2015 年は国際光および光ベースのテクノロジー年 (IYL2015) であり、ユネスコ理事会が毎年 5 月 16 日を「国際光の日」とする決定に署名した年でもあります。 5月16日を選んだ理由は…
国際光および光ベースの技術年 (IYL2015) である 2015 年に、ユネスコ理事会は毎年 5 月 16 日を国際光の日に指定する決定に署名しました。
5 月 16 日が選ばれたのは、1960 年 5 月 16 日にアメリカの物理学者メイマンが人類史上最初のレーザー光線を作成したからです。
メイマンとルビーレーザー。
では、レーザーとは一体何なのでしょうか？ そしてなぜそれがそれほど重要なのでしょうか?
これら 2 つの質問に答えるには、メイマンの研究の原因と結果を理解する必要があります。
なぜ物体は光を発するのでしょうか?
1912 年当時、物理学者たちはまだ世界の基盤である原子がどのようなものであるかに夢中でした。
この年、デンマークの物理学者ボーアによる 3 つの論文が発表されました。ボーアは量子論をラザフォードの原子模型に適用し、有名なボーア模型を提案しました。
ボーアのモデルは、当時他のモデルでは説明できなかった現象を説明でき、後に実験で確認できるいくつかの結果を予測したため、その後科学界に一般的に受け入れられました。
ボーア模型は惑星模型であり、マイナスに帯電した電子が惑星のようにプラスに帯電した原子核の周りを移動することを意味します。
ボーア模型の微妙な点は、これらの電子の軌道がランダムに選択されるのではなく、特定の値にのみ選択されることです。
水素原子のボーア模型。
最も内側の電子軌道は基底状態と呼ばれ、外側の層の軌道は第 1 励起状態、外側の層は第 2 励起状態などと呼ばれます。
これらの異なる軌道の電子エネルギーが異なることに気づくことができるため、これらの軌道を「平坦化」することができ、いくつかのエネルギー準位が得られます。 自然放射線エネルギーレベル。
エネルギー保存のため、電子は低エネルギー レベルから高エネルギー レベルにジャンプしようとします。対応するエネルギーを外界から吸収する必要があります。このプロセスを誘導吸収と呼びます。 同様に、電子が高いエネルギー準位から低いエネルギー準位に落ちると、必ず対応するエネルギーも放出されます。このプロセスは光子を放出する、つまり電子が発光することが証明されているため、このプロセスはと呼ばれます自然放射線。
私たちの生活の中で一般的な光源の発光原理は自然放射です。
蛍光灯。
光を「振る舞わせる」
自然放射線によって生成される光にはいくつかの問題があります。原子には多くのエネルギー準位があり、これらの光子は第 1 エネルギー準位の自然放射線によって生成される場合もあれば、第 3 エネルギー準位の自然放射線によって生成される場合もあります……
これにより、これらの光子のエネルギーが異なり、単一の光子のエネルギーが光の周波数を決定します。つまり、自然放射によって生成される光の周波数はランダムになります。
もう1つの点は、自然放射が光子を生成するタイミングと、光子の動きの方向も私たちの制御下になく、自然放射が光を生成することになり、位相もランダムであるということです。
ここで言う周波数と位相はすべて電磁波としての光の性質です。 周波数は光波の振動の速度として理解でき、これによって私たちが見る光の色も決まります。 位相は光波の透過位置として理解できます。
電磁波としての光。
つまり、通常の光源によって生成される光は、地下鉄に群がる人々のようなものです。彼らは老若男女、さまざまな色の服を着て地下鉄に乗り、歩く速度はそれほど速くなく、すでに慣れている人もいます。電車の中ではまだ切符をチェックしている人もいる。
これにより、通常の光源が使用されるようになりましたが、日常生活では十分に使用できますが、科学研究、特に光の性質の研究の分野では、その威力は非常に一般的です。
最後に、1917 年に、光への別の方法が浮上しました。それは、アインシュタインが誘導放射理論を提案したことです。
刺激された放射線。
励起放射理論とは、光子が衝突したときの電子の最初の励起状態と、この光子のエネルギーが最初の励起状態および基底状態間のギャップに正確に等しいと仮定します。電子上の励起状態は、自然放射の場合を完了するように「誘惑」され、「同一の」光子が放出されます。
この「誘惑された光子」の存在により、このプロセスを励起放射線と呼びます。
十分な高エネルギー電子がある場合、このプロセスは継続し、最終的に「誘惑された」光子の大きなグループを形成します。このプロセスを光増幅プロセスと呼びます。最も重要なことは、これらの光子の位相と周波数が正確に一致していることです。同じ。 整然とした軍隊のようなものと、上記の「地下鉄を圧迫する」自然放射線とはまったく異なります。
レーザーを構築するには何段階の手順が必要ですか?
最初のステップは粒子数の反転です。
励起放射線の理論では、人々はこの理論をどのように利用して、整然とした光を放射できる光源を構築するか疑問に思います。
読者の中にはこう言う人もいるかもしれない、「なぜ光を取り出して、それを照らしてみればいいの？それの何がそんなに難しいの？」
このような疑問を抱いている読者は、先に述べた「十分」という言葉に注意し、励起吸収という現象を忘れないでください。
高エネルギー準位の電子が十分に存在しない場合、励起放射線の数は励起吸収の数より少なくなり、光線が当たると放出光は増幅されず、基底状態の電子励起吸収となり、その結果、光の損失で。
実際、自然の場合、たとえば 2 エネルギー系 (つまり、基底状態と最初の励起状態のみ) の室温では、基底状態の電子の数は励起電子の数よりもはるかに多くなります。エネルギーシステム）基底状態の電子の数は励起電子の数の 170 倍の約 10 倍です。
したがって、励起放射線の原理を利用して光源を作成するには、最初に解決すべき問題は、より高いエネルギー レベルの粒子の数をより低いエネルギー レベルの粒子の数よりも多くすること、つまり粒子数を達成することです。反転。
粒子数の逆転を達成するにはどうすればよいでしょうか?
基本的な考え方は、ちょうどポンプのように、粒子を基底状態から高エネルギー状態に送り出すことです。
これは言うは易く行うは難しです。
水ポンピング粒子。
2 番目のステップは、前任者を構築することです。
1951 年、アメリカの物理学者タウンズは、アンモニア分子内で粒子数の反転を実現する方法を考え出しました。
アンモニア分子は 2 つのエネルギー系であり、励起吸収と励起放射線の確率が同じであり、自発放射線も存在するため、通常の状況下では粒子数の反転を達成することは不可能です。より高いエネルギーレベルにある粒子の数は、基底状態にある粒子の数よりも少なくなければなりません。
タウンズのアプローチは独創的で、磁場を使って基底状態と励起状態のアンモニア分子を区別し、励起状態のアンモニア分子を選び出してマイクロ波共鳴空洞に置き、そこで粒子数の逆転が達成された。
3 年後、このアイデアを使用して、タウンズは最初の「MASER」を構築しました。 メーザーとは何ですか？
MASER は Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation と呼ばれ、翻訳すると「誘導放射によるマイクロ波の増幅」となります。 レーザー LASER は、light Amplification by Stimulated Emission of Radiation と呼ばれ、「誘導放射線による光の増幅」と訳されます。
光は電磁波であると上で述べましたが、マイクロ波もまた電磁波です。
電磁波は周波数によって分類され、マイクロ波は300MHz～300GHz、可視光線は10の14乗Hzの3.9～7.5倍となります。
MASER と LAZER の違いは名前からもわかりますが、主に動作帯域の違いであり、MASER は LASER の一歩手前にあります。
タウンズと初代MASER。
3 番目のステップは、レーザーの 3 つの主要コンポーネントを完成させることです。
MASER の導入により、粒子数逆転問題が解決されました。 わずか 3 年間で、この技術は飛躍的に進歩しました。現時点では、誰もがこのマイクロ波増幅器を光増幅器に変え、夢の光源であるレーザーを作成することで、さらに一歩前進することを急いでいます。
これまでのところ、レーザーの 3 つの主要コンポーネントの構成を漠然と要約することができました。
1 つ目は、アンモニア分子のような物質の粒子数の反転を達成する必要があることです。これを利得媒質と呼びます。 2 つ目は適切なポンピング方法で、これをポンピングと呼びます。 3 つ目は、上記の共鳴空洞のあるタウンです。共鳴空洞の役割については後で説明します。
1958 年、タウンズとショーロは、理論的な観点から初めてレーザーの実現可能性を予測する理論論文を共同執筆しました。 この時点で、風以外はすべてタウンズへの準備が整いました。
1960 年 5 月 16 日、メイマンは別の道を歩み、人類史上初のレーザーを初めて製造しました。
メイマンが最初にそこにたどり着いた経緯は、多くの紆余曲折を経た興味深い物語です。 しかし、ここでは彼のルビーレーザーに焦点を当てましょう。
ルビーレーザーの模式図。
このレーザーは、レーザーの 3 つの主要なコンポーネントを非常に明確に示しているので、それらを順番に紹介していきます。
ゲイン媒体:
メイマン氏が選択した利得媒体は、クロムをドープした三酸化アルミニウムであるルビーです。
3 つのエネルギー システムの概略図。
この利得媒質は 3 つのエネルギー システムであり、粒子数の反転を実現するこの 3 つのエネルギー システムは、前の 2 準位システムよりもはるかに単純です。 ルビーの 3 準位システムにはいくつかの特別な特徴があり、ポンピング プロセスによって粒子数の反転がどのように達成されるかを理解できます。
まず、基底状態の粒子は適切な励起によって直接 E3 エネルギー準位に輸送され、E3 エネルギー準位と E2 エネルギー準位の間には放射線のない飛躍プロセスがあり、これは E3 上の粒子が衝突によってすぐに E2 に向かうことを意味します。となり、減少したエネルギーは発光ではなく熱運動エネルギーとなります。
さらに、E2 状態は準安定です。つまり、E3 エネルギー準位にある粒子は、長時間 E2 エネルギー準位に留まる可能性があります。 これは、粒子を基底状態から E2 に輸送するための遷移として E3 エネルギー レベルを使用することに相当し、プロセスを続行すると、E2 の粒子の数が基底状態の粒子の数を超え、粒子数が達成されます。反転。
実際、ルビー レーザーの効率は非常に低く、わずか 0.1% です。これは利得媒質によって制限されます。これは、3 つのエネルギー システムが基底状態の粒子を励起するために非常に高いエネルギーを必要とするためです。高エネルギー状態。 また、このレーザーの波長は 694.3 nm ですが、これも利得媒質によって決まります。
レーザーの発展に伴い、利得媒質の種類は気体、固体、液体、ファイバー、半導体など徐々に増えていき、教室でよく使われるレーザーポインターは半導体レーザーです。
つまり、どの利得媒体であっても、粒子数の反転を達成できる方法が必要です。
ポンピング:
最初のルビーレーザーのポンプランプ。
マインマンのレーザーの最も明白な特徴は、そのポンプ源がスパイラルキセノンランプであり、スパイラル形状によりランプの間にルビーバーが確実に配置されることです。 さらに、このランプは依然としてポンピングにパルス光を使用しています。つまり、放射される光は連続的ではなく、バースト的です。 これは、継続的な高エネルギー励起光が結晶を損傷しないようにするための、Meynman の最も重要な設計です。
共鳴空洞:
共振空洞の概略図。
メイマンは、ルビーの棒の両端に 2 つの鏡を配置し、右側に小さな穴を掘りました。そうすることで、励起された放射線からの光が利得媒質を通って往復して、より多くの光子を「誘惑」し、到達した後、一定の強度があると、レーザー光が小さな穴を通して放射されます。
レーザーの用途は何ですか?
メイマンはレーザーの発明後に記者会見を開き、記者がこの質問をしたところ、メイマンは次の 5 つの提案をしました。
1. 光を増幅するために使用されます。たとえば、高出力レーザーを製造する場合、光増幅器を使用して弱い光を増幅します。
2. レーザーを使用して物質を研究できる。
3. 宇宙通信に高出力レーザー光線を使用する。
4. 通信用のチャネルの数を増やすために使用されます（これが後に光ファイバー通信として登場しました）。
5. 産業で材料を切断または溶接したり、医療で手術を行ったりするために、ビームを集中させて超高強度の光を生成します。
私たちはメーマンの鋭い科学的センスを賞賛する必要があり、彼が行ったこれらの提案はすべて後に実現されました。
励起放射線によって生成される光子の特性を覚えていますか?
それらは同じ周波数と位相を持ち、レーザーは基本的に励起された放射線からの光を増幅したものであるため、レーザーの 2 つの最も重要な特性は良好な単色性と高エネルギーです。 これら 2 つの特性はレーザーの用途を決定し、これらがレーザー開発の 2 つの方向です。
良好な単色性は、レーザースペクトルが非常に狭く、光の特性を波として簡単に示すことができることを意味し、それを使用して位相情報を記録できます。
たとえば、1947 年に英国の物理学者デニス ガーバーによって発明されたホログラフィック写真技術は、本質的には光の位相を利用して物体に関する全範囲の情報を記録し、3 次元写真の効果を生み出すものです。
ホログラム写真は正面情報だけでなく側面情報も記録できます。
この技術が利用可能になったのはレーザーの発明後であり、1971 年にノーベル物理学賞を受賞しました。
高エネルギーについてはよく理解されており、レーザーを使用して CD を焼いたり、核融合を可能にしたり、材料を切断したりすることができます。連続的な高エネルギー レーザーを生成できるだけでなく、非常に短いパルスで高エネルギー レーザーを取得することもできます。ロックドフィルム技術とチャープ増幅による持続時間。
フィルムロック技術によるパルス生成の図。
フェムト秒レーザーは現在広く入手可能であり、単一パルスの持続時間はわずかフェムト秒（10 のマイナス 15 秒）程度です。
このレーザーを使用すると、近視の修復手術、物質の表面の変更、消毒特性の強化など、大きな損傷を与えることなく物質に正確な打撃を与えることができます。
