レーザー励起とは？

レーザー励起とは、レーザーシステムにエネルギーを供給し、励起状態にある原子や分子が基底状態にある原子や分子よりも多くなるような、反転分布を生じさせることです。これにより、光の誘導放出の確率が上昇し、レーザー発振が実現します。

励起

レーザーの種類によって、光励起、電気励起、化学励起など、さまざまな方法で励起を行うことができます。どのような励起方法を用いても、レーザー作用を実現するためには、増幅媒質中にポピュレーション反転を生じさせることが重要です。それは、レーザーの作用が、アインシュタインが最初に説明した「誘導放出」というプロセスに基づいているためです。これは、増幅媒質中の励起された原子や分子が、入射した光子によって刺激され、同じ波長と位相を持つ2番目の光子を放出することによって起こります。 

この増幅処理により、位相が揃い、波長と方向が一致した一貫性のある光が得られます。しかし、励起された粒子が誘導放出を起こす確率は、励起された粒子の数に非常に強く左右されます。したがって、基底状態よりも励起状態の方が、より多く必要となります。そうでなければ、他のメカニズムが優勢となり、励起によって送られたエネルギーは熱やランダムな光（自然放出）として失われてしまいます。この交差点は、励起閾値と呼ばれることもあります。

それでは、代表的なレーザーの種類について、その仕組みを見てみましょう。

レーザーの種類は、通常、増幅媒質の選択によって分類されます。増幅媒質とは、励起エネルギーを実際にレーザー光に変換する材料のことです。増幅媒質には、固体結晶やガラス、半導体チップ、ガスプラズマ、あるいは液体などがあります。

光励起固体レーザー

光励起においては、励起光は増幅媒質の吸収スペクトルと一致する波長を持つ必要があります。増幅媒質が励起光を吸収すると、その電子はより高いエネルギー準位へ遷移し、その結果、ポピュレーション反転が生じます。 

光励起は、利得媒質がガラスや結晶である固体レーザーを励起する最も一般的な方法です。長年にわたり、励起光は、短時間で高強度の光を放出する高輝度フラッシュランプによって供給されてきました。フラッシュランプは一般的に強い白色光を発し、その光を利得媒質に集光させます。史上初のレーザーは、このタイプの固体レーザーでした。つまり、フラッシュランプでルビーレーザーを励起したものです。

LD励起固体（DPSS）レーザー

残念ながら、フラッシュランプは幅広い波長域の光を発しますが、固体増幅媒体は通常、1つまたは複数の極めて特定の波長にしか吸収されません。つまり、フラッシュランプのエネルギーのほとんどは熱として失われてしまいます。そのため、積極的な水冷を行う必要があります。また、「熱レンズ」と呼ばれる問題のため、出力ビームの品質を損なうことなくレーザー出力を調整する能力も制限されます。

この発熱の問題を解決するため、フラッシュランプの代わりに、電気的に励起される半導体チップである半導体レーザーを使用することを発見しました（下記参照）。半導体レーザーは、固体増幅媒質が光を吸収することが知られている波長でのみ光を発生するように設計されています。このタイプのレーザーは、意外にもLD励起固体（DPSS）レーザーと呼ばれています。

他のレーザーによる光励起

色素レーザーでは、増益媒質は液体状であり、蛍光色素を含む溶媒です。これらのレーザーは光励起され、ある場合は別のレーザーによって、またある場合はフラッシュランプによって励起されます。常にマイナーな技術であった色素レーザーは、その波長可変性から基礎科学研究に利用されてきました。しかし、今日では、波長可変性が求められる用途のほとんどは、チタンサファイア（Ti:S）またはイッテルビウムを利得媒質とする固体レーザーへの移行が進んでいます。とはいえ、フラッシュランプで励起されるパルス発振色素レーザーは、結石破砕などごく一部のニッチな用途で時折使用されることがあります。

チタンサファイアレーザーは、チタンイオンをドープしたサファイア結晶を増幅媒体とする固体レーザーです。これらのレーザーは、特定の種類の緑色レーザーによって光学的に励起されます。波長範囲が広く、蛍光顕微鏡やフローサイトメトリーなど、簡単な波長調整が必要な用途に対応できるため、理科学分野で広く利用されています。また、モードロックと呼ばれる手法を用いることで、数フェムト秒という短いパルス発振で動作させることも可能です。

その他、イッテルビウム添加ガラスやイッテルビウム添加ファイバーなどの半導体レーザーによる光励起を利用したレーザーや、他の希土類金属を添加したファイバーを利用したレーザーなどがあります。

ガスレーザーの電気励起

電気励起はレーザー励起のもう一つの方法であり、増幅媒質に電流を流すことで原子や分子を励起させるものです。これはほぼすべてのガスレーザーで用いられている励起機構であり、低圧のガスに電流を流すとプラズマが発生します。

エキシマレーザーの出力には、電気的な励起が用いられています。これは、深紫外線レーザー光を非常に高いパルス発振エネルギーでパルス状に放出する強力なガスレーザーです。エキシマレーザーのユニークな性能領域は、有機ELや最新のマイクロ有機EL技術に基づくものを含め、高性能ディスプレイの製造におけるいくつかの重要なプロセスの鍵を握っています。エキシマレーザーは、視力矯正に用いられる屈折矯正眼科手術（レーシックなど）にも使用されています。さらに、近年登場した多くのパルスレーザー堆積（PLD）用途における主力レーザー光源としても、その地位を確立しつつあります。

アルゴンイオンレーザーやヘリウムネオンレーザーなどの連続波（CW）ガスレーザーは、電気的励起に依存する代表的な例であり、一時は可視波長を必要とするレーザー用途の主力となっていました。高品質なビームが得られる反面、波長の選択肢が限られており、電気効率も極めて低いため、現在ではニッチな製品にとどまっています。かつての用途は、現在では半導体レーザー、LD励起固体レーザー、光励起半導体レーザー（OPSL）などで賄われていることが多くあります（下記参照）。

半導体レーザーの電気励起

電気的励起は、半導体レーザ（semiconductor laser）とも呼ばれることが多い半導体レーザ（diode laser）でよく使われ、p-n接合を用いてポピュレーションの反転を起こします。p-n接合とは、2種類の半導体の境界のことで、p型半導体はプラスに帯電した正孔が過剰になり、n型半導体はマイナスに帯電した電子が過剰になります。p-n接合に電圧をかけると、電子と正孔が半導体に注入され、ポピュレーションの反転が生じ、レーザ光が得られます。 

半導体レーザーは小型で比較的安価であるため、現在では電気的励起を利用したレーザーが圧倒的に多くなっています。また、半導体レーザー自体は、他の種類のレーザーの励起源として広く利用されています。さらに、高出力半導体レーザーは、プラスチック溶接や金属クラッディング（肉盛り）、硬化などの用途に直接使用されています。

光励起半導体レーザー（OPSL）

そこで、光励起半導体レーザー（OPSL）と呼ばれる、重要かつユニークなタイプのレーザーをご紹介します。このレーザーは、電気ではなく、1つ以上の半導体レーザーの光によって励起される特殊なタイプの半導体チップを含んでいます。光励起半導体レーザー（OPSL）には、いくつかのユニークな利点があります。その半導体の詳細は、近赤外線の広い範囲にわたって、特定の波長に合わせて設計することができます。近赤外線の波長を2倍にして可視光線に、さらに3倍にして紫外線を出力することも可能であり、これは他に類を見ない波長選択のモデルです。また、数ミリワットから20ワットまで出力を拡張できるのも大きな特徴です。 

光励起半導体レーザ（OPSL）の例としては、CoherentのVerdi、Sapphire、Genesis、OBISシリーズのレーザがあります。これらのレーザは、ライフサイエンス分野、特にフローサイトメトリーや共焦点顕微鏡に広く使われています。光励起半導体レーザ（OPSL）は、他のレーザに比べて色のパレットが豊富なため、壮大なマルチカラーレーザライトショーにも使用されています。 

化学的励起

化学励起は、レーザー励起の中でもあまり用いられない方法であり、化学反応を利用して利得媒質にポピュレーション反転を生じさせるものです。化学励起は、非常に特殊なガスレーザーに用いられ、化学反応によってガス中の原子や分子を励起させるものです。化学励起方式としては、化学レーザーの中で水素ガスとフッ素ガスを燃焼させ、ポピュレーション反転を起こしてレーザー光を得る方法が最も一般的です。

概要

結論として、レーザー励起は、レーザーシステムにおいて一貫性のある高強度の光を生成するために不可欠なプロセスです。光学的な手段であれ、電気的な手段であれ、あるいは化学的な手段であれ、レーザー励起の鍵は、利得媒質において人口反転を生じさせ、誘導放出とレーザー光の生成を可能にすることにあります。