ポンプで上の準位へ押し上げる
電流・光励起・放電などで原子やイオンを高いエネルギー準位へ送り、 基底状態より励起状態の数を増やす準備をします。
Laser Physics / Threshold Oscillation
レーザーはどう
発振するのか？
レーザーは「光が強い装置」ではなく、反転分布を作った媒質に種光を通し、 誘導放出で同じ位相・同じ向きの光を増やし、共振器の往復でそれを残す仕組みです。 1 往復の利得が損失を上回ると、しきい値を超えて発振が立ち上がります。
- ポンプで励起原子を増やすと反転分布ができる
- 種光が通ると同位相・同方向の光子が追加される
- 共振器が増幅を何往復も積み上げ、損失との勝負を決める
しきい値の見方
反転分布そのものが発振ではありません。共振器の中で増えた光が 1 往復後にも残るか、 つまり「利得 > 損失」になるかが勝負です。
Threshold
反転分布は燃料、誘導放出は複製、共振器は往復路、しきい値は継続条件。
下の実演では、赤い点が励起原子、黄色い粒が共振器内の光子です。 ポンプを上げて損失を下げると、種光が同じ向きの列へ育ち、右側の半透鏡から出力ビームが現れます。
Mechanism
レーザーを 4 ピースで組み立てる
レーザー発振は 1 個の魔法ではなく、励起・反転分布・誘導放出・共振器という役割分担で成立します。 どこが欠けても、持続する光の増幅にはなりません。
反転分布をためる
通常は低い準位に粒子が多いので、光は吸収されがちです。 反転分布ではその関係を逆転させ、光が来たときに増幅側へ傾く媒質を作ります。
誘導放出で同じ光を複製する
既存の光子が励起原子に当たると、同じ周波数・位相・進行方向の光子が 1 つ追加されます。 ここで「そろった光」が指数的に育つ入口ができます。
共振器がしきい値を決める
2 枚の鏡で光を往復させると、増幅の機会が何度も得られます。 ただし鏡の透過・散乱・吸収による損失もあるため、利得がそれを超えた瞬間だけ発振が立ち上がります。
1 往復の正味増幅 = 誘導放出による利得 − 共振器損失
反転分布が大きいほど利得は増え、鏡の透過・散乱・吸収が大きいほど損失は増えます。
しきい値以下: 光子数は増えてもすぐ減衰 / しきい値以上: 往復後も残る
シミュレーションでは、光子数の履歴と右向き出力の立ち上がりを同時に見ると、 発振条件が視覚的に追えます。
Interactive
しきい値を越える瞬間を観察する
ポンプ強度・共振器損失・種光を動かして、反転分布がどこまで育つか、 そして誘導放出が本当に持続的な光増幅へ変わるかを見比べてください。
しきい値付近では、反転分布と損失が競り合い、光子数と出力が揺れながら立ち上がります。
励起原子
基底状態
共振器内光子
出力ビーム
読み方： 上半分が共振器、下の折れ線が履歴です。黄色の光子が赤い原子を通るたびに、 同位相・同方向の光が追加されます。しきい値を超えると右側の出力ビームが連続的に現れます。
Macro view
光の強さだけを見るマクロ描像
上のミクロ状態を集約した表示
このパネルは、上のミクロ描像にある共振器内光子数と右向き出力を集約したものです。 ミクロ側で光がたまると、少し遅れてここも明るくなります。
Interpretation
見え方の違いを読み解く
しきい値より下では、種光が入っても媒質はただの増幅器止まりです。 上では共振器が「残る光」を選び、レーザーらしい細い出力に変わります。
しきい値以下
励起原子はいても、1 往復の間に光が散逸してしまうため、光子数は小さく揺れるだけです。 右側の出力は断続的で、ビームとしては育ちません。
しきい値付近
利得と損失が拮抗するので、反転分布が少し増えるたびに光が伸び、 伸びすぎると励起が食われてまた下がる、という競り合いが見えます。
しきい値以上
種光がきっかけになって誘導放出が連鎖し、共振器内の光子数が高い水準で維持されます。 半透鏡からの出力も滑らかに続き、レーザー発振らしい状態になります。
Next steps
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