レーザー原理と応用の総合ガイド

I. レーザーの原理

レーザーの基本構造：

1.作業物質

レーザー活性媒質は、ポピュレーション反転を達成し、光の刺激放射を増幅するために使用される材料系を指す。レーザー利得媒質と呼ばれることもある。固体（結晶、ガラス）、気体（原子ガス、イオンガス、分子ガス）、半導体、液体などがある。

レーザー活性媒質の主な要件は、その作用粒子の特定のエネルギー準位間で可能な限りのポピュレーション反転を達成し、レーザー発光プロセスを通じてこの反転を可能な限り効果的に維持することである。この目的のために、活性媒質は適切なエネルギー準位構造と遷移特性を持つ必要がある。

2.汲み上げ源

励起（ポンピング）システムとは、レーザー加工材料において粒子の反転を達成し、維持するためのエネルギー源を提供する機構または装置を指します。加工材料とレーザーの動作条件に応じて、異なる励起方法と装置を採用することができます。一般的に4つのタイプがあります：

①.光励起（光ポンピング）。これは、外部光源から放射される光を使って加工材料を照射し、粒子の反転を達成するものである。励起装置全体は通常、ガス放電光源（キセノンランプやクリプトンランプなど）とコンデンサーで構成される。

②.ガス放電励起。これは、粒子の反転を達成するために、ガス加工材料内で発生するガス放電プロセスを使用することを含む。励起装置全体は通常、放電電極と放電電源で構成される。

③.化学的励起。これは、粒子の反転を達成するために、作業材料内で発生する化学反応プロセスを使用することを含む。これには通常、適切な化学反応物質とそれに対応するトリガー手段が必要である。

④.核エネルギーの励起。小規模の核分裂反応によって生成される核分裂片、高エネルギー粒子、または放射線を用いて、作動物質を励起し、粒子の反転を達成する。

3.共振空洞 - 利得媒質中の光波の伝搬距離を伸ばす。

光共振器は通常、特定の幾何学的形状と光反射特性を持つ2枚のミラーを特定の方法で組み合わせることで構成される。その機能は以下の通り：

①.光フィードバック機能を提供し、刺激された発光光子が空洞内で何度も往復し、コヒーレントな持続振動を形成できるようにする。

②.共振器内で発振する光ビームの方向と周波数を制限し、出力レーザーが一定の指向性と単色性を持つようにする。

共振器の第1の機能は、幾何学的形状（反射面の曲率半径）と、通常共振器を構成する2枚のミラーの相対的な組み合わせ方法によって決まる。第二の機能は、共振器内の進行方向と周波数の異なる光に対する、共振器タイプの異なる選択損失特性によって決定される。

II. レーザーの分類

レーザー加工媒体による：

• 固体レーザー（ファイバーレーザー）
• ガスレーザー
• 半導体レーザー
• 色素レーザー
• 自由電子レーザー

レーザー動作モード：

• 連続
• パルス：単一パルス、繰り返し周波数、準連続

化学組成によって：

• 原子レーザー
• 分子レーザー
• イオンレーザー
• 自由電子レーザー
• エキシマレーザー

レーザー変調方式：

• フリー走行
• Qスイッチング
• モードロック

III. 代表的なレーザー

1.固体レーザー

結晶とガラスの2種類に分けられ、母材に活性化イオンをドープして作られる。

現在、200種類以上のベースドープシステムが作動材料としてレーザー発振を実現しているが、広く使用され、性能の良いものは以下の3種類である：

(1) ネオジム・ガラス・レーザー

希土類元素のネオジムをガラスにドープしたもので、λ＝1.053μm。大容量で均一性の良いネオジムガラスが得られるため、大型の装置にすることができ、高エネルギー・高出力のレーザーが実現できる。出力1014Wのレーザーも製造されている。

(2) ルビーレーザー

• 作業材料：ルビークリスタル
• 出力波長：λ=694.3nm
• 出力線幅：Δλ=0.01~0.1nm
• 動作モード：連続、パルス
• 発散角：θ≒10^-3ラド、一般にマルチモード出力；ポンプパワー＞スレッショルド10～20%→シングルモード

(3）ネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Nd:YAG）

• 作動材料：希土類元素ネオジムをドープしたYAG結晶
• 出力波長：λ=1064nm、914nm、1319nm
• 作業モード連続、高繰り返しパルス

高濃度のネオジムをドープできるため、加工材料は単位体積当たりのレーザー出力が高くなり、レーザーを小型化できる。ポンプ光源に半導体レーザーを用いれば、装置容積はさらに小さくできる。

(4) 連続波波長可変チタンサファイアレーザー

3900S CW波長可変チタンサファイアレーザー

高性能、波長可変、固体赤外レーザー

出力波長範囲：675～1100nm

ArレーザーまたはLD励起532nmレーザーによる励起

TEM₀₀ 出力電力は最大3.5Wcwに達する。

アプリケーション

• 分光学
• ファイバーレーザー リサーチ
• 電気通信研究
• 半導体研究

2.ガスレーザー

• 作業材料：様々な混合ガス、良好な光学的均一性。
• ガスレーザーは、固体レーザー、半導体レーザー、液体レーザーに比べて単色性とビーム安定性に優れている。
• スペクトルラインは数千種類（160nm～4mm）に達している。
• 作業モード連続運転（ほとんどの場合）

ほとんどのガスレーザーは瞬発力が高くないという弱点がある。

理由通常、ガス圧が低いため、単位体積当たりの粒子数が少なくなる。

(1) ヘリウム・ネオン・レーザー

作業材料：ヘリウムガスとネオンガスの混合物

レーザーはネオン原子から放出されるが、ヘリウムはガス放電の条件を改善し、レーザーの出力を高める。

出力波長：一般的に使用される632.8nmです。

選択した動作条件によって、レーザーは近赤外線、赤色、黄色、緑色の光を出力することができる。

(λ=3.39μm; λ=1.15μm)

(2) CO₂ レーザー

作業材料：COの混合物₂He, N₂およびXeガス

レーザーはCO₂ 他のガスは、レーザーの出力、安定性、寿命を向上させ、レーザーの動作条件を改善するのに役立つ。

出力波長：λ=10.6μm

CO2レーザーは最高出力 ガスレーザー連続出力50kW、パルス出力1012W。

(3) アルゴン・イオン・レーザー

アルゴン/クリプトン・イオン・レーザー、Stabilite2017 アルゴン/クリプトン・イオン・レーザー

出力波長：

• λ =488nm
• λ =514.5 nm ； λ =514.5 nm

可視光領域で最高出力

出力は数ワットから数百ワット。

3.ヘリウム・カドミウムレーザー

カドミウム金属蒸気を発光材料とし、主に波長325nmの紫外線と441.6nmの青色光の2つの連続スペクトルを持つ。典型的な出力はそれぞれ1~25mWと1~100mWである。主な応用分野は、活版印刷、血球計数、集積回路チップ検査、レーザー誘起蛍光実験など。

(1).銅蒸気レーザー

通常、電子衝突によって励起され、波長510.5nmの緑色光と578.2nmの黄色光の2つの主要なスペクトル線を持つ。典型的なパルス幅は10～50nSで、繰り返し周波数は最大100KHzに達する。現在のレベルでは、1パルスのエネルギーは約1mJである。これは、平均出力が100Wに達する可能性があることを意味し、ピーク出力は100KWまで上昇する可能性がある。

(2).窒素分子レーザー

パルス放電励起は紫色の外部光を出力し、ピークパワーは数十メガワットに達し、パルス幅は10nS以下、繰り返し周波数は数十Hzから数千Hzである。主に色素レーザーの励起光源として使用されるほか、分光分析、検出、医療、光化学などにも用いられる。一般的な波長：337.1nm、357.7nm。

3.半導体レーザー

異なる成分の半導体材料でできている。

レーザーでアクティブエリアと制約エリアを指定する。

特徴最も小さいサイズ、最も軽い重量、長い耐用年数、有効な使用時間は 100,000 時間を超過します。

出力波長範囲紫外、可視、赤外

出力電力：mW、W、kW。

DFB半導体レーザーの模式図

DBR半導体レーザーの模式図

垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)

量子カスケードレーザー、QCL

半導体量子井戸のサブバンド間の電子遷移とフォノンアシスト共鳴トンネリングの原理に基づく新しいタイプのユニポーラ半導体デバイス。

ファイバー結合（ピッグテールパッケージ）

半導体レーザーデバイス

ProLiteタイプファイバー結合シングルエミッションレーザー

IV. レーザーの応用

1.産業用途

• 精密測定（距離、変位）
• レーザー加工（切断、溶接、穴あけ、彫刻）
• スペクトル分析

2.医療用途

• 眼科
• 一般外科
• 歯科
• 皮膚科学

3.軍事用途

• レーザー測距
• レーザー偵察
• 大気圧レーザー通信
• レーザー誘導
• レーザー兵器

4.日常業務

• レーザープリンター
• コンピューター光学ドライブ
• バーコードスキャナー
• レーザー偽造防止
• レーザーネオン

5.通信分野での応用

• 宇宙レーザー通信
• 光ファイバー通信

V. レーザー兵器によるダメージのメカニズム

1.アブレーション効果 - 局所的高温

2.衝撃波効果

3.放射線効果 - 強い電磁場

VI. レーザー兵器の利点

1.弾道計算が不要

2.反動がない

3.簡単な操作、機敏な動き、多目的な使用法

4.放射能汚染がなく、費用対効果が高い。

光通信に使われるレーザーはほとんどすべて半導体レーザーで、1310ナノメートルや1550ナノメートルのLD励起固体レーザーを使うCATVシステムはごく少数しかない。

通信に使われるレーザーには、主に光ファイバー増幅器に使われるポンプ光源と、送信機に使われる信号光源の2種類がある。

自由空間光学（FSO）通信に使用されるレーザーには、2つのタイプがある：850nmと1550nmです。

VII. レーザー測距

レーザーの単色性、強いコヒーレンス、指向性を利用して、長さ、距離、速度、角度の測定など、高精度の測定や検査を実現する。

第8位 レーザー溶接

IX. レーザーラピッドプロトタイピング

X. レーザー彫刻

XI。 レーザー核融合

XII. レーザー医療

XIII. レーザー通信

光波の周波数は電波のそれよりも数桁高いので、非常に細い光ファイバーでも、写真の太さのケーブルと同等の情報量を伝送することができる。

XIV. レーザー兵器

XVだ。 レーザーディスプレイ