レーザー

I

プロローグ

レーザーはもともとLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation(放射の誘導放出による光の増幅)の頭文字をとった略語。レーザーは赤外線から紫外線にわたる光を増幅し、コヒーレントな光をつくりだす装置である。コヒーレントな光とは、完全な干渉性をしめし、光の波あるいは光子(フォトン)が足並みをそろえて伝播(でんぱ)する光のことである。したがってレーザー光は、強度がきわめて強く、指向性がよく、単一の波長をもつ。レーザー装置は、現在ではX線の振動数範囲まで、あつかえる範囲が拡大している。マイクロ波に対する同様な装置は、メーザーという。

II

レーザーの原理

レーザーは、コヒーレントな光を放出するのに原子を利用している。レーザーの媒体となる原子の電子は、まず、エネルギーをあたえられて励起状態にあげられる。これを、ポンピングという。次に、励起された電子に外部から光をあてて刺激をあたえると、光の強さに比例して、たくわえていたエネルギーを光として放出する。これが誘導放出である。放出された光子は、原子に固有な波長をもち、誘導された光子と歩調をあわせて伝播する。この光子はさらに励起された他の原子に衝突し、誘導放出をひきおこしていく。光の増幅は、平行におかれた鏡の間を光子が往復して反射し、誘導放出をひきおこすことによっておこなわれる。最後には強力な単色のレーザー光が、半透明の鏡から発射される。

レーザー作用の基礎となる誘導放出は、1917年にアインシュタインによって、最初に提案された。54年にソ連のニコライ・バソフとアレクサンドル・プロホロフは、誘導放出による増幅とアンモニア分子をつかったメーザーの基本原理を発表した。さらに、58年、アメリカの物理学者アーサー・ショーローとチャールス・ハード・タウンズが明らかにし、60年に、メーマンが固体ルビーで最初のレーザー発振に成功した。さらに66年には、ピーター・ショロキンが液体レーザーを作成した。

III

レーザーの種類

レーザーは、もちいられる媒体によって、固体レーザー、気体レーザー、半導体レーザー、液体レーザーなどに分類される。また、放出される光線の波長により、紫外線レーザー、赤外線レーザー、可視光レーザーなどに分類される。

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固体レーザー

固体レーザーでよくつかわれる材料はルビーの結晶と、ネオジムを添加したガラスや結晶である。後者の結晶の場合には、YAG(ヤグ)とよばれるイットリウム・アルミニウム・ガーネットの結晶もよくもちいられる。この材料の棒の両端を厳密に平行になるようにみがき、非金属の高反射体の被膜をつける。固体レーザーはパルスの形で強力な光を発振する。パルス幅は12 × 10^-15秒と短いので、ひじょうに継続時間の短い物理現象の研究に有用である。電子を励起するポンピングはキセノン・フラッシュ管、アーク灯などでおこなわれる。