レーザーは光が凝縮された光線のことです。この光は非常に強く、金属のランプを切ったり、何千キロも離れた空を拡大したりすることができます。そんなレイザー、新しい技術のように見えますが、実は60年も前から存在しているのです。最初にレイザーが発明された1960年から、レイザーは進化をし、その活躍の場を広げてきました。
レーザーとは英語での「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の頭文字をとったものになっています。これは、レーザーが「電磁放射線によって誘導放出された光増幅器の光を発射すること」を意味しています。
レイザーは電球や懐中電灯とは異なった光です。これから、レーザーの仕組みと種類を解説していきます。まずは、基本的な疑問から。
レイザーって何？
定義：レーザーは細くて強い放射光線を発射する機械のことです。この放射は、ガンマ線からラジオ波まで広い範囲の電磁スペクトラムに含まれます。
主に３つの特徴がレーザーの光線にはあります。
・単色光（レーザーの波長はいつも１種類）
・一貫性（レーザーを構成する光子には固定された位置関係がある）
・高度なコリメート（光線は平行）
本来の光と何が違うの？
光は波のように動きます。そして、光の幅のことを波長と言います。光の色は波長ごとに決まっており、例えば赤い光は緑より長い波長になっているのです。
太陽から発せられる線は、様々な波長で構成されています。人間の目はこれを白色として認識するようにできでいます。また、同じように電球は様々な波長の光を放っているので白く見えるのです。
しかし、これらとはレーザーは完璧に異なります。レーザーは自然には存在せず、人工的に全ての波長が１色の激しい光線を作り出すのでしています。そして、この波は全て同じタイミングで動きます。なぜなら、波長のピークが連なるからです。
これが、レーザーが明るく細い理由です。懐中電灯と違い、レーザーは長い距離の小さな範囲に届くようになっています。
レーザーの仕組みは？
原子と分子は基本的に与えられたエネルギーをもとに動いています。また、追加のエネルギーが与えられると、原子と分子活発的になります。これは「励起状態」と呼ばれています。
原子と分子は始めのエネルギー量に戻るため、この新たに与えられたエネルギーを放射します。そして、このエネルギーの放出は時に光となります。この現象を自発放出」と呼びます。
そして、他のエネルギーの高い原子や分子が光と衝突すると、波長やタイミングに特徴のある火光が発射されます。この過程を「誘発放出」と言います。
エネルギーの高い原子や分子の数が少ない時、放出される光は弱くなります。そのため「光増幅」はエネルギーの高い原子や分子を高いままに維持することになります。結果として、激しい強い光が放出されるのです。
さらに強化または増幅させるために２つの鏡が向き合って配置されます。この原理を１つ1つ理解していきましょう。
Ⅰ.閃光ランプのオンオフを切り替え、単結晶ルビーへのエネルギーの注入に行っています。
Ⅱ.結晶にある原子は外からのエネルギーを浴びます。原子の持っている電子は高いエネルギーレベルになります。
Ⅲ.ミリ秒後、電子は光子を放出して元どおりの状態に戻ります。これを「自然放出」と呼びます。
Ⅳ.放出された光子は、結晶ルビーの中の光と同じ速度で高速動き、他の電子を刺激し励起状態にします。それにより多くの光子が自然放出を通して放出されるようになります。
基本的に光（光子）は放射の誘導放出の過程で拡張されています。したがって、レーザーと名付けられたのです。
Ⅴ.結晶の端にある鏡は、光子を前後に跳ね返します。また、鏡の１つは光子が逃げられるようにもう一方と比べて低い反射率になっています。
Ⅵ逃げた光子は激しいレーザー光線として外に出ます。
様々な種類のレーザー
原子は様々な方法で励起状態になります。そのため、様々な種類のレーザーを作ることができるのです。現在1000をも超えるレーザーの存在が知られておりますが、そのほとんどは実験や研究のみで使われています。これからこの半世紀で見つけられたレーザー7つを紹介していきます。
１ガスレーザー
ガスレーザーでは、電流は特定のガスを通って放電されます。そして、これがまとまった光を作ります。1960年に初めて電力をレーザー光に変換するレーザーとして開発されました。
ガスレーザーは化学、エキシマ、イオン、気体金属のレーザーに分類されます。これは、ガスの種類によって代わり、様々な目的のために使用されています。
２個体レーザー
このタイプのレーザーはガスの代わりに個体を媒体としてレーザー光を作ります。基本的にこの媒体は結晶か熱いガラスのような素材のものが使われています。これはイオンに必要なエネルギーを供給するためです。
一般的な個体レーザーはNd:YAGレーザーと呼ばれるもので、波長1064nmの光を放ちます。これは、医療や製造、流体動力学の現場などで使われています。
３自由電子レーザー
自由電子レーザーでは、磁気構造によって高速移動する電子を媒体としています。波長コントロールし変えることも可能なため、様々なレーザーの周波数になることができます。これは、電子レンジや赤外線から紫外線までの波長を自由に操ることができるということです。
このレーザーが10nmほどの短い波長を生産できることから、原子レベルの素材への描写などで使われています。
４色素レーザー
名前の通り、色素レーザーは水で薄められた液体の染料を媒体としています。個体レーザーやガスレーザーより放り範囲の波長の幅があり、50nm から100nmの拡張が可能です。
例えば、ローダミン６Gでは、黄色がかった緑の560nmからオレンジがかった赤の635nmまで形成することが可能です。そして、16フェムト秒の振動を発生させることもできます。色素レーザーは非常にできることが多いのです。そのため、医療や分光学、ALVIS（レーザーでウランの同位体を分ける研究）などの広い分野で使われています。
５半導体レーザー
半導体レーザーは電気エネルギーを光に変える発光ダイオードによく似ています。このレーザーは電子を組み変えることによって動作し、波長は使う半導体によって異っています。
近頃のダイオードレーザーは紫外線から赤外スペクトルまでの光を放つことができます。一番一般的なレーザーで、バーコードリーダー、レーザープリンター、光通信などで使われています。
６ファイバーレーザー
ファイバーレーザーでは、ジスプロシウム、イットリウム、ツリウム、エルビウムと言った希土類元素と光ファイバーを注入することを媒体としています。光は「全反射」という現象によって誘導されるのです。
他のレーザーと比べて、ファイバーレーザーは高い生産性を持っています。そのため、数キロメートル離れた場所の光も受け取ることができます。この大関に対しての広い面積によって、キロワットレベルの生産力をサポートします。また、信頼性が高く、振動の安定性は長く続きます。
７原子炉励起レーザー
原子炉励起レーザーは核分裂のエネルギーが元になっています。媒体のチューブはウラン-235でできています。これは、核の炉心の中心で、中性子束に触れます。
将来的には、この技術は少量で高い励起率を実現するかもしれないと言われています。今のところ、3つの原子炉励起レーザーの使用方法が発表されています。飛行機などの駆動力、製造、そして兵器のプログラムです。
まとめ
レーザーは山ほど私たちの日常に関わっています。そしてそのほとんどが3つのカテゴリーに分けられます。
・情報伝達
・正確なエネルギーの配達
・配置、計測、図
これらのカテゴリーは様々な使用方法があります。ありふれた天井の配置からピンポイントの溶接や、繊細な手術、原子の特性の研究などまでです。
軍もレーザー技術を使った兵器の開発のために、多額のお金を投資しています。例えばアメリカの海軍ではAN/SEQ-3レーザー兵器システムを既に戦艦で導入しています。個体レーザーは低出力でターゲットに警告をしたり、センサーを避けたり、高出力で遠いターゲットを破壊することが可能です。
レポートによると、レーザー市場は2024年までに$169億ドルになるとも言われています。ヘルスケアの需要や、従来の材料加工より優れたレーザー機能、マイクロ、ナノ単位での生産へのシフトが市場を左右する重要な要素となっていると言われています。
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