何故、レーザーには宝石がよく用いられるのですか？

Question

ルビーやアレキサンドライト、YAGもガーネットが
含有されていますし、宝石がよく用いられる、
宝石がレーザーを出しやすいのには理由が
あるのでしょうか？
物理は高校程度の知識しかありませんが
どうかご教授ください

walkingdic · Accepted Answer

まず＃１，２の説明は間違いです。＃３の説明は大まかにはＯＫです。

まず宝石がなんでもレーザー媒質になれるというわけではありません。
たとえばダイヤモンドは違います。
実は宝石自体と言うより宝石に含まれている微量の原子がレーザー発振に使われています。つまり宝石自体がレーザー発振するわけではありません。宝石自体はあくまでその微量の原子を閉じこめておく家です。

たとえば宝石の一つであるサファイア。純粋なサファイアはレーザー媒質にはなりませんが、それにチタン原子を入れると、このＴｉが原因でレーザー発振します。

つまりレーザー発振する原子を閉じこめる家が必要で、その家は光学的に透明である必要があり、たまたまそれによく宝石で知られている器が使われているわけです。もちろん中には初めからそれが含まれている、つまり相性の良いものもあります。ルビーなどはその典型ですね。

ちなみに光学的に透明であればよいので、ガラスでもＯＫです。これはガラスレーザーと呼び、レーザー発振するＮｄ（ネオディウム）を微量に入れています。

ただ単結晶が多いというのは実は他にも理由があります。結晶構造をとると大抵熱伝導率が小さいことが多いのです。レーザー発振している場合にはかなりの熱を出すので、冷却するために熱伝導率が小さい必要があり、そのため結晶が使われることが多いのです。先に述べたガラスは熱伝導率が悪いので特殊用途にしか使われません。（大出力の核融合用レーザーなど）

ある意味偶然ではあるのですが、確かに見た目に綺麗な物にはなりますね。

では。

kz1975 · Answer

ルビーを例にとると、Al2O3という物質の単結晶にCrという遷移金属がわずかに含まれています。遷移金属というのはご存知かもしれませんが、周期表の３列目の金属で、Ti、Cr、Fe、Ni、Cuなどのことです。この遷移金属がAl2O3などの中にわずかに含まれることで、"3d電子"と呼ばれる電子が特定の波長の可視光を吸収し、さまざまな色がついているのが宝石です。単結晶でないときれいに見えないのは、原子が規則正しく並んでいないと光がいろいろな方向に散乱されて、きれいに光を反射できなくなるためです。

で、なぜこれらの宝石がレーザーに使われるかですが、特定の波長の光を吸収できるということは、それと（ほぼ）同じ波長の光を出すことができることを意味します。これをきちんと説明するには量子力学が必要ですが、物質による光の吸収は、電子のエネルギーが低いところから高いところに移動することによっておき、光の放出は、高いエネルギーを持った電子が低いところに落ちることでおきる、ということです。

固体レーザーで単結晶が必要なのは、出てきた光が散乱されないためです。クリスタル(SiO2の単結晶)は光を反射、透過してきれいに見えますが、これを粉々にしたら光を散乱するようになり白っぽく見えるはずです。ガラスでもそうですが。

oyaoya65 · Answer

結晶構造の関係で原子が規則正しく並び、原子の種類と並び方により特定の波長の光が通りやすい結晶軸の方向があって、その通りやすい性質を利用して特定の波長だけを効率的に取り出して多重反射させて増幅してレーザー発信機の部品として利用しているわけですね。
宝石の規則正しい原子の配列構造と構成する原子の性質が利用しやすいから使われるのでしょうね。原子の種類により光を吸収したり放出したりするスペクトル（波長）が異なります。こればレーザー発信周波数に関係します。
結晶構造をとらないガラス（アモルファス結晶構造）やその他の物質ではランダムに色々な原子が不規則に並んでいるため、原子の吸収スペクトルや特定方向に選択的に位相のそろった光を通す性質が無いためレーザー発信には向かないということだと思います。

ymmasayan · Answer

レーザーの発生素子には単結晶が必要です。
天然に得られる単結晶は殆んど宝石です。

今では、沢山の宝石や単結晶が人工的に合成されています。

参考URL：http://www15.plala.or.jp/gemuseum/gemstry-rbsp-5.htm

何故、レーザーには宝石がよく用いられるのですか？

まず＃１，２の説明は間違いです。

ルビーを例にとると、Al2O3という物質の単結晶にCrという遷移金属がわずかに含まれています。

レーザーの発生素子には単結晶が必要です。

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