レーザーの形成

レーザー形成の物理的メカニズム要素：量子遷移から光子同期まで
レーザーの出現は、人類が初めて光子を操作できるようになったことを意味します。その原理は、量子力学や精密工学などの複数の分野を統合しています。
第1章 量子遷移
レーザーの生成は、原子のエネルギー準位間の量子遷移から始まります。電子がエネルギーを吸収して高いエネルギー状態に遷移すると、システムは不安定な状態になります。このとき、電子はエネルギーを2つの方法で放出します：
自発的な放射：電子が無作為に低いエネルギー状態に戻り、異なる方向と位相を持つ光子を放出します。
誘起放射：外部の光子のエネルギーがエネルギー準位の差と一致すると、励起状態にある電子が同時に完全に同じ光子を放出することを誘発し、これが光学増幅の基礎を形成します。
II. レーザー誕生のための主要な要因
粒子数反転
ポンプシステムは熱平衡状態を破り、動作物質が準安定エネルギー準位を形成できるようにします。例えば、ヘリウム・ネオンレーザーでは、ヘリウム原子がネオン原子にエネルギーを移譲し、ネオン原子が粒子数反転を形成します。
共鳴腔フィードバック
二つの鏡で構成される光学共鳴腔は、特定の方向にある光子が複数回往復するのを許します。増幅率が損失を超えると、正のフィードバックループが形成され、最終的に連続的なビームが出力されます。
モード選択
短い共振器設計や回折格子フィードバックによって縦横モードの分布を制御し、単一周波数および単一モード出力を実現します。
II. ボース統計
同一の光子: 刺激放射によって生成される光子は、正確に同じ周波数、位相、および偏光状態を持つ。
波動関数の重ね合わせ: 大量の同一の光子がマクロな量子状態を形成し、光に完全な相干性を与える。
この特性により、レーザーには普通の光源では達成できない特徴が与えられる:
指向性: 一般的な光源の発散角は比較的大きく、一方レーザー光源のそれは比較的小さく、その方向は固定されている。
単色性：レーザーのスペクトル線幅は普通の光源よりも狭く、より優れた単色性を持っています。
高輝度：レーザーは高度に平行な光束を出し、より高い集中度で放射することができます。