レーザーの形成

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レーザーの登場は、人類が初めて光子を制御したことを示しています。レーザーは、誘発放射によって光を増幅する特殊な光源であり、その形成プロセスには量子力学、光学共鳴、エネルギー励起などの複数の物理メカニズムが関与します。以下はレーザーの形成に寄与する主な要因です：
I. 刺激放射と粒子数反転
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。
光増幅: 高いエネルギー状態にある粒子が入射光子によって刺激放射を引き起こし、同じ位相と周波数を持つ光子を生成する。これらの光子は共鳴腔内で繰り返し振動し、連鎖反応を引き起こして高強度の相干光を形成する。
粒子数反転: ポンピングシステムは熱平衡状態を破り、動作物質が準安定なエネルギー状態を形成できるようにする。
Ii. 光共鳴腔
共鳴腔フィードバック: 二つの鏡で構成される光共鳴腔は、特定の方向を持つ光子が多次にわたり往復する許可を与える。増幅率が損失を超えた場合、正のフィードバックループが形成され、最終的に相干ビームが出力される。
モード選択: 短腔設計またはグレーティング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。
エネルギー集中: 効率的な長さの作動物質を短縮し、レーザー出力効率を向上させます。
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。
レーザーの特徴:
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: レーザーは非常に平行な光束を発生させ、より高い集中度で放射することができます。
レーザーの形成は、量子力学と光学工学の完璧な組み合わせです。その核心は、粒子数反転と誘起放射を通じて光の制御可能な増幅を達成することにあります。レーザーの発展は、製造、医療、情報技術などの産業における革新を促進しています。