レーザーの発明

概要

レーザー（LASER）は「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の頭字語であり、誘導放出によってコヒーレントな光を増幅する装置を指す。

世界初の動作するレーザーは1960年5月16日、米国の物理学者セオドア・メイマン（Theodore Maiman、1927-2007）がカリフォルニア州マリブのヒューズ研究所で実現した。メイマンはルビー結晶にフラッシュランプの光を照射し、波長694ナノメートルの赤色光の発振に成功した。

この偉業は、1917年にアルベルト・アインシュタインが定式化した誘導放出理論と、1958年にチャールズ・タウンズ（Charles Townes）とアーサー・ショウロウ（Arthur Schawlow）が発表した光増幅の理論的枠組みを実装したものである。

理論的基盤——誘導放出の発見

レーザーの物理的根拠は、アインシュタインが1917年に発表した論文「輻射の量子論について（Zur Quantentheorie der Strahlung）」にある。アインシュタインは光と物質の相互作用を三過程に整理した。

自然放出：励起状態の原子が自発的に光子を放出する
吸収：光子を受け取って原子が励起状態へ移行する
誘導放出：入射光子と同一の波長・位相・方向の光子を放出する

誘導放出は、コヒーレント（干渉性のある）光を生み出す鍵である。通常の光源は多数の波長と位相が混在する。レーザーは「反転分布」と呼ばれる状態——励起状態の粒子が基底状態より多い状態——を作り出すことで誘導放出の連鎖を起こし、単一波長・単一位相の光を増幅する。アインシュタイン自身はこの原理が実用装置に結実するとは考えていなかったとされる。

レーザーへの道——メーザーと開発競争

レーザーに先立ち、マイクロ波領域で同原理を実現した「メーザー（MASER）」が存在した。1953年、チャールズ・タウンズはアンモニア分子を用いた最初のメーザー発振に成功した。タウンズはこの業績により、ソ連の物理学者アレクサンドル・プロホロフとニコライ・バソフとともに1964年のノーベル物理学賞を受賞している。

可視光領域へのメーザー原理の拡張は、1957年ごろから複数の研究者が独立に追求した。ゴードン・グールド（Gordon Gould）は1957年のノートに「LASER」という語を初めて記し特許申請を試みた。タウンズとショウロウは1958年に光増幅の理論論文を発表した。しかしいずれも動作装置には至らず、1960年のメイマンが世界初の実装者となった。

メイマンの手法は単純かつ独創的だった。多くの研究者がガス媒体や複雑な共振器構造に注目していたなか、メイマンは固体のルビー結晶を選び、市販の宝石研磨用フラッシュランプでポンピングした。装置の設計から発振の確認まで数か月の集中的な作業による成果である。

原典: Albert Einstein, “Zur Quantentheorie der Strahlung”, Physikalische Zeitschrift, 18, 1917
研究: Jeff Hecht, Beam: The Race to Make the Laser, Oxford University Press, 2005
研究: Joan Bromberg, The Laser in America, 1950–1970, MIT Press, 1991
研究: Nicholas Taylor, Laser: The Inventor, the Nobel Laureate, and the Thirty-Year Patent War, Simon & Schuster, 2000

レーザーの発明

概要

理論的基盤——誘導放出の発見

レーザーへの道——メーザーと開発競争

現代への示唆

1. 理論と実装の間にある長い時間

2. シンプルな手法が複雑な競争に勝つ

3. 先取権と知的財産の不確実性

関連する概念

参考