レーザー発生の原理

なぜレーザーの原理を知る必要があるのでしょうか？

一般的な半導体レーザー、ファイバー、ディスク、およびYAGレーザーまた、選考過程において、より深い理解を得たり、より多くの議論に参加したりするのに役立ち得る。

この記事は主に一般向けの科学解説に焦点を当てており、レーザー発生の原理、レーザーの主要構造、およびいくつかの一般的なレーザーの種類について簡単に紹介しています。

まず、レーザー発生の原理

レーザーは、誘導放射増幅として知られる光と物質の相互作用によって生成されます。誘導放射増幅を理解するには、アインシュタインの自然放出、誘導吸収、誘導放射の概念、およびいくつかの必要な理論的基礎を理解する必要があります。

理論的基礎１：ボーアモデル

ボーアモデルは主に原子の内部構造を説明し、レーザーの発生メカニズムを理解しやすくします。原子は原子核と原子核の外側の電子から構成され、電子の軌道は任意ではありません。電子は特定の軌道しか持たず、その中で最も内側の軌道は基底状態と呼ばれます。電子が基底状態にある場合、そのエネルギーは最低です。電子が軌道から飛び出すと、第一励起状態と呼ばれ、第一励起状態のエネルギーは基底状態よりも高くなります。別の軌道は第二励起状態と呼ばれます。

レーザーが発生する理由は、このモデルでは電子が異なる軌道を運動するためです。電子がエネルギーを吸収すると、基底状態から励起状態へと遷移します。電子が励起状態から基底状態に戻る際にはエネルギーを放出し、それがしばしばレーザー光として放出されます。

理論的基礎2：アインシュタインの誘導放射理論

1917年、アインシュタインは誘導放射の理論を提唱しました。これはレーザーおよびレーザー生成の理論的基礎となる理論です。物質の吸収または放出は、本質的に放射場と物質を構成する粒子との相互作用の結果であり、その核心は粒子が異なるエネルギー準位間を遷移することです。光と物質の相互作用には、自発放出、誘導放出、誘導吸収という3つの異なるプロセスがあります。多数の粒子を含む系では、これら3つのプロセスは常に共存し、密接に関連しています。

自然放出：

図に示すように、高エネルギー準位E2にある電子が自発的に低エネルギー準位E1に遷移し、エネルギーhvの光子を放出します。ここでhv=E2-E1です。この自発的で無関係な遷移過程を自発遷移と呼び、自発遷移によって放出される光波を自発放射と呼びます。

自然放出の特性: 各光子は独立しており、方向と位相が異なり、発生時間もランダムです。これは非干渉性で混沌とした光に属し、レーザーに必要な光ではありません。したがって、レーザー生成プロセスでは、この種の迷光を低減する必要があります。これは、さまざまなレーザーの波長に迷光がある理由の 1 つです。適切に制御すれば、レーザー内の自然放出の割合は無視できます。1060 nm のようにレーザーがより純粋であれば、すべて 1060 nm であり、このタイプのレーザーは比較的安定した吸収率と出力を持ちます。

吸収促進：

低エネルギー準位（低軌道）にある電子は、光子を吸収した後、高エネルギー準位（高軌道）へ遷移します。この過程は誘導吸収と呼ばれます。誘導吸収は非常に重要であり、主要な励起過程の一つです。レーザーの励起光源は、利得媒質中の粒子を遷移させ、高エネルギー準位での誘導放射を待つための光子エネルギーを供給し、レーザー光を放出します。

誘導放射線：

外部エネルギー（hv=E2-E1）の光が照射されると、高エネルギー準位の電子は外部光子によって励起され、低エネルギー準位に遷移します（高軌道から低軌道へ）。同時に、外部光子と全く同じ光子を放出します。この過程では元の励起光は吸収されないため、同一の光子が2つ生成されます。これは、電子が以前に吸収した光子を放出するものと理解できます。この発光過程は誘導放射と呼ばれ、誘導吸収の逆過程です。

理論が明確になれば、上の図に示すように、レーザーの構築は非常に簡単です。通常の材料安定状態では、電子の大部分は基底状態にあり、レーザーは誘導放射に依存します。したがって、レーザーの構造は、まず誘導吸収を起こして電子を高エネルギー準位にし、次に励起を与えて多数の高エネルギー準位の電子に誘導放射を起こさせ、光子を放出し、それによってレーザーを生成することです。次に、レーザーの構造について説明します。

レーザー構造：

レーザー構造と前述のレーザー発生条件を一つずつ照合してください。

発生条件とそれに対応する構造：

1. レーザーの動作媒体として増幅効果を提供する利得媒体があり、その活性化粒子は誘導放射を生成するのに適したエネルギー準位構造を有し（主に電子を高エネルギー軌道に励起して一定期間存在し、その後誘導放射によって一息に光子を放出する）、

2. 外部励起源（ポンプ源）があり、電子を下の準位から上の準位に励起し、レーザーの上準位と下準位の間で粒子数の反転（つまり、低エネルギー粒子よりも高エネルギー粒子が多い状態）を引き起こします。例えば、YAGレーザーのキセノンランプなどです。

3. 共振空洞があり、レーザー発振を実現し、レーザー加工材料の作動長を延長し、光波モードを遮蔽し、ビームの伝搬方向を制御し、誘導放射周波数を選択的に増幅して単色性を向上させます（レーザーが一定のエネルギーで出力されることを保証します）。

対応する構造は上の図に示されており、これはYAGレーザーの単純な構造です。他の構造はより複雑な場合もありますが、基本構造はこれです。レーザー発生プロセスは図に示されています。

レーザーの分類：一般的に利得媒体またはレーザーエネルギー形態によって分類される

ゲイン媒体の分類:

二酸化炭素レーザー: 二酸化炭素レーザーの利得媒体はヘリウムであり、CO2レーザー、レーザー波長が 10.6μm のレーザーは、発売された初期のレーザー製品の一つです。初期のレーザー溶接は主に二酸化炭素レーザーに基づいており、現在では主に非金属材料 (布、プラスチック、木材など) の溶接や切断に使用されています。また、リソグラフィー装置にも使用されています。二酸化炭素レーザーは光ファイバーを通すことができず、空間光路を伝搬します。初期の通快は比較的うまく行われ、多くの切断装置が使用されました。

YAG（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー：ネオジム（Nd）またはイットリウム（Yb）金属イオンをドープしたYAG結晶をレーザー利得媒体として使用し、発光波長は1.06μmです。YAGレーザーはより高いパルスを出力できますが、平均出力は低く、ピーク出力は平均出力の15倍に達することができます。主にパルスレーザーの場合、連続出力は実現できません。しかし、光ファイバーを通して伝送することができ、同時に金属材料の吸収率が増加し、高反射材料への応用が始まっており、最初に3C分野で応用されました。

ファイバーレーザー：現在の市場の主流は、イッテルビウム添加ファイバーを利得媒体として使用しており、波長は1060nmです。媒体の形状に基づいて、ファイバーレーザーとディスクレーザーにさらに分類されます。ファイバーレーザーはIPG、ディスクレーザーはTongkuaiに相当します。

半導体レーザー：利得媒体は半導体PN接合であり、半導体レーザーの波長は主に976nmです。現在、半導体近赤外レーザーは主にクラッド加工に用いられ、光スポット径は600μm以上です。Laserlineは半導体レーザーの代表的な企業です。

エネルギー作用の形態による分類：パルスレーザー（PULSE）、準連続レーザー（QCW）、連続レーザー（CW）

パルスレーザー：ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒、この高周波パルスレーザー（ns、パルス幅）は、多くの場合、高いピークエネルギー、高周波（MHZ）加工を実現でき、薄い銅やアルミニウムなどの異種材料の加工や、主に洗浄に使用されます。高いピークエネルギーを使用することで、ベース材料を素早く溶融でき、動作時間が短く、熱影響部が小さくなります。0.5mm以下の超薄型材料の加工に利点があります。

準連続レーザー (QCW): 高い繰り返し周波数と低いデューティサイクル (50%) により、パルス幅はQCWレーザー50 マイクロ秒から 50 ミリ秒に達し、キロワットレベルの連続ファイバーレーザーと Q スイッチパルスレーザーの間のギャップを埋めます。準連続ファイバーレーザーのピークパワーは、連続モード動作時の平均パワーの 10 倍に達します。QCW レーザーには、一般的に 2 つのモードがあります。1 つは低出力での連続溶接、もう 1 つは平均パワーの 10 倍のピークパワーを持つパルスレーザー溶接で、より厚い材料やより多くの熱溶接を実現し、熱を非常に狭い範囲に制御できます。

連続波レーザー（CW）：これは最も一般的に使用されているタイプで、市場に出回っているレーザーのほとんどは、溶接加工用にレーザー光を連続的に出力するCWレーザーです。ファイバーレーザーは、コア径やビーム品質の違いによってシングルモードレーザーとマルチモードレーザーに分類され、さまざまな用途に対応できます。