Biophysics · 11.02

Laser：反転分布

Laser: population inversion

🧠 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

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。