レーザとは

 レーザは人工的に作り出された光のことで、「誘導放出による光の増幅」がその語源となっています。
 本項では、まずは前提となる「光とは何か」及び「光の性質」について説明したうえで、「レーザ」について解説して
 いきます。

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光とは何か

 光とは何か、その答えは「電磁波である」が正解となります。
  電磁波には様々な種類があり、携帯電話の通信に使われる電波、物を温める赤外線、人の目に見える可視光、日焼けの
  原因になる紫外線、レントゲン撮影で使われるX線など、全て電磁波です。
 「波」とついているように、電磁波(光)は波長を持ちます。
  波長とは下記図のように「山と山の間の長さ」、或いは「谷と谷の間の長さ」のことを指します。
  この「電磁波であり波長を持つ」のが光、そしてレーザの特長です。

  

ポイント!             
 ・光は電磁波であり、「波長を持つ」

光の一般的性質

1.光の主な性質
  光の性質としては粒子性と波動性があり、以下の特徴を裏付けます。
  ・光は直進する ・光は反射する ・光は屈折する ・光は干渉する ・光は回析する
  
  

2.光の種類
  光の種類は、大きく「自然光」と「人工光」に分けられます。
 「自然光」の代表例は太陽光であり、長短様々な波長の光が混ざっています。
 「人工光」の代表例となるのがレーザであり、自然光とは異なり波長が1つしかないのが特長です。

  


3.光の波長と色
  光には様々な色があります。
  この色の違いは波長の長短に起因するものであり、この波長の長短により人の目は様々な色の違いを認識します。
  波長の単位はnm(ナノメートル)が使われ、人の目に見える範囲は約380nmから750nmの波長の光となり、
  380nmより短いものは紫外線、750nmを超えるものは赤外線となり、目に見えない不可視光となります。
  例)光の波長により曲がる角度(屈折率)が異なるというプリズムの特性を利用し、太陽光をプリズムにあてると
    波長によって色が分解され、明確な色の違いとして見ることができます。太陽光は全ての波長を持っているた
    め、その全てが集まると白色に見えます。

  

      


4.光の吸収と反射
  物体に当てられた光は、吸収されたり反射されたりする性質を持ちます。
  この性質は3項で述べた波長の違いとと共に、色の違いの認識に関わってきます。
  例えば「リンゴの色が赤く見える理由」について、この光の性質をもとに考えてみましょう。
  太陽からは前述の通り、いろいろな波長(色)の光が放出されています。人の目で確認できる七色の光は全てリンゴ
  に当たりますが、その当たった光のうち、赤色の光だけが反射し、その他の光は吸収されます。
  そして反射した赤色の光だけが人の目に入り、「赤」と認識されます。

  
  全ての物体において光を受けた時に反射と吸収が起き、反射した光(波長)によって、
  人は色の違いを見分けることができます。
  レーザでも吸収と反射が発生し、溶接の良不良に大きく関わってきます。

ポイント!                     
 ・光は直進する性質を持つ。            
 ・レーザは人工的に作り出された光である。     
 ・波長の違いを、人の目では色の違いとして認識する。
 ・光は吸収と反射の性質がある。          

レーザとは

1.レーザとは
  冒頭で述べた通りレーザは人工的に作り出された単一波長の光で、「誘導放出による光の増幅」が語源となります。
  誘導放出現象は、電子のエネルギー遷移がおき、その遷移分のエネルギーが光として放出される現象です。

  


2.レーザの発振
  レーザを生み出す、出力することを「発振」と言います。
  レーザを発振するために必要なユニットは「発振器」と呼ばれ、主に「励起源、レーザ媒質、共振器ミラー」で構成
  されます。

  

3.レーザの発振原理/励起源の役割
  レーザ発振に必要となるエネルギー供給源を「励起源」と言います。(エネルギーを供給することは「励起する」)
  励起源には幾つかの種類があり、代表的なものは下記3種類になります。
  電気:半導体レーザ(LD) →例)ファイバーレーザの発振に使用
  光 :フラッシュランプ   →例)YAGレーザの発振に使用
  放電:気体(電子衝突)   →例)炭酸ガスレーザの発振に使用

4.レーザの発振原理/レーザ媒質の役割
  そもそもレーザは、ネオジウムに代表される「原子」が発する光を源に、それを増幅したものです。
  このレーザを生み出す原子を閉じ込めた(ドープした)入れ物を「レーザ媒質」と言います。
  代表的なものが2項の図になる「YAGロッド」と呼ばれる円柱状の結晶体です。

  下記図にある通り、レーザ媒質内にドープされた原子は、原子核とそれを周回する複数の電子で構成されます。
  この原子核を周回する複数の電子が、励起源からのエネルギー供給を受けて外側の軌道へ移動し、
  これが基の軌道に戻る際にレーザの元となる光を発します。
  それを共振器ミラーで増幅することでレーザとして発振されます。

  


5.レーザの発振原理/レーザ媒質の役割(誘導放出と反転分布)
  ここで、レーザ媒質内で起こる現象について、もう少し詳しく解説します。
  励起源からエネルギーを与えることを「励起する」といいますが、この「励起」により低いエネルギー状態(基底
  状態)だった電子を、高いエネルギー状態(励起状態)に遷移させます。
  高いエネルギー状態に遷移した電子が、その遷移分のエネルギーを放出する現象を「誘導放出」といいます。
  誘導放出により発した光を増幅したものが「レーザ」となります。

  この誘導放出ですが、「反転分布」という状態を作り出すことで起こる現象です。
  「反転分布」は、高いエネルギー状態の原子数が、低いエネルギー状態の原子数を上回っている状態を指します。
  この状態となったことで、レーザの元となる光を発します。

  


6.レーザの発振原理/共振器ミラーの役割
  上で述べた誘導放出により発生した光は、増幅されることでレーザとして出力されます。
  この増幅現象は「共振」と呼ばれます。この共振はレーザ媒質の両端に配置された2対のミラーの間で行われ、
  そのミラーを「共振器ミラー」といいます。

  

7.レーザ発振の一例/YAGレーザの発振原理
  2~6項で説明した内容について、YAGレーザの発振原理を基に下記の通り整理します。

  ①ランプを点灯させ、レーザ媒質内の原子を励起します。(反転分布の状態を作り出します。)
  ②レーザ媒質の両側にミラーが配置されており、ミラー間で励起により放出された光を増幅します。
  ③片側のミラーを半透過構造(光を少し透過させる)とし、これを出力側ミラーとします。
   この出力側ミラーからレーザが出力されます。また、反対側は全反射構造とし、全反射ミラーとします。
  ④増幅された光が、出力側ミラーよりレーザとして出力されます。

  


8.レーザ発振の一例/ファイバーレーザの発振原理
  2~6項で説明した内容について、ファイバーレーザの発振原理を基に下記の通り整理します。

  ①LD(レーザダイオード)を点灯させ、レーザ媒質内の原子を励起します。(反転分布の状態を作り出します。)
  ②レーザ媒質となるアクティブファイバーの両端がミラーの役割を果たし、
   端面間で励起により放出された光を増幅します。
  ③片側の端面が半透過構造(光を少し透過させる)となっており、その面からレーザが出力されます。
  ④両端面間で増幅された光が、出力側ミラーよりレーザとして出力されます。

  

ポイント!                                    
 ・レーザには優れた性質がある。(単色性/単波長、指向性、光干渉性/共振、高出力) 
 ・誘導放出により生み出された光が、共振により増幅されたものを「レーザ」と呼ぶ。   
 ・励起→反転分布→誘導放出→増幅(共振)、の順でレーザは発振される。      
 ・レーザ媒質、励起源、共振器ミラーの3点を合わせて、発振器と呼ぶ。        

 

その他の基礎知識はこちら

 ・レーザとは
 ・レーザ加工(マーキング)とは
 ・レーザ加工機(マーカー)の基本構成

 

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