最先端の物理学
レーザーと光・物質相互作用
光場と二準位系の共鳴モデルを観察し、場の強さとノイズを変えてエネルギー交換を見ます。共鳴条件 と誘導放出の考えに結び付けます。
⚠ 実際のレーザーは低出力でも網膜に永久的損傷を与え得ます。光線や反射光を直接見ないでください。
器具
- 場と二準位原子の相互作用モデル（図1）
- 「パラメータ」（場の強さ）と「ノイズ」（脱結合）のスライダー
- 「時間実行」チェックボックス付き時間発展グラフ
手順
共鳴条件を設定する
図1で「ノイズ」を0にし、「パラメータ」を小から大へ動かします。場の周波数が準位間隔に一致したときだけ二準位系の応答が最大になるのを見ます。 に対応します。
時間ごとのエネルギー交換を追う
図2で「時間実行」をオンにし、「物理パラメータ」を中程度にして二準位間の集団振動——ラビ振動を観察します。パラメータを上げると交換速度が場の振幅に比例して増えます。
ノイズでコヒーレンスを崩す
場の強さを保って「ノイズ」を徐々に上げます。集団振動が減衰するのを見ます。脱結合と雑音が位相を乱し共鳴を崩します。実レーザーに共鳴器と安定した反転分布が要る理由です。
レーザー閾値を予測する
応答が弱い状態から明確な増幅へ転じるパラメータ値を見つけ、反転分布が十分大きくなると誘導放出が吸収に勝り光が増幅されると説明します。初期条件を変え、新しい閾値を先に予測してから確認します。
シミュレーション
実験の歴史
アインシュタインは1917年、プランクの法則を統計的に再導出する際に誘導放出を導入しました。入射光子は励起原子から位相のそろった第2の光子の放出を誘起します。この発想は30年間休眠し、チャールズ・タウンズ、ニコライ・バーソフ、アレクサンドル・プロホロフが独立にマイクロ波メーザーを提案（1954年）、タウンズとアーサー・ショーローが記念碑的論文（1958年）で光領域へ拡張しました。
セオドア・メイマンは1960年ヒューズ研究所で最初のレーザー——パルスルビーレーザー——を動作させました。10年足らずでレーザーは「問題を探す解」から定量計器へ変わり、高分解能分光、原子捕獲、光通信、手術に使われます。1964年のノーベル賞はタウンズ、バーソフ、プロホロフに、後の受賞（1981、1997、2005、2018）は光と物質の相互作用の精緻な制御に贈られました。