最先端の物理学

レーザーと光・物質相互作用

レーザーは反転分布媒質での誘導放出を利用し、共鳴が電磁場と物質のエネルギー交換を決めます。

レーザーは反転分布媒質での誘導放出を利用し、共鳴が電磁場と物質のエネルギー交換を決めます。

モデルと解釈

エネルギーE₁<E₂の二準位はhν=E₂−E₁の光子と共鳴します。入射光子は吸収されるか、周波数・位相・方向・偏光のそろった光子の放出を誘導します。レーザー発振には損失を超える利得が必要で、通常はポンピングによる反転分布と光共振器を用います。

クイックチェック

ポンプされた二準位媒質では利得は反転分布 $N_2-N_1$ に比例し、反転がなければ吸収が誘導放出を上回ります。共鳴光子が遷移を誘起すると、同じ周波数・位相・方向の光子が放出され、共振器が強く帰還するモードを選びます。光学Bloch方程式は場と物質分極を結び、Rabi周波数が線幅に比べて小さくないときはRabi振動や飽和などの非線形応答が重要です。

半古典模型は電磁場を古典的に扱いながら物質準位を量子化し、波長が原子サイズより十分大きいとき双極子近似が有効です。弱い場では線形応答により周波数依存の分極が生じ、共鳴付近で吸収と分散が急変します。強い場では飽和、自発放出、モード競合を記述する密度行列の力学が必要です。

有限の線幅はコヒーレンスを制限し、利得帯域を定めます。レーザー発振の維持には共振器損失が一往復の利得より小さい必要があります。短パルスは時間・周波数関係により広いスペクトルを持ち、フェムト秒パルスを可能にします。強電場相互作用ではACシュタルクシフトや多光子過程も生じます。