あなたはレーザーを信じますか？

制作：中国科学普及協会

著者: シャオシャオ・チャングアン (中国科学院長春光学・精密機械物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

2015年は国際光と光ベース技術年（IYL2015）です。また、この年、ユネスコ執行委員会は毎年5月16日を「国際光の日」と定める決定に署名し、承認しました。 5月16日を選んだ理由は、1960年5月16日にアメリカの物理学者メイマンが人類史上初のレーザーを開発したからです。

マイマンとルビーレーザー

(画像出典: Wikipedia)

では、レーザーとはいったい何なのでしょうか?なぜそれがそんなに重要なのでしょうか?これら 2 つの質問に答えるには、マイマンの研究の原因と結果を理解する必要があります。

物体はなぜ光るのでしょうか?

1912年、当時の物理学者たちは、世界の基礎である原子がどのようなものかを理解しようとまだ奮闘していました。この年、デンマークの物理学者ボーアによる3つの論文が発表されました。これら 3 つの論文で、ボーアは量子論をラザフォードの原子モデルに適用し、有名なボーアモデルを提唱しました。ボーアモデルは、当時の他のモデルでは説明できなかった現象を説明することができ、後に実験によって確認できるいくつかの結果を予測しました。そのため、科学界では広く受け入れられました。

ボーアモデルを見てみましょう。ボーアモデルは惑星モデルであり、負に帯電した電子が惑星のように正に帯電した原子核の周りを動き回ります。ボーアモデルの微妙な点は、これらの電子の軌道がランダムに選択されるのではなく、特定の値しか選択できないという点にあります。

水素原子のボーアモデル

(画像出典: Wikipedia)

最も内側の電子軌道は基底状態と呼ばれ、最も外側の軌道は第 1 励起状態と呼ばれ、最も外側の軌道は第 2 励起状態と呼ばれます。ボーアモデルは物体が光を発する理由をうまく説明できます。異なる軌道にある電子のエネルギーは異なることがわかります。これらの軌道を「平坦化」して、エネルギーレベルを得ることもできます。

自然放出エネルギーレベル

(画像出典: Wikipedia)

エネルギー保存の法則により、電子が低いエネルギーレベルから高いエネルギーレベルにジャンプしようとする場合、外界から対応するエネルギーを吸収する必要があります。このプロセスを刺激吸収と呼びます。同様に、電子が高エネルギーレベルから低エネルギーレベルに落ちると、対応するエネルギーが必ず放出されます。このプロセスでは光子が放出される、つまり電子が光を放出することが判明しているため、このプロセスは自然放射と呼ばれます。私たちの生活の中で一般的な光源の発光原理は自然放射です。

蛍光灯

(画像出典: Wikipedia)

光を「従順」にする

自然放射によって生成される光には、いくつか問題があります。原子には多くのエネルギーレベルがあり、これらの光子は最初のエネルギーレベルの自然放射によって生成される場合もあれば、3 番目のエネルギーレベルの自然放射によって生成される場合もあります。これにより、これらの光子は異なるエネルギーを持ち、単一の光子のエネルギーによって光の周波数が決まります。つまり、自然放射によって生成される光の周波数はランダムです。もう 1 つのポイントは、自然放射によって光子が生成されるタイミングと光子の移動方向は人間の制御下にないため、自然放射によって生成される光の位相がランダムになるということです。

ここで言及されている周波数と位相は、どちらも電磁波としての光の特性です。周波数は光波の振動速度として理解することができ、私たちが見る光の色も決定します。位相は光波が伝わる位置として理解できます。

電磁波としての光

(画像出典: Wikipedia)

つまり、通常の光源によって生成される光は、地下鉄に群がる人々の集団のようなものです。彼らは老いも若きも、男も女も、地下鉄に乗るために着ている服の色も違うし、歩く速さも違う。すでに電車に乗っている人もいれば、まだ切符のチェックを受けている人もいる。つまり、通常の光源は日常の照明には十分ですが、科学研究の分野、特に光の特性の研究においては、その有効性は実に平均的です。

ついに 1917 年に、光を放出する別の方法が浮上しました。それは、アインシュタインが提唱した誘導放射の理論です。

誘導放出

(画像出典: Wikipedia)

誘導放射の理論によれば、第一励起状態の電子があり、このときに光子がそれに当たり、この光子のエネルギーが第一励起状態と基底状態の差と正確に等しいとすると、このとき、第一励起状態の電子は「誘惑」の条件下で自発放射を完了し、「髪の毛のような」光子を放出します。

この「誘惑光子」が存在するため、このプロセスを誘導放射と呼びます。高エネルギー電子が十分にあれば、このプロセスは継続し、最終的に「誘起された」光子の大きなグループが形成されます。このプロセスを光増幅と呼びます。最も重要なことは、これらの光子の位相と周波数がまったく同じであることです。それはまるで、よく組織された軍隊のようであり、上記の「混雑した地下鉄」の自然発生的な放射とはまったく異なります。

レーザーを構築するにはいくつのステップが必要ですか?

最初のステップは粒子数を反転することです。

誘導放射の理論が開発された後、人々はこの理論をどのように利用して均一な光を放射できる光源を作り出すことができるかを考え始めました。読者の中には、そこに光を当てるだけで十分ではないかと言う人もいるかもしれません。何が難しいんですか？

このような疑問を持つ読者は、上記の **「十分」** という 3 つの単語に注意を払い、刺激吸収現象を忘れないでください。高エネルギーレベルの電子が十分でない場合、誘導放射の数は誘導吸収の数よりも少なくなります。このとき、光線が来ると、光を放出して増幅するのではなく、基底状態の電子によって刺激されて吸収され、光が失われます。

実際、自然条件下では、基底状態の電子の数は励起状態の電子の数よりもはるかに多くなります。室温を例にとると、2 レベル システム (つまり、基底状態と第 1 励起状態のみを持つエネルギー レベル システム) の基底状態電子の数は、励起状態電子の数のおよそ 10 の 170 乗倍になります。

したがって、誘導放射の原理を利用して光源を作成する場合、解決する必要がある最初の問題は、高エネルギーレベルの粒子の数を低エネルギーレベルの粒子の数より多くすること、つまり粒子数の逆転を実現することです。

粒子数の逆転を実現するにはどうすればよいでしょうか?基本的な考え方は、水ポンプのようにポンピングして、基底状態の粒子を高エネルギー状態に送り込むことです。言うのは簡単ですが、行うのは難しいです。

水を汲み上げる粒子

(画像出典: Wikipedia)

2 番目のステップは、前身を構築することです。

1951年、アメリカの物理学者タウンズは、アンモニア分子内で粒子数の逆転を実現する方法を発見しました。

アンモニア分子は2段階システムです。通常の状況では、誘導吸収と誘導放射の確率が同じであるため、粒子数の逆転を達成することは不可能です。同時に、自発放射があり、これは高エネルギーレベルの粒子の数が基底状態の粒子の数よりも少なくなることを意味します。

タウンズの手法は非常に巧妙だった。彼は磁場を利用して基底状態と励起状態のアンモニア分子を区別し、励起状態のアンモニア分子を取り出してマイクロ波共振空洞に入れ、この共振空洞内で粒子数の反転を実現しました。 3年後、タウンズはこのアイデアを利用して最初の「MASER」を製作しました。 MASERとは何ですか?

MASER の正式名称は Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation で、「誘導放射によるマイクロ波の増幅」を意味します。 LASER の正式名称は light Amplification by Stimulated Emission of Radiation で、「誘導放射による光の増幅」を意味します。

上で、光は電磁波であり、マイクロ波もまた電磁波であると述べました。電磁波は周波数に応じて分類できます。マイクロ波の周波数は 300 MHz から 300 GHz の間ですが、可視光線の周波数は 3.9 から 7.5 倍の 10 の 14 乗 Hz の間です。名前から、MASER と LAZER の違いがわかります。これは主に、動作帯域が異なることにあります。 MASER は LASER からほんの一歩先にあります。

タウンズと最初のMASER

(画像出典: Wikipedia)

3 番目のステップは、3 つの主要なレーザー コンポーネントを完成させることです。

MASER の出現により、粒子数反転の問題が解決されました。わずか3年で、この技術は大きく進歩しました。現時点では、誰もがさらに一歩進んで、このマイクロ波増幅器を光増幅器に変えて、夢の光源、つまりレーザーを作り出すことを望んでいます。

この時点で、レーザーの 3 つの主要コンポーネントを大まかにまとめることができます。**1 つ目は、アンモニア分子などの粒子数の反転を実現できる物質の必要性であり、これをゲイン媒体と呼びます。 2 つ目は適切なポンピング方法であり、これをポンプと呼びます。 3つ目は、前述のタウンズが使用した共鳴空洞です。**共鳴空洞の役割については、後ほど説明します。

1958 年、タウンズとショーローは共同で、レーザーの実現可能性を理論的に初めて予測した理論論文を執筆しました。この時点で、東風を除いてタウンズの準備はすべて整っていました。

その結果、タウンズは風を借りた周瑜だと思っていたが、意外にも風に騙された曹操だったことが皆に知られることになる。 1960 年 5 月 16 日、マイマンは別のアプローチを採用し、人類史上初のレーザーを開発しました。興味があれば、マイマンが最初にそこにたどり着いた経緯について知ることができます。とてもエキサイティングで、紆余曲折に満ちています。しかし、ここでは彼のルビーレーザーに焦点を当てます。

ルビーレーザーの概略図

(画像出典: Wikipedia)

このレーザーはレーザーの 3 つの主要コンポーネントを非常にわかりやすく示しているので、順番にそれぞれ見ていきましょう。

ゲイン媒体: マイマンが選択したゲイン媒体は、クロムを添加した酸化アルミニウムであるルビーでした。

3レベルシステムの概略図

（画像出典：著者自作）

このゲイン媒体は 3 レベル システムです。この 3 レベル システムで粒子数の逆転を実現する方法は、以前の 2 レベル システムよりもはるかに簡単です。ルビーの 3 レベル システムには特別な点があり、ポンピング プロセスを通じて反転分布がどのように達成されるかを理解できます。

まず、基底状態の粒子は適切な励起を通じて E3 エネルギー レベルに直接輸送されます。 E3 エネルギー レベルと E2 エネルギー レベルの間には放射なしの遷移プロセスがあり、つまり、E3 上の粒子は衝突によってすぐに E2 に走り、減少したエネルギーは発光ではなく熱運動エネルギーに変換されます。

さらに、E2 状態は準安定状態であり、E3 エネルギー レベルから低下した粒子は E2 エネルギー レベルに長時間留まることができることを意味します。これは、基底状態の粒子を E2 に輸送するための遷移として E3 エネルギー レベルを使用することと同等です。このプロセスが継続すると、E2 の粒子数が基底状態の粒子数を超え、粒子数の逆転が達成されます。

実際、ルビーレーザーの効率は非常に低く、わずか0.1％です。これはゲイン媒体によって制限されます。3 レベル システムでは、基底状態の粒子を高エネルギー状態にポンプするために非常に高いエネルギーが必要になるためです。さらに、このレーザーの波長は 694.3nm であり、これもこのゲイン媒体によって決まります。

レーザーの発展に伴い、利得媒体の種類は気体、固体、液体、光ファイバー、半導体など、徐々に増加してきました。たとえば、教室でよく使用されるレーザーペンは半導体レーザーです。つまり、どのような増幅媒体を使用する場合でも、粒子数の反転を実現する方法が必ずあるということです。

ポンプ：

ルビーレーザー用の最初のポンプランプ

(画像出典: Wikipedia)

マイマンのレーザーの最も顕著な特徴は、そのポンプ光源がスパイラルキセノンランプであることです。らせん形状により、ルビーロッドをランプチューブの間に配置できます。さらに、このランプはポンピングにパルス光を使用します。つまり、放出される光は連続的ではなく、バースト状です。これはメイマンの最も重要な設計であり、これにより、高エネルギーのポンピング光が継続的に結晶を損傷することが回避されます。

共鳴空洞:

共鳴空洞の概略図

(画像出典: Wikipedia)

マイマンはルビー棒の両端に2枚の鏡を置き、右側に小さな穴を掘り、誘導放射によって放出された光が増幅媒体内を行き来して、より多くの光子を「誘引」できるようにした。一定の強度に達すると、小さな穴からレーザーが放射されます。

レーザーの用途は何ですか?

メイマンはレーザーを発明した後、記者会見を開いた。その記者会見で、記者がこんな質問をした。マイマン氏は5つの提案をしました。

1. 光を増幅するために使用されます。たとえば、高出力レーザーを製造する場合、弱い光を増幅するために光増幅器が使用されます。

2. レーザーは物質の研究に使用できます。

3. 宇宙通信に高出力レーザービームを使用する。

4. 通信チャネル数を増やすために使用（これが後に光ファイバー通信となった）。

5. 光線を集中させて超高光強度を生成することは、産業分野での材料の切断や溶接、医療分野での手術などに使用されます。

マイマンの鋭い科学研究感覚には感心せざるを得ない。彼の提案は、その後一つ一つ実現していきました。

誘導放射によって生成される光子の特性を覚えていますか?周波数と位相は一貫しており、レーザーは本質的に誘導放射光の増幅であるため、レーザーの最も重要な2つの特性は優れた単色性と高エネルギーです。これら 2 つの特性はレーザーの用途を決定し、レーザー開発の 2 つの方向性でもあります。

優れた単色性とは、レーザースペクトルが非常に狭く、光を波としての特性として簡単に表示できるため、位相情報を記録するために使用できることを意味します。たとえば、1947 年にイギリスの物理学者デニス・ガボールが発明したホログラフィック技術は、基本的に光の位相を利用して物体に関するあらゆる情報を記録し、3 次元の写真効果を生み出します。

ホログラフィック写真は、前面の情報だけでなく側面の情報も記録できます。

(画像出典: Wikipedia)

この技術が実現可能になったのはレーザーが発明されてからであり、1971 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

エネルギーが高いというのは分かりやすいです。レーザーを使用して、CD の書き込み、核融合の促進、材料の切断などを行うことができます。連続的な高エネルギーレーザーを生成できるだけでなく、フィルムロック技術とチャープ増幅技術を使用して、高エネルギーでありながらパルス持続時間が非常に短いレーザーを取得することもできます。

膜ロック技術を用いたパルス生成の概略図

(画像出典: Wikipedia)

ギフ

フェムト秒レーザーは現在非常に人気があります。このレーザーの単一パルスの持続時間は、フェムト秒（10 のマイナス 15 乗秒）のオーダーにすぎません。このレーザーを使用することで、近視矯正手術、材料の表面変化、耐腐食性の向上など、大きな損傷を与えることなく材料を正確に打つことができます。

結論

2018年にはチャープ増幅技術の発明者もノーベル物理学賞を受賞しました。現在、レーザー関連のノーベル物理学賞だけでも12件以上あります。レーザーは20世紀以降の人類の最も重要な発明の一つであると言えます。国際光の日に、もし誰かがあなたにこう尋ねたら、「あなたは光を信じますか？」あなたも彼にこう聞き返してみましょう。「レーザーを信じますか？」