光デバイス／半導体レーザ

４．光の増幅

　前項では誘導放出という現象を言葉で何とか説明しようとしましたが、あまりわかりやすい説明とは言えなかったようです。もう一度まとめると、原子の周りを回っている電子が例えば図４－１のようにＥ１とＥ２という２つのエネルギーのうちどちらかのエネルギーしか持てないとします。ここでＥ２の方がＥ１よりも大きいとします。この原子にちょうどＥ２とＥ１の差に等しいエネルギーを持った光が当たると、共振現象のようなことが起こってＥ１にたくさんの電子が居るときにはＥ２に移り、Ｅ２にたくさん居るときはＥ１に移りやすくなります。

　低いエネルギーのＥ１から高いエネルギーのＥ２に電子が移る現象を光吸収、逆にＥ２からＥ１に電子が移る現象を誘導放出と呼んでいます。光吸収の場合は入ってきた光のエネルギーは電子に吸い取られ光は消えてしまいますが、誘導放出の場合は新たに入ってきた光と同じＥ２とＥ１の差に等しいエネルギーをもった光が発生します。

　原子をとくに光を当てたり電圧をかけたりしない自然の状態に置いたとき（熱平衡状態にあると言います）、ほとんどの電子はエネルギーの低いＥ１の状態に居ます。このような状態の原子に光を当てると、Ｅ１からＥ２に移る電子が主流になりますから、光吸収が優勢です。何らかの方法でＥ２にいる電子の方を多くしてやることができれば、誘導放出を優勢に起こすことができます。

　しかしこのような２つのエネルギーの状態があるだけでは上のエネルギーＥ２をもった電子を多くすることは困難です。なぜかというと光吸収によってせっかくＥ１からＥ２に電子を持ち上げてやっても同時に誘導放出が起こって戻ってきてしまいます。もともとＥ１にいる電子が多いわけですから、Ｅ２の方を多くすることはできません。

　そこで考え出されたのが図４－２のようにもう一つのエネルギーＥ３にも電子が居られるような原子を使うことです。Ｅ３はＥ２よりも高いエネルギーです。まずＥ３とＥ１の差に等しいかそれより高いエネルギーをもった光をこの原子に当てます。この光は吸収されてＥ１をもった電子はＥ３まで持ち上げられます。ここでＥ３のエネルギーを持った電子は、Ｅ３よりも少し小さいエネルギーＥ２まですぐに落ちてしまうとします。Ｅ３とＥ２の差が小さいとこのようなことは起こりやすくなります。

　Ｅ３とＥ１の差に相当する最初の光が当たり続けても、Ｅ２のエネルギーの電子は誘導放出を起こしにくいので、電子はＥ２にしばらく留まれます。つまりＥ２の電子をＥ１の電子より多くすることができます。ここでＥ２とＥ１の差に相当するエネルギーの光が当たると、誘導放出が起き、これは光吸収よりも優勢になることができるのです。なお、Ｅ２とＥ１の差に相当するエネルギーの光は自然放出によって発生するので、とくに外から当ててやらなくても大抵は大丈夫です。

　一旦、誘導放出が優勢になると、例えばそれが固体のなかであれば、固体はある大きさを持っていてたくさんの原子からなっていますから、光がそのなかを進んでいくうちに誘導放出が誘導放出を引き起こし、どんどん光が強くなっていきます。つまり光が増幅されていきます。

　そんなうまいことができるのかと思われるかもしれませんが、できるのです。大抵のレーザでは図４－２に似たような状態が実現しています。最初に実現したルビーレーザもこの典型例です。次の項ではルビーレーザの話を少しします。

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