? 第1歩からやさしく

レーザ十基礎の基礎
黒津宏・著

71'
70ト日
ニ'
17.
.
.
社

はじめに20世紀を 一言で言 えばエレクトロニクス"に代表される時代でした。電話 ，放送，医療にと，エ レクトロニクスが大活躍し ，家庭にもどんどん入り込んできた時代です。おかげ、で ， とても便利 で 快適な生活を送る事が出来るようにな ってきました 。今の私たちはエレクトロニクスのかご"の中で暮らしていると 言 っても過言でありません 。
エレクトロニクスと 言 えば 「トラ ンジスター」ゃ「 コン ピューター」ですが，これらと並んで、20世紀最大の発明の中に「レーザー」が入っています。 トランジスタ ーは 集積回路 (IC) に発展し，私 たちの身の周りにあふれるようになってきましたが，一方のレーザーはそれほどでもありま せん。で も r2
1世紀は光の時代」と 言 われています。 レーザーが大活躍する時が来 るのです。
レーザーとし、うと，何だかむずかしいも の，何だかこわいもの，というイメージを持 っていませんか。身近な例では，ス ーパ ーのレジ、で、バーコードを読むのに使われていますし， CDの中にも入 っています。 自動車工場に行くとレーザーで鉄板を切 ったり，穴を聞けたり，くっつけ たりと，レーザーロボ y 卜が大活躍 しています。通信にも大量に使われていて未来の発電 といわれている核融合を起こすのにも使われようとしています。
この本では，このようなレーザーに ついて，第一歩からやさしく ，そして正確に書いてあります。 この本 を読ん でレーザーに ついて興味を持 ってください 。 きっと面白くな る ものと思し、ます。

r， レーザーとは何 で す か ?Jの問
この本は「光とは何ですか?J，いに答えることから始ま って「し、ろい ろなレーザーの構造や特徴 J
そして「 レーザーが使 われている 応用例」につ いて書いてあります。

一言でいえば「 レーザーとは役に立つ新しい光とそれを作る機械」のことです。医 学 か ら 電 話 通 信

さらには CDプレーヤ ーなどで重要な 役割を果たしているレーザーですが，殺人光線に代表されるような SFの 世界のものとしか思っていない人が多いのが現実です。
そこで ， レーザーの本当の姿を 知 って，新しい利用 法を見つけ ， これからの光の時代に即応できるようにするのがこの本の目的です。
できれば未来の人たちにこの本を読んでもらいたいと思っています。いろんなことに興味を持っていろんなことに目を向けて欲しいのです。理系に限らず，文系の人たちにも解るように 書きました。大学の教養過程や高専での教科書としてまた理工学部でも専門以外の学科の科目の教科書としてお使いいただけるものと思います。ぜひ，読んでみてくださし、。

1999年 4月

黒淳

宏レーザー基礎の基礎もくじ
第1章

レーザーとは何?

l レーザー学の始まり
2. レーザーの歴史.23. レーザ ー は ど の よ う に 使 わ れ て い る か ?

・44. レーザーの重要な性質

・84.
1 波長 ‑・84.
2 出力パワー・104.
3 パルス光と連続光.10

4.
4 ビームの大 きさと発散角
4.
5 コヒーレンス

12・134.
6 効率

14

第 2章 原 子 と 光
l 電磁波とフォトン

162 量子力学と古典 力 学 ・・20

3. 光と物質との相互作用

・254. 初 歩 の 光 学 ・・30

第 3章

レーザー内部を見てみよう

l 反転分布をつくる.34

2. オマンピング

・

3 光共振器・424.46

レーザ一光線を作る

第4章

40

レーザー光線の特徴

1l レーザーの発援波長とスペク トル線 1
1日...• ....52

2. レーザービームとモード・.573. コヒ ーレ ンス

60.62.64

4 偏光 ‑
5 パルス発振と連続発振・第5章 ガスレーザーのいろいろ
ガスレーザーの仲間達・.692 ヘリウムネオンレーザー

763 希ガスイオンレーザー

784. 金属蒸気 レーザー
5. 炭酸ガスレーザー・
6 エキシマレーザー
7 その他のガスレーザー.82.
84.86.8
8

第6章固体レーザーのいろいろ
1. 団体 レー ザ ー と は ?

.
902 固体レーザーのポンピング ・・

5 波長可変固体レーザ‑

96・99・101.1
06

6. その他の固体レーザー

・1093. ルビーレーザーの原理 ・4 ネオジウムレーザ‑一第ア章半導体レーザーのいろいろ
l 半導体のエネルギー構造

II
12 半導体の性質

1201221263ダイオード

4. 発光ダイオードE第8章半導体レーザーの実際
2. レーザー共振 器の構造

1311383 波長と材料

1424. 代表的な半導体レーザー

144l

下導体レ ーザーの構造第9章色素レーザーと超短パルス発生l 色素レーザー

150

1.
1 色 素 レー ザ ー と は ?

150

1.2 色 素 レーザ ーの構造 ‑1521.
3 レーザ一色 素 ・・
1.4 色素レ ーザーのポンピング

155

1582. 超短パルスの発生法

160

2.1 Qスイッ チ ング

.1602.
2 モー ド同期・

165

2.3 パ ルス圧縮法 ・・

2.
4 まとめ

.168

第 10章

166

自由電子レーザー，エックス線レーザ ー
シンクロ卜口ン放射光l 夢のレーザ ー : 自由電子レーザー

1711.
1 電子と光の不思議な関係‑1.2 光速で運動する電子 ・

171

1.
3 いろいろな自 由電子 レー ザ ‑

・

175
177

2 エ y クス 線レ ーザー

178

2.
1 エックス線とはつ

178

2.
2 エックス縁レーザーのポンピング ・

1X1

3

シンクロ トロン放射光.IX
4m出第 11章

レーザービームを操る技術

l 光の屈折.188

2. レンズ・19
3

3 コーテイング・

4. 光ファイパ‑

.1
99

5 偏光

・

201・2046. 非線形光学

第 12章

196

レーザーの応用ーレーザー出力の低い例

l レーザーで読み取る.21
12 光ディスク

・

3 レーザー印刷・21
94 ファイパ一通信.
2215. 直線測定(距離測定)

・226

6 ホログラフイー

・228

21
5

第 13章高出力レーザーの応用
231

l 材料加工への応用2. 医療へのレーザ一応用・238

3 集積回路をつくる

・

4レーザーで発電 (レーザー核融合)

5レーザーの意外な応用

243245.
2476. レーザーで雷も自由自在

・248

7. 特殊なレーザーの特殊な応用

・249

コHJ

索.
252W

! 第1章lレーザーとは何?

1.レーザー学の始まり
最近のキーワードの一つにハイテク"があります 。先端技術とか高度技術の意味ですが，英語でもハイテク (Hi‑Tech)で通じます。 このハイテク"のシンボルは，集積回路とコンビュータと衛星，そしてレーザーです。これらのハイテクは私たちの生活に大きく影響し，その生活を変えつつあります。

TV，電話，インターネ ッ トに形を変えてコンビュータと衛星は身近なものにな った感じがしますが，レーザーはまだまだ身近にな ったとは言えません 。
でも ， これからますます重要にな ってくるのがレーザーです 。 ところでr光とは何ですか?J rレーザーとは何ですか?J の問いへの答えは，難しく言えば「光とは原子 ・分子の中に存在するエネルギー J rレーザーとは，原子 ・分子から出てくる足並みそろえた光」であると言えますが，もっと簡単に言えは、「レーザーとは，役に立つ新しい光とそれを作る機械」と言えます。医学から電話，通信，さらには CDプレーヤーで重要な役割を担い始めているレーザーですが，殺人光線に代表されるような SFの世界のものとしか思っていない人が多いのが現実です 。 そこで，本講座では，レーザーの本当の姿を知って，新しい利用法を見つけ，これからの光の時代に即応できるようにするのが目的です 。

20世紀のハイテク"時代は集積回路とコンビューターが作ってきましたが，これらの中で働いているのは電子(エレクトロン)"です。電子は原子

レーザ一基礎の基礎の中に閉じ込められている極めて小さな粒子です。 一・子"は，微粒子の代名詞ですが，電子はそれのご先祖様です 。電子の大活躍する現代の人 聞は，電子の森の住人であると言えるでしょう 。電子が原子から解き放たれて自由にな ったとき，動き 回 って仕事をします 。時には熱になり ， 時には電気を起こし，時には情報を伝えます 。電子は動くことでエネルギーを伝達し，仕事をします 。 しか しながら ，電子は小きすぎて，沢山の電子が集まらないと仕事になりません 。例えば， 100Wの電球をひからせるには1秒間に 10・・・・00(0が18)個の電子が必要です 。 こんなにたくきんの電子が電球の中を走 って，や っ と100Wの明るさを 出すことができます 。
また ，放送局では ，音声や映像を 電子の働2<"に乗せてアンテナから 電波"として発信します 。 ラジ オや TVでは ， アンテナで電波を受けて，電子の動きに変え，スピーカーやTV画面に映し出します 。 このためには ，受信した信号を運ぶ電子の数を多く する ，すなわち信号の振幅 を大き し 強くする 必要があります 。 ラジオや TVの中にはこの増幅の働きをする増幅器が入 っています 。光の世 界 でこの増幅器 と同 じ働きをするものがレー ザー"です 。増幅だけでなく，光を作り 出す，すなわち発振器もレーザーと呼んでいます 。
光の速度は 1秒間に 地球を 7周半するほど速いので，放送局の 出来事が，ほほ同時に家庭で見たり聞いたりできるわけです 。 これは電波が， 中学校で習う正弦波 (図 1‑2参照 )の形をしており，理論 (計算 )通りに，取り扱うことができるからです 。光は電波と閉じ種類にありますが， もし電波と閉じ正弦波ですと ，電波と 同 じことを光波 でもできることになります 。一般の光は電波とは異なる波ですが，レーザーはまさに電波と同じ形の波であると言えるでしょう 。 レーザーは，電波でできることを光の世界で実現することが最初の目標でしたが，最近のレーザーの進歩を見ると，電波ではできないことまでや ってのけようとしています 。

2. レーザーの歴史
レーザーの言葉は誘導放出による光の増幅"の頭文字を 取 ったものです 。

E

第 1章

レーザーとは何か?

原子や分子が余分に持 っているエネルギーを光の形で放り出します 。電球の光は，電気よって温度が上昇したタングステン原子が，余分のエネルギーを放出する際にでる光です 。誘 導放出は，この電球の光とは少し異なります 。
余分のエネルギーを放出するのは同じですが，光による誘導作用によって光が放出されます 。誘導放出についてのくわしい話は後ほどすることにして，ここではレーザ一発明 の歴史について見てみましょう。
レーザーのそもそもの歴史は， 1917年にアイ ンシュタインカ、誘導放出の可能性を理論的に明らかにしたことに始まります 。原子や分子が余分なエネルキ、ーを放出するのは，自然界の発光に広〈見られる，自然、放出と呼は、れる現象であり，誘導放出の現象ははるかに弱いものでした 。科 学者たちは誘導放出現象が起こる条件を 長い間探し続けていました。誘導放 出が実現できる条件を明らかにしたのは，光ではなく，光と同じ電磁波ですが，光に比べると遥かに波長の長いマイクロ波においてでした。 1951年 ， 当時コ ロンビア大学に在籍していたタウ ンズがマイク ロ波で誘導放出の生じる条件を明らかにしました 。さ らに数年遅れて，光で誘導放出を実現できる可能性を明らかにしたのは， 1957年 のベル研究所のタウンズとシャ ロウでした 。時を同じくして，コロ ンビア大学の大学院生だ ったグールドが研究ノートに同じアイデアとレーザーの名前を書き留めていました 。 グールドは ， 論文を書くよりも特許に興味を持ち，レーザーのアイデアを特許申請しており，これが後にな って有効になり，世界が驚くはめになりました 。 1988年 5月にグールドの特許が認められ，現在もなおレーザーを作る際にはこの特許を避けて通ることはできません 。 シャロウとタウンズは ，別 々にノーベル賞を受けましたが，一方グールドは富を得ました 。
ところで，レーザーの実現競争に勝 ったのは，ヒューズ杜のメイマンでした。 1960年 のことです。彼は ，ルビーがレーザー媒質として優れていることに着 目し，ルビーレーザーか ら赤色の光線 を得るこ とに成功しました 。ルビーの結晶を明るいフラ ッシュ ランプで照らし，ルビー結晶の両端に鏡をおいた構造でした 。連続的に光線を出すことはできませんでしたが，フラッシュランプがひかると同時に，赤い光線が瞬間的に出すことに成功しました 。 それは，今までに見たこともないくらいに明るい光線でした 。 まさに，赤い弾丸3

レーザ一基礎の基礎

一一 一
青色

紫色

He‑Cdレーザ(111116)

‑

緑色

資色

^'レーザー^'レーザー SHGYAGレーザー(488) (引 ~. 5) j(533)

1I00nm

目に見える議長1$:

7一一一一一てJ
ア レ 約ノド‑:0;':(.:，2003曲 1 3~1 1I~:‑
一ー600700800Krレーザ(6117.
1)

700nm

セノター
Fセノタ→ーザーレーザー
叫(1.
113.3)レ 長 官 ぽ̲1 I':
i 'j
仰向ライトレーザー

500

ι .

600nm

500nm

THG YAGレーで
FHG Yル ー ザ
出 6 N2羽 71.
):

赤色

He‑Neレーザー (632.8) ルビーレーザー (694.3)

YAG
レザ(1附こと7)どと!

ZYザ'

900 1μm l.
lt'mI1.
2t'm 1.
3t'm2μm 3μmJ 4 μ m ~ 10t'm JJ
t'm 30.
um

珂 8EXCIMER
レーザー (XeF)
He-~eレーザー
He‑Neレーザー
εXCIMERレーザー ( X e C I ) 1 . 1 5 ( 3 . 3 9 )半導体 レ ザ真空紫外半導体レーザー輩外赤外色素レーザー
ラマンレーザー

図 ト 1 代表的なレーザーの種類と波長 円のようでした 。 ほとんど同時期に，ベル研究所のジ ャパンがヘリウムとネオンカ、スを放電管の 中に入れ，両端に鏡をおくことで，今度は赤い光線が連続的に得られました 。片手で持てるほどの 小 さなものでしたが，明るい光線を得ることができました 。 これ以来，各種のレーザーが発 明きれ，現在使われている代表的なものだけをあげても図 1‑1の様にたくさんあります 。半導体レーザーを除けば，ほとんどが最初に発明されたものと比べると大きなものとな っています 。

3. レーザーはどのように使われているか?
それでは，レーザーがどこで，どのように使われているかを，ざっと見てみましょう 。 レーザーがも っ とも身近にな ったのは ， 小型の半導体レーザー

D(コンパク トデ ィスが発明されて 以来です 。携帯用のものも普及している Cク)の再生装置に使われています 。 レーザ一光を使 って，わずかな 凹凸の有無を検出し，音に変えているのです 。 また，スーパーマーケットやコンビニエンスストアに行くと，レジのところでバーコードを自動的に読みと ってい4

第 l章

レーザーとは 何か?

写真 1‑1 ヘリウムネオンレーザーの本体
赤い光線が出る .(日本電気側提供)

写真1‑2 世界最大 75mW以上の出力が得られるヘリウムネオンレーザー(日本電気側提供)る装置があります 。商品についているバーコー ドを，力、、ラス面の上をなでるようにすると，瞬時にしてバーコ ー ドの記号 を 読みと っています 。 カ。ラス面からのぞいてみてください 。赤 い線が何本も走 っているのが見えます 。ヘリウムネオンレーザーか赤 色半導体レーザーから出ている 赤 色の光練です 。 この光線をバーコードに当てて，その反射光を読んでいるのです 。 コンビュー
ターを使っている人ならレー ザープ リンターを 使 7 こともあるかと思います 。
今 ま で の プ リン ターと比べると，格段にきれいに字や絵を書いてくれます 。

5レーザ一 基礎の基礎

写真 1‑
3 初期の頃の YAGレーザー

フラッシュランプの光を効率よく YAG結晶に集めるために集光器が装備されている. (日本電気掛提供)

ペJoぞー

写真 1‑
4 最も新しい半導体レーザーて暗躍する方式の YAG

レーザー(日本電気側提供)

電 子 複 写 機 と 同 じ 原 理 で す が， レーザーを使う こ とによ って，細かい点も書けるようになっているために，きれいな字が書けるのです 。
この他にも，光通信があります 。高速道路に沿 って張り巡らされている光ファイパー中を光信号が走 って 行 色 信 号 を 遠 く に 伝 え ま す 。 この信号を伝えるのにも半導体レーザーが使われています。また，顔のあざを消すのにも

6

第 1章

レーザーとは何か?

写真ト 5 自動車ボディーの鉄板を切断しているところ
いわゆる，レーザーロボット.このような自動車用レーザー
口ポットの使用台数は日本が世界一. (日本電気側提供)

写真 1‑
6 赤色の光線を出す半導体レーザー(日本電気側提供)

レーザーが使われています。 レーザーであぎの部分を焼き取ります。手術に使われるメスと して も レ ー ザー が 役 に 立 っ て い ま す 。 レーザーメスは ， 切 った部分からの 出血が少ないなどの特徴があります 。ガンの 治 療 や 診断に もレー7

レーザ一基礎の基礎ザーが役に立 っています。歯に治療にも 。 このような医療の分野におけるレーザーの役割は ，今後ますます重要なものとなるでしょう 。
自動車を作る際にもレーザーが大いに役立 っています 。鉄板を切 ったり ，溶接したりするロボ ッ トに採用されています 。 自動車産業におけるレーザーの導 入数は，日本が 断然 トッフ。
です 。世界中 の自動車用レー ザーロ ボ ッ トの半数以上が日本で使われています。切 断といえば， 柔らか い布の切断に もレーザーが役立っています 。柔らかいので切断 が難しいのですが，レ ーザーを使
えは 柔らかいなんて 問題 ありません 。建築材料にレーザーを当てて，表面に模様をつけたりするのにも役に立 っています 。他に も，ディスコなどで見られる赤や緑の光線が飛び交っレーザーショ ー， プレセ。ンテーションで使われるレーザーポインター，核融合や同位体分離などにもレーザーが有効です 。
日本ではありませんが，もちろん，兵器としての利用も開発されています 。

数え 上 げたらきりがないくらいにレーザーが使われているのですが，以外 と知られていないのがレーザーです 。 このよつなレーザーの本質から実際の応用例までをくわしくお話しするのが，この本の目的です 。

[4日 咽 脚 質
ここでは，各種のレーザーに共通した 性質について見てみましょう 。 これからレーザ一学を始めるためには無くてはならない言葉の意味を 勉強しま しょう。重要な性質としては ，(1)波長 ，(2)出力 ，(3)パルス光か連続光か， (4)ビー5)コヒーレンス ，(6)効率などでしょうか 。 それでは ，ムの 大きさ と発散角 ，(これらの言葉を順番に見ていきましょう 。

4.
1 波長
光も電磁波の一種で， 図 1‑2のょっに波の性質を持っています 。 したが って，光の基本的性質は波長です。可視光の領域では ，波長は色を表わします 。
各種のレーザーは ， それぞ、れ特有の波長の光だけを出すことができます 。 これはレーザーの特徴でもあり，欠点ともな っています 。 ある特定の波長の光

8

第 l章

レー ザ ー とは 何 か ?

勺~'バ￨秒に30万 kmlべ!
〉A
この聞の波の数が周波数

図1‑2 波の波長と周波数が欲しくても，レーザー装置から直接得られるとは限りません 。 いろい ろな
工夫を してや っ と手にできる波長の光もあります 。 レーザーの波長は材料 によって決まります 。電球は 何と なく赤 っぽい光を放 っていますが，全体 としては白色に近い光です 。一方，ポイ ンターとかバーコー ドリ ーダーの光線はきれいな赤 色 をしています 。赤色だけで， 他の色は j昆さっ ていません 。 これを「 単色光 」と言います 。 レーザーの中には，広い波長範囲め光を放 っているものもあ りますが，これは例外といえる でしょっ 。ほとんどのレーザーは ，単 一 波長か ，狭い範囲の波 長 の光だけを出しています 。 レーザーの中には，いくつかの異なる単一 波長の光 を出すこ とができるものもあ ります 。条件を変えることによ って波長を変えることができます 。 たとえばヘ リウムガスとネオンガスを混合 したヘ リウムネオンレーザーからは，通常は 633nmの赤色の光 が得 られますが ，鏡の性質 を変えることによ って繰や黄色， あるいは赤外光も出すことが可能です 。 アルゴンカ、スを使 ったアルゴンイオンレーザー
は，紫 外か ら緑色ま での範囲に 10本以上の波長で発振します 。 レーザー鏡で構成する共振器の中に，プリズムを入れて望みの波長の光を取り出すことが可能な構造に なっ たも のも あります 。また ，半導体レ ーザーや色素 レーザー

9レーザ一基礎の基礎は，一般に広い波長範囲にわた って発振が可能なレーザーです 。

4.
2出力パワー
レーザ一光線の強きは出力ノ fワーで計ります 。出力パワーの単位としては，電気がする仕事の単位と同じワ ッ ト (W)を使います。出力ノ マワーとは， レーザーが出すことができる単位時間あたりのエネルギーと考えられます 。すな
わち，数式で書くとノfワー =エネルギ一/時間となります 。 l Wとは1秒間に lジュールのエネルギ一割合として定義きれます 。
レーザーの出力パワーは，極めて大きな範囲にわた っています 。小さなものではミリワ ット (mW=1/1000W)から，大きなものではキロワ ット (kW=1000W)まであります。ヘリウムネオ ンレーザーでは，数十 m Wを出すのがや っとですし，炭酸方スレーザーでは数十 kWなんて簡単に出せます。必要なパ ワーに応じてレーザーの種類を選ぶ必要があります 。

4.
3パルス光と連続光電球のように定常的に光を発しているレーザーもあれば，瞬間的に光を発するレーザーもあります 。 日常1l
Ei.にするレーザーとしては ，定常的なものの方が多いでしょう 。 これ を 「連続発振レーザー J と呼びます 。一方，瞬 間的に光を発するレーザーのことを 「パルスレーザー」と 言います 。パルスレ ー
ザーの場合，光の発する時間と単位時間あたりの繰り返し回数が問題となります 。 パルス時間ないしは パルス持続時間で、は，

ms= 1/ 1000秒 )
ミリ秒 (からフェム卜秒 (
fs=1/1000，000，000，000.000秒 )の広い範囲に及んでいます。パルスの繰り返し回数としては，装置の性能によりますが1秒間に数千固から数百万四が普通です 。 ところで，眼 の応答速度は数十 ミリ秒ですので1秒間に数十回を越える繰り返し回数のパルスは，人聞の眼には連続光の様に見えま す。上に述べたパワーと しては，エネルギーが 同じであれば，パルス持続時聞が短くなればなる 程，ピークパワーが高くな ります 。最近のレーザー技術の進歩によ ってフ ェム卜秒の極めて短いパルスの発生が可能に

10

第 1章

レーザーとは何か?

エネルギー強度時間
出力エネルギー(斜線部全 体)

図1‑3 パルスレーザーの出力エネルギー 2)なったことで，極めて高いピークパワーを持 った
ノ マjレスの発生が可能となりました 。簡単に言えば，図 1‑3に示すようにパルスエネルギーニピークパワー×パルス持続時間となります 。言葉を変えて言えは、，パルスの持つ全エネルギーは，図 1‑3の波形の面積に相当し，ピーク パワ ーは頂点の光強度に相当することになります。
パルス 発振レーザーの平均出力は平均出力 = 1秒間の パルス 数 X 1パルスのエネルギーで与えられます 。 ピークパワーも平均ノマワーもレーザーにと って は重要なノマラメータであり，レーザーの応用を考える際に必要な数値となります 。 ところで，パルスエネルギーはジュールの単位で計り，はワ ッ トで測 りますが，互いの関係は
ワ ッ ト=ジュ ール/秒
ジュールニワット×秒であることは 言 うまでもありません 。

11

ピークパワーや平均ノマワー

レーザー基礎の基礎

4.
4ビームの大きさと発散角
レーザ一光線 (ビーム )は， 目に見えないのが普通です 。壁などに当た ったと ころだけが明るい点のように見えます。図 1‑4のように電球の光はこのような光線のようには見えません。全体を明るく照らしている感じです。 レーザ一光線がときどき 目に見えるようになることがあります 。 レーザ一光線が横から見えるのは ， レーザーが空気 中のちりなどの微粒子の当たって ，散乱きれた光 を見ているのです。 レーザ一光線の 中をじっと見ていると ， ほこりが動き回っているのが見えます 。 レーザー光線は一本の線のようになっています。 でも ，こ の様なレーザ一光線を遠くまで飛ばしてみると，遠くに行くにしたがってわずかですが大きくなっていることが分かります 。手元にレーザーポインターがあれば，近くにある壁を照らしたときと ，遠くにある天井などを 照 らしたときの光の大きさを 比べてみてください 。遠 くに行 くほどわずかに大きくな っていることが分かるはずです。 このように遠くに 行 くほどわずかに大きくな っている光線の性質を発散" と言います。発散の定義は ，

図 1‑5の様に，光線が広がってい る角度の半分をも って ，発散角と呼びます。
レー ザービームの発散角は極めて小さいのが普通ですので，発散角の単位としてはラディア ン (rad) を使 います 。 8r
adの発散角を持 った光線が距離 Dの100Wの電球‑
18

これもつ ン卜(W)10mWのレーザー
Wはエネルギーの単位です

1秒間に 1000‑‑‑0001闘の電子が走っている

t‑

︑中え

12一
はい 一
一途 見一‑一一

図1‑
4 電球とレーザー光線

第 l!
jf: レーザーとは何か?

。=ビーム発散角r=スポット半径 =0t
an8

図 1‑
5 レーザービーム発散角とスポット径地点 における光線の半径に 相 当するスポ ッ トサイズはanB
スポ ッ トサイズニ DXt
で与えられます 。 1ラデ ィアンは角度に直せば 57.
3度に相当し ， 360度は 27rラディアンになります。例えば

2ミリラディアン (mrad) の発散角を持つ

レーザ一光線が 10m離れた地点の壁に当た ったとき ，壁の上での光線の大きさは10XO.002=0.02mとなり，光線の直径は 0.04m，すなわち 4cmとなります。
このように発散角が小 きいことは，レーザー光線 (ビーム )が一方向に向か つて線" のように進むことを意味しており ， レーザーの持つ最大の特徴の一つです 。

4.
5コヒーレンス
波の性質を表す言葉に ， コヒーレンス" とす。図 1‑6に示すようにインコヒーレンス" がありま2つ以上の波の 山と 底がそろ っている場合を ，コヒーレンス を持つ波といい，逆に，そろ っていない波を インコヒーレンス の波といいます 。 レーザ一光はコヒーレンスを持ち ，一 方電球から出てくる光はイ ン コヒーレンスな波です 。 コヒーレンスな波は重ね合わせることができ
ま す し 皮 の 最 大 の 特 徴 で あ る 干 渉 を 起 こ す こ と も で き ま す 。 当然， インコヒーレンスの波は ， 長距離にわた って重ね合わせた り干渉させたりはできません 。

13

レーザ一基礎の基礎(a)コヒーレント光(b)インコヒーレント光

図1‑6 コヒーレント光とインコヒーレント光

4.
6効率
レーザーは，波長，出力，コヒーレ ンス，パルス特性などによ って特徴づけられます 。 もう一つのパラメータは効率です 。電気エネルギーをつぎ込んでレーザ一発振させる場合は，い くらの電気エネルギーを入れて，どれだけの光エネルギーが得られるかとい う効率 を問題にします 。 レーザーの効率は%から 0.001%程度です 。
一般には高くはありません 。普通の装置ですと 0.01
すなわち， 1000Wの電力を入れると， 0.1‑0.
01Wのレーザー出力を得ること0%程度です 。 レーザーの出ができます 。 レーザーで得 られる 最大の効率は 3
力が m W程度と低い場合は，効率 はあまり問題になりませんが，例えば 1kWのレーザー出力を得たい場合に， 0.
1% の効率で したら ， 1M W (100万 W )もの電力を入れなければなりませ ん。 当然，光にならない 99万 Wの電力は熱となって機器を傷めることになります 。 このような大出力のレーザーでは，14

第 l章

レーザーとは何か?

わずかな効率の差が大きな影響を与えることになります 。
次章では，レーザーを理解する上できけられない，原子の構造と光学に関するお話をしましょう 。 レーザーから出てくる光は，とりもなおさず原子や分子から 出てきています 。 したが って， レーザーを理解するためには ， 原子や分子の 内部構造を理解する必要があります。また ， レーザーも光の一種ですから ，光学の知識なしには理解できません 。 これからも幾度となく出てくる話題です 。 レンスや鏡などの光学は，レーザーにと って最も重要な話でもあります 。

参考文献1)， 2)大竹祐吉「 レーザの使い方と留意点 J (オプ トロニク ス社 ).p48，53，1993年

15