第13巻第1号

レザ研究

（1）

レーザーコンパス

レーザー25周年
霜田

Koichi光一＊

SHIMODA＊

レーザーの発明以来，今年でちょうど25年にさらに岩波書店の座談会では，「マイクロ波なる。いわばメーザーと光学技術との縁組によ技術，つまり（メーザーのような方法で）強いって生まれたレーザー家が銀婚式を迎える。レ

単色光源を波長1mm以下や0．1mm以下まで得らーザーの研究は漸く成熟期に入り，初期の少壮れないという理由は何もないでしょう。」と述べ研究者が世代交代期に達したので，研究の回顧録や裏話があちこちに書かれている。そういうている2）。

筆者もこれまでにメーザーやレーザーの研究の途上の多くの蹟きについて回想3｝を書いている。

思い出を数回書いたことがあるが，この際あら彼は，メーザーの研究を始めた頃はその周波数

最近Townesは量子エレクトロニクスの研究ためて，レーザー発明の前後にわれわれがレー安定度や低雑音を予想してはいないで，短波長ザー研究やレーザー応用の発展をどのように予を発振させることが主な動機であり，メーザー想していたのか，記録をたどってみよう。次世応用の分光学的研究を目指していたということ

代のレーザー研究の発展のためにいくらかでもである。

ところで筆者は1943年に卒業研究では熊谷寛

役立つならば幸である。

メーザーやレーザーが発明された頃，わが国夫先生の指導で計数管の放電機構を研究し，卒は戦後の経済復興の途上であった。電気冷蔵庫業後終戦までの2年間，海軍のマイクロ波レーは漸く普及してきたが，エアコンもマイカーもダーの研究に参加した4〉。そして戦後はマイクロカラーテレビもまだまだの時代であった。1956

波技術を物理学に導入したマイクロ波分光学の年にFulbhght交換教授として東大に滞在した実験をしていた。1952年からは原子時計の研究

Townesは，電気学会と電気通信学会共催の講演会で，メーザーの将来について次のように述も始めていて，1953年にTownesがメーザーを研究していることを知った。そこで1954年にメべている1）。

ーザー成功直後に彼の研究室に入ったとき，メーザーの周波数標準への応用と雑音の研究を主」rアンモニア発振器は既に成功しているので周波数標準など二三の工学的応用が考えられてに分担した。

1955年帰国後，筆者の研究室で大学院学生といる。そのほか，いろいろの分子・原子装置が将来，特に周波数の高いマイクロウェーブで用行なった多くの研究はマイクロ波やラジオ波のいられるようになってゆくであろうが，正確な分光学的実験と周波数標準としてのアンモニア予想は容易でない。しかしながら，私は無線工メーザーであった。そのほかに，ミリ波やサブ学で使われるすべての回路素子の特性が，原子ミリ波をメーザーで発生しようという実験を高や分子によって作れるということを指摘してお見道生君と試みていたが，波長4mm以下の実験きたい。」

は行き悩んでいた。レーザーが発明される少し＊慶応義塾大学理工学部（〒223横浜市港北区日吉3−14−1）＊FacultyofScience＆Technology，KeioUniversity（3−14−1Hiyosh玉Kohoku−ku1

Yokohama223Japan）

昭和60年1月

レーザー25周年（2）前に雑誌エレクトロニクスの1960年3月号に筆

アメリカの新聞記者たちのようである。

者は次のように書いている。

また，1960年10月22日の東京新聞は，ベル電話研究所でScもawlowらがMaimanに続いてル「超マイクロ波，さらに赤外線や可視光の発振器や増幅器も盛んに研究されている。これら

ビーの光学的メーザーの実験に成功6）したが完成すれば，今までの光通信や赤外線応用とことを詳しく報じて，「まだ実験段階にあるこ違って，位相や周波数を制御できるので，光をの程度の装置ですでにこれほどのふしぎな力を使って一度に数百チャンネルものテレビを同時持つ光線を新中継したり，超々高速度の電子計算機（原子計将来の可能性は大きい。もちろん宇宙間の通信算機？）を作ったりすることも可能となるに違には雑音がないのだから，電波にかわる最有力いない。可視光よりもさらに高い周波数になる候補とみられている。1と結んでいる。と，自然放出の確率が大きくなってくるので，同年の電子科学11月号に出た解説

メーザーは生んだのだから，量子エレ量子エレクトロニクス的な使い方は困難になる。

クトロニクスによる発生と増幅しカ・し，…」

者はレーザーのことを次のように書いている。

この年の夏にMaimanによるルビーレーザーの成功が報道された5）1960年8月8日の朝日新聞の科学特集には，レーザー応用のいろいろの可能性についてMaimanの話を中心にして次のように出ている。

rレーザーは新しい電波工学の分野を開くだにおいて，筆「高周波メーザーが実用化されれば，赤外線を周波数変調したり，スーパーヘテロダイン検波したりすることなど，電気通信の技術が光に応用されるようになる。高周波メーザーから発生される赤外線や光は殆んど完全な平行光線である。従って，よいレンズを使えば，波長と同ろう。（中略）。レーザーは5億メガサイクルの程度の小さな点に集めることができる。これは電磁波（波長O．6ミクロン）を作ることができる。

輝度の著しく高い光源である。出力を10W波長（中略）。そして応用の実例としてレーダーやテを1ミクロンとしても109W／c㎡になる。しかもレビをあげている。

これが100サイクル以下の帯域幅にある。これは，これまでのレーダーらの点が，物理，化学あるいは天文学の研究に電波よりも指向性が強く，波長が短いので，レ種々応用されるにちがいない。赤外線の高周波ーダーに使えば，きわめて鮮明な影像を得るこの強電界（数10万V／cm）や強磁界での物性研究とができる。テレビやラジオとして使う場合はから何が生れるか，われわれはまだ何も知らな一般聴視者用というより，むしろ特殊用途にむいo」

この

原子電波光

くものと考えられる。（中略）。また，レーザー

次に12月29日の産経新聞は1960年のエレクトは宇宙通信にも使われるようになるだろう。（中ロニクスの進歩を筆者らに取材してまとめた記略）。

事で，「この光メーザーは光を電波の技術でいは非常に明るいので，長じれるようにしたもの。（中略）現在の通信界にく照らされると，その部分は熱をもってくる。

革命的影響をおよぼすものとして注目されていこの熱もいろいろの応用分野をもつようだ。たる。」と報じている。

この 原子電波光

とえば，（中略）いろいろの物体の表面をこの光さらに，雑誌エレクトロニクスの1961年2月で変質することもでき，工業的な表面処理法と号には次のような筆者の解説がでているが，こして利用され。るかも知れない。（中略）。そのほの原稿は1960年10月〜11月に書かれたものであか，病気の治療などにも利用できるかも知れなる。

いし，逆にひと殺し「（前略）赤外線や光線の周波数での強い電にも使えるかも知れなだ。

界や磁界を用いて，いろいろの物質を化学的にレーザーをこのような用途と結びつけたのは，研究して行くときに，どのような新しい現象がい。小説などによく出てくる

殺人光線

一2一

第13巻

第1号

ザレ

見出されて，それらがまたどんな新しい応用を

（3）

研究

一が発明される前に，Townesはレーザーでワ生むかは誰も知らない。たとえば特定の分子だット程度までの出力が得られるだろうと予想しけを選択的に振動させたり，化学結合を制御していたが，kWやMWものパルス出力が容易に得たりすることができるかも知れない。またそれられるようになろうとは考えていなかった。そらを利用して，赤外線の周波数で動作する電子してMaimanが数kWのパルス発振に成功した後計算機の工夫も可能になるだろう。

でも，大出力パルスレーザーの応用にはあまり高周波メーザーでつくられる非常に強い高周関心を示さないで，小出力レーザーの分光学や波電界を用いて，高エネルギーの電子加速器を光通信への応用を重視していた。これと対照的作ることができるかも知れない。1c㎡あたり10に，Maimanはレーザー光のコヒーレンスを軽kWの尖頭出力でも，1mで2GeVすなわち20億視していて，レーザー加工やレーザーレーダーeVの加速が可能になるはずである。誘電体の内など，パルスエネルギーの集中的利用に将来性外の電磁界が関連するモードの共振を用いればがあると考えていた。また，Townesと共著で電子の速度と同じ速度で常に加速しながら電磁光および赤外メーザーという最初の論文12｝

波が進むようにすることができるが，他の多数を発表したSchawlowは，分光学のほかには，の不要のモードを抑えることが困難な問題であ通俗的あるいは教育的なレーザーの応用を屡々る。了）考えていた。JavanはTownesの弟子であるの

その後，1960年12月にはベル電話研究所でJavanらがHe−Neレーザーの波長1．15μmでの連続発振に成功したことが1961年2月に発表さで，やはり分光学への応用に関心をもっていたれた8）。固体レーザーによる大出力のパルス発振体メーザーの研究に進んだ人であるから，メーが，彼はレーザー計測の発展を期待していた。

Bloembergenは磁気共鳴や緩和の研究から固と，気体レーザーによる小出力の安定な連続発ザーをマイクロ波より短波長の赤外や光にまで振とが実現されたので，1961年には，レーザー進めることには積極的でなかった。そのためレのいろいろな応用に対する議論や期待はますまーザー研究への参加は少しおくれて1962年からす高まった。これまで引用したもののほか，レであったが，磁気共鳴における飽和効果やコヒーザー加工，レーザー分光，非線形光学，レーーレント過渡現象などに先駆的な研究成果を挙

ザー計測，生物細胞のレーザー処理などある

げた彼は，非線形光学効果の重要性を誰よりもが9一11）引用が長くなり過ぎるので省略しよう。

強く意識していて，非線形コヒーレント光学とこれら多彩なレーザー応用の可能性の中には，その応用の基礎を築いた13）。

レーザー通信のように，多くの人がかなり以前

さてこの辺で，25年前に研究者やジャーナリから考えていて，誰が最初に言い出したのか全ストが出した予想が，その後どのように発展しく分らないものもある。しかし，レーザー発明実現されたかを眺めてみることにしよう。予想の当時，ファイバースコープは内視鏡などにすされた殆んど総べてのレーザー応用は，今ではでに実用化されていたけれども，レーザー光を実現され，あるいは実現に向っての研究が盛ん

ファイバーの中に通そうという積極的提案はなになっている。通信，加工，医療，分光，計測

かった。空気中やガラスの中では光の吸収や敵などへの応用は，段階的ではあっても着々と進乱が著しいので，宇宙空問や近距離の空気中で歩して今日に至ったといってよいだろう。しかないとレーザー通信は電波通信にくらべて不利し，宇宙通信やレーザーレーダーのように，そである，と25年前には一般に考えられていた。

れほど進歩が速くなかった分野もあるし，光コレーザ」の発明当初に，レーザー研究者が期待し，予想した各種のレーザー応用は，人によってかなり重点の置き方が違っていた・レーザ

ンピューターのようにまだこれからという分野もある。

筆者が最初に提案した化学反応へのレーザー

一3一

（4）

昭和60年1月

レーザー25周年

応用は，1960年代には殆んど進展がなくて1970

以上，レーザー25周年を記念して，発明当初年代の後半になってから研究が活発になった。には光学的メーザーとか高周波メーザーと呼ばレーザー加速器の研究も，漸く最近本格的な検れたレーザーの発生する討や実験的研究が盛んになってきている。

は魔法の光

原子電波光

あるいがいかに注目され，レーザーの一方において，レーザー発明の当初には予想どんな発展が期待されていたのかをいろいろなされなかった重要分野もある。レーザーによる高速度写真14）やホログラフィー15）が発表され，文献を引用して述べてみた。現在，レーザー研究の第一線には，レーザーよりも後から生れた注目されたのは1962年以来である。25年前にレ研究者が従事している。25年前と今日とを比較

ーザー光を初めて見た人々は，その細いビームの鋭い指向性や高い輝度に目をうばわれて，わして考えることによって，これからのレーザー研究の飛躍的進歩のための何らかの示唆，ヒンざわざレーザー光を広げて指向性も輝度も悪くト，あるいは刺激が得られるであろう。

する使い方に意義があるとは思い付かなかった引のであろう。

半導体レーザーの発振が成功したのも1962年であったが，その後も半導体レーザーの将来性があまり期待されなかったのは，その指向性も用文献1）C。H，Townes：電気通信学会誌3H1（1956）1．
2）C，H。Townes，山内，霜田，小谷，朝永：科学26（1956〉567．

｝

3）C・H。Townes：豆EEE

J．QuantumElectron．QE−20出力もスペクトル幅も固体レーザーや気体レー（1984）347．

ザーに劣るためであった。低温を必要とするこ

4）霜田光一＝日本物理学会誌，32（1977）800．
5）T．H．Maiman：Nature

とも，半導体レーザーの魅力を減じていた。

l87（1960）493．

6）R．」。Collins，D，F。Nelson，A．L．Schawlow，W．Bond，

当時は固体レーザーや気体レーザーの大出力化や超短パルス化についても，Qスイッチの提案と実験が行なわれただけで，究極的な追求の努力は殆んどなされなかった。1960年代の前半
では，レーザーが発振するかしないかが最大の関心事であって，出力をどこまで上げられるかパルスをどれだけ鋭くできるかというような問題は二の次であった。したがって，レーザー核融合や超短パルス（ピコ秒，サブピコ秒）のレーザーとその応用は，25年前には誰も予想していなかった。今後の発展がますます期待される

C．G

B，Garrettand

7）詳細はK．Shimoda：ApPI．Optics1（1962）33．
8）A，Javan，W．R。Bennett

anda

R．Herrlott；Phys．

Rev．Lett．6（1961）106，

9）霜田光一：日本物理学会誌，16（ig61）606．
10）霜田光一：科学31（1961）660．
11）Z

α3θ老3卜1V

linelectronics34（1961）Oct，27，No，43，p，391Nov，3，No．44，p．401Nov．10，No．
45，p．811Nov．24，No．47，p．5Ll2）A．L Schawlow and C．H．Townes：Phys．Rev．112（1958）1940。

13）NBloembergen：NonlinerOptics（Benjamin，NewYork，1965）．

14）K．Shimoda，T，Yajima

次第である。

W．Kaiser：Phys。Rev．Lett．5（1960）303．

andF．Shimizu：Sci．Papers

Inst。Phys．Chem．Res．56（1962）20L

ひと口にレーザー加工といっても，今では，

l5）E．N。Leith

穴あけや熔接のほか，LSIのトリミング，ガ（1963）1377．

ラス器の彫刻，洋服生地の裁断，金属の表面焼入れ，半導体のアニーリングなど多方面に発展している。レーザー計測にしても，原子分子レベルの計測から宇宙空問の計測まで，とても列挙し切れないほど多種多様の測定が実施されるようになっている。新しいセンサーと光ファイバーとレーザーとによって，将来一層の発展が約束されている。

一4一

and

J．Upatnieks：」．Opt．Soc．Am．53