Biophysics · 11.03

Laser：光共振器

Laser: the optical resonator

🧠 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

2L=m\lambda\qquad(m=1,2,3,\ldots)

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

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。