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なぜ熱平衡において高エネルギー状態にある原子がこれほど稀なのだろうか?
物理学では、自然現象に対する熱平衡とエネルギー状態の分布の重要性は自明です。システム (原子など) のエネルギー状態について議論するとき、「反転分布」という概念がよく出てきます。これはレーザー科学において特に重要です。レーザーの動作には特別なエネルギー分布が必要です。つまり、低エネルギー状態の原子よりも高エネルギー状態の原子の方が多くなければなりません。しかし、熱平衡の場合、これは非常に困難です。
「熱平衡状態では、高エネルギー原子の数はほとんど無視できます。」
これを理解するには、まずボルツマン分布を考慮する必要があります。ボルツマン統計によれば、熱平衡状態にある系では、いわゆるエネルギー準位分布は、異なるエネルギー状態を占める粒子の比率によって決まります。原子で構成されるレーザー媒質では、これらの原子は基底状態と励起状態という 2 つのエネルギー状態で存在できます。基底状態のエネルギーは励起状態のエネルギーよりも低いため、室温ではボルツマン因子によれば、基底状態の原子の数は励起状態の原子の数よりもはるかに多くなります。
温度が上昇すると、一部の原子が光子を吸収してエネルギーを獲得し、励起状態になることが知られています。しかし、それでも、系が熱平衡に達すると、励起状態の原子の数 (N2) が基底状態の原子の数 (N1) を超えることはありません。ご想像のとおり、これは自然の法則に直面する上での挑戦です。
「人口動態の逆転は、非均衡状態でのみ達成されます。」
レーザーの原理は、吸収、自然放射、誘導放出という 3 つの光の相互作用に基づいています。光線が原子のグループを通過するとき、光の周波数が特定のエネルギー差と一致すると、基底状態にある原子が光子を吸収し、励起状態に遷移します。ただし、このプロセスには自然放出と誘導放出の発生も伴い、光子交換プロセスが複雑になります。基底状態の原子の数が多いと吸収過程が支配的になり、光が減衰しますが、励起状態の原子の数が多いと光の増強が起こり、レーザー光が発生します。
これが、レーザーを実装するプロセスにおいて、永続的な分布反転を達成するために光ポンピングなどの間接的な方法がしばしば必要となる理由です。 3 準位または 4 準位レーザーでは、特定のエネルギー レベルを選択的に励起することにより、少数の高エネルギー状態の原子のみが維持され、それによってレーザー システムの利点が得られます。
「3 準位レーザーと 4 準位レーザーは、異なる励起原理と増幅原理を示しており、その効率の違いは、高エネルギー状態と基底状態の間のバランスをどのように達成するかを反映しています。」
多くのシステムでは、選択ルールによってエネルギー伝達の可能性が制限されていることに注目する価値があります。これは、レーザーを作成するときに考慮する必要があります。たとえば、物質が異なればレーザー放射に対する反応も大きく異なる可能性があり、特定の遷移は量子力学によって支配される選択規則の影響を受ける可能性があるため、その発光は燐光などの現象によって遅延する可能性があります。
要約すると、熱平衡状態では、基底状態の原子の数が励起状態の数よりもはるかに多いため、熱平衡状態では高エネルギー原子の数が不足します。このバランスを崩し、大部分の高エネルギー状態を達成するには、光ポンピング技術などを介して外部エネルギーを使用してシステムを駆動する必要があります。これは重要な疑問を引き起こします。より効率的なレーザー技術をサポートするために、私たちの日常生活の中で反転分布の状態を作り出し、維持する効果的な方法を見つけることができるでしょうか?
