レーザー共振器と縦モード

レーザー光は単一波長です,すなわち単色です,と言うのですが,実際のレーザー光は完全には単色ではありません。レーザーはある波長範囲を持っています。その幅は広いものもあるし,狭いものもあります。

でも,最も広いものでも,太陽のような通常の光源に比べるとはるかに狭い波長範囲の光だけを放射しています。目には単色としか見えません。今回は,レーザーの発振波長を詳しく見ることにします。

原子内の電子が励起状態に上がった時,永久にそこに留まるわけではありません。一定の時間がたつと,自然と下の状態に落ちます。今まで,電子の取り得るエネルギー値を直線で描いてきました。これは現実とは異なり,励起状態はある幅を持っています。エネルギー幅ΔEと滞在時間Δtの間には,それらを掛け合わせたものはある一定の値(プランク定数h)より小さくはなり得ません。式で書くと,ΔE×Δt≧hとなります。


図1
図1

すなわち,滞在時間が無限とならない限り,エネルギー幅はゼロにはならず,ある値を持つことを意味しています。絵に描くと図1のようになります。これは不確定性原理と呼ばれる絶対に守らなければならない関係です。電子の励起状態のエネルギー幅が広くなる原因としては,不確定性原理に加えて,固体の場合は周辺の原子とのかかわりがあり,ガスレーザーの場合はガス分子の無秩序な運動と互いの衝突などがあります。

例えば,固体レーザーの代表であるNd:YAGの発振波長は1064 nmで,典型的な発振波長幅を0.5 nmとしますと,このレーザーは1063.75 nm~1064.25 nmの幅の光を出していることになります。この波長範囲をスペクトル幅と呼んでおり,この範囲の光が誘導放出を受けます。この様子を描いたのが図1です。

前回お話ししたように,レーザー光は,2枚の反射鏡で構成されている共振器の間を往復することによって増幅されます。平行平板共振器について,そこに存在できる光波について考えましょう。存在するために満足すべき条件は,反射鏡表面上で振幅がゼロになることです。共振器長,すなわち反射鏡の間隔をLとして,半波長(λ/2)の整数倍がLに等しくなることが条件です。数式で書くと,nを整数として(λ/2)n=Lとなります。波長λと周波数fの間には一定の関係,f・λ=c(光速)がありますので,周波数fに書き換えると

f=n(c/2L)


図2
図2

となり,nは任意の整数ですので,多数の異なる周波数の波が存在できることになります。この共振器に存在できる周波数は,図2のように(c/2L)の間隔で無数にあります。これを縦モードと呼んでいます。


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