レーザーの種類と動作

レーザーは、その利得媒体とポンピングによって分類され、Qスイッチングとモード同期によって生成される連続またはパルスモードで動作します。

Definition

利得媒体と励起メカニズムによるレーザーの分類、および出力パワーと時間構造を制御する連続波またはパルスという動作モード。

Scope

このトピックでは、主要なレーザーの種類とそれらの動作方法について概説します。ヘリウムネオンや二酸化炭素などのガスレーザー、ルビー、ネオジム、チタンサファイアなどの固体レーザー、半導体ダイオードレーザー、色素レーザー、ファイバーレーザー、およびそれらの特徴的な波長とポンピング方法が含まれます。また、連続波出力、Qスイッチングとモード同期による短パルスおよび超短パルスの生成、ならびに結果として得られるピーク出力とパルス持続時間といった動作モードも扱います。基礎となる利得物理学と多様な実用デバイスとの関連性についても説明します。

Core questions

• レーザーにはどのような利得媒体が使用され、どのような波長を生成しますか？
• 異なるレーザーは、どのようにポンピングされて反転分布を生成しますか？
• Qスイッチングとモード同期はどのように短パルスを生成しますか？
• 連続波動作とパルス動作を区別するトレードオフは何ですか？

Key concepts

• ガスレーザー
• 固体レーザー
• 半導体ダイオードレーザー
• ファイバーレーザー
• 連続波動作
• Qスイッチング
• モード同期
• 超短パルス

Key theories

利得媒体による分類

レーザーは、ガス、固体、半導体、色素、ファイバーレーザーに分類されます。利得媒体は、利用可能な波長、効率、出力を決定し、光、電流、または放電による適切なポンピングを規定します。

Qスイッチングとモード同期によるパルス動作

Qスイッチングは、共振器のQ値を一時的に低下させ、その後急激に回復させることで、蓄積されたエネルギーを強力なナノ秒パルスとして放出します。一方、モード同期は、多くの縦モードを位相を合わせて結合させ、ピコ秒またはフェムト秒パルスの列を生成します。

Clinical relevance

異なる種類のレーザーは、異なる医療用途に適しています。軟組織切開には二酸化炭素レーザー、眼科および皮膚科処置にはネオジムおよびエルビウムレーザー、角膜形成にはエキシマレーザー、光凝固にはダイオードレーザーが用いられ、パルス動作は正確で低侵襲な組織相互作用を可能にします。

History

マイマンは1960年に最初のレーザーであるパルスルビーデバイスを構築しました。その後まもなく、ジャバンとその同僚が連続ヘリウムネオンガスレーザーを実証し、ホールらのグループは1962年に最初の半導体ダイオードレーザーを製造しました。その後の数十年で、二酸化炭素、色素、ファイバー、チタンサファイアレーザー、およびQスイッチングとモード同期の技術が追加されました。

Key figures

• Theodore H. Maiman
• Ali Javan
• Robert N. Hall

Seminal works

• svelto2010
• salehteich2019

Frequently asked questions

連続波レーザーとパルスレーザーの違いは何ですか？

連続波レーザーは一定のパワーで安定したビームを放出しますが、パルスレーザーはそのエネルギーを短いバーストに集中させ、集中的で短い露光を必要とするアプリケーションのために、平均パワーよりもはるかに高いピークパワーを達成します。

超短フェムト秒パルスはどのように生成されますか？

モード同期は、レーザーの多くの縦モードを固定された位相関係で振動させ、それらが干渉して極めて短いパルスを形成するようにします。このパルスは共振器内を循環し、規則的なパルス列として放出されます。