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ぜ「反転分布」がレーザーの魔法の鍵なのでしょうか?
物理学、特に統計力学において、反転分布とは、システム内の原子または分子が、低エネルギー状態よりも高エネルギー状態にある状態の方が多い状態を指します。この概念はレーザー科学において極めて重要です。反転分布の作成は標準的なレーザー作業に必要なステップだからです。
反転分布の概念には光と物質の相互作用が含まれており、これはレーザーの動作原理に関連しています。システムを反転分布状態にできるメカニズムがなければ、レーザー生成は達成できません。
熱平衡とボルツマン分布
反転分布の概念を理解するには、まず熱力学と光が物質とどのように相互作用するかについて少し理解する必要があります。 N 個の原子のグループがあると仮定すると、各原子は基底状態 E1 と励起状態 E2 の 2 つのエネルギー状態で存在できます。これらの原子が熱平衡状態にあるとき、基底状態と励起状態の原子数の比は、マクスウェル・ボルツマン統計に従ってボルツマン因子によって決まります。
したがって、システムが熱平衡状態にある場合、システムの通常の状態である高エネルギー状態よりも低エネルギー状態の方が多くなります。
T が増加すると、高エネルギー状態 (N2) の原子の数が増加しますが、N2 が N1 を超えることはありません。反転分布を実現するには、システムを非平衡状態にする必要があり、これがレーザー動作の鍵となります。
光と物質の相互作用
光と原子システムの相互作用は、吸収、自然放出、誘導放出の 3 つの主なタイプに分けられます。
吸収
周波数ν12の光が原子群を通過すると、基底状態の電子に吸収され、電子が高エネルギー状態に励起されます。吸収率は光の放射密度に比例し、基底状態 (N1) の原子の数と関係があります。
自然放出
励起状態にある原子は、光子を放出しながら自発的に基底状態に戻ります。自然放出はランダムであり、固定された位相関係がないため、その放出は非コヒーレントです。
誘導放出
入射光子によって励起原子がエネルギーを放出し、周波数ν21の光子を放出するプロセスは誘導放出と呼ばれます。ここで何が起こるかというと、光子が相互作用し、励起された原子が入射光子と同じ周波数と位相の光子を生成します。これがレーザーゲインの鍵です。
高エネルギー状態の数が低エネルギー状態の数より多い場合、つまり N2>N1 の場合、正味の放射が増強されます。
人口逆転現象の発生過程
反転分布を実現する方法の 1 つは、間接的な方法を使用して原子を基底状態から励起状態に移行することです。 3 レベル レーザー システムがその一例です。このシステムでは、原子は 3 つのエネルギー状態で存在できます。高エネルギーの原子エネルギーが急速に中間エネルギーレベルに崩壊して比較的低エネルギーの集団に達すると、結合状態の形成につながります。
4レベルレーザー
4 レベル レーザーでは、エネルギー レベルがより合理的に設定されるため、原子は短時間で多数の基底状態集団を除去でき、それによって対応するレーザー増強効果が得られます。これにより、4 レベル レーザーは 3 レベル レーザーよりも効率が高くなり、実際のアプリケーションではより一般的になります。
レーザー技術の発展により、反転分布のメカニズムのおかげで、科学、医学、通信などの分野でかけがえのない役割を果たすことが可能になりました。
技術が進歩するにつれ、レーザーシステムは今後どのように進化し、人類社会の発展を促進していくのでしょうか？
