1. レーザー発生の原理
原子の構造は、中心に原子核がある小さな太陽系のようなものです。電子は原子核の周りを絶えず回転しており、原子核自体も絶えず回転しています。
原子核は陽子と中性子から構成されています。陽子は正の電荷を持ち、中性子は電荷を持ちません。原子核全体が持つ正電荷の数は、電子全体が持つ負電荷の数と等しいため、一般的に原子は外部に対して電気的に中性です。
原子の質量に関して言えば、原子核が原子の質量の大部分を占めており、すべての電子が占める質量は非常に小さい。原子構造において、原子核はごくわずかな空間しか占めていない。電子は原子核の周りを回転しており、電子はより広い活動空間を持っている。
原子は「内部エネルギー」を持っており、それは2つの部分から構成されます。1つは電子が軌道運動速度を持ち、一定の運動エネルギーを持っていること、もう1つは負に帯電した電子と正に帯電した原子核との間に距離があり、そこに一定のポテンシャルエネルギーが存在することです。すべての電子の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの合計が原子全体のエネルギーであり、これを原子の内部エネルギーと呼びます。
すべての電子は原子核の周りを回転します。原子核に近いほど、これらの電子のエネルギーは小さくなり、原子核から遠いほど、これらの電子のエネルギーは大きくなります。発生確率に応じて、人々は電子層を異なる「エネルギーレベル」に分けます。特定の「エネルギーレベル」では、複数の電子が頻繁に周回している可能性があり、各電子は固定された軌道を持ちませんが、これらの電子はすべて同じレベルのエネルギーを持っています。「エネルギーレベル」は互いに分離されています。そうです、それらはエネルギーレベルに応じて分離されています。「エネルギーレベル」の概念は、電子をエネルギーに応じてレベルに分けるだけでなく、電子の軌道空間を複数のレベルに分けます。つまり、原子は複数のエネルギーレベルを持つ可能性があり、異なるエネルギーレベルは異なるエネルギーに対応します。一部の電子は「低エネルギーレベル」で周回し、一部の電子は「高エネルギーレベル」で周回します。
現代の中学校の物理教科書では、特定の原子の構造的特徴、各電子層における電子分布の規則、および異なるエネルギー準位における電子の数などが明確に示されている。
原子系では、電子は基本的に層状に移動し、一部の原子は高エネルギー準位に、一部は低エネルギー準位に存在します。原子は常に外部環境（温度、電気、磁気）の影響を受けるため、高エネルギー準位の電子は不安定で、自発的に低エネルギー準位に遷移します。その影響は吸収される場合もあれば、特殊な励起効果を生み出し、「自発放出」を引き起こす場合もあります。したがって、原子系では、高エネルギー準位の電子が低エネルギー準位に遷移する際に、「自発放出」と「誘導放出」という2つの現象が起こります。
自発放射とは、高エネルギー状態にある電子が不安定で、外部環境（温度、電気、磁気）の影響を受け、自発的に低エネルギー状態へ遷移し、余剰エネルギーが光子の形で放射される現象です。この種の放射の特徴は、各電子の遷移が独立してランダムに行われることです。異なる電子の自発放出光子の状態は異なります。光の自発放出は「非干渉性」状態であり、散乱方向を持ちます。しかし、自発放射は原子自体の特性を持ち、異なる原子の自発放射スペクトルは異なります。このことを考えると、物理学の基本知識である「あらゆる物体は熱を放射する能力を持ち、電磁波を継続的に吸収・放出する能力を持つ。熱によって放射される電磁波には一定のスペクトル分布があり、このスペクトル分布は物体自体の特性と温度に関係する」という法則が思い浮かびます。したがって、熱放射が存在する理由は、原子の自然放出である。
誘導放出では、高エネルギー準位の電子が「条件に適した光子」の「刺激」または「誘導」によって低エネルギー準位に遷移し、入射光子と同じ周波数の光子を放出します。誘導放出の最大の特徴は、誘導放出によって生成された光子が、誘導放出を生成した入射光子と全く同じ状態であることです。つまり、「コヒーレント」状態にあり、周波数も方向も同じであるため、両者を区別することは全く不可能です。このようにして、1つの誘導放出によって1つの光子が2つの同一の光子に分裂します。これは、光が強められる、つまり「増幅される」ことを意味します。
それでは、より頻繁な誘導放射線を得るために必要な条件を改めて分析してみましょう。
通常、高エネルギー準位の電子数は低エネルギー準位の電子数よりも常に少なくなります。原子に誘導放出を起こさせたい場合、高エネルギー準位の電子数を増やす必要があるため、「ポンプ源」が必要です。ポンプ源の目的は、低エネルギー準位の電子を高エネルギー準位に励起することです。これにより、高エネルギー準位の電子数が低エネルギー準位の電子数よりも多くなり、「粒子数反転」が起こります。高エネルギー準位の電子は非常に短い時間しか存在できません。時間が経つと、より低いエネルギー準位に遷移するため、誘導放出による放射線の発生確率が高まります。
もちろん、「励起光源」は原子ごとに設定されています。これにより電子が「共鳴」し、より多くの低エネルギー準位の電子が高エネルギー準位にジャンプできるようになります。読者の皆さんは、レーザーとは何か、レーザーはどのように生成されるのかを大まかに理解できるでしょう。レーザーとは、特定の「励起光源」の作用によって物体の原子が「励起」された「光放射」のことです。これがレーザーです。
投稿日時：2024年5月27日
