レーザーとは?

米国は1960年に世界初のルビーレーザーの開発に成功し、中国も1961年に最初の国内ルビーレーザー(中国科学院長春光学精密機械研究所で生まれた)の開発に成功したため、レーザー技術は2番目と見なされています20世紀には、量子物理学、無線技術、原子エネルギー技術、半導体技術に続きます。コンピュータ技術に続くもう1つの主要な新しい科学技術の成果。

現在、家庭にはCDおよびDVDプレーヤー用のレーザー、オフィスにはレーザープリンター、ショッピングモールにはバーコードスキャナーがあります。人々はレーザーを使用して筋炎の治療、電子メールの送信、光ファイバーネットワークを介したビデオの閲覧を行っています。私たち一人一人が毎日レーザーを使用しているかどうかにかかわらず、レーザーとは何か、そしてそれがどのように機能するかを本当に理解している人は何人いますか?

レーザーは、自然界には存在しない一種の光であり、励起によって放出されます。指向性、高輝度、単色性、コヒーレンス性に優れています。

レーザーの生成メカニズムは、1917年に黒体放射の法則を説明するときにアインシュタインが提唱した仮説にまでさかのぼることができます。つまり、光の吸収と放出は、誘導吸収、誘導放射、自然放出の3つの基本的なプロセスを通過できます。ご存知のように、あらゆる種類の光源の発光は、物質中の粒子の運動状態に関係しています。低エネルギーレベルの粒子(原子、分子、またはイオン)が適切な周波数で外部エネルギー(光)を吸収すると、対応する高エネルギーレベル(誘導吸収)に移行するように興奮している場合、常に低エネルギーレベルに移行し、過剰なエネルギーを光子の形で放出しようとします。

外部光子の作用なしに自発的に光が放出される場合(自然放出)、放出される光は通常の光(電灯、ネオン光など)であり、光の周波数、方向、ペースの不一致が特徴です。

しかし、外部光子の直接作用下で高エネルギー準位から低エネルギー準位への遷移中に過剰エネルギーが光子(誘導放出)の形で放出される場合、放出された光子は、周波数、位相、伝搬方向の観点から、外光が強化されていることを意味します。これは光増幅と呼ばれます。

図:レーザー生成メカニズム:(左)誘導吸収、(中央)自然放出、(右)誘導放出

レーザーの生成は、粒子数の反転、空洞フィードバック、およびしきい値条件を満たすという3つの条件を満たす必要があります。刺激吸収により、高エネルギーレベルの粒子数は低エネルギーレベルの粒子数(粒子数反転)よりも多くなります。また、活性領域の両端で光子を反射して共鳴空洞を形成できる平行反射面を作り、損失よりも利得を大きくする、つまり同時に新しく生成される光子の数を増やす必要があります。これらの3つの条件が満たされた場合にのみ、レーザーを生成することができます。

レーザーの特性

レーザーは、通常の光にはない4つの特徴があるため、魔法の光として知られています。

-通常の光源(太陽、白熱灯、蛍光灯)は全方向に発光し、レーザーの発光方向は数ミリラジアン未満の実角に制限できるため、照射方向の照明が10倍になります。レーザーの拡散径は200kmごとに1メートル未満、地球から3.8度に達する場合×月が105km離れている場合、光線の広がりは2km未満、通常のサーチライトの広がりは数十メートル数千メートル離れています。

1.優れた指向性

レーザーコリメーション、ガイダンス、レンジングは、優れた指向性の特性を使用します。

-レーザーは現代で最も明るい光源です。水素爆弾爆発の瞬間の強い閃光だけが比較できます。太陽の明るさは約1.865×109Cd/m2で、高出力レーザーの出力輝度は7〜14桁高くなります。日光のそれ。

2.高輝度

レーザーの総エネルギーは必ずしも大きいわけではありませんが、エネルギーが集中しているため、マイクロポイントで数万℃、さらには数百万℃の高圧高温を発生しやすくなっています。レーザー穴あけ、切断、溶接、レーザー手術はこの特性を利用しています。

-光は電磁波です。光の色は波長によって異なります。通常の光源から放出される光には、通常、さまざまな色の混合物であるさまざまな波長が含まれます。日光には、赤、黄、緑の7色の可視光が含まれます。 、緑、青、紫、および赤外光や紫外光などの不可視光。

3.良好な単色性

レーザーの波長は、非常に狭いスペクトル帯域または周波数範囲にのみ集中します。たとえば、HeNeレーザーの波長は632.8nmであり、その波長変動範囲は1/10000nm未満です。レーザーの優れた単色性により、化学反応などのいくつかの科学実験を測定および刺激するための精密機器にとって非常に有利な手段。

-干渉は波動現象の属性です。高指向性と高単色性の特性に基づいて、レーザーは優れたコヒーレンスを備えた光となるはずです。このレーザーの特性により、ホログラフィーが実現されます。

4.良好なコヒーレンス

レーザーの種類

光源では、エネルギーレベルの粒子数反転の実現は、光増幅の前提、つまりレーザー生成の前提条件です。粒子数の反転を実現するには、外光の力を利用して大きくする必要があります。低エネルギーレベルの粒子の数は、高エネルギーレベルにジャンプします。このプロセスは「励起」と呼ばれます。

私たちが普段呼んでいるレーザーは、光源内の粒子を励起して誘導放出遷移を生成し、粒子数の反転を実現し、誘導放射によって光増幅を生成する装置です。レーザーには多くの種類がありますが、その使命は励起と誘導放出によってレーザーを取得するため、レーザーは通常、活性化媒体(つまり、励起後に粒子数の反転を生成できる作動材料)、励起デバイス(つまり、粒子を生成できるエネルギー)の3つの部分で構成されます。活性化媒体、ポンプ源の数の反転)および光共振器(すなわち、ビームを繰り返し振動させ、何度も増幅させることができる2つの平面ミラー)。

図:レーザーの動作原理

さまざまな種類の原子をさまざまな方法で励起できるため、(理論的には)さまざまな種類のレーザーを作成できます。

レーザーには多くの種類がありますが、その中で最も有名なものは、固体、ガス、液体染料、半導体、ファイバーレーザーです。固体レーザー媒体は、Rubyロッドやその他の固体結晶材料に似ており、それに巻かれたフラッシュチューブがポンピングします。効果的に機能するためには、固体をドープする必要があります。これは、特定の正確な周波数のレーザーを生成するための適切なエネルギーレベルを持つように、一部の原子を不純物イオンで置き換えるプロセスです。固体レーザーは、高出力ビームを生成します。通常、非常に短いパルスですが、ガスレーザーは不活性ガス(いわゆるエキシマーレーザー)または二酸化炭素(CO2)を媒体として使用し、連続的な明るい光を生成します。CO2レーザーは強力な機能と高効率を備えています。工業用の切断や溶接によく使用されます。液体色素レーザーは、有機色素分子の溶液を媒体として使用します。主な利点は、ソリッドステートレーザーやガスレーザーよりも広い光周波数帯域を生成するために使用でき、さまざまな周波数を生成するように「調整」することもできることです。

波長に応じて、カバーされる波長範囲には、遠赤外線、赤外線、可視光線、紫外線、および遠紫外線が含まれます。最近、X線レーザーとγX線装置;

さまざまな励起モードに応じて、光励起(光源または紫外線励起)、ガス放電励起、化学反応励起、核反応励起などがあります。

さまざまな出力モードに応じて、連続、単一パルス、連続パルス、超短パルスなどがあります。

電力出力に関しては、連続出力電力はマイクロワットレベルからメガワットレベルまで小さく、パルスのエネルギー出力はマイクロジュールから100000ジュール以上の範囲であり、パルス幅はミリ秒からピコ秒の範囲であり、フェムト秒(1/1000兆)ですら。

さまざまなレーザーがさまざまなアプリケーション要件を満たします。たとえば、レーザー処理や一部の軍用レーザーには、高出力レーザーまたは高エネルギーレーザー(いわゆる 高出力レーザーいくつかのエクスプレスプロセスの研究に従事するために、パルス時間を可能な限り短縮することを望む人もいれば、光の単色性を改善し、出力光のモードを改善し、光強度分布を改善するための高い要件を提唱する人もいますこれらの要件は、レーザー研究者に探求を続けることを促し、その結果、レーザーの探求の深さと適用範囲は前例のないほど開発されました。

急成長するレーザーアプリケーション

いわゆるレーザー技術は、レーザーを生成するさまざまな方法を探求および開発し、人類の利益のためにレーザーのこれらの特性を探求および適用することの一般的な名前です。

50長年にわたり、レーザー技術とアプリケーションは急速に発展し、多くの分野と組み合わされて、光技術、レーザー医学と光子生物学、レーザー処理技術、レーザー検出と測定技術、レーザーなどの多くのアプリケーション技術分野を形成してきました。ホログラフィック技術、レーザースペクトル分析技術、非線形光学、超高速レーザー科学、レーザー化学、量子光学、ライダー、レーザーガイダンス、レーザー同位体分離、レーザー制御核融合、レーザー兵器などこれらのクロステクノロジーと新しい分野の出現は伝統的および新興産業の発展を大いに促進した。

1.情報分野におけるレーザーの応用

半導体レーザーとファイバーアンプは、光ファイバー通信の2つの重要なテクノロジーです。

半導体レーザーから放出されるレーザーは、単色性とコヒーレンス性に優れているだけでなく、光波の周波数はマイクロ波の周波数の10000倍です。したがって、情報伝送のキャリアとしてのレーザーと情報伝送ラインとしての光ファイバーとの光ファイバー通信は、優れた通信品質、強力な干渉防止能力、および優れた機密性を備えているだけでなく、通信容量もその10000倍です。マイクロ波通信。

光学ストレージにレーザー技術を使用することで、情報のストレージに革命が起こりました。CDオーディオディスクの記録密度は1,000万ビット/ cm2に相当し、78分の音楽番組を記録できます。これはそれよりも数桁大きいものです。コンパクトディスクの。

画像:CDまたはDVDプレーヤーのディスクのレーザーとレンズ右下の小さな円は半導体レーザーダイオードで、大きな青い円はレーザーが滑らかな表面から反射された後に光を読み取るレンズです。光ディスク。

さらに、レーザープリンター、レーザーファックス機、レーザーフォトタイプ設定、レーザー大画面カラーTV、光ファイバーケーブルTV、大気レーザー通信が広く使用されています。

2.ホログラフィーにおけるレーザーの応用

波の現象として、光は波長(色に関連する)、振幅(光の強度に関連する)、および位相(波の開始点と基準時間の関係を表す)によって特徴付けられます。

人々は感光性の写真撮影法を使用することによってのみ波長と振幅を記録することができるので、それがどれほど現実的であっても、写真を見るのは実際のシーンを見るのとは常に異なります。

レーザーはコヒーレンスが高く、位相を含む干渉波空間のすべての情報を取得できるため、レーザーホログラフィーを使用して、撮影した物体のすべての情報をネガフィルムに記録し、撮影した物体のリアルな3次元画像を作成できます。光回折により再現。

ホログラムは3次元イメージングの特性を備えており、繰り返し記録することができ、小さなホログラフィックネガはそれぞれオブジェクトの完全な3次元画像を再現できます。精密干渉法、非破壊検査、ホログラフィック光弾性、微小ひずみ解析、振動解析などの科学研究で広く使用できます。

その中でも、ホログラフィ干渉法は、ガスの燃焼過程、機械部品の振動モード、ハニカム構造の接着品質、自動車タイヤの皮下欠陥の検査などに広く使用されています。商品やクレジットカードの偽造マークが業界を形成しています。貴重な芸術作品をホログラフィーで撮影することは、人々にその場で感じさせるだけでなく、芸術作品を修復するための信頼できる現実的な基盤を提供します。開発中のホログラフィックTVは、人々の生活に新たな楽しみを追加します。

3.医療分野でのレーザーの応用

医学におけるレーザーの応用は、レーザー診断とレーザー治療の2つのカテゴリーに分けられます。前者は情報キャリアとしてレーザーを採用し、後者はエネルギーキャリアとしてレーザーを採用しています。

レーザー診断の側面では、レーザーは診断のために組織の奥深くまで浸透し、組織の状態を直接反映し、医師の診断のための十分な基礎を提供することができます。

レーザー治療では、レーザー技術は臨床治療の効果的な手段であり、医学的診断の開発のための重要な技術になりました。レーザー手術での小さな切開、組織への損傷がほとんどまたはまったくない、ほとんどないなど、医学における多くの困難な問題を解決します。現在、レーザーの臨床応用分野には、筋炎矯正、網膜修復、歯の腐敗修復、分子低侵襲手術などがあり、レーザー医学の優れた応用研究は主に以下の側面に反映されています。癌の光線力学的治療;心臓血管疾患のレーザー治療;Excimerレーザー角膜形成術;レーザー美容;レーザー線維内視鏡検査;レーザー腹腔鏡手術;レーザー胸腔鏡手術;レーザー関節鏡手術;レーザー砕石術;レーザー手術;吻合におけるレーザーの応用;口腔および顎顔面の手術および歯科;弱いレーザー治療など現在、レーザー治療は持続性を維持しています基礎研究、新技術開発、新設備開発、生産など、多くの面で汚染された強力な開発の勢い。

図:口腔病学におけるレーザーの応用

4.レーザー加工

レーザーの高輝度(明るさ)を使用して、集束 レーザービーム 1ms以内に100Jの光エネルギーを放出することができます。これは、溶接、穴あけ、切断、熱処理、リソグラフィーなど、処理が難しいさまざまな特性を持つ材料を処理するために、材料を短時間で溶融または気化させるのに十分です。 、など。

レーザー加工には、高精度、小さな歪み、非接触、省エネという利点があります。その応用分野は、鉱業機械、石油化学産業、電力、鉄道、自動車、造船、冶金、医療機器、航空、工作機械、発電、印刷、包装、金型、製薬などを含む機械製造業全体をほぼカバーできます。主要部品や精密機器の摩耗や腐食は、破損を魔法に変える強力なツールとなったレーザークラッディング技術によって修復および最適化できます。

5.精密測定

精密測定は、優れたレーザー単色性、強力なコヒーレンス、優れた指向性の特性を利用しています。他の距離計と比較して、レーザー距離計には、長い検出距離、高精度、干渉防止、優れた機密性、小容量、軽量という利点があります。距離計は、測定されたターゲットによって反射された光パルスを送信し、受信システムに戻って送信と受信の間の時間間隔を測定します。

レーザーは高輝度と高コヒーレンスの両方を備えているため、光のドップラー効果を速度測定に適用できます。Lidarは、レーザービームを放射してターゲットの位置、速度、その他の特性を検出するレーダーシステムです。動作原理の観点から、LIDARレーダーとマイクロ波レーダーの間に基本的な違いはありません。検出信号(レーザービーム)をターゲットに送信し、ターゲットから反射された受信信号(ターゲットエコー)を送信信号と比較します。適切な処理の後、航空機、ミサイル、およびその他のターゲットを検出、追跡、および識別するために、ターゲットの距離、方位角、高度、速度、姿勢、さらには形状およびその他のパラメータなどのターゲットの関連情報を取得できます。軍事分野で重要な役割を果たし、環境モニタリングの強力な武器となっています。

また、重力波の検出には、レーザー干渉法を用いて中低周波数帯の重力波を直接検出し、二重のブラックホールと最大質量比の天体が合体して発生する重力波放射を観測します。他の宇宙重力波放射プロセスとして。

レーザーは、20世紀における人類の最も重要な発明の1つです。のアプリケーション レーザー技術 産業、農業、軍事、医学、さらには社会のあらゆる側面に広く浸透しています。それは人間社会の進歩においてますます重要な役割を果たしており、私たちの世界を奇跡的に変えています。