モンスターと戦ったり、彫刻をしたり、核融合を始めたり、なぜあちこちにいるのですか?

子どもの頃、私はテレビの前に座ってウルトラマンが怪獣と戦うのを見ていました。ウルトラマンが怪獣に襲われるたびに、胸のエネルギー表示灯が点滅し始め（ウルトラマンの心の声：時間切れだ、もう行動できない）、彼の得意技であるスペシウム光線を発動します。

(画像出典: Wikipedia)

小学生の頃、ウルトラマンを見終わるたびに、手を伸ばしてスペシウム光線を手で消そうとしていたのですが、残念ながら私はM78星雲の住人ではありませんでした。

その後、現代物理学の知識を身につけた私の脳は、ウルトラマンジャックが発するスペシウム光線、ウルトラマンセブンが発するアメリウム光線、そしてティガが発するザペリオン光線は、おそらくすべてレーザーであるはずだと教えてくれました。

1916 年、アインシュタインは原子の誘導放出と自然放出の関係を初めて説明しました。その後長い間、人々はこの現象を利用して光場を強化できるのではないかと推測してきました。 1960 年 5 月 16 日、カリフォルニア州のスース研究所の科学者であるメイマンがレーザーの製造に成功したことを発表しました。これは人類が初めて手に入れたレーザーであり、マイマンはレーザーを実用分野に導入した世界初の科学者でもありました。

マイマンと彼のルビーレーザー

(画像出典: Wikipedia)

レーザーのさまざまな魔法の応用について話す前に、まずレーザーがどのように生成されるかを見てみましょう。

光子を「従順」にする：レーザーと誘導放出

メイマンが作り出したレーザーでは、光る物質はルビーでできた小さな棒でした。ルビーは多くの原子で構成されており、原子は原子核と原子核の周りを回る電子で構成されています。

（画像出典：著者自作）

電子が原子核から遠く離れた軌道から原子核に近い軌道にジャンプすると、いくらかのエネルギーが光の形で放出されます。このプロセスは、あらゆる種類の発光体の原子で発生しています。

（画像出典：著者自作）

しかし、自然界では、電子の軌道遷移がランダムであるため、異なる原子核を周回する電子の遷移によって生成される光子のエネルギーも異なります。したがって、放出される光子は寄せ集めであり、特別なものではありません。この光を自然光と呼びます。

レーザーと自然光の最大の違いは、レーザーの光子は同じエネルギーを持ち、同期して作用することです。レーザー内の光子が非常に従順なのは、アインシュタインが発見した誘導放射現象を利用しているからです。

誘導放射現象とは、光子がまだ電子遷移が起きていない領域を通過すると、他の電子がこの光子の影響を受け、次々に遷移し始め、同じエネルギーと伝播方向を持つ多くの光子が生成されることを意味します。

ちょうど学校で夕食の時間が近づき、みんなが食堂に行く準備をしているときのような感じです。クラスメイトの一人が先頭に立つと、全員がそれに従って食堂まで走ります。

（画像出典：著者自作）

科学者たちは誘導放射の現象を利用してレーザーの開発に成功しました。レーザーから放出される光子は同じエネルギーを持ち、同時に移動するため、自然光よりも方向性があり、単色で、エネルギーがより集中しています。結局のところ、「団結すれば強くなる」のです。ウルトラマンは高濃度エネルギーレーザーのおかげで怪獣を倒すことができます。

さて、レーザーが作られた今、モンスターを倒す以外に何ができるのでしょうか?

レーザーは繊細な作業も可能に - フェムト秒レーザー加工

フェムト秒はマイクロ秒とも呼ばれます。今回はどれくらい短いですか？フェムト秒は1000兆分の1秒に過ぎません。自然界で最も速い物質は光であり、毎秒 30 万キロメートル移動できることは知られていますが、1 フェムト秒では光は 300 ナノメートルしか移動できません。

フェムト秒レーザー処理とは、レーザーを使用して材料を除去するときに、レーザーが材料と相互作用する時間がフェムト秒オーダーであることを意味します。レーザーエネルギーは高集中しているため、レーザーと材料の相互作用時間を非常に短く制御しないと、焼きたくない場所も焼けてしまいます。

近視を治療するレーザー手術では、角膜組織の厚さに応じてレーザーを制御することが非常に重要です。そうでないと、結果は深刻になります。

フェムト秒処理技術により、レーザーは非常に精密な構造を処理できます。モンスターと戦うだけでなく、張飛が針に糸を通すような、荒っぽいけれども繊細な作業もこなすことができます。

下の写真は、フェムト秒レーザー加工技術を使用してガラス表面に作られたマイクロレンズを示しています。その大きさはわずか 10 ミクロンですが、人間の髪の毛の直径は 60 ～ 100 ミクロンに達します。

（画像出典：参考文献）

これらの繊細な模様はすべて、非常に低エネルギーのレーザーを使用して彫刻されています。非常に高エネルギーのレーザーを繊細な作業に使用した場合、それはウルトラマンが針に糸を通すようなものになります。つまり、ざらざら、ざらざら、そしてその中間の細さになります。通常、私たちは虫眼鏡を使って太陽光を小さな光点に集めますが、これによって木を燃やしたり、紙に火をつけたりすることができます。では、非常に高い集中エネルギーを持つ複数のレーザービームを一緒に集中させることができたら何が起こるでしょうか?これが、私たちが次にお話しする「太陽を作る方法」、レーザー核融合です。

レーザー誘起核融合：偉大な力が奇跡を起こす

人類の発展は、エネルギー開発・利用技術の継続的な進歩を伴っています。クリーンで安全かつ制御された核融合発電技術は、人類が追い求めてきた理想的な発電技術です。現在研究されている制御核融合技術のルートとしては、磁気閉じ込め核融合、レーザー閉じ込め核融合、Zパルス発電施設などがあります。米国の国立点火施設（NIF）、上海嘉定の神光1号と神光2号、四川省の神光3号はいずれもレーザー核融合の研究に使用される大規模な実験施設である。

レーザー核融合の基本原理は、レーザーを使用して固体の球状の核物質（直径約2ミリメートルの小さな球）を核融合を起こせる温度（約1億度）まで加熱することです。理想的には、核物質の核融合後に放出されるエネルギーは、核物質の加熱に消費されるエネルギーよりも大きく、余剰エネルギーは人間が利用することができます。

現時点では、核融合が実用化されるまでにはまだ数十年かかる。アメリカの国立点火施設を例にとると、核燃料を核融合を起こせる温度まで到達させるためには、直径約3mmの核物質に全方向から同時に192本のレーザー光線を当てる必要がある。 NIF 装置はサッカー場 3 つ分の大きさがあり、これほど高い制御精度を実現するのは非常に困難です。

国立点火施設の内部

(画像出典: Wikipedia)

核物質ペレット

(画像出典: Wikipedia)

国立点火施設を運営する科学者たちは、192本のレーザー光線を細く真っ直ぐにしてボールに正確に狙いを定めることができるよう、あらゆる方法を試してきた。 **一部の科学者はレーザーを曲げるために知恵を絞っています。ウルトラマンゼータのゼータが光を曲げるのを見て、それを現実でも再現したいと思ったのですか？曲線に沿って進むこのタイプの光は 2007 年に初めて発見され、エアリー ビームと呼ばれています。

自動的に点灯するライト - エアリービーム

この魔法の光線は、イギリスの天文学者であり数学者であるジョン・エアリー卿にちなんで名付けられました。 1838年、彼は「なぜ虹は曲がっているのか」という疑問を研究しているときにエアリーの方程式を発見しました。それが種子であるならば、エアリービームは100年以上後に成長する大きな木です。ただし、エアリービーム生成のメカニズムは非常に複雑なので、この記事ではその生成方法については詳しく説明しません。

実験室で測定されたエアリービームの伝搬経路

（画像出典：参考文献）

科学者たちは、エアリービームの自己屈曲特性を利用して、エアリービームを使って微粒子を輸送する光ピンセットを開発しました。

（画像出典：参考文献）

エアリービームのエネルギーが十分に大きければ、それを使って作られたレーザー兵器は、カバーの後ろに隠れている敵に対処できるようになります。エアリービームの伝播距離が十分に長ければ、通常のビームが届かない場所を照らすことができます。エアリービームが十分に細ければ、より複雑な形状の小さな構造物を作成できます。

蒸気機関の出現は産業革命を引き起こし、電磁誘導の発見によって人類は電気の時代を迎えることができました。現在「最も速いナイフ」、「最も正確な物差し」、「最も明るい光」などと称賛されているレーザーは、将来私たちをどこへ連れて行ってくれるのでしょうか？一緒に待って見てみましょう。

参考文献:

[1] Cao Xiaowen、Zhang Lei、Yu Yongsen、他。フェムト秒レーザーによる微小光学部品の作製とその応用[J]。中国レーザージャーナル、2017年、44(1):13。

[2] シヴィログロウ ジョージア、クリストドゥリデス DN。有限エネルギーエアリービームの加速[J]。光学レターズ、2007年、32(8):979-81。

[3] リン・ズンキレーザー核融合の開発（招待論文）[J]中国レーザー、2010(9):2202-2207。

[4]https://zhuanlan.zhihu.com/p/26697972

制作：中国科学普及協会

著者: 海の塩漬け魚

プロデューサー: 中国科学博覧会