のデバイスは、光共振器などのレーザーを放射します。 これらは、電磁放射を放出する材料からの光を反射してそれ自体に戻すチャンバーです。 それらは一般に2つのミラーでできており、材料の両端​​に1つずつあるため、光を反射すると光線が強くなります。 これらの増幅された信号は、レーザーキャビティの端にある透明なレンズを通って出ます。

電流を供給する外部バッテリーなどのエネルギー源が存在する場合、電磁放射を放出する材料は、さまざまなエネルギー状態でレーザーの光を放出します。 これらのエネルギーレベル、または量子レベルは、ソース材料自体に依存します。 材料内の電子のエネルギー状態が高いと、不安定になるか、励起状態になる可能性が高くなり、レーザーはその光を介してこれらを放出します。

懐中電灯からの光などの他の光とは異なり、レーザーはそれ自体と周期的なステップで光を発します。 つまり、レーザーの各波の山と谷は、前後に来る波の山と谷と一致し、光をコヒーレントにします。

レーザーは、電磁スペクトルの特定の周波数の光を発するようにこのように設計されています。 多くの場合、この光は、レーザーが正確な周波数で放射する狭い離散ビームの形をとりますが、一部のレーザーは、広く連続した範囲の光を発します。

発生する可能性のある外部エネルギー源を動力源とするレーザーの1つの特徴は、反転分布です。 これは誘導放出の一形態であり、励起状態の粒子の数が低レベルのエネルギー状態の粒子の数を上回ったときに発生します。

レーザーが反転分布を達成すると、光が生成できるこの誘導放出の量は、ミラーからの吸収量よりも大きくなります。 これにより光増幅器が作成され、共振光共振器内に配置すると、レーザー発振器が作成されます。

電子を励起および放出するこれらの方法は、エネルギー源であるレーザーの基礎を形成します。これは、多くの用途で見られるレーザーの原理です。 電子が占めることができる量子化されたレベルは、放出されるのに多くのエネルギーを必要としない低エネルギーのものから、原子核の近くにしっかりと留まる高エネルギー粒子までの範囲です。 原子が正しい方向とエネルギーレベルで衝突することにより電子が放出される場合、これは自然放出です。

自然放出が発生すると、原子から放出される光子の位相と方向はランダムになります。 これは、不確定性原理により、科学者が粒子の位置と運動量の両方を完全な精度で知ることができないためです。 粒子の位置を知るほど、その運動量を知ることは少なくなり、逆もまた同様です。

プランク方程式を使用して、これらの放出のエネルギーを計算できます。

エネルギーのためにEジュール、頻度νsの電子の^-1 プランク定数h​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg /秒原子から放出されたときに光子が持つエネルギーは、エネルギーの変化として計算することもできます。 このエネルギーの変化に関連する周波数を見つけるには、次のように計算します。νこの放出のエネルギー値を使用します。

レーザーの幅広い用途を考えると、レーザーは、目的、光の種類、さらにはレーザー自体の材料に基づいて分類できます。 それらを分類する方法を考え出すには、レーザーのこれらすべての寸法を考慮する必要があります。 それらをグループ化する1つの方法は、使用する光の波長によるものです。

レーザーの電磁放射の波長は、レーザーが使用するエネルギーの周波数と強度を決定します。 波長が長いほど、エネルギー量と周波数が小さくなります。 対照的に、光線の周波数が高いほど、エネルギーが多いことを意味します。

レーザー材料の性質によってレーザーをグループ化することもできます。 固体レーザーは、これらのタイプのレーザーのネオジムイオンを収容する結晶イットリウムアルミニウムガーネットで使用されるネオジムなどの原子の固体マトリックスを使用します。 ガスレーザーは、ヘリウムやネオンなどのチューブ内のガスの混合物を使用して、赤色を生成します。 色素レーザーは、溶液または懸濁液中の有機色素材料によって作成されます

色素レーザーは、通常、溶液または懸濁液中の複雑な有機色素であるレーザー媒体を使用します。 半導体レーザーは、より大きなアレイに組み込むことができる2層の半導体材料を使用します。 半導体は、絶縁体と導体の強度を利用して電気を伝導する材料です。 導入された化学物質またはの変化のために、少量の不純物または導入された化学物質を使用するもの 温度。

すべてのレーザーは、さまざまな用途で、固体、液体、または気体の形で光源のこれら2つのコンポーネントを使用し、電子と何かを放出してこの光源を刺激します。 これは、別のレーザーまたはレーザー材料自体の自然放出である可能性があります。

一部のレーザーは、励起状態に到達して反転分布を形成するレーザー媒質内の粒子のエネルギーを増加させる方法であるポンピングシステムを使用します。 ガスフラッシュランプは、レーザー材料にエネルギーを運ぶ光ポンピングに使用できます。 レーザー材料のエネルギーが材料内の原子の衝突に依存している場合、このシステムは衝突ポンピングと呼ばれます。

レーザービームの成分は、エネルギーを供給するのにかかる時間も異なります。 連続波レーザーは、安定した平均ビームパワーを使用します。 高出力システムでは、通常、出力を調整できますが、ヘリウムネオンレーザーなどの低出力ガスレーザーでは、ガスの含有量に基づいて出力レベルが固定されます。

ヘリウムネオンレーザーは最初の連続波システムであり、赤色光を発することが知られています。 歴史的に、彼らは材料を励起するために無線周波数信号を使用していましたが、今日では、レーザーのチューブ内の電極間で小さな直流放電を使用しています。

ヘリウム内の電子が励起されると、衝突によってネオン原子にエネルギーが放出され、ネオン原子間で反転分布が発生します。 ヘリウムネオンレーザーは、高周波でも安定して機能します。 パイプラインの調整、測量、X線撮影に使用されます。

3つの希ガス、アルゴン、クリプトン、キセノンは、紫外線から赤外線に及ぶ数十のレーザー周波数にわたるレーザーアプリケーションでの使用を示しています。 これらの3つのガスを互いに混合して、特定の周波数とエミッションを生成することもできます。 イオン形態のこれらのガスは、反転分布を達成するまで、互いに衝突することによって電子を励起させます。

これらの種類のレーザーの多くの設計では、キャビティが放射する特定の波長を選択して、目的の周波数を実現できます。 キャビティ内のミラーのペアを操作することで、特異な周波数の光を分離することもできます。 アルゴン、クリプトン、キセノンの3つのガスにより、光の周波数のさまざまな組み合わせから選択できます。

これらのレーザーは、非常に安定していて、あまり熱を発生しない出力を生成します。 これらのレーザーは、灯台やストロボスコープのような明るい電気ランプで使用されているものと同じ化学的および物理的原理を示しています。

炭酸ガスレーザーは、連続波レーザーの中で最も効率的で効果的です。 それらは、二酸化炭素ガスを含むプラズマ管内の電流を使用して機能します。 電子の衝突によりこれらのガス分子が励起され、エネルギーが放出されます。 窒素、ヘリウム、キセノン、二酸化炭素、水を追加して、さまざまなレーザー周波数を生成することもできます。

さまざまな分野で使用される可能性のあるレーザーの種類を見ると、どれが大量の出力を生成できるかを判断できます 彼らは高い効率率を持っているので、彼らは多くを手放すことなく彼らに与えられたエネルギーのかなりの割合を使用します 無駄。 ヘリウムネオンレーザーの効率は0.1％未満ですが、炭酸ガスレーザーの効率は約30％で、ヘリウムネオンレーザーの300倍です。 それにもかかわらず、炭酸ガスレーザーは、ヘリウムネオンレーザーとは異なり、適切な周波数を反射または送信するために特別なコーティングが必要です。

エキシマレーザーは紫外線（UV）を使用します。紫外線（UV）は、1975年に最初に発明されたとき、顕微手術および工業用マイクロリソグラフィーの精度を高めるためにレーザーの集束ビームを作成しようとしました。 それらの名前は、ダイマーが電気的にあるガスの組み合わせの生成物である「励起ダイマー」という用語に由来します 電磁気のUV範囲で特定の周波数の光を生成するエネルギーレベル構成で励起されます スペクトラム。

これらのレーザーは、塩素やフッ素などの反応性ガスを、アルゴン、クリプトン、キセノンの希ガスとともに使用します。 医師や研究者は、眼科手術のレーザー用途にどれほど強力で効果的に使用できるかを考えれば、外科用途での使用法を模索しています。 エキシマレーザーは角膜で熱を発生しませんが、そのエネルギーは角膜の分子間結合を破壊する可能性があります 「光破壊分解」と呼ばれるプロセスで角膜組織に不必要な損傷を与えることなく 眼。