Laser：誘導放出

🧠 レーザー増幅の核は誘導放出 stimulated emission 誘導放出（stimulated emission） stimulated emission（誘導放出） であり、入射光子が励起粒子から自分と同じ性質の光子を引き出すことで光子数を増やす。

三種類の遷移

二準位間では、光子吸収、自然放出spontaneous emission自然放出（spontaneous emission）spontaneous emission（自然放出）、誘導放出stimulated emission 誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出） が起こる。自然放出spontaneous emission 自然放出（spontaneous emission）spontaneous emission（自然放出） の光子は時刻・方向・位相がばらばらだが、誘導放出stimulated emission 誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出） は入射場と同じ光学モードへ放射を加え、周波数・進行方向・偏光polarized light 偏光（polarized light）polarized light（偏光） をそろえた増幅を生む。位相関係は媒質応答と共振器内の場によって形成されるため、一回の放出光子が入射光子と無条件に「同位相」と断定しない。¹² 通常の発光過程は励起と緩和で整理できる。

flowchart TD
  A["エネルギー差ΔE=hfの励起粒子"] --> B["同じ周波数fの光子が入射"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stimulated emission'>誘導放出</span>が起こる"]
  C --> D["同一モードの光子が2個になる"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='active medium'>活性媒質</span>中で連鎖"]
  E --> F["コヒーレントな光増幅"]

同じモードへ光子が増える

誘導放出stimulated emission 誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出） で生じる二つの光子は区別できず、同じ電磁場モードを占める。したがって事象が繰り返されるほど、そのモードの光子数だけでなく電場 electric field 電場（electric field） electric field（電場） 振幅も増える。これは光子が単に同時刻に二個出ることではなく、位相関係を保ったまま増幅されることを意味する。

増幅が起こる条件

下位lower 下位（lower）lower（下位） 準位の粒子が多い平衡状態では吸収が誘導放出 stimulated emission 誘導放出（stimulated emission） stimulated emission（誘導放出） を上回る。正味の増幅には反転分布population inversion反転分布（population inversion）population inversion（反転分布）が必要であり、増えた光を繰り返し媒質へ通す役割を光共振器optical resonator光共振器（optical resonator）optical resonator（光共振器）が担う。

まとめ

• 誘導放出stimulated emission 誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出） は入射場と同じモードへ放射を加え、レーザー場のコヒーレントな増幅を可能にする。
• 一つの光子が同一モードの二つの光子となり、光増幅を可能にする。
• 正味増幅には反転分布 population inversion 反転分布（population inversion） population inversion（反転分布） と、光を帰還させる共振器が必要である。