CO2レーザーの高い効率について

質問

分子レーザーの一つである炭酸ガスレーザーは１５～２０％と高く
出力が１０ｋW以上にもなる大出力であると記述されていました。
http://jasosx.ils.uec.ac.jp/RLE/RLE/lsj1983/1983_sup/lsj1983_sup-1.pdf

（１）炭酸ガスレーザーが特に効率が高いのはなぜですか。
（２）高出力になる理由は何ですか。
（３）窒素ガスとヘリウムガスを混合させる理由は何ですか。
（４）ポンピングになぜ放電を使うのですか。

窒素なしで直接放電しても炭酸ガスをポンピング出来ない理由について教えていただければ幸いです。
よろしくお願いします。

回答No.2

walkingdic · ベストアンサー

>この理由を定性的でも結構ですご教授お願いいたします。
先ほども少し触れましたが、効率的なレーザ発振をするには、できるだけ反転分布が大きく形成されることが必要です。

大きな反転分布を作るには、下の準位にいる原子・分子が出来るだけ少なく、励起されている原子・分子が沢山いることが必要です。
そのため、一番発振しやすいのは４つの準位のあるレーザになります。
つまり、基底状態と励起状態の間に誘導遷移する２つの準位がある形です。

ただ励起準位から誘導遷移の上準位までが離れているとその間は単に無駄にエネルギーを失って遷移することになるので、励起準位と誘導遷移の上準位は近いほうがよいわけです。

ＣＯ２レーザの場合、窒素が励起されたときの準位が丁度ＣＯ２の誘導遷移の上準位にきわめて近いため、窒素の励起準位に蓄えられたエネルギーが共鳴的に効率よくＣＯ２の誘導準位の上準位に移行します。

そのため、効率が極めて高くなるわけです。

ＣＯ２単体でもＣＯ２の誘導上準位の上の準位はあるので、そこからの４準位レーザ動作は行われますけど、効率を考えると誘導上準位の直ぐそばにエネルギーを供給してくれる準位があるＮ２＋ＣＯ２のようにはいきません。

あと、言い忘れましたがＨｅは放電を安定にさせる効果があるとされています。そのためか結構気体レーザではＨｅが入っているものか多いですね。安定した放電により下の準位の原子・分子を効率よく励起し、大きな反転分布の形成に役立つとされています。
ただ何故Ｈｅによりそうなるのかは私にはよくわかりません。

お礼

ご専門の方に丁寧なご説明を頂きありがとうございます。
おぼろげながらも炭酸ガスの高い効率についてイメージを
つかめるようになりました。また炭酸ガスレーザーが４準位をうまく使っていることもわかりました。当初の疑問が解決したのでここでいったん質問を打ち切りたいと思います。問題を整理して新たな質問をしたいと思います。そのときはまたよろしくお願いいたします。

回答No.1

walkingdic

>（１）炭酸ガスレーザーが特に効率が高いのはなぜですか。
一般にレーザは波長が長いほうが自然放出確率が低いので効率は高くなりがちです。
（自然放出しやすいというのは励起したうち無駄になる分が多くなるということを意味します）
ただあとは炭酸ガスレーザ特有の性質もあるので、それは他とは比較のしようがありません。

>（２）高出力になる理由は何ですか。
単純に気体の密度を高く、つまり圧力が高い状態で発振できれば効率は上がります。
ＣＯ２の場合には横励起（ＴＥＡ）が出来るため、高出力が得られやすいです。

>（３）窒素ガスとヘリウムガスを混合させる理由は何ですか。
励起過程でその効率を高めるために混合しています。特に窒素は窒素の励起準位とＣＯ２の励起準位が近いため、励起された窒素のエネルギーがＣＯ２に移行して発振効率を上げています。

>（４）ポンピングになぜ放電を使うのですか。
レーザー発振のエネルギー源をどこに求めるのかといえば、一番便利なのは電気です。
であれば、電気で直接励起することを考えたほうが効率はよくなります。
電気で励起するということを考えると、放電させることになるわけです。

>窒素なしで直接放電しても炭酸ガスをポンピング出来ない理由
出来ます。純ＣＯ２でも発振はします。
ただ効率が低いので実用的ではなく普通は行われません。

補足

大変わかりやすく明快なご回答ありがとうございました。感謝いたします。最後の＞純ＣＯ２でも発振はします。
ただ効率が低いので実用的ではなく普通は行われません。

この理由を定性的でも結構ですご教授お願いいたします。窒素の励起
準位は近いとありますがCO2だとズバリそのものだと思って補足質問させて頂きました。衝突でうまくエネルギーが伝わるものですね。振動モードの形も良く似ているのですか。よろしくお願いします。