ウルトラマンは怪獣と戦ってノーベル賞を受賞できる！

ウルトラマンと怪獣の戦闘の流れは、おおむね次のようになります。

ウルトラマンと怪獣たちが3分間戦う。

重傷を負った怪物は、大人しく死を待ってそこに立っていた。

ウルトラマンは怪獣を殺すために致命的なビームを発射します。

ウルトラマンティガの必殺技には、専門的な名前があります。

ペリオン光線。

しかし、どのウルトラマンであっても、

彼らの必殺技はすべてスペシウム光線をベースにしている。

今日は、非常に致死性の高いスペシウム光線を発射する方法を段階的にお教えします。

01

レーザー生成

びゅびゅびゅ〜

光には波と粒子という二重の性質があることは誰もが知っています。光線は多数の光子から構成されており、各光子は一定量のエネルギーを持っていると考えることができます。光の周波数が高くなるか、光の波長が短くなると、光子のエネルギーは高くなります。

光子エネルギー E と周波数 ν および波長の関係は次のとおりです。ここで、h はプランク定数、c は光速です。

下の図は光の周波数（波長）スペクトルを示しています。真ん中の色のついた部分が私たちが見ることができる可視光です。可視光線の両側には紫外線と赤外線があります。周波数の高い光はX線やガンマ線と呼ばれ、周波数の低い光はマイクロ波や電波などと呼ばれます。

光の周波数スペクトル。画像出典: Wikipedia

光線の全体的な強度は光のパワーであり、光線内の光子の数を表します。

光に強い殺傷力を持たせるためには、まず光のパワーが非常に強いこと、つまり光線の中に多数の光子が存在することを保証する必要があります。

これは理解しやすいですね。たとえば、レンズを使用して太陽光を集光すると可燃性物質が発火する可能性があり、光が明るくなるほど眩しさも増します。

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第二に、光子のエネルギーが大きいことを確認する必要があります。

紫外線が強すぎると人体に害を及ぼすとよく言われますし、病院のCT室（CT室ではX線を使用します）では、光子エネルギーが大きすぎるため放射線の危険性が見られます。

宇宙線は本質的に非常に高エネルギーのレーザーと考えることができます。

レーザー光が物体に照射されると、物体内部の原子、イオン、電子が光子のエネルギーを吸収し、電子がイオン化されて、原子間でエネルギーが伝達されます。その結果、物体の温度が上昇し、物体は溶けたり、気化したり、さらにはプラズマに変化したりします。

強力なレーザーを固体に照射すると、固体の局所的な部分に突然激しいエネルギーの乱れが生じます。固体内部でのエネルギーの伝播中に応力波が形成され、固体の破壊を引き起こす可能性がある[1]。

したがって、ウルトラマンが光線を発射して怪獣に当たった後、怪獣が粉々に爆発するという筋書きには、一定の合理性がある。

レーザーは、強い単色性（つまり単一周波数）と強い指向性を持つ強力な光線です。ではレーザーはどのように生成されるのでしょうか?

この時点で、私たちはアインシュタインに助けを求めることができます。彼はレーザー生成の基礎となる光の誘導放射の概念を提唱した。

量子力学によれば、物質内部では電子は個別のエネルギーレベルにあるとされています。電子がより高いエネルギーレベルにあるとき、電子は自発的により低いエネルギーレベルに移行します。遷移中に、光子が外側に放射されます。放射された光子のエネルギーは、2つのエネルギーレベル間のエネルギー差に等しくなります。

自然放出の模式図

このプロセスは自然放出と呼ばれます。私たちの日常生活で目にする蛍光体が発する蛍光は、自然放射の一例です。しかし、自然放出された光子はレーザー光に結合することはできません。

外部から光線を照射すると、光子のエネルギーが 2 つのエネルギー レベル間のエネルギー差よりも大きい場合、電子は光子を吸収してそのエネルギーを獲得し、低エネルギー レベルから高エネルギー レベルにジャンプします。このプロセスは刺激吸収と呼ばれます。

刺激吸収の模式図

ここがポイントです。外部光子のエネルギーが2つのエネルギーレベル間のエネルギー差に等しく、電子が高いエネルギーレベルにある場合、電子は外部光子の妨害を受けて低いエネルギーレベルにジャンプし、光子を放射します。このプロセスは誘導放射と呼ばれます。

誘導放出の模式図

最初は入射光子が 1 つでしたが、現在は 2 つの光子が放出されています。つまり、誘導放射によってより強い光が得られることがわかります。

ここで誰もが1つのことに注意を払う必要があります:

前述したように、電子が高いエネルギーレベルにある限り、自然放射が発生します。しかし、自然放射が起こることは望ましくありません。より多くの電子が誘導放射に参加して、望ましいレーザーが生成されることを期待しています。

では、どうすれば誘導放出プロセスをより有利にできるのでしょうか?答えは、高エネルギーレベルの電子の数が低エネルギーレベルの電子の数より多い限り、これを反転分布と呼ぶということです[2]。

しかし、高エネルギーレベルにある電子は常に低エネルギーレベルにジャンプします。では、どうすれば、常に高エネルギーレベルの電子が低エネルギーレベルの電子より多くなるようにできるのでしょうか?

賢い人であるあなたは、きっとこう考えたはずです。高エネルギーレベルの電子は絶えず消費されているので、別のエネルギーレベルからこのエネルギーレベルに電子を補充する方法は見つからないのでしょうか?

おめでとうございます。ルビーレーザーの原理を理解しました。

ルビーレーザーは3準位システムを採用しており、エネルギー準位は低から高の順にE1、E2、E3に分けられる[3]。

キセノンランプの照射下：

1. もともと基底状態 E1 にあったルビー結晶内の電子は、キセノンランプから放出された光子を吸収した後、最高エネルギーレベル E3に励起されます。

2. E3 エネルギーレベルの電子の寿命はピコ秒程度と極めて短く、多数の粒子が E3 エネルギーレベルから中間エネルギーレベル E2に自発的に放射します。

3. E2エネルギーレベルの電子の寿命は数ミリ秒程度と比較的長いため、E2エネルギーレベルには徐々に大量の電子が蓄積され、 E1エネルギーレベルとE2エネルギーレベルの粒子数の逆転が実現します。

ルビーレーザーの電子遷移過程

したがって、結晶は、hv = E2-E1を満たす周波数の光成分を増幅して出力します。出力レーザーの波長は赤色光で 694 ナノメートルです。

誘導放射によって大量の光子を生成しましたが、それをレーザーに変換して外界に出力するにはどうすればよいでしょうか。

レーザー加工材料（ルビーなど）の両端に2つの平行ミラーを取り付けることができます。これら 2 つの反射面は共鳴空洞を形成します。この場合、鏡の軸に平行な光のみが内部で往復反射される[2]。

レーザーの基本構造

光は作業材料を通過し、誘導放射によって増強され、最終的に放出されるレーザーは強い一方向性を持ちます。

上記の分析から、レーザーの強い一方向性により光子が非常に狭い空間に閉じ込められる、つまり単位空間内の光子の数が多くなり、レーザーのパワーが非常に強くなることがわかります。

それで、もう十分ですか?普通のレーザーでも人を焼くことはできるかもしれないが、一発の光線で100メートルも貫通するウルトラマンや、硬い体を持つ怪獣たちに比べれば、我々の力は足りない！

02

パルスレーザー

びう～びう～びう～

さて、私たちの主役であるパルスレーザーを歓迎しましょう。

先ほど生成したレーザーは連続レーザーです。つまり、光線のエネルギー分布は連続的です。

パルスレーザーは、セグメント内のパルスで構成された光線です。パルスの持続時間はパルス幅と呼ばれます。

パルス光時間波形の模式図

次のように想像できます。

連続光線の場合、すべての光子は光線全体に均等に分散されます。パルス光の場合、光子はパルスが続く間だけ存在します。

2 つのビームの光子の総数が同じ場合、パルス光のパルスにはより多くの光子が含まれます。

パルスレーザーはパルスあたりの光子数が多い

つまり、両者の平均パワーは同じですが、パルス光は連続光よりも瞬間的なパワーが強いということです。

パルス光のパルス幅が狭いほど、レーザーの瞬間的なパワーが強くなることが予測できます。したがって、超短パルス幅のパルスレーザーを生成することが私たちの次の目標です。

では、パルス光はどのように生成するのでしょうか?

前述のように、誘導放射によって生成された光は共振空洞内で前後に振動し、増幅されたレーザー出力を実現します。しかし、共振空洞では損失が発生するはずです。光に対する媒体の利得が損失を上回った場合にのみ、連続的なレーザー出力が達成される[2]。

共振空洞内の損失を調整することができます。

まず、レーザーがレーザー光を生成できないように、共振空洞の損失を非常に大きな値に調整します。このようにして、多数の励起状態粒子をレーザーの上位エネルギーレベルに蓄積することができ、その結果、多数の反転粒子が生成されます。

反転粒子の数が閾値に達すると、空洞の損失が急激に減少し、多数の励起状態粒子が急速に誘導放射を完了します。

そして次のパルスサイクルで同じ動作が再度実行されます。これにより、非常に狭い光パルスが生成されます。

共振空洞損失を調整してパルスレーザーを得るための模式図

パルスレーザーのパルス幅は、一般的に共振空洞の損失を変えることによって実現され、ナノ秒レベルに達することができます。

共振空洞内に電気光学結晶を配置することで共振空洞の損失を変えることができます[2]。

いわゆる電気光学結晶とは、両端に電圧をかけると結晶を通過する光の偏光方向が変化する結晶です。このとき、偏光方向が垂直な別の偏光子を追加すると、光は偏光子を通過できず、共振空洞内で前後に振動できなくなります。

では、さらにパルス幅が短く、瞬間出力が強いレーザーを生成するにはどうすればよいでしょうか?

光は電磁波であり、光の強さは主に電場の振動であることがわかっています。振動方向が共振空洞の軸に平行な光を縦モード、振動方向が軸に垂直な光を横モードといいます。

たとえば、バネの振動は縦モードであり、水波の振動は横モードです。

電界の振動には、振幅、振動周期、位相が含まれます。

一般的なレーザーの場合、内部の光場の振動は完全に異なり、位相はランダムです。したがって、各モードは互いに干渉しません。

ここで、共振空洞に変調器またはカー結晶と呼ばれるものを追加して、振動モードを位相ロックすることができます[4]。

その後、しばらくすると、いくつかの振動モードがそれぞれの最大振幅で出会い、重ね合わせを達成し、最終的により大きな振幅を出力します。

より強力なパルスレーザーを形成するために異なるモード間の位相ロックの概略図

このようにして、レーザーのモード同期増幅を実現しました。この方法により、ピコ秒、さらにはフェムト秒のパルス幅を持つパルスレーザーを実現できます。

しかし、今はまだ十分ではなく、さらに強力なレーザーが必要です。

連続光をフェムト秒パルスレーザーに変換することで、非常に強い瞬間出力を実現しました。それで、フェムト秒パルスレーザーを直接増幅し続けることができるのでしょうか?

答えはイエスです！

次に、チャープパルス増幅技術を使用して、Spaciume ビームをさらに強化します。

レーザー光線をプリズムのセットに通してパルス幅を広げ、ピークパワーが非常に低くなるようにします。

次に、増幅のためにゲイン媒体を通過させます。事前にピークパワーを低減しているため、増幅媒体での増幅プロセス中にレーザーが損傷することはありません。

レーザーはゲイン媒体によって増幅された後、一連のプリズムを通過してパルス幅が圧縮されます。つまり、より多くの光がより小さな領域に圧縮され、フェムト秒レーザーパルスの強度が大幅に増加します。

この手法が2018年のノーベル物理学賞も受賞したことは特筆に値します。ウルトラマンはこの技術でノーベル賞を受賞できるんですね！

03

高調波

びうぅ～びうぅ～びうぅ～

非常に強力な光学パワーを実現しましたが、今後さらにその強度を向上させるにはどうすればよいのでしょうか?

元の考えに戻ると、次は光子のエネルギーを増やすべきでしょうか?それは光の周波数を高めることです。

1961 年、フランケンらは、ルビーレーザーで生成された赤色光のビームを石英結晶に通すと、出力光が紫色光に変わることを発見した[5]。

スペクトルから、紫色の光の周波数は赤色の光の2倍であることがわかり、これは光の周波数倍増が達成されたことを意味します。彼らが発見した現象は第二高調波発生と呼ばれています。

どうやら、私たちが望んでいたことは達成できたようです。光子のエネルギーを増加させました。

この記事の終わり...

冗談です。第 2 高調波がどのように生成されるかを見てみましょう。

先ほども述べたように、光は電磁波です。

物体では、原子核は正に帯電し、電子は負に帯電します。電場が原子に作用すると、原子核と電子は互いに反対の方向に移動します。

これにより双極子が形成されます。双極子は、外部から印加された電界に重ね合わされる電界を生成し、それによって外部電界の大きさと方向を変化させます。このプロセスは電界の分極プロセスです。

固体全体に対して、双極子によってもたらされる寄与は分極強度と呼ばれます。いくつかの複雑な解を通して、分極強度Pの表現は外部電場Eのべき乗の合計として表すことができることがわかります。べき指数は非線形効果の順序に対応し、先行する係数は非線形係数と呼ばれます[6]。

分極強度と印加電界の関係

第二高調波発生は、2 次非線形効果です。さらに、3 次非線形効果である第 3 高調波発生があり、出射光の周波数は入射光の周波数の 3 倍になります。

固体では、非線形効果により、紫外線よりも数倍高い周波数の光子が生成されることがあります。

しかし、まだ十分ではありません。私たちは強さを継続的に向上させることができるでしょうか？

わかりました！

この方法では、フェムト秒レーザーを使用してガスをイオン化し、高次高調波を生成します。この方法は周波数を数十倍に高めることができ、 X線帯域のパルスレーザーを生成することもできる[7]。

プロセスは次のようになります。

フェムト秒パルスレーザーはガス原子に作用してその内部の電子をイオン化するために使用されます。

イオン化された電子はフェムト秒レーザーの電場によって加速され、非常に高いエネルギーが得られます。

電子は再び原子と再結合し、再結合の過程で光場内の電子が得た運動エネルギーと連続状態から基底状態への遷移エネルギー（イオン化エネルギーに等しい）の合計が高次高調波光子の形で放射されます。

高次高調波発生の 3 つのステップの概略図。右上の 2 つの写真は、加速された電子が他の電子または原子と衝突するプロセスを示しており、下の写真は、加速された電子と原子の再結合による高次高調波放射を示しています。画像出典：参考文献[5]。

さらに、高次高調波発生過程によって放射される極端紫外線パルス光のパルス幅はアト秒レベルに達することが分かっています。

このようにして、 Spaciome光子のエネルギーを大幅に高めただけでなく、フェムト秒レーザーよりもパルス幅が短いアト秒レーザーも得られ、光の瞬間的なパワーがさらに高まりました。

このように、このようなスペシウム光線は、すでに極めて強力な破壊力を達成することができます。

本日は「ウルトラマンの必殺技の基礎知識 スペシウム光線」の記事は以上です。

学びましたか？

参考文献:

[1] 高強度レーザーの損傷メカニズムに関する研究の進展、Zhou Yichun 他著、Mechanics and Practice、Vol. 17巻1号、1995年。

[2] レーザーの原理、オラツィオ・スベルト、1998年第4版、シュプリンガー。

[3] ルビーレーザー、第5部、ノースウェスト電気通信工学研究所、レーザーと赤外線、1978年、（04）

[4] レーザー原理、周秉坤他、第6版、国防産業出版社、2009年

[5] 光高調波の発生、PA Franken et.al、Phys.レット牧師7、118-119（1961）。

[6] 非線形光学、Shi Shunxiang他、2012年、第2版、西安大学出版局

[7] アト秒パルス発生の技術的原理と進歩、Wei Zhiyi他、Science Bulletin、Vol. 66, 第8号, 2021: 889 ~ 901

出典：中国科学院物理研究所

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