Laser：反転分布

🧠 反転分布population inversion 反転分布（population inversion）population inversion（反転分布） は、上位upper 上位（upper）upper（上位） レーザー準位の粒子数を下位 lower 下位（lower） lower（下位） 準位より多くし、誘導放出stimulated emission 誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出） を吸収より優勢にする非平衡状態である。

平衡分布では増幅できない

熱平衡thermal equilibrium 熱平衡（thermal equilibrium）thermal equilibrium（熱平衡） ではBoltzmann分布により低い準位ほど粒子数が多い。そのままでは入射光が吸収される確率の方が高く、誘導放出stimulated emission誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出）による正味増幅は起こらない。

ポンピングと準安定状態

光、放電、化学反応chemical reaction 化学反応（chemical reaction）chemical reaction（化学反応） などで外部エネルギーを与える操作をポンピング pumping ポンピング（pumping） pumping（ポンピング） という。粒子を高い準位へ上げ、速い緩和で寿命の長い準安定 metastable 準安定（metastable） metastable（準安定） 状態へ蓄積させる。レーザー遷移の下位 lower 下位（lower） lower（下位） 準位が速く空になる設計も反転維持に有利である。

反転分布population inversion 反転分布（population inversion）population inversion（反転分布） で得た正味の光増幅を繰り返し、特定の共振モード resonant mode 共振モード（resonant mode） resonant mode（共振モード） を選ぶ装置が光共振器optical resonator光共振器（optical resonator）optical resonator（光共振器）である。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pumping'>ポンピング</span>で高準位へ励起"] --> B["速い無放射緩和"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='metastable'>準安定</span>な<span class='jp-term jp-term-diagram' title='upper'>上位</span>レーザー準位に蓄積"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='upper'>上位</span>粒子数が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lower'>下位</span>を上回る"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stimulated emission'>誘導放出</span>が吸収を上回る"]
  E --> F["共振器内で光増幅"]

二準位系では難しい理由

単純な二準位系 two-level system 二準位系（two-level system） two-level system（二準位系） を強く励起しても、吸収と誘導放出 stimulated emission 誘導放出（stimulated emission） stimulated emission（誘導放出） が釣り合うため上位 upper 上位（upper） upper（上位） 粒子数を下位 lower 下位（lower） lower（下位） より多くしにくい。実用レーザーが三準位系 three-level system 三準位系（three-level system） three-level system（三準位系） または四準位系 four-level system 四準位系（four-level system） four-level system（四準位系） を使うのは、ポンプ遷移とレーザー遷移を分けるためである。

まとめ

レーザーの出力特性と応用は、誘導放出stimulated emission誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出）・反転分布population inversion反転分布（population inversion）population inversion（反転分布）・共振器と、照射対象との相互作用を分けて考える。¹²

• 反転分布population inversion 反転分布（population inversion）population inversion（反転分布） は上位 upper 上位（upper） upper（上位） レーザー準位の粒子数が下位 lower 下位（lower） lower（下位） より多い状態である。
• ポンピングpumping ポンピング（pumping）pumping（ポンピング） と準安定 metastable 準安定（metastable） metastable（準安定） 状態が粒子を上位 upper 上位（upper） upper（上位） 準位へ蓄える。
• 実用系では複数準位を使い、吸収より誘導放出 stimulated emission 誘導放出（stimulated emission） stimulated emission（誘導放出） を優勢にする。