光学利得媒体：原理、種類、励起方法と応用

動作原理

利得媒体における増幅は、エネルギー準位間に反転分布を作り出すことに依存する。これにより、入射光子は同じ位相、周波数および方向をもつ追加の光子の放出を引き起こす。主なパラメータには、小信号利得（利得係数）、利得帯域幅（増幅が起こるスペクトル範囲）、ならびに高強度で利得が低下する飽和挙動がある。また媒体は自然放出も生じさせ、制御されなければ背景光や増幅自然放出（ASE）の要因となる。

利得媒体の種類

• 固体結晶：最初期のレーザーに用いられた人工ルビー、ならびにネオジム:YAGなどのドープ結晶が例である。
• ガラスと光ファイバー：希土類を添加したファイバー、特にエルビウム添加ファイバー増幅器は、光通信で広く利用される。
• 気体：ヘリウム・ネオンレーザーおよびCO2レーザーは、気体混合物を利得媒体として用いる。
• 液体色素：溶液中の有機色素は、研究用レーザー向けに広範囲で波長可変の利得をもたらす。
• 半導体：ダイオードレーザーはp–n接合を利得媒体として使用する、コンパクトな電気励起光源である。

励起方法と歴史的事項

ポンピングは、反転分布に必要なエネルギーを供給する。一般的な方法には、フラッシュランプまたは他のレーザーによる光励起、電流による励起（半導体ダイオードや気体放電）、および化学反応を利用する励起（化学レーザー）がある。最初に動作したレーザーは人工ルビー結晶を利得媒体に用い、現代のレーザーシステムを支える基本原理を実証した。

応用と設計上の考慮事項

利得媒体の選択は、波長、出力、波長可変性、効率、熱の取り扱いに影響する。利得媒体は、光ファイバー増幅器やレーザー切断から医療手術、科学的分光法まで、多様な技術の基盤となっている。設計者は利得帯域幅、熱的影響、ビーム品質、ASEの生じやすさの均衡を取らなければならない。多くのシステムでは、所望の性能を得るため、媒体を特定の励起方法および共振器または導波路の形状に適合させる。