レーザー

レーザーとは

レーザー（英: laser）は、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（誘導放出による光増幅放射）の略称であり、特に指向性に富み、ほぼ単一波長の電磁波を生成する装置を指します。本記事では、レーザーの原理、特徴、歴史、種類、応用について詳述します。

原理

レーザー光は、レーザー発振器と呼ばれる装置によって人工的に生成されます。これは、キャビティと呼ばれる光共振器、媒質、ポンピング装置から構成されています。キャビティ内には二枚の鏡が配置され、一部が半透過性になっています。この構造により、光はキャビティ内で何度も反射され、定常波を形成します。

ポンピングは、媒質内の粒子を高エネルギー状態に持ち上げ、誘導放出を促進します。媒質において、吸収よりも誘導放出が優先される反転分布が形成され、光が媒質を通過する際に増幅されます。これにより、レーザー光が生成され、キャビティから外部に出力されます。

特徴

可干渉性（コヒーレンス）

レーザー光の最も顕著な特性は、その高いコヒーレンスです。光の空間的コヒーレンスは波面の均一性を示し、長距離で拡散せずに伝播できる特性があります。同様に、時間的コヒーレンスは光電場の周期性を示し、精度の高い干渉を可能にします。このコヒーレンスが、レーザー技術の応用において重要になります。

パルス発振

レーザーは、ナノ秒からフェムト秒レベルの非常に短い時間幅のパルス光を生成できることも特徴です。これにより、高いピーク出力が得られ、さまざまな科学技術分野で活用されています。特に、レーザー核融合のような大規模プロジェクトでも、パルスレーザーが重要な役割を果たします。

歴史

レーザーの基礎理論は、1917年にアインシュタインの論文によって確立されました。その後、1958年にタウンズとショーローが光学メーザーの理論を発表し、1960年にはメイマンが初めてルビーレーザーを実現しました。これにより、レーザー技術の発展が加速し続けています。

種類

レーザーは、媒質の種類、発振方式、波長によって分類されます。

媒質による分類

• - 固体レーザー: 固体の媒質を使用。ルビーレーザーやYAGレーザーが代表例。
• - 液体レーザー: 色素を溶媒に溶かしたものによるレーザー。
• - ガスレーザー: 気体を媒質として使用。ヘリウムネオンレーザーや炭酸ガスレーザーがある。
• - 半導体レーザー: 半導体を媒質とし、コンパクトで多くの応用に利用される。
• - 自由電子レーザー: 自由電子が磁場の影響を受けて放射光を発生させるもの。
• - 化学レーザー: 化学反応から誘導放出を得る。

発振方式による分類

• - パルスレーザー: 短時間で高出力を得ることができる。
• - CWレーザー: 連続的に光を発振し、安定した出力を提供。

応用

レーザーは多岐にわたる分野で応用されています。例えば:

• - 医療: 歯科用レーザー、視力矯正、皮膚科の治療など。
• - 工業: レーザー加工機や溶接、鮮明な切断を行うための機器。
• - 情報技術: 光通信や光ディスク、バーコードスキャナなどに利用される。
• - 科学研究: LIDAR（レーザーレーダー）や粒径分析など、計測技術の分野でも欠かせない存在です。

安全基準とクラス分け

レーザーは強力な光源であり、直視すると失明の危険があります。国際的な安全基準が設定されており、それに基づいて出力や波長に応じてクラス分けがされています。特にクラス1からクラス4までの分類があり、それぞれに対する安全対策が求められます。

結言

レーザー技術は、多岐にわたる応用を持ちながら、深い科学的原理に基づいており、日々の生活を含む多くの分野で革新をもたらしています。今後もその技術の進展が期待されます。

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