ルビーレーザー

ルビーレーザーとは

ルビーレーザーは、固体レーザーの一種であり、レーザー媒質にルビー（酸化アルミニウム結晶に微量のクロムイオンを添加したもの）を用いることからこの名がついています。厳密には、発光に関わるのはルビー中の3価クロムイオン(Cr3+)であり、ルビーでなくとも、このクロムイオンを適切に含む物質であれば同様のレーザー発振が可能です。1960年にセオドア・ハロルド・メイマンによって世界初のレーザー発振が実現され、その後、ウィラード・ボイルによって持続的な動作が可能なルビーレーザー装置が開発されました。

ルビーレーザーの構造

ルビーレーザー装置は、主に以下の3つの要素で構成されています。

レーザー媒質: レーザー光を発生させるための物質です。ルビーレーザーの場合は、クロムイオンがドープされた合成ルビーが使用されます。これは、酸化アルミニウム(Al2O3)の結晶構造において、一部のアルミニウム原子が発光原子であるクロムに置き換わったものです。クロムの含有率は、全体の0.01%から0.5%程度です。
励起装置: レーザー媒質にエネルギーを与え、発光に必要な状態（反転分布）を作り出すための装置です。ルビーレーザーでは、主にフラッシュランプなどの強力な光を用いて励起を行います。
光共振器: レーザー媒質で発生した光を増幅し、レーザービームとして取り出すための装置です。通常、2枚の反射鏡を向かい合わせに配置し、光を往復させることで増幅を行います。

ルビーレーザーの原理

ルビーレーザーは、3つのエネルギー準位を利用する3準位レーザーです。以下に、その発振の原理を説明します。

1. 励起: まず、レーザー媒質中のクロム原子は、励起装置からの光エネルギーを吸収し、高いエネルギー状態（励起状態）になります。
2. 緩和: 励起されたクロム原子は、約100ナノ秒（ns）という短い時間で、準安定状態と呼ばれる比較的安定なエネルギー状態に遷移します。
3. 反転分布: 準安定状態にあるクロム原子は、基底状態に戻るまでの時間が約3ミリ秒（ms）と比較的長いため、この間に準安定状態にある原子の数が、基底状態にある原子の数よりも多くなります。この状態を反転分布と呼びます。
4. 誘導放出: 反転分布が形成された状態で、外部からの光や、自然放出された光によって、準安定状態にあるクロム原子が基底状態に戻る際に、特定の波長（694.3nm）の光を放出します。この現象を誘導放出と呼びます。
5. レーザー発振: 誘導放出された光は、光共振器内で反射を繰り返すうちに増幅され、最終的に強力なレーザービームとして出力されます。

3準位レーザーは、下準位が基底状態であるため、反転分布を形成するには強力な励起エネルギーが必要です。そのため、より効率的な4準位レーザーが、現在の固体レーザーでは主流となっています。

ルビーレーザーの用途

ルビーレーザーは、その効率の低さから、研究や産業分野での利用は限定的です。しかし、特定の用途においては有用性が認められます。

医療分野: 特に美容医療においては、ルビーレーザーが発する赤色光がメラニン色素によく吸収されるという特性を利用し、シミやホクロの除去に用いられています。
ホログラフィー: ルビーレーザーの発する赤色光は、ホログラフィーの作成にも利用されます。波長の安定性が高く、干渉縞を形成しやすい性質を持つためです。

関連項目

レーザー
反転分布
誘導放出

もう一度検索