レーザー媒質

レーザー媒質：光の増幅を担う物質

レーザーの発振には、光を増幅する物質、レーザー媒質が不可欠です。レーザー媒質は、活性媒質、利得媒質、あるいは英語のlaser mediumやlasing mediumとも呼ばれます。この物質は、吸収よりも速い速度で誘導放出を起こすことで、光の増幅を実現します。

レーザー発振と反転分布

レーザーを発振させるには、レーザー媒質中の電子が特定のエネルギー状態、すなわち反転分布と呼ばれる状態になる必要があります。反転分布とは、通常の状態よりも高いエネルギー準位に電子が多く存在する状態です。この状態を作り出すには、外部からレーザー媒質にエネルギーを供給する必要があります。このエネルギー供給のプロセスをレーザーポンピングと呼びます。

ポンピングには様々な方法があります。半導体レーザーや気体レーザーでは電流、放電灯や別のレーザー光源（半導体レーザーなど）では光が用いられます。さらに、自由電子レーザーなどでは高エネルギー電子線がポンピングに使用されます。

レーザー媒質の種類

レーザー媒質として利用される物質は多岐に渡ります。代表的な例として以下が挙げられます。

気体: ヘリウム・ネオン混合気体(HeNe)、窒素、アルゴン、一酸化炭素、二酸化炭素、金属蒸気など
[結晶]]: イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)、オルトバナジン酸イットリウム]、[サファイア]、臭化[セシウムカドミウム]など。これらには、[[ネオジム、イッテルビウム、エルビウムなどの希土類イオンや遷移金属イオンが含まれていることが多いです。
[半導体]]: ガリウム砒素(GaAs)、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、窒化[[ガリウム]など
液体: 色素レーザーでは、色素の溶液が用いられます。
* ガラス: レーザー活性イオンを添加したケイ酸ガラスやリン酸ガラスなど

レーザー媒質のモデル

全てのレーザー媒質に適用できる普遍的なモデルはありません。しかし、最も単純なモデルとして、高エネルギー準位群と低エネルギー準位群の二つの準位群からなる系が考えられます。このモデルでは、各準位群内では準位間の高速な遷移により熱平衡が速やかに達成され、マクスウェル・ボルツマン統計に従うと仮定します。高エネルギー準位群は準安定であり、利得と屈折率は特定の励起の仕方に依存しないと仮定します。

レーザー媒質が効率的に動作するには、準位群間のエネルギー差が動作温度よりも大きく、ポンプ光の周波数において吸収が支配的である必要があります。光信号の増幅が起こる場合、レーザー光の周波数を「信号周波数」と呼びます。ただし、レーザー発振器において増幅された光が情報ではなくエネルギーを輸送する場合にも同じ用語が使われます。以下に記述するモデルは、多くの光ポンピング固体レーザーに適用できます。

断面積と速度論方程式

単純なレーザー媒質は、ポンプ光周波数における実効吸光断面積と信号光周波数における実効発光断面積によって特徴付けられます。これらの断面積、活性中心の濃度、基底状態と励起状態にある活性中心の濃度などを用いて、活性中心の励起と脱励起の速度論方程式を記述できます。これらの式から、定常状態における励起状態の割合、利得、吸光などが計算できます。

定常状態解と効率

レーザー媒質が連続波または準連続波で動作する場合、定常状態において濃度の時間微分をゼロと置くことで、定常状態解を求めることができます。この解から、飽和強度、利得、吸光などを計算し、レーザー媒質の効率を評価することができます。レーザー媒質の効率は、信号光出力とポンプ光入力の比で定義されます。効率的な動作のためには、ポンプ光と信号光の強度がそれぞれ飽和強度を超える必要があります。

空間的ホールバーニング

ここまで述べたモデルは、レーザー媒質が均一な信号光とポンプ光で満たされている場合に有効です。しかし実際には、空間的ホールバーニングと呼ばれる現象により、ポンプ光が強い領域でも信号光への変換効率が低下することがあります。これは、干渉効果などにより信号光の増幅が均一に行われないためです。

参考文献

本文中に記載されている参考文献に加え、レーザー科学に関する専門書や論文を参照することで、より詳細な情報を得ることができます。

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