２０　レーザーって？

今日、レーザーはいたるところで使われている光源です。米粒より小さな半導体レーザーから、巨大な装置まで用途も色々です。ライブの会場を盛り上げる華やかな光線はおなじみです。

でも、どうしてあんな光が出るのでしょう？

レーザーは、英語の頭文字をならべた略語です。
LESER： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
『誘導放出による光増幅』の意味です。

誘導放出？　光増幅？　

フォトンは「のっぺらぼう」でしたね。これがレーザー実現のミソなのです。

次の関係式を思い出していただくと、レーザーの原理はわかります。ここでもう一度この数式について説明しましょう。

まず、ある空間でフォトンが何かの理由で一個増える確率を考えます。例えば一個の原子が一個のフォトンを放出するような場合です。

はフォトンが「のっぺらぼう」だとした場合の確率、はそうでなく区別ができる違った顔を持っていると考えたときの確率です。

この式は「フォトンがのっぺらぼうで区別のできない粒子だから、はその空間にすでにあるフォトンの数ｎに応じてより大きくなる」というフォトンの性質を示しています。括弧の中はｎだけでなく１が足されています。つまりｎ＝０なら、「のっぺらぼう」と「違った顔」の場合の違いはありません。

「違った顔」の場合のｎ倍になる方の現象は、何かがフォトンの数を増やすことを誘導しているわけで、これはフォトンの誘導放出（Stimulated Emission）と呼ばれています。そしてそのためにフォトンの数、つまり光の強さが増幅されるので、電気回路による電圧の増幅と同じ言葉を使って光増幅と呼ばれます。

多くのレーザーは次のような構造をしています。

二枚の鏡を向かい合わせにおいて、その間に何か発光をする物質（気体でも液体でも固体でもOKです）を置きます。

次にこの物質に、外からその物質が発光するように仕組みます。すると、物質は四方八方へ発光するのですが、鏡に向かった光は反射され後戻りします。そして、二枚の鏡の間を行き来します。

外からは絶えずその物質を光らせるようにエネルギーを供給しますと、誘導放出のために、二枚の鏡の間を行き来できる光の強さ（フォトンの数ｎ）だけが増幅されます。一方、それ以外のフォトンは鏡から漏れたり吸収されて無くなってしまうために、そのフォトンは増幅しません。

そのようにして二枚の鏡の間の空間を行き来するフォトンだけが爆発的に増幅され強くなります。そこで、一方の鏡から少しだけフォトンを取り出して使うのがレーザー装置です。

実際は、レーザーとなる光の波長を決めたり、増幅率を上げるようにしたりするために、レーザーの種類によって色々な工夫がされていますが、基本的にはこのような仕掛けでレーザーの光は生まれます。

次の写真はレーザーに使われたルビーの円柱の棒の切り口から、緑色の光を当てると円柱全体が赤く光る様子です。この円柱を、向かい合わせに置いた二枚の鏡の間において、外部から（実際は円柱の側面から）赤い光を光らせる別の強い光を当てて、この赤い光を増幅させるとレーザー光が生まれます。このレーザーはルビーレーザーと呼ばれ、１９６０年にT.H.Maimanが世界で初めてレーザー発振を成功させたものです。

ルビーの円柱の中心軸をｘ軸として、左の端を原点としたとき、ｘ軸に沿って、ｘとｘ＋ｄｘの間にあるフォトンの数をｄｎとすると、フォトンの数が増える割合は次の微分方程式で表されます。

　ここでaとｂはプラスの定数で、aはｎの長さ当たりのフォトン数の増える割合を表わし、ｂはｎの数がいろいろな事情で減る割合をあらわします。この定数は物質の種類や光らせる仕掛けの様子、鏡の反射率、鏡の間隔などによって変わり、大抵の場合はｂの方がaより大きくなって、増幅は起こりません。

また、aがｂより大きすぎると、増幅が大きすぎて、場合によっては物質が壊れたりします。したがって、aがｂに等しくできれば、強さの安定したレーザー光が生まれます。この方程式にしたがう自然現象はレーザーだけでなくいろいろありますので、この方程式の応用例についてはあとの節で考えます。