コンテンツ
- レーザーの定義
- レーザービームの作り方
- 人口反転
- レーザー原理
- レーザーの種類の分類
- レーザーのコンポーネント
- ヘリウムネオンレーザー
- アルゴン、クリプトン、キセノンイオンレーザー
- 二酸化炭素レーザー
- エキシマレーザー
レーザーを介して光の力を活用することにより、レーザーをさまざまな目的に使用し、それら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、光の形で放射線を発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活用できます。
レーザーの定義
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、放射線が電磁波からガンマ線まで、電磁スペクトルの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。
一般に、レーザーの光は狭い経路に沿って進みますが、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、それらを海岸の海の波のような波と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段階的であり、同じ周波数と波形を持っているかどうかを説明するコヒーレンスという観点からレーザーを説明しています。レーザーを山、谷、谷を持つ波と考えると、位相差は、1つの波が他の波と完全に同期していない程度、または2つの波が重なり合って離れている距離になります。
光の周波数は、特定のポイントを1秒間に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。
光子は、個々のエネルギーの量子粒子であり、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単一光子のエネルギーの倍数のエネルギーを持ち、それがこれらの量子「パケット」に入ることを意味します。これが電磁波を粒子のようにするものです。
レーザービームの作り方
多くのタイプのデバイスは、光学キャビティなどのレーザーを放出します。これらは、電磁放射を放出する物質からの光を反射するチャンバーです。それらは一般に、材料の両端に1つずつある2つのミラーで構成されているため、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。材料内の電子の高エネルギー状態は、不安定または励起状態になる可能性が高く、レーザーは光を介してこれらを放出します。
懐中電灯からの光など、他のライトとは異なり、レーザーは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が前後に来る波の山と谷に揃い、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放つ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個別のビームの形をとりますが、一部のレーザーは、広い連続した範囲の光を発します。
人口反転
発生する可能性のある外部エネルギー源によって駆動されるレーザーの特徴の1つは、反転分布です。これは誘導放出の一形態であり、励起状態にある粒子の数が低レベルのエネルギー状態にある粒子の数よりも多い場合に発生します。
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、共振光空洞内に配置すると、レーザー発振器が作成されます。
レーザー原理
電子を励起および放出するこれらの方法は、多くの用途で見られるレーザー原理であるエネルギー源であるレーザーの基礎を形成します。電子が占有できる量子化されたレベルは、放出す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、核に近接して密に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互いに衝突するために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はランダムな位相と方向を持ちます。これは、不確実性の原理により、科学者が完全な精度で粒子の位置と運動量の両方を知ることができないためです。粒子の位置を把握するほど、その運動量は少なくなり、その逆も同様です。
Planckの式を使用して、これらの放出のエネルギーを計算できます E =hν エネルギーのために E ジュール、周波数 ν sの電子の-1 およびPlancks定数 h = 6.63 × 10-34 m2 kg / s。 光子が原子から放出されるときに持つエネルギーは、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、計算します ν この放出のエネルギー値を使用します。
レーザーの種類の分類
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、使用する光の波長です。
レーザー電磁放射の波長は、使用するエネルギーの周波数と強度を決定します。波長が大きいほど、エネルギーの量が少なくなり、周波数が小さくなります。対照的に、光ビームの周波数が大きくなると、より多くのエネルギーを持つことになります。
レーザー素材の性質別に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、ヘリウムやネオンのようなチューブ内のガスの混合物を使用して、赤色を作り出します。色素レーザーは、液体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、通常液体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半導体材料の2つの層を使用します。半導体は、化学物質の導入や温度変化により、少量の不純物や化学物質を使用する絶縁体と導体の強度の間の強度を使用して電気を伝導する材料です。
レーザーのコンポーネント
すべての異なる用途で、すべてのレーザーは、電子とこの光源を刺激する何かを放出する固体、液体、または気体の形の光源のこれら2つのコンポーネントを使用します。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の場合があります。
レーザーの中には、ポンピングシステムを使用するものがあります。ポンピングシステムは、レーザー媒質内の粒子のエネルギーを増加させ、励起状態に到達させて反転分布を生成する方法です。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で使用できます。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、システムは衝突ポンピングと呼ばれます。
レーザービームのコンポーネントは、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出力を使用します。高出力システムでは、一般に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
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の電極間に小さな直流放電を使用しています。
ヘリウムの電子が励起されると、ネオン原子間で反転分布を作成する衝突を通じてネオン原子にエネルギーを放出します。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線で使用されます。
アルゴン、クリプトン、キセノンイオンレーザー
アルゴン、クリプトン、キセノンの3種類の希ガスは、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3つのガスを混合して、特定の周波数と放出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、反転分布に達するまで互いに衝突することで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と、光の特異な周波数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、光の周波数の多くの組み合わせから選択できます。
これらのレーザーは、非常に安定した出力を生成し、多くの熱を生成しません。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灯で使用されているのと同じ化学的および物理的原理を示しています。
二酸化炭素レーザー
二酸化炭素レーザーは、連続波レーザーの中で最も効率的かつ効果的です。それらは、炭酸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、異なる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、どれが大量の電力を生成できるかを判断することができます。無駄に行きます。ヘリウムネオンレーザーの効率は0.1％未満ですが、二酸化炭素レーザーの割合は約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、二酸化炭素レーザーは、適切な周波数を反射または送信するために、ヘリウムネオンレーザーとは異なり、特別なコーティングが必要です。
エキシマレーザー
エキシマレーザーは、1975年に最初に発明されたときに、マイクロサージェリー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た紫外線（UV）を使用します。それらの名前は、「励起二量体」という用語に由来します。二量体は、電磁スペクトルの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電気的に励起されるガスの組み合わせの産物です。
これらのレーザーは、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガスとともに、塩素やフッ素などの反応性ガスを使用します。医師と研究者は、眼科手術用レーザーの用途にどれだけ強力かつ効果的に使用できるかを考えて、手術用途での使用を引き続き検討しています。エキシマレーザーは角膜で熱を発生させませんが、そのエネルギーは角膜組織の分子間結合を「光破壊分解」と呼ばれるプロセスで破壊し、目に不必要な損傷を与えません。