Laser：光共振器

🧠 光共振器optical resonator 光共振器（optical resonator）optical resonator（光共振器） は、活性媒質active medium 活性媒質（active medium）active medium（活性媒質） を鏡の間に置いて光を往復させ、利得gain 利得（gain）gain（利得） が損失を上回るモードだけを選択的に増幅する。

二枚の鏡と活性媒質

共振器は高反射鏡と部分透過の出力鏡で活性媒質 active medium 活性媒質（active medium） active medium（活性媒質） を挟む。反転分布population inversion反転分布（population inversion）population inversion（反転分布）をもつ媒質を光が繰り返し通過すると、誘導放出stimulated emission 誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出） が連鎖する。一方の鏡を部分透過にすることで増幅光の一部を外へ取り出す。

縦モードの共振条件

鏡間距離を$L$とすると、往復光路に整数個の波長が入る定在波条件は

である。許される周波数間隔は$\Delta f=c/(2L)$となる。活性媒質active medium 活性媒質（active medium）active medium（活性媒質） の利得 gain 利得（gain） gain（利得） 帯域内に複数モードが入ることもあり、単色性monochromaticity 単色性（monochromaticity）monochromaticity（単色性） は共振器だけでなく利得 gain 利得（gain） gain（利得） 幅とモード選択素子に依存する。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='spontaneous emission'>自然放出</span>の一部が共振軸へ入る"] --> B["鏡間を往復"]
  B --> C["媒質通過ごとに<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stimulated emission'>誘導放出</span>"]
  C --> D["共振条件を満たすモードが成長"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='gain'>利得</span>が鏡・散乱損失を上回る"]
  E --> F["出力鏡からレーザー光を取り出す"]

閾値と出力

レーザー発振には一往復の増幅が全損失以上になる閾値がある。共振器によるモード選択と誘導放出stimulated emission 誘導放出（stimulated emission）stimulated emission（誘導放出） の同位相性が、レーザー光の指向性 directionality 指向性（directionality） directionality（指向性） とコヒーレンス coherenceコヒーレンス（coherence） coherence（コヒーレンス）を生む。

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

• 共振器は光を活性媒質 active medium 活性媒質（active medium） active medium（活性媒質） へ繰り返し通して増幅する。
• 鏡間距離で許される縦モード longitudinal mode 縦モード（longitudinal mode） longitudinal mode（縦モード） が決まり、利得gain 利得（gain）gain（利得） が損失を超えると発振する。
• 部分透過鏡から、共振器内光の一部を出力として取り出す。