更新日時　：2008年 5月 13日 火曜日 - 10:50 PM
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光と光の記録 --- レーザ編 　　　（1999.07.20）（2008.05.05追記）

　
　
レーザ（LASER）
　
　アインシュタインの予言した「光の誘導放出」理論（1916年ベルリン大学在職時代）を基本原理として、人類があみ出した新しい光が『レーザ』です。
レーザは、1950年代から急速の進歩を遂げます。
1960年に最初の光（LASER）がこの世に現れ、70年代、80年代、90年代と次々に新しいレーザが開発されました。
　
レーザというものは一体どのようなものでしょう？
　
「科学史上最も大きな発明はレーザ」と言われるくらいにまでになった人工の『光』について考えてみたいと思います。
　
レーザ光は、光の「共振」と「増幅」による発振原理を利用しています。
光の共振も、そして増幅も光が位相を整えて放射される原理「誘導放出」によって可能になりました。
　
「共振」、「増幅」、「誘導放出」。
　
この3つがレーザを知るためのキーワードです。
　
　

■レーザの恩恵

　私たちの身の回りには、レーザを用いた生活用品や科学機器がたくさんあります。
この人工の光が我々に果たしている役割は大変大きなもので、我々の生活になくてはならないものになっています。
レーザを使った装置は例を挙げればキリがありませんが、代表的なものをいくつか挙げて見ましょう。
　
▲　CD/DVD：　私たちが聞いている音楽や映画鑑賞用のCDやDVD装置には、ディスクを読み書きする素子に半導体レーザが使われています。12cmほどの円形ディスクには信じられないほどの多くの情報が詰め込まれています。この情報は、ディスク円盤に1.6umの間隔で0.5um x 0.9um、深さ0.11um程度のピット（穴）を穿つ（うがつ、= あける）という形で収められます。ディスクにはこの穴が190億個も開けられているのです。この微小なピットを半導体レーザの光で読み取り、それを情報として取り出しています。ピットの穴加工も勿論レーザで行います。微小な穴を穿ち、それを読みとることのできる光はレーザでなければ不可能であったでしょう。光ディスクでは、レーザのもつ単色性や集光性、高密度な光束や干渉性、偏光が積極的に利用されています。
　
▲　バーコーリーダ：　スーパーマーケットなどで買い物をするとき、レジでは商品をスキャナーと呼ばれる線状の赤い光で読みとっています。この赤い光にレーザが使われています。
　　　コンビニなので使われている手に持って持って行うバーコードリーダは、
　　　LED（Light Emitting Diode、発光ダイオード）が使われいます。
　　　LEDタイプのものは、バーコードに密着させて読み取ります。
バーコードは、縦縞のストライブ形状を持つラベルで、縦縞の太さの違いと数によってデータ化されていて、これを光学手法で読みとります。レーザ光は、多面体ミラーの回転によってラベル上にラインとして照射され、ラベルに当たって反射された光をライン状の受光部で受けます。受光部では、ラベルから反射された光の強弱を読みとって製品を識別します。この装置によって、お店のレジでは店員が商品を一々テンキーで打ち込むことをせずに、レーザ光にかざすだけで自動的に商品を識別し料金をはじき出してくれます。この装置に使われるレーザ光では、直線性、細いビーム、単色性の特徴が活かされています。
　
▲　光ファイバー通信：　光通信が叫ばれて久しくなります。通信は、従来は、銅線を介した有線の電気通信と無線を使った電波通信がありました。これに加えて、光通信が確立されました。光通信は、銅線を光ファイバーケーブルに置き換えたものです。光ファイバー通信が確立していなかった時代の光通信は（のろしの時代までさかのぼらない）、無線通信のカテゴリに入り、サーチライトの点滅、レーザのパルス発振などで通信を行っていました。しかしこの方法は、通信に時間がかかったり、天候が大きく左右し安定性にかけました。光通信を光ファイバを通して行う発想はあったものの、レーザが開発された当時の光ファイバの伝送減衰は1km当たりマイナス数十デシベル（約1/10）であったため、数キロ毎に光を強める増幅器を入れねばならず実用化にはほど遠い状況でした。光減衰の少ない光ファイバーが開発されるようになって伝送効率が極端に向上してくると、光（レーザ）で情報を送る方法の利点が増えてきました。光による信号伝送の利点は、光速で送れること、毎秒10ギガビット以上の送信が可能であること、配線がファイバーであるため軽くて敷設が楽であること、などが挙げられます。光伝送には半導体レーザの小型化と高性能化、それに光ファイバーの高性能化が不可欠でした。
　
▲　レーザプリンタ：　プリンタにまでレーザが使われています。感光ドラムにレーザビームを走査すると光が当たった所にだけトナーが付着するようになります。従来は静電気を利用した方式だったものが光に変わったのです。レーザ光の持つ高エネルギ、細いビームライン、単色光で光学設計がしやすい特質を活かし、半導体レーザの出現によって高性能のプリンタが安価に出回っています。
　
▲　レーザ治療器：　レーザの細いビームラインと高密度エネルギを利用して、切開メス、皮膚治療、目の治療などに活躍しています。レーザが開発された当初は殺人光線と呼ばれていたのですが、今は命を守るために使われています。
　
▲　レーザ加工機：　レーザの持つ高密度エネルギ特性が活かされた装置です。エネルギの高いYAGレーザや炭酸ガスレーザ、ファイバーレーザが使われています。ガスレーザの一種であるエキシマレーザは、発振波長が200nm近辺の紫外光であり熱を伴わないので熱を加えず材料を蒸発によって切除することができます。この現象をアブレーション = ablationと言います。この性質を利用して、エキシマレーザではプラスチックの切断、微細加工に威力を発揮しています。レーザは、この他、材料の切断や接着のみならず、焼きなましや焼き入れ処理をする熱源としても使われています。
　
▲　レーザ測定器：　レーザの持つ直線性を利用して、精度の高い位置を割り出すレベル出し（水平面）目的に使用されています。レーザを用いた測量器は、手軽さと精度の高さで従来のものを圧倒してしまいました。高層ビル建設、大型造船建造、高速道路建設、新幹線のレール敷設、トンネル工事などの建造物の位置出し、レベル出しにレーザ測量機が使われています。パルスレーザの開発により遠く離れた物体の距離を正確に計れるようになりました。
　1969年、レーザが初めて発振された1960年から9年後、米国NASAのアポロ計画の中のアポロ11号宇宙船によって、人類が月面に降り立つという歴史的な出来事がありました。その時に持っていった道具の一つにレーザ反射鏡（46cm x 46cm、重量77kgのアルミパネル、表面にφ38mm x 100個の溶融石英製のコーナーキューブ = reflectorを配置）がありました。オルドリン飛行士（Buzz Aldrin: 1930.1.20〜）は、この反射鏡を月面の「静かの海」に地球に向けて設置して帰ってきました。この反射鏡に向けて地球の天文台（米国Maryland大学、Carrol Alley博士が主導、テキサス、ハワイ、フランス、カルフォルニア、オーストラリア、ロシア、ドイツの天文台からも観測）からレーザを送り、この反射鏡で帰ってくるレーザ光の時間を正確に計って、地球から月までの距離を1cm単位の精度（100億分の1）で計測しているそうです。（The Laser Range Experiment。その後、Apollo14、Apollo15、ソビエトのLunakhod2でも、同様の反射板を月に置いてきた。）この測定は、40年も経つ今も計測が続けられているそうです。この研究から、月は地球の引力の変動（潮の満ち引き）によってわずかに軌道距離を変えていることがわかり、また、月の内部は地球と同じように液体のコアで形作られていることがわかりました。
　レーザによる測距技術を使うと、地球から38万キロ離れた距離をセンチメートル単位の誤差で求めることができるのです。もしこれがレーザでなくて強力なサーチライトであったとしたら、月までの38万キロの距離では光が散乱してしまい、それに精度の良いパルス発光もできないので実用には耐えられなかったと思います。
　（2006.02.23　月までの距離を今まで78万キロとしていました。Y.O.さんよりご指摘受けました。訂正します。）
　（2008.05.05　アポロ計画のThe Laser Ranging Experiment を追記）
　
　レーザによる長さの測定は、基本的には3つの方法があります。
　
　　　　・　一つめは、レーザ発光波長の干渉を使った方法で、短い物体の長さを測定。
　　　　・　二つめは、レーザ光の直線性を利用してレーザの光強度を変化（変調）させ、
　　　　　　その位相差で距離を読みとる中距離用の測定。
　　　　・　最後に、レーザのQ-スイッチというパルス光を利用して光が反射して戻ってくるまでの
　　　　　　時間で距離を求める長距離測定。
　
　レーザを使った長さを測る装置でレーザ波長の干渉を用いるものは、発光波長の1/4波長までの分解能を持つため、λ=632.8nmのヘリウムネオンレーザを使った測定器では0.15um程度までの測定が可能です。レーザ変調方式では、光そのものを別の方法で変調するので発光波長の品質はあまり問題にされません。ですから光の波長レベルの精度測定は不可能ですが、目的に応じた変調方法が取られます。この方法は、波長に依存せず発光波長を厳密にコントロールする必要がないため、安価な発光ダイオードや半導体レーザが使われ、数kmの距離を1cm程度の誤差で測ることができます。
　
　
　

■　誘導放出光（Stimulated Emission of Radiation）とは？

▲レーザの名前の由来
　レーザ発光の重要な基本原理の一つが、「誘導放出」と呼ばれる光の発光です。
これを英語ではStimulated Emissionと呼び、LASERという名の由来の一字をなしているものです。
（ちなみに、LASERは、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation の略です。）
私自身、25年前にヘリウムネオンのレーザを間近に見たときは、その強くて赤い一条の光に不思議な気持ちにとらわれたものですが、その発光原理である「誘導放出」なるものがどのようなものかつい最近まで良くわかりませんでした。
いろいろな参考書を読んでもなんだか難しくて理解に苦しんできました。
　
▲種火による光の放出
　誘導放出というのは、ある種火（特定の波長）が、ある条件の整った媒質に入るとその種火に反応して同じタイミングで同じ波長の光が出る、というものです。
同じタイミングで同じ波長の光が出るので波長と位相の揃った光が放出されます。
この性質を持つ光をコヒーレント（coherent）な光と言います。
種火が媒質に入った時、それがどんどん増長して大きなエネルギの塊にならないと光として外には出ることができません。
種火がその媒質に入ると、吸収も同時に起きます。その吸収は、媒質のなかで電子の準位を高めるのに使われます。
光が入射した媒質の中では、光の吸収と同時に準位の高いエネルギからの光の放出もうながされます。
このとき、放出される光が入射した光よりも上回るとき、光の増幅条件が整います。
放出される光が多くなるには、媒質の中に放出するに足るだけのエネルギが貯まってなくてはならず、言葉を変えて言えば、エネルギ準位の高い状態を作っておいてやらねばなりません。
要するに、堰き止めたダムの水を決壊させて水を放出するにあたって、まずたくさんの水を溜めておく必要があり、たくさんの水が溜まっていないと多くの水を放出できないのと一緒です。
エネルギ準位が高められた状態をエネルギの反転分布といいます。
この状態を作ることを、井戸水の水を汲み上げるのに見立ててポンピング（pumping）と呼んでいます。
　ポンピングには、以下の方法があります。
　
　　・　外部から励起光を入れる（光ポンピング）。
　　・　放電による電子エネルギを媒質中のガス原子に与えて励起をうながす。
　　・　半導体内部の電子の流れによって半導体の「価電子体」に電子を送り込む（電子ポンピング）。
　　・　化学反応を利用する。
　
　
▲光の増幅
　入射した種火と放出される光の両者のエネルギ比で増幅（ゲインとも呼ばれている）が求まります。
ゲインの大きい媒質ほど入ってくる種火によってたくさんの同期した光が出るので、発振を行いやすいレーザと言えます。
その光を再び種火として使って、倍々ゲーム（ネズミ算）で同じ光（波長と位相の揃った光）を作っていきます。
誘導放出によってできた光を再び種火として媒質に入射させ光をどんどん増幅させるため、レーザにはすべて光学的な発振構造が設けられています。
多くの場合、媒質の両端部に精度の良い鏡面を配置させています。この鏡によって放出された光が再び媒質（キャビティ）の中に入り、さらなる光を呼び出すわけです。誘導放出光は波長と位相が揃っているため単色光になります。
　外部からエネルギをもらって電子が励起し、それが種火によって元の状態に戻るときにエネルギを放出し、さらに波長の揃ったエネルギを放出するのがレーザですから、レーザが発振する媒質（キャビティ）は、この条件を満足していなくてはなりません。外部からエネルギを受けて特定の波長だけを放出する元素や分子、はたまた、そうした材料を探すことからレーザの開発が行われました。
　媒質の代表的なものとして、以下のようなものがあります。
　
　　・　今日一般になっているルビー、YAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ガラスなどの固体レーザ。
　　・　気体では、アルゴンやヘリウム、炭酸ガス、ハロゲンガス。
　　・　金属ではカドミウム、銅、金。
　　・　最近脚光を浴びている半導体レーザでは、ガリウム・ヒ素をドーピングした半導体。
　
　

　

左：誘導放出の原理。位相の揃った強い光が出るのが特徴
右：炭酸ガスレーザの発振原理。10.6umを放出するのにN2分子の力を借りている。
　
　
　

■　共振器（Cavity）

　誘導放出された光は、さらに光を強めねばなりません。レーザのキャビティは、すべて両端に精度の良い反射鏡を配置して誘導による放出光を再び媒質の中に戻す構造となっています。つまり、自らの光で再び同類の光を呼び出して増幅を重ねるという手法をとっているのです。反射鏡は、我々が一般に使っているような鏡ではとても役にたたず、この程度のミラーではレーザ発振は行えません。鏡面での損失が大きいからです。キャビティを構成する反射鏡は、反射率を理想的な値にまで上げてこれを両端に設置し、光を往復させても光が拡がらず両端で光を閉じこめる条件を整えることが必要です。この観点から、共振器は単に平面鏡を利用するよりも凹面鏡を使って光を閉じこめやすいように工夫したものが一般的です。（詳細は、キャビティの種類　を参照。）
　ミラーは、光学ガラスを高度に研磨し、その上にレーザ波長の1/4の厚さに酸化セシウムなどの誘電体を交互に多層膜として蒸着したものが用いられます。
（レーザ光学部品では、この1/4波長をよく用います。理由は希望する波長を取り出すために、その部品面での損失を低く押さえる必要上干渉を利用するためです。1/4波長は、入射と反射で1/2波長分になり位相が反転して弱められるのです。）
反射鏡の形状は、平面鏡や凹型球面鏡などがあり光を理想の形で封じ込める設計がなされています。
　こうして両端を鏡で覆って、キャビティ内部で光を封じ込めながらどんどん光を増やしていって光増幅を行うわけですが、最終的には増幅した光を外に取り出さなくてはなんの意味もないので、この鏡に工夫が施されています。つまり、一方の鏡は100%反射の鏡を使いますが、反対の鏡はほんの少しだけ光を透過する鏡を使います。その透過率をαとしますと、その鏡の反射率は、1 - αとなります。αを例えば0.01（1%）とすると99%反射の鏡となります。レーザ光を取り出す側の鏡は1%だけ光が外に出るようになります。ただ、すべてのレーザの反射鏡が1%の透過率を持たせているかというとそうではなく、レーザの発振する媒質のゲイン（増幅しやすい度合い）によって変わります。
　レーザの発振には、
　
（鏡の反射率R）x（レーザ媒質のゲインG）>>1　　・・・（L-1）
　
という条件が成立しなくてはレーザの発振は行えません。鏡の反射率R（ = 1-α、α：透過率）は、鏡自体の反射率の他に鏡の損失も考慮しなければなりません。ヘリウムネオンレーザのように光の増幅が小さい（= ゲインが小さい）ものでは、透過率αを小さくして内部での反射を大きくしなければなりません。炭酸ガスレーザや銅蒸気レーザのように光の増幅度が大きい媒質（= ゲインが大きいもの）では、αを大きくしてたくさんのレーザ光が取り出せるようにしています。αの大きいレーザは発振しやすいレーザと言うことができ、効率の良いレーザと言えます。
こうして誘導放出された光は、精度良く研磨したミラーによってキャビティ内部で反射を繰り返して（増幅を繰り返して）、そのうちの透過率α分の光が外部に放射されるようになります。
　
　

■　レーザの着想

　　レーザ発明に至る過程において、着想当時、光による発振装置を一気に開発することが困難であったので（誘導放出を行う媒質の選定や、共振器の製作が確立していなかかったので）、光よりももう少し波長の長いマイクロ波によって発振の可能性が示唆されました。マイクロ波の誘導放出理論（メーザー：MASER）から研究がスタートし、光を使っても誘導放出による発振が得られるとして、光の発振（レーザ）が考え出されました。
　
　まず最初に、ニューヨークコロンビア大学で教鞭をとっていたタウンズ（Charles H. Townes：1915年7月28日〜）が光メーザの着想をしました。彼が36才、1951年の事だそうです。タウンズは、アインシュタインが1916年に仮説を立て、その後50年も眠っていた「光の誘導放出」理論を呼び覚まし、マイクロ波による誘導放出理論（MASER = Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）を着想し研究をてその始めたのです。
彼は大学卒業後、ベル電話機研究所に入り、そこで10年ほどレーダの研究（レーダー誘導ミサイルの研究）を行っています。
この研究がきっかけでマイクロ波分光の研究に携わり、この分野での地位を確立しました。
彼は、マイクロ波を研究する中で、アインシュタインが唱えた誘導放出に興味を持ち始めていったのです。
1951年春、彼が旅行中の朝にワシントンのフランクリン公園を散歩する中で、彼はある着想を思いつきます。
　
「熱平衡を超えて物質に反転分布を作る条件を整えてやれば、誘導放出が実現でき
　マイクロ波空洞共振器内（キャビティ）で自励発振が起きるのではないか！」
　
　彼は、その着想を手に持っていた封筒に書き留め、簡単な計算を行い発振条件を求めます。
こうしてMASERが着想され、彼によってさらなる研究が始められたのです。
この研究は、1954年に学会で発表されました。おもしろい事に、同じ時期に同じ研究を始めた学者が他にもいました。
同年、1954年にソビエト連邦のレベデフ物理研究所のニコライ・G・バソフ（Nikolay Gennadiyevich Basov: 1922.12 〜 2001.07）と、一般物理研究所のアレクサンドル・M・プロコロフ（Alexander Prochorow：1916.07 - 2002.01）の二人も誘導放出の増幅に関する研究を発表したのです。
バソフは、1970年代にエキシマ・レーザの開発にも着手した人だそうです。彼ら3人はレーザ着想の研究者として1964年にノーベル物理学賞を受けました。
　
　タウンズのメーザの着想にはさらに面白いエピソードがありました。
彼の着想した波の誘導放出理論は、著名な科学有識者（ノーベル賞受賞者）でさえもにわかに信じがたい理論であったそうです。
1944年にノーベル物理学賞を受賞した I.I. ラビ（Isidor Isaac Rabi）やクッシュ（ Polykarp Kusch、1955年ノーベル物理学賞受賞）は、「その実験はうまくいかないことは明白である。君の研究は研究費が無駄になるだけだから止めた方が良い」と言ったようですし、1922年に物理学賞を受賞したボーア（Niels Henrik David Bohr）は、「そんなことは不可能」とまで言い切ったそうです。
コンピュータの父、フォン・ノイマン（Johann Ludwig von Neumann、1903-1957）も、「そんなはずはない」と言下に否定したそうです。もっとも彼はその後しばらくして考えを整理しタウンズの着想が正しいことを認め、さらに「半導体メーザはできないだろうか」と尋ねたということです。
　新しい着想は、それが現実のものとならない限り最高レベルの学識経験者でも判断を誤るようです。
　
　

■　メーザからレーザへ（Maser to Laser）

　タウンズと同じコロンビア大学で37才の学生だったゴードン・グールド（Gordon Gould：1920年7月17日〜2005年9月16日）は、自分のノートに光誘導放出を作り出す装置を考案し、この光をLASER（Light Amplification by Stimulated Emmission of Radiation）と名づけました。
レーザの名付け親は、大学生のグールドでした。
しかし、タウンズはこれを自分のものとして、娘婿のアーサー・ショーロウ（Arthur L. Schawlow）と連名で1958年に特許出願をし、LASERを発表したため、1年後、グールドは「タウンズが自分の考えたLASERという名前を盗んだ」と訴えました。
この争いは20年間に渡って続きました。
グールドが、LASERは自分のもの、と主張した根拠は彼が記帳したノートだけでした。
そのノートは、何故か紛失してしまい見つからなかったのですが、1959年にノートが見つかったためそれをもとに訴訟を起こしたのです。
結局、グールドは、18年の後の1977年に裁判に勝ち巨万の富とLASERの名付け親という名声を得ました。
1977年と言えば、世にあまねくレーザが使われ応用も数限りなく出始めている時代です。
その時代に、彼は1958年の特許を覆し勝訴したのです。
グールドは、彼の管理会社Patlex社と共同名義で、すでに市場に出回っている80%以上のレーザについての特許権を有することになりました。
　彼は幼い頃より名誉欲が強く、エジソンを崇拝していて大発明家になりたいという野望を持っていました、1943年、Yale大学大学院を23才で卒業し、第二次世界大戦の最中、マンハッタン計画に加わり原子力研究に従事します。戦争終了後、再び大学に戻りコロンビア大学で物理学の研究を始め、タウンズのもとでマイクロウェーブの研究を行いました。
LASERの発想は突然の閃きだったそうです。1957年のある夜に着想し、それをノートに書き留めて簡単な計算式と共に「LASER = Light Amplification by Stimulated Emission Radiation」という言葉を書き残したのです。
　裁判に負けたタウンズは、しかしながら、レーザの前身であるメーザの研究によって1964年にノーベル賞を受賞しました。娘婿のアーサー・ショーロウ（Arthur L. Schawlow）も遅れて1981年にノーベル賞を受賞しています。
　このようなレーザの着想があって後、実際にレーザが発振されたのは、1960年5月16日のことです。1950年始めに着想され、後半には原理的な裏付けがとれたにも関わらず、1960年までの10年間なぜかレーザ光は現実のものとはなりませんでした。
　
■　レーザの発振　-　メイマン　1960年
　タウンズ、ショーロウ、バソフ、プロコロフらの物理学者がレーザを発振させる物質として気体を主に考え苦戦していたころ、固体物質によってレーザを発振させようと熱心に研究を続けていた若き電気工学研究者がいました。
それが、米国西海岸カルフォルニア州カリブにあるヒューズエアクラフト社（Hughes Aircraft）軍用エレクトロニクス研究所のセオドア・Ｈ・メイマン（Theodore H. Maiman、1927〜）だったのです。
　当時、タウンズの光共振発光理論にもとずいてレーザを発振させる試みは、今まで述べた学者の他にもいたる所で始められていました。これは、誰が一番最初にレーザの発振に成功するかという一種のレースのようなものでした。当時、同じ研究開発を行っていたグループには、Lincoln Labs, IBM, Westinghouse, Siemens, RCA Labs, GE, Bell Labs, TRGなど大企業を始めとして大学研究機関などたくさんの研究グループがレーザの発振を試みていたのです。
　タウンズと訴訟中のグールドもレーザの開発に意欲的でした。彼は、大学院は卒業しましたが博士号は取得せず、ニューヨークの小さな会社、TRG社に彼のアイデアを持ち込んで、さらにアメリカの国防省（ペンダコン）を抱き込みレーザの開発費100万ドルを獲得しました。
　
　こうした激しい競争の中にあって、レーザ発振競争に勝ったのがヒューズエアクラフト社のメイマンだったのです。
　メイマンは、軍用エレクトロニクス研究所で、エネルギ準位が各種気体に比べより単純な（準位の数が３ないし４と少ない）固体を選んでレーザ現象を実現しようと挑戦していました。酸化アルミニウムを基本組成とする宝石のルビー（クロム原子Cr がサファイア Al2O3 結晶に混在。クロム原子が発光原子になる）を対象にして、その結晶の中のクロムイオン（ +3価）を励起させるに足る光エネルギー源として、螺旋状のキセノンフラッシュランプをジェネラルエレクトリック社から入手しました。そして、人工ルビー結晶の両端を平滑に研磨し、銀メッキを施した後（Fabry-Perot 共振条件を作って）、その出力側の面に透過用の小さい孔を設け、電気を流したところ、ピンク色のレーザーが出ました。世の中で初めてのレーザの発振でした。
　彼の成功のカギは、彼の物理学の素養もさることながら、レーザ発振を可能にしたルビーロッドとキセノンフラッシュのおかげと言えるかも知れません。ルビーロッドはユニオン・カーバイト（Union Carbide）社に特注で注文し、ロッド（結晶棒）の両端を光学研磨して、かつ、ミラーコーティング処理を施しました。ルビーロッドを励起する光源は、通常のランプでは励起エネルギーが小さすぎて使い物にならないことを知っていたメイマンは、ある時写真撮影に使うエレクトリッククセノン（キセノン）フラッシュに注目します。このランプは通常のランプと違って色温度が8000-9000Kと高く、このエネルギーを計算尺（当時は電卓などなかった）を使って試算したところ、ルビーを励起するに足る光源であると判断できたのです。
　メイマンは、GE社製の螺旋式キセノンバルブを励起光源として流用しました。このキセノンバルブはFT-506というタイプで、900Vで1,000Watt-sec.の発光能力を持っていました。このランプは軍需用のもので、偵察機に搭載して夜間撮影用ストロボとして使われていたものです。潜水艦が砲弾などを充填するために夜間海上に浮上してくるのを狙って、低高度から海面撮影をする目的に使われていたものです。メイマンは軍用エレクトロニクス研究所に勤めていましたから、高輝度・高密度の光源（フラッシュ）があることを知っていたのだと思います。ランプの管形状が螺旋形状をしていたので、その中にルビーロッドを入れると効率よくロッドを照射することができました。もともと、ランプをくるくる丸めて螺旋型とするのは、光量をかせぎたい大光量のランプに使われるものです。そのクルクルと巻かれた螺旋形状がルビーロッドを埋め込むのにまことに都合がよかったのです。しかし、そのキセノンランプを使ってもルビーをレーザ発振することは容易なことではなく、時には定格以上の発光を必要として1,500wat-sec.での発光も余儀なくされ、そのために著しい寿命の低下をまねいていたと言われています。
　
　歴史とは面白いもので、トランジスタの発明といいレーザの発明といい、発表された当時、それが歴史的な発明にもかかわらずそれほどの扱いを受けませんでした。レーザ発振のニュースを掲載するにあたって、ヒューズ社の広報担当者は、新聞に装置の写真を掲載するのを拒否したそうです。理由は、レーザの装置がわずか数センチ四方と小さかっために重厚長大の1960年代にあっては見てくれが悪い、というものでした。また、米国物理学会誌「フィジカル・レビュー」は、この研究論文の掲載を却下し、英国の伝統ある物理学会誌「ネイチャー」においても300語たらずの紹介に終始したのです。
　メイマンが発明した単発発光のルビーレーザは、2年後の1962年、ネルソンとボイル（Nelson&Boyle）によって励起光源を連続発光のキセノンアークランプとすることで連続発振に成功しました。
　
　メイマンがルビーレーザを発明した同じ年の1960年には、米国ベル研究所のA.Javanがヘリウムネオンのガスでレーザ発振に成功しています。その翌年の1961年には、Hellwarthらによってエネルギを十分に蓄えてから瞬間的に放出するQ-スイッチが発明され、これにより、強力なパルス光を発生するジャイアントパルスレーザが開発されました。1962年には、米国GE社、IBM社などから半導体レーザが開発されました。1964年にはヒューズ社の若いBridgeによってイオン・レーザが開発されました。わずか4年の間に多くの媒質と励起光限を使ったレーザが開発されました。
　
　これら関連する書物はたくさんあるので詳細はそちらに譲りたいと思います。
筆者が出会ったレーザ関連の書物の中で、沓名宗春氏の「レーザの科学 - 人工の光が生む可能性 - 」（NHK Book）はとてもおもしろかったので紹介しておきます。
この本は、氏の専門である溶接・高温加工工学の立場から書かれたものですが、レーザの入門書としても実に面白く、レーザに対する縦横無尽の切り口が読者を飽きさせません。いろいろな角度から（歴史、時代背景、生活の中から）のレーザのアプローチがあり、氏が体全体を通してレーザを把握し、彼の咀嚼を通して語られているのがよくわかります。
　
　以下の項では、画像用光源としての観点に重点をおいて各種レーザの特徴を述べます。
　
（2006.03.13追記）
エキシマレーザの発振波長の訂正
T.M.さんよりメールにてご指摘受けました。
　
レーザ　名
出　力
発振波長
用　途
ガスレーザ
10mW〜100mW
連続
赤色
単色　632.8nm
光軸アライメント調整
長さ測定
100mW〜20w
連続
青〜緑
マルチライン
光軸アライメント、
レーザプリンタ
高速度カメラ光源
1kW〜50kW
連続
赤外10.6um
金属溶接、溶断、加工
1〜10J
低周波パルス
紫外

126nm〜351nm
ポリマー微細加工、学術用光源（LIF）
〜10mJ
単発パルス
紫外
337nm
安価な紫外レーザ
固体レーザ
100mJ〜100J
単発パルス
赤
694.3nm
ホログラフィ
10mJ〜100J
高周波パルス、連続
赤
1.06um
金属微細加工、学術用光源（LIF）、
高速度カメラ光源
1J〜5000J
単発パルス
赤外
1.06〜1.08um
ホログラフィー
100mW〜8W
連続
1064nm
1047nm
1053nm
光軸アライメント
レーザ励起
微細加工
ステージディスプレー光源
連続・パルス
660nm 〜　1,180nm
可変波長レーザ
連続・パルス

1W〜2000W
1,050nm〜1,620nm
長距離通信

高温加工
金属レーザ
10mW〜50mW
青色
白色
医学用
レーザプリンタ用
10W〜120W
高周波パルス

2波長　511、578nm
高速度カメラ用ストロボ光源
ウラン濃縮ポンプレーザ、
金属微細加工
金蒸気レーザ
1W〜3W
高周波パルス
赤色
医学用、皮膚セラピー
半導体レーザ
1mW〜100W
連続、パルス
赤色〜赤外
通信、固体レーザ励起光源、
高速度カメラ用光源、金属加工、
レーザポインタ
オプチカルピックアップ光源
液体レーザ
パルス、連続
300nm〜1200nm
可変波長レーザ

　

　
　
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ヘリウムネオンレーザ（He-Neレーザ）

　ヘリウムネオンレーザは、比較的新しいレーザの世界にあって、半導体レーザの出現によって早くも古典の部類に属するようになった光源です。1960年12月、最初のレーザであるルビーレーザが発振したわずか7月後に、ベル電話機研究所のA.Javanによってへリムネオンレーザが開発されました。ガスレーザでは、最初のレーザとなりました。また、ヒューズ社のメイマンの発明したルビーレーザが単発のパルス発光であったのに対して、ヘリウムネオンレーザは連続（CW = Continuous Wave）で発振するものでした。
　レーザ光の発振そのものは、ネオンのもつエネルギ遷移のλ=632.8nmを増幅させていますが、ネオンだけの放電、増幅では発振できないのでヘリウムの手助けでネオン原子を励起させ反転分布を増強して発振にまで導いています。ヘリウムとネオンガスの混合比率は、He：Ne = 5〜10:1です。レーザ発振のゲインが低く発振条件が厳しいため、反射ミラーを精度の良いものを採用したり、何度も光を往復させなければならないために、これによってガラスの反射損失を防ぐ必要からブリュースタ窓を採用しています。従って、ヘリウムネオンレーザのエネルギ効率（光出力エネルギ / 入力電気エネルギ）は、0.01%〜0.1%と大変低いものになっています。10mWの光を取り出すのに100Wの電気を必要とするのです。
　

■　ブリュースター窓

　ヘリウムネオンが属するガスレーザは、石英ガラスチューブ内に希ガスを封入して放電を起こさせ、チューブの両端に光学研磨を施した反射ミラーの設置によりキャビティ（cavity）を形成して、光学的共振を起こさせるものです。したがって、これらのレーザの構成品は、大きく分けてガス放電のための電源部と放電光の共振のためのキャビティが必要となります。キャビティには、放電を起こさせるための希ガスと電極、それに共振を起こさせる反射鏡が必要です。キャビティを構成する反射鏡は、ガスチューブと一体型になった内部ミラー型と、キャビティとミラーが別になった外部ミラー型の2つのタイプがあります。内部ミラー型は、取い扱いが楽でミラーの調整が不要です。また、ブリュースタ窓の設置も不要です。しかし、大出力レーザでは、熱などの問題でキャビティと反射鏡を一体型とすることが困難になるために、外部ミラー型となります。外部ミラー型では、チューブ端面の窓ガラスで光を何度も往復すると、ガラス面の反射による損失が無視できなくなります。しかし、ある角度を持って光学ガラスを取り付けると反射がほとんどない状況が作り出せます。この角度を発見者Sir David Brewsterの名前にちなんでブリュースター角といいます。この窓を設けるとこの窓に垂直な光の成分だけをほとんど損失なしに透過できようになります。しかし、その光は偏光をもったものになるため、出力光を偏光フィルタを通して見ると光が見えなくなってしまいます。ブリュースター窓を設けたレーザ出力はきれいな直線偏光となるので、偏光を用いる応用には便利となります。
　

■　コヒーレント光

　ネオンは、励起波長がλ = 632.8nmの単波長です。発振出力は、1mWから100mWまでの出力エネルギーの比較的低い連続発振（CW = Continuous Wave発振）です。最近の半導体レーザでは、ヘリウムネオンレーザ程度の発振出力を持つコンパクトなものが開発されてきたので、役割を半導体レーザに譲りつつあります。
しかしながら、以下のような特徴があるため、レーザ測定器、各種アライメント用マーカ、ホログラフィ再生光源には現在でも利用されています。
　
●　ガスレーザならではの出力安定性
●　コヒーレント性（発振波面の精度が良い）
●　ビームダイバージェンス（拡がり角、光ビームの射出される平行性）
　
つまり、ヘリウムネオンレーザ光線は、直線性と波面精度が良い（コヒーレント）光と言えます。音楽用のCD光源や、DVD装置の光源にはヘリウムネオンレーザは必要ありませんが、100mを越える船舶建造のレベルを出したり、半導体の製造上の位置合わせにはまだまだ有効です。また、サブミクロンの精度を要求する長さ測定には、ヘリウムネオンの精度の良い波長は有効です。
　光のおもしろいエピソードを挙げますと、長さの定義がメートル原器に変わって光によって定義づけられるようになったことです。（関連トピックは、光と光の記録『光速と長さ』を参照してください。）長さの単位は、最初フランスで作られたメートル原器が唯一絶対のものでしたが、1960年にクリプトン元素が放射する光の波長を使った手法が長さの定義となりました。1984年の制定では、定義の中に光の質は述べられておらず、光の速度で長さを定義するようになりました。クリプトンより精度の出る測定法が確立されたからです。現在ではその光にヘリウムネオンレーザを使っています。つまり、それだけヘリウムネオンのレーザ光は安定している証拠と言えます。
　ヘリウムネオンレーザの波長は、米国NBSにおいて測定された報告によると、標準計量状態、すなわち、1気圧、温度20℃、相対湿度59%、炭酸ガス含有量0.03%のもとで、632.81983nmとされてます。有効数字8桁です。この安定して発振するヘリウムネオンレーザ光を使って長さの基準が作られているのです。（長さを正確に求めるには、レーザ単色光の波長が極めて安定していることもさることながら、光の速度が正確にわかっていることと、時間をカウントするカウンタ=時計も正確なものでなければなりません。光速の測定は米国マイケルソンの功績により有効数字9桁まで測定されています。またセシウムの原子時計によって時間クロックは160万年に1秒の誤差にまで高められています。）
　

■　ビームダイバージェンス（ビーム拡がり角、発散角）

　レーザは、直線性がよく光が遠くまで到達します。直線性の良いことがレーザビームの特徴ですが、それでも長い距離ではビームが拡がります。ビームの拡がり具合を示す数値がBeam Divergence と呼ばれるものです。単位は、ラヂアンで示されますが、この値はレーザの拡がり角を表す数値としては大きいので1/1000にしたミリラジアンがよく使われます。拡がり角θ（ミリラジアン）は、ビームが出力された距離Dにtanθを掛け合わせるとビームの拡がる値となります。tanθは、θが50ミリラジアン以下ではtanθ=θとみなして差し支えないので、拡がり角θにビーム出力距離D（メートル）を掛け合わせた値が拡がり量（ミリメートル）となります。
　
　　　　　　D = d + θ・L　　・・・（L-2）
　　　　　　　　D：　レーザから射出された距離Lでのビームの大きさ
　　　　　　　　d：　レーザの射出出口でのビームの大きさ
　　　　　　　　θ：　レーザのビーム拡がり角、Beam Divergence
　　　　　　　　L：　レーザビームの放射距離
　
　例えば、ヘリウムネオンレーザの拡がり角は、約1ミリラジアンなので、1mの距離の拡がりは1ミリ、10mの距離では10ミリの拡がりとなります。ヘリウムネオンレーザは、直線性がよいレーザとしても特徴があります。最近話題の半導体レーザは、その特性上、レーザは最初から拡がって出てきます。従って半導体レーザは、遠くに飛ばすことは苦手です。それでも補正光学系を使って、レーザポインタ程度の直線性と拡がり角は確保できます。
　
　
　
　レーザビームの拡がりはなぜ起きるのでしょうか。その理由は、レーザの発振する共振器部（キャビティ）の構造と光の回折（ = ビーム出力端の大きさと波長）によってほぼ決まるからです。この中でも共振器部の発振構造でビームクォリテイがほぼ決まってしまいます。キャビティとは別に、光の回折の観点から見てみると、レーザ光は回り込みながら進むので、ビーム拡がり角θは、発振波長（λ）/ビーム口径（d）に比例し、これ以下のビームの直線性は望めません。回折の観点に立つと、レーザは短い波長の方が直線性が良くかつビームが大きいほど拡がりにくいことがわかります。
　
　　　　　　θ = λ/d　　・・・（L-3）
　　　　　　　　θ：　レーザのビーム拡がり角、Beam Divergence
　　　　　　　　λ：　レーザの発振波長
　　　　　　　　d：　レーザの射出出口でのビームの大きさ
　
ただし、上式は回折の観点から述べた式であり、実際はこれよりも大きくなっています。現実的には、使用するレーザのカタログに、ビーム拡がり角が掲載されているので、それを参考にしたほうがてっとり早いと思います。
　
　
■　ビームの拡がり　-　もう少し詳しい説明　（2006.12.29）（2007.01.28追記）
　上で述べた、ビームの拡がりについてもう少し詳しい説明をします。
　ビームの拡がりは、レーザ発振する共振器の光学レイアウトによって決まります。その光学レイアウトについて説明します。
　
　レーザ光がなぜ直線性が良いのかというと、光の共振原理によってレーザ光が作られるため、共振器の中で光が何度も往復して十分に強まった後に出てくるからです。従って共振器の光学アライメントが少しでも狂うと光は強められないのでレーザは発振しません。また、共振器の性能が悪いと放出される光の性質も悪いものになります。
　レーザ光は、そもそも発振器で光が増幅されて放出されるというのが原理原則であるため、多くの場合、その増幅には1対の反射鏡が使われています。1対の反射鏡で囲まれた共振器の中で誘導放出された光は何十回かの往復を繰り返し、増幅されて発振に足るだけのビーム光となります。ゲインの高いレーザでは光を何度も往復させなくても簡単に発振をして放出されるものもあります。しかし、多くのレーザはそうはいきません。例えば、透過率が2%を持つ共振器のレーザでは98%が反射されキャビティの中を往復（ポンピング）しています。ということは、確率的に言うと励起された光は1/50の割合でしか外に出ることができず、49回往復してやっと外に出られる換算となります。
　
【キャビティの種類】
　右図にレーザキャビティの一般的なものを挙げました。たくさんの種類がありますが、大きく分けると、共振を起こすための1対の鏡に平面鏡を使うか球面鏡を使うかの二つに分けることができ、それぞれに特徴があります。
　一般に、レーザ発振器では、キャビティ（共振長=L）の半分の焦点距離を持つ球面鏡を両端に配置して、キャビティ中央部のエネルギー密度が一番高くなるように設計されています（同図の2番目と三番目の共振光学レイアウト参照）。
　レーザ発振器には、1対の平面鏡が使われるのが順当な所ですが（同図の1番目の光学レイアウト参照）、このレイアウトですと、平行平面の位置出しがとても大変です。少しでも狂うと何度も往復する光は光軸を外れて逃げてしまいます。その位置出し精度は1/30°と言われています。従って、平行平面鏡のレイアウトは、共振長さLが10mm程度の小さいものに限られたり、半導体レーザに使われるだけの限られたものとなっています。
　1対の平行平面鏡の代わりに、1対の球面鏡が使われるのは、比較的簡単な光学セッティングで共振を起こすことができるからです。球面鏡を使えば双方の鏡の位置が少しずれていても光のポンピングが行いやすくレーザ発振を起こしやすくなります。
　
【ビーム密度】
　キャビティ内部での光増幅を見てみると、右図の各種光学レイアウトの中の水色部分がレーザ光を放出しているエリアとなり、それ以外はレーザの発光に関与していないことがわかります。
　また、光線のクロスしているところは、ビームが集光するところでレーザ光強度が高いところです。この部分はとてもエネルギー密度が高くなりますので、媒質に欠陥があるとダメージを受けやすくなります。その部分は、熱も発生しやすく光学的にも歪みをおこします。
　　
【非安定共振器（Unstable Cavity）】
　球面鏡を用いた発振光学系のことを、安定して発振できるという意味で安定共振器（stable cavity）と呼んでいます。共振器の別のレイアウトである非安定共振器（不安定共振器、unstable cavity）は、鏡によって誘導放出光を封じ込める構造になっていないので、ポンピングをほとんど行わず、励起による放射光がそのまま外部に出て行くような構造となっています。その意味で共振が安定しない光学系なので非安定という言葉をあてたものと思います。非安定共振器は、銅蒸気レーザのようなゲインの高い（レーザ発振の起こしやすい）レーザに使われます。この光学系を使うことによって出力は少し減りますが、ビームダイバージェンスが一桁上がります。ビームクォリティが上がることから、マイクロマシニングなどの微小加工をするレーザや、大出力レーザの種火（ソースレーザ）として、また、薄くて強いレーザライトシートを作るときのレーザ発振光学系に採用されます。
　
【レーザビームの形状】
　レーザは、上で述べたような共振器（キャビティ、resonator）のレイアウトによってレーザ発振が行われますが、発振時のビーム曲線はマクスウェルの方程式で導かれます。その方程式で示されるビームは下図の右に示されたくびれた曲線となり、レーザキャビティ内部で起きているビーム曲線と同じになります。これが、とりも直さずレーザ光として外部に放射され再び集光されたときの集光ビーム曲線となります。
　
　
　マクスウェルの方程式はとても難解で私にはよくわかりません。その曲線は、双曲線形状であり、ベル電話機研究所のG.D.Boyd、J.P.Gordonの研究報告（1961）によると以下の近似で表わされるとしています。
　
　　　ω0 = √（λb/2π）　　・・・（L-4）
　　　
　　　ω = ω0√［1 + (2z/b)2］　　・・・（L-5）
　　　　ω0：　共振器内の中心部でのビームスポット最小径
　　　　λ：　レーザ発振波長
　　　　b：　レーザ共振器の共振長
　　　　z：　レーザ共振器の中心位置からの距離（レーザ発振方向）
上式において、Zが十分に大きければビームは以下の円錐体に近接します。
　
　　　　χ2 + y2 = ω2 = ω02｛1 + （λ/ω0π）2z2｝ 〜 （λ/πω0）2　　・・・（L-6）
　　　　　χ、y：　レーザ発振方向（縦方向 = Z方向に直交する平面軸）
　
この円錐体の半頂角が以下に近似し、ビーム拡がり角θの根拠となっています。
　
　　　　θ = 2 tan-1（λ/πω0） 〜 2 λ/πω0 = 2√（2λ/πb）　　・・・（L-7）
　
　上式は、ビームの拡がりは共振器の発振長（b）が長いほど低く、また、波長が短いほど低いことを示しています。また、ここで述べた式は、安定共振器について導き出した式であるため、共振器の設計（レイアウト）によって変わります。固体レーザ（YAGレーザ）ではロッド自体が共振器なのでもう少し複雑な式になると思われます。従って、ここでは一般的な事として述べるにとどめます。　
　一般的に、ガスレーザでは、共振長が長いものの方がビームダイバージェンスが良く、固体レーザ、特に半導体レーザでは共振長が短くて共振器も狭いためビームクォリティはよくありません。
　
▲　ビーム横モード（断面モード）　（2007.01.28追記）（2008.05.05）
　レーザビームの断面を見ると、右図のような強度分布を持った形状であることが認められています。このようなビームの強度分布のことを、断面モードとか横モードと言っています。また、この断面モードのことを、TEMという言い方をあてて、TEM00、TEM01、TEM11という言い方をし、これでおよそのビーム断面形状を特定しています。TEMとは、Transverse ElectroMagnetic モード（T = 横方向、E = 電気、M = 磁気）の略で、電磁波の伝搬する横モード（Transverse mode）を示し、電波やマイクロウェーブ、光波光学でよく使われる単語です。TEMmnに付けられているmとnの添え字は、mがEモード成分を表しnがMモード成分を示して、互いに直角の成分となります。m、ｎは、整数で示されます。
　このように TEMmn には、mとnで組み合わせられるたくさんのモードが存在します。簡単に言えば、mはビーム断面を水平に切る本数で、nは垂直に切る本数となります。従ってTEM00では、ガウス分布を持った一塊のビーム断面形状になり、TEM01では上下に二つにビームが分かれた形状となり、TEM10では水平に二つに分かれた形状となります。また、TEM11は上下左右に分割された4つの断面形状となります。一般的には、TEM00 形状を持つモードがカメラ用の照明光源として好まれています。
　
　
　
　
■　M2（えむすくえあ）-　ビームクォリティ
　出力されるレーザビームの品質を定量的に扱う数値としてM2 があります。M2 はビーム品質を表す数値表現で、この値が1に近づけば近づくほど、ビームの品質が良く素直なビームとなり、レーザを拡げたり、集光させる場合に都合が良くなります。悪いレーザではM2 が数百になることもあります。
　M2 は、ビーム品質を定量的に求めるために規格化されたもので　ISO11146にも登録されています。
　　　θ = M2 （λ/π・ω0 ）　　　・・・・（L-8）
　　　　　θ：　ビーム拡がり角（beam divergence）
　　　　　M2：　ビーム品質値
　　　　　λ：　レーザ発振波長
　　　　　π：　円周率（3.14159）
　　　　　ω0 ：　ビーム集光位置でのビーム径
上の式（L-8）は、先に紹介したレーザ共振器内のビームの形状とビーム拡がり角θの関係式（L-7）と同じ事を言っています。従ってM2 は係数とも取れなくありません。上の式に示されるビームの拡がり角θは、使用する波長（λ）とビームの最小径（ω0 ）によって決まり、係数としてM2 があるということを示していて、M2 の値が大きいほど、ビームは拡がることを示しています。M2 は、1以下の数値を取り得ませんから、理想のレーザビーム（ガウス分布形状をしたビーム）の拡がりは使用する波長（λ）とビームの最小径（ω0 ）によって決まり、M2 は、理想のガウス分布によるビームからかけ離れた度合いを示す係数となり、これが大きくなるほど拡がりが大きくなります。
　
　
　
　
■　He-Neレーザのユーティリティ（電源、冷却設備）と応用
　レーザは基本的に大容量の電源を必要とし冷却水も確保しなければなりませんが、ヘリウムネオンはコンパクトで商用電源AC100V、5A以下の電源容量ですみ、水冷設備も不要です。
　ヘリウムネオンレーザは、画像用光源としてはあまり利用されていません。理由は散乱光光源（レーザ光を散らして被写体全体に照射させる方法）として使うためには暗すぎ、シュリーレン用光源として使う場合では干渉が強くてゴミなどによるスペックルがでやすいからです。
　ヘリウムネオンレーザを扱っているメーカは、メレスグリオ、コヒーレント社、スペクトラフィジックス社、昭和オプトロニクスなどがあります。
　
　
　
　
　
　
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アルゴンイオンレーザ（Argon ion Laser）　（2003.0511追記）

　緑色の強い連続発振をするレーザ光です。アルゴンレーザは、ルビーレーザを発振させたメイマンと同じヒューズエアクラフト社の研究所のWilliam B. Bridges によって1964年に発明されました。アルゴンを発振媒体としてレーザが開発される過程の中で、まず、ヘリウムネオンレーザの次に水銀を使ったレーザが開発されました。水銀レーザは、1964年米国Spectra Physics社のEarl Bell によって発明されます。水銀は光源として至る所で使われる金属で、蒸気になりやすいことからヘリウムネオンレーザが発振された後の次なるレーザとして研究の対象になったものと思われます（フラッシュランプでもキセノンランプの前は水銀が使われていました）。水銀レーザは、567nm（緑）と615（赤）の二つの発振線が出力されます。しかし水銀レーザは連続発振ができず、バッファガスとして封入されたネオンやアルゴンの放電が起きた後のアフターグロー放電で発振していました。発振出力も20mW程度であったと言われています。
　このことから気体レーザの研究開発は、バッファガスを直接励起させる研究開発に移っていき、アルゴンガスをプラズマ状態（イオン）にして励起させるという手法が考え出されて行きました。不活性ガスのほうが振る舞いが安定しているのでしょうか。いずれにしてもアルゴンを使うことにより安定したより強力な連続可視光レーザが得られるようになりました。
　ちなみに、（ヘリウムネオン）ガスレーザから派生したレーザとして水銀レーザの開発の後、アルゴン、クリプトンなどのレーザとは別に、カドミウム、セシウム、銅、金を用いた金属蒸気レーザが開発されました。これらのレーザについては銅蒸気レーザの項目を参照下さい。
　
　アルゴンレーザは、高速度カメラの撮影ではシュリーレン、シャドウグラフ光学装置の光源として最も良く使われているレーザです。アルゴンイオンレーザは、ヘリウムネオンガス同様ガスレーザに属します。ヘリウムネオンレーザが中性原子を使用して電子の衝突によってポンピングしているのに対し、アルゴンイオンレーザは、アルゴン原子をイオン化してエネルギを受け渡しやすくし、励起エネルギの放出で発振させています。イオン化しやすいガスは、総じてレーザ発振の可能性がありますが、実用化されているのはアルゴンとクリプトンの2種類です。イオン化しやすいといってもアルゴンやクリプトンは非常に安定したガスなので、イオン化するためにはプラズマ状にする必要があり、高電圧、高温場を作り出す構造が必要で、この中で希ガスを気体放電させます。そのために電源装置はかなり大がかりなものとなります。レーザチューブは高温に耐えられる材質（ベリリア（BeO）セラミクスチューブ）で作られています。レーザチューブに封入されたアルゴンガスの放電によって、λ=488.0nmと514.5nmの2本の主スペクトル線を発振します。ゲインが高いため発振条件が作りやすくたくさんの発振ラインがあり、増幅が楽なので出力も高くすることができます。発振出力は、複数発振の合計（マルチモード）で50mWから25Wまで発振します。
　25Wという光は非常に強い光です。わずか1mm径のビームに25Wのエネルギが凝縮されているわけですから危険です。地上に降りそそぐ太陽光は、1m2に300Wから1000Wのエネルギを照射しています。この光エネルギは、しかし1mm径で0.2mWから0.7mW程度です。アルゴンレーザはそれよりも100,000倍も強いのです。当然、そのレーザ光を直接紙に当てれば燃えてしまいます。50mm口径の虫メガネを使って太陽光を1mm程度に集光させても50mW程度です。この光でも紙は燃えます。アルゴンレーザは虫メガネで集光した太陽光よりも500倍も強いのです。これはかなり危険な光です。
　

■　発振モード（縦モード）

　ガスレーザチューブ内のガスの温度はプラズマ状になっているため高温になっています。このためイオン化された原子は高速で移動するので、その原子から放射される光はドップラー効果によって基本発振波長を中心として広い波長幅を持った発振となります。この光は、面白いことに実際は、連続した光とはならずに飛び飛びの波長になります。誘導放出光は、原子の運動によってドップラーシフトした光となって連続した波長で放射されるのですが、レーザーチューブ（キャビティ）の共振構造によりキャビティの発振周波数に合った光しか発振されないので、飛び飛びの光となって現れます。これが、レーザのカタログに出ている縦モードと呼ばれるものです。縦モードは、レーザキャビティの長さ d によって決まる周波数で、以下の式で求められます。
　
f = m（c / 2d）　　・・・（L-9）
　　f：　縦モード周波数
　　m：　整数
　　c：　光速
　　d：　レーザキャビティの共振長（ミラー間の距離）
　
この式からd=1mの時、f=150MHzが求まります。つまりこの共振器では150MHzの倍数を持つ光しか発振できないことになります。dが大きいと（キャビティの長さが長いと）縦モード周波数が小さくなりますから発振できる光は細かくなり、逆にdの値が小さいほど周波数が大きくなって単一発振ができるようになります。単一発振したい場合は共振器の長さを短くすれば良いのですが、短くすると発振のための増幅がとれなくてレーザ発振しない可能性があります。縦モードが論議されるのは極めて狭い発振波長が欲しい時に限られます。
　
ガスレーザは、上記のようにある幅を持って光が発振され、おまけに飛び飛びの光となるわけですが、例えば、488nmの発振波長に対してアルゴンが高温でプラズマ状になっていたとしてもアルゴンの運動速度は2,000m/s程度で、光速の300,000,000m/sに比べればはるかに遅い速度です。ガスの運動によるドップラシフト周波数は、
　
f = f0［1±（v / c）］　　・・・（L-10）
　　f：　ドップラー効果によるレーザ発振周波数のシフトした周波数（Hz）
　　f0：　レーザの基本発振周波数
　　v：　レーザガスの運動速度
　　c：　光速
　
で示され、v / cの値は0.000007となり、ほんのちょっとの波長のずれた光が出ることになります。そのずれは、488.0nmの中に全部入ってしまう程度の幅の光ということがわかります。周波数で言うとf0が6.15 x 1014 Hzであり、これを中心としてシフトする周波数は4,100 MHzとなることがわかります。こうした周波数幅でレーザが発振されるわけですが、レーザのキャビティの長さによって飛び飛びの波長を得るために、アルゴンイオンレーザの場合その間隔が156MHzとなり、レーザ発振光の中に6.15 x 1014 Hzを中心に約26本の櫛形の光が発振していることになります。
　波長を厳密に取り扱わなければならない分野ではこの波長幅での発振も許されないので、櫛形をした発振波長をさらに一つに選別して取り出すことが行われます。これが以下に示すエタロン板という光学フィルタです。
　

■　波長選択光学レイアウト

　アルゴンイオンレーザは、ヘリウムネオンレーザと違ってたくさんの発振波長があり、これが時には不都合なことがあります。そのために必要な波長だけ選択して出力させる光学装置をレーザの中に組み入れる必要があります。すべての光を取り出す方式を全発振動作といいます。特定の波長線だけを取り出すには全反射ミラーの前にプリズムを置いて光を分散させ希望する波長が取り出せるようにプリズムの角度を調整します。
　

　

　　

▼　エタロン（etalon）

　このプリズムの間にさらにエタロン板を加えることによりさらに狭い範囲の発振波長（単一縦モードのレーザ光）を取り出すことができます。エタロン（Etalon）というのは干渉フィルターの一種で、このフィルタを挿入することにより非常に精度の良い波長選択透過を行うことができます。干渉フィルタというと光学ガラス表面に誘電体膜を蒸着させるコーティングフィルタを思い描きがちですが、エタロンは両面を極めて精度良く研磨した平行ガラス板です。その平面精度は λ/10〜λ/100（波長の1/100）と言われています。これは、ナノメータのオーダでの研磨を必要とする精度です。このきわめてきれいな面を持つ光学ガラス板は、ファブリ・ペローの光学条件を満足した干渉計となります。
　ファブリ・ペロー（Fabry-Perot）とは、フランスの物理学者 Charles Fabry （1867-1945）と、同国物理学者 Alfred Perot （1863-1925）の二人の人物の名前で、彼らは1896年に干渉原理を開発しました。この干渉計は、マイケルソンの干渉計を改良したもので精度を格段に向上させたものです。ファブリ・ペロー干渉計は、二面の鏡面の向かい合わせた面を精度良く平行に配置しさらに非常に精度良く研磨し、高い反射率とわずかな透過率を持った光学系を構築したものです。一方から入射した光は、両鏡面間を何度も反射往復して干渉を起こし特定の光だけが透過するようになります。レーザのキャビティを構成する反射鏡も一種のファブリ・ペロー干渉光学系と言えます（ただし、レーザの共振器は、一方の反射鏡が完全反射鏡で光は共振器内部で作られます）。ファブリ・ペローは、レーザ光学の世界に多大な貢献をしました。
　ファブリとペローが名付けたエタロン板は、精度の良い平行ガラス板で構成されたもので両面の厚さ精度と面精度が非常に重要になっています。エタロンの一方から入射した光はエタロン内部で多重反射し、その干渉によって両面の鏡面間距離が波長のλ/2の倍数をもつ光だけを透過するようになります。エタロンは、一枚の板でファブリ・ペローの干渉条件を満足させたものです。入射光に対してエタロン板を回転させる（= 倒す）とエタロン板内部の光学パスが変わるために、取り出される光の波長も変化します。
　
　

■　アルゴンレーザの応用

　アルゴンレーザの大きな特徴は、緑の連続した光がかなり高密度に出力されることです。コヒーレントな光という点では先の赤色レーザ、ヘリウムネオンレーザに劣り、干渉を利用した応用の中の精度を要求したものには向いていません。アルゴンレーザは、緑色の発振をすることから医学分野で利用されてきました。その一つが眼底の治療に使われる『光凝固法』と呼ばれる分野です。光凝固法は、1964年にルビーレーザの694nmの光を使って実用化されたそうです。光凝固法は、1950年にキセノンランプを使って開発されました。光凝固法というのは、ちょうど目玉焼きを焼くような原理で、タンパク質を高熱によって変質、凝固させる手法です。この手法は、眼底の腫瘍や剥離した網膜、糖尿病性網膜症などの浮腫の治療に細い光ビームを眼科用顕微鏡や光ファイバーを利用して照射し、その熱により患部を凝固させてしまう手法です。アルゴンレーザの緑の光は目の水晶体をよく透過し、網膜組織に光が吸収されやすいので好都合だったのです。また、ガン細胞の早期発見としてアルゴンレーザの緑の光をファイバを用いて検査細胞に照射すると可視化が容易にできたので内視鏡と組み合わせて使われていました。
　アルゴンイオンレーザはこの他に、UVラマン分光、フォトルミネッセンス、高速度カメラ用光源、フローサイメトリ、励起レーザ用光源など、任意の波長を要求する場合や高エネルギを要求する分野に使われています。
　
　

■　撮影光源としてのアルゴンレーザ光

　アルゴンレーザの出力ビーム径は約1.2mmで、これをビームイクスパンダで拡げて拡散光源としたり、光ファイバに導いてファイバ照明にしたり、またレーザライトシートとして用います。
　4Wのアルゴンレーザ光源はどのくらいの明るさをもつのでしょうか。光と光の記録本編の『レーザ光の強さ』で紹介した計算をもとにアルゴンレーザについて光束を求めると
　
（1.3W at 488nm x 0.208 + 1.7W at514.5nm x 0.41 + 1.0w
x 0.07）x 683 lm/W = 708.5 lm　　　　・・・（L-11）
　
となり、これを1m2に拡げると708.5 luxの照度が得られ、φ100mm程度の大きさでは90,000lux程度の照度となります。また、φ10mmとすると百倍の9,000,000 luxが得られ、かなり高輝度な値となります。
　このことから、アルゴンレーザを照明光源として高速度カメラを使用する場合には比較的小さな照射エリアが向いていることになります。溶接現象を撮影するためにYAGレーザ溶接機で鉄が溶けている状況を16Wのアルゴンイオンレーザ光を用い、これを光ファイバで導き溶接の溶融地を照射しアークの炎をフィルターで消して高速度撮影したことがあります。
　アルゴンレーザは、このほかシャドウグラフ装置の点光源として使用されます。シャドウグラフは、光源の光がそのまま撮像面に入るため反射散乱光の撮影より500倍〜1,000倍ほど光量が少なくてすみます。
　

▼　レーザシャッタ（AOM = Acoust - Optic Modulator）

　もう少し厳密にアルゴンレーザの出力とカメラ撮像面での露光量の関係を調べてみましょう。アルゴンレーザは連続発振であるので短時間露光を行うためには外部シャッタを使用します。カメラに高速シャッタ機能が付いていれば、アルゴンレーザは連続光のままで使用して構いません。レーザをチョッピングするシャッタとしては、ミリ秒オーダのシャッタリングができる機械式のシャッタ、マイクロ秒程度のシャッタリングができる液晶シャッタ、マイクロ秒程度のシャッタリングができる結晶光学素子を利用したAOM（Acoust - Optic Modulator、音響光学素子、米国Brimrose社、米国IntraAction社）があります。AOMは、二酸化テルルやガリウムリン、水晶などの結晶に超音波を与えるとその結晶中に規則的な屈折構造ができる原理を応用し、回折作用によって入射光線の射出角度を変化させるものです。結晶に与える振動数を変化させることにより結晶に歪みができ、屈折角が変わって射出角度が変化するものです。結晶に与える振動数は使う結晶材質によって変わりますが20MHzから400MHz程度です。入射ビームは単一波長（シングルライン）のみに限られ回折して射出する光の効率は80%程度となります。AOM（音響光学素子）は、レーザビームの放出角度を自由に変えることができるためレーザディスプレーの駆動装置として使われたり、Q-スイッチ素子としてYAGレーザなどの連続レーザに装着してパルス光源を作り出すのに使われています。
　AOMをシャッタとして使う場合に気をつけなければならない特徴を上げます。AOMは、結晶素子を透過したレーザビームの1/200程度がシャッタOFFでも漏れる特性を持っています。これは、たとえば35mmスティルカメラを使ってバルブでフィルムを露出させ、AOMシャッタでレーザ光を露光させる場合、AOMの露光とカメラシャッタ時間の比が1/200以上でないとAOMがOFF時に蓄積される光量がON時に露光される光量と同じになってしまうというものです。カメラシャッタを1秒にセットしてレーザ光で露光する場合には、AOMの露光のOFF時の漏れを考慮してONの時間を1/200秒以上、通常はその5倍の露光に設定するため、1/40秒以上の露光が必要となります。ストロボ同期（X接点）信号でAOMを動かす場合は、フィルムカメラシャッタは1/60秒で同期撮影ができるので、最小1/2,400秒（約416us）までの露光ができます。CCDカメラも30フレーム/秒（60フィールド/秒）なのでAOM素子で1/2,400秒までの露光が出来ることになります。CCDカメラの中には電子シャッタ機能（1/1,000秒〜1/10,000,000秒）を持っているものがあり、これと同期させると理論上1/40,000秒（25us）〜1/400,000,000秒（2.5ns）までの露光が可能です。
　λ=514.5nm、100mWのレーザビームをAOMを介して変調させると、
　
0.1W at514.5nm x 0.41 x 0.8 x 683lm/w = 22.4 lm　　　・・・（L-12）
　
の光束が得られ、これを例えば35mmスティルカメラのフィルム面φ43mmに拡げると
　
22.4 lm /（0.02152 x π）m2　=　15,425lux　　　・・・（L-13）
　
の像面照度を得ます。ISO100のフィルム感度の適正露光量は0.1lux・秒であるので、この条件での適正露光時間Tは、
　
0.1lux・秒 = 15425 lux x T 秒　　　・・・（L-14）
　
T = 6.5マイクロ秒　　　・・・・（L-15）
　
となります。RedlakeMASD社高速度ビデオ（HG-100K）を使用する場合は、撮像素子の大きさが対角線長22.56mmと通常の2/3インチCCDよりも面積で4倍大きく、適正露光量も0.025 lux・秒であるので、同じ光で0.5usの露光で十分な撮影が行えます。いずれにしてもシュリーレン、シャドウグラフ撮影でのレーザ出力は100mW程度あれば十分なことが理解できます。
　

■　レーザライトシート（LLS）

　アルゴンレーザの使われ方のもう一つに、レーザビームをシリンドリカルレンズに通してシート状にし流れ場の断面を可視化する手法があります。従来はスリット光源と呼ばれる細長いハロゲンタングステンランプとシリンドリカルレンズを組み合わせた光源が使われていました。ハロゲンランプによるスリット光源は輝度が低く高速度カメラとの組み合わせは全く不可能でした。また装置も大きくて重く実験現場にセットするのにかなり困難を要しました。1990年頃よりアルゴンレーザと光ファイバ、シリンドリカルレンズを用いたレーザライトシート法が使われ始め、流れの可視化手法の主流となりました。レーザライトシート手法は流れ場を浮かび上がらせるトレーサとレーザ光の輝度が重要な要素となり、反射率が高くて流れによく追随するトレーサがいろいろと試されてきました。CCDカメラや35mmフィルムカメラでは特に問題とされないレーザシート手法も、1,000コマ／秒以上の撮影速度では10W以上のアルゴンレーザを用いてなんとか撮影できるというのが現状であり、より高輝度のレーザ（パルスYAGレーザ、銅蒸気レーザ）や光増幅装置（I.I.）を用いるケースが増えています。
　レーザライトシートの作り方については、「レーザライトシートの作り方」（http://www.anfoworld.com/LLS.html）を参照下さい。
　

■　アルゴンレーザの電源及び水冷却設備

　アルゴンレーザの電源は、マルチライン4Wクラスで三相200V、30〜80A程度の容量が必要であり、冷却水は水圧2kg/cm2、6リットル/分が必要です。
　アルゴンイオンレーザは、昭和オプトロニクス社、Spectra Physics社、Coherent社から市販されています。最近は、アルゴンイオンレーザに変わって緑色の連続光源が出る固体グリーンレーザが使われるようになってきています。
　
　
　
　

窒素レーザ　　（2003.07.14）

　窒素レーザは、ガスレーザの一種で、放電キャビティの中に0.03気圧から1気圧程度の窒素を封入して高圧放電を起こしレーザ発振を行うものです。10ns程度のパルス発光します。発光波長は紫外光（337nm）で、紫外光を必要とする分野で使われましたがエキシマレーザが性能をアップしてきてその役割を移しつつあります。しかし、窒素レーザは、取扱が簡単で、ゲインも高く容易に発振し、価格も安いことから色素レーザのポンプソースなど応用によっては現役で使われています。窒素レーザの1発あたりのエネルギは10mJと低いため、大きなエネルギを必要とする応用には不向きです。
　
　

炭酸ガスレーザ　　（2003.08.03）

　炭酸レーザも、ガスレーザの一種です。10.6umという赤外レーザ光が発振し、大きな出力が得られるのでレーザ加工の熱源として重要な役割を担っています。金属は特定の可視波長に吸収が強く、赤外は多くを反射してしまうため、遠赤外発光の炭酸ガスレーザはあまり効率の良い熱源とは言えませんが、数kwという大出力が得られるため反射効率を無視してもおつりがくるくらいの熱量を持っているため、金属加工には切断用に利用されます。おもしろい応用では、柔らかい材料の切断、つまり、何十枚と布を重ねて切断するカッタとして炭酸ガスレーザが使われています。
　画像関係の光源としては、遠赤外の光源であるためまったく使われません。炭酸ガスレーザについては、折りを見て更新します。
　
　
　
　
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YAGレーザ　　（2003.5.26追記）

　ヤグレーザと発音します。1961年に初めて発振されたルビーレーザと同じ固体レーザのカテゴリーに入り、ルビーレーザ発振の3年後に発振されました。YAGレーザは、現在の大型レーザでもっとも広く使われているレーザです。その応用範囲は広く、材料加工、医療用、ホログラフィ、レーザライトシート光、LIF（レーザ励起蛍光法）、ラマン分光分析、アルゴンレーザの代替などの強いエネルギを必要とする分野に使われています。今まで述べてきたガスレーザが、放電管中のガスの放電によって励起しレーザ発振するのに対し、固体レーザでは、外部から励起光を結晶ロッド中に照射して反転分布を作ってレーザ発振するものです。
　
■固体レーザの仲間
　
▲　ルビーレーザ
　固体レーザとして世界で最初に発振したルビーレーザは、赤色（λ = 694.3nm）のパルス発光でした。連続発光ではありません。ルビーは、発振ロッドとしては決して条件が良いものではないため、現在では赤色で強いレーザ光が必要な時以外は使われなくなっています。ルビーレーザに使われるルビーロッドは、自然界から産出される天然のものが使われることはなく人工で作られます。天然石は不純物が多く含まれていてレーザ発振には向かないのです。レーザに使うルビーは、アルミニウムの酸化物に0.01%〜0.5%のクロムを入れて合成したものです。そもそもアルミ酸化物はサファイアと呼ばれていて無色透明です。これに少量のクロムを混ぜるとピンク色になりルビーとなるのです。ルビーレーザは、励起のメカニズムの観点から3準位レーザと呼ばれています。以下に述べるYAGレーザが4準位レーザであるのに対して、3準位レーザは発振効率が悪いという特徴を持っています。3準位の意味するところは、ポンピング光で反転分布ができる準位と安定状態に達する準位、それに基底状態の三つのエネルギ準位を表します。3準位レーザでは、レーザ光が基底状態とのエネルギ準位の差で光の誘導放出がおきますが、発振されたレーザ光のすべてが外部に放出されず、一部は基底状態の原子を再び励起するのに使われて吸収されてしまうという問題があります。ですから、ポンピング光には極めて強い光を使わないと発振できないのです。ルビー結晶は幸い、熱伝導が良く熱に対して強いのでエネルギの強いキセノンフラッシュを使ってもポンピングすることができました。しかし、熱に強いと言っても高い繰り返しで発光を続けると熱膨張によりレーザ光の品質が落ちるので、低い繰り返し発光による発振しかできませんでした。
　YAGレーザの場合は、ルビーレーザと違って4準位であり、レーザ発振する準位が基底状態を取らずワンクッションおいたレーザ下準位になるため基底状態にレーザ光を奪われず効率良い発振が可能となります。
　
▲　ガラスレーザ
　固体レーザの中には、この他にガラスレーザと呼ばれるものがあります。大出力、パルスレーザとしての位置づけが強いレーザです。他の固体レーザではロッドが結晶構造となっているのに対して、ガラスロッドは溶融して固めて作りますから比較的簡単に作ることができます。大型のスラブ構造やディスク構造ではガラスレーザで作られるのはこのためです。光増幅を行いやすいため複数のレーザを直列に並べて巨大なエネルギを作り出す装置として使われています。大阪大学レーザ核融合研究センターで使われている巨大なレーザは、ガラスレーザです。ガラスレーザの材質は、珪酸ガラス（発振波長 = 1.062um）、リン酸ガラス（発振波長 = 1.054um）、石英ガラス（発振波長 = 1.080um）などで作られます。
　

■　YAG結晶

　YAGレーザのYAGとは、イットリウム、アルミニウム、ガーネット（Yttrium Aluminum Garnet、Y3Al5G12）の頭文字を取ったものです。YAGレーザは、ガーネット宝石のレーザです。YAGの母材にネオジムイオンを含ませたネオジムYAG（Nd:YAG= Neodymium doped Yttrium Aluminum Garnet、エヌディ・ヤグと発音する）は、発光効率が良いのでもっともよく使われます。YAGレーザは、1964年米国ベル電話機研究所のJ.E.Geusicらによって開発されました。メイマンがルビーで初めてレーザを発振した3年後のことになります。ベル電話機研究所は、レーザ開発に多大なる貢献をしています。1960年12月（メイマンが発明したルビーレーザに遅れること7ヶ月）にAli Javanらによってヘリウムネオンレーザが開発されてからたくさんのレーザがベル電話機研究所から開発されています。1961年にはBoyleとNelsonらによって連続発振のルビーレーザが、また、1964年にはC.K.N. Patelらによって炭酸ガスレーザ、さらにまた、1970年には林巌雄（はやし いずお：1922.05.01〜2005.09.26）、Morton Panishらによって半導体レーザが開発されるという優秀な研究機関です。トランジスタそのものの開発もベル電話機研究所で行われました。CCDカメラで有名になったCCDというデバイスもベル電話機研究所で発明されたのです。（余談ですが、私の本業である高速度カメラも1932年にベル電話機研究所とコダックの共同開発で産声をあげました。）

　YAGと呼ばれるガーネット石は、レーザが着想された当初から有望な素材として注目され、いろいろなところで母材結晶が作られていました。YAGを使って最初のレーザ発振に成功したのが、ベル電話機研究所のGeusicだったのです。同年、RCAの研究所からもYAGを使ったレーザ発振の報告がなされています。
　YAGレーザは、YAGの結晶ロッド（ガラスの棒のようなもの）を共振キャビティとした固体レーザです。YAGレーザの基本発振波長は、1,064nmの近赤外であるため、可視光にするために非線形光学素子を用いて高調波（基本発振波長の半分の532nmや3分の1の355nm）を得ています。固体レーザは、発振原子がガス原子ではなくガラス状のロッドを用いて、その中に散在している励起原子（これをゲストと呼んでいる）に強い光を照射させゲスト（発光原子）のプラスイオンを励起させてレーザ発振を得ています。YAGレーザは、本来的にはパルスレーザとしての性格が強く、コヒーレント性、パルスエネルギの大きさ、ダイバージェンス（拡がり）性能、使い勝手などが同種の固体レーザ（ルビーレーザ、ガラスレーザ）に比べ優れているため、固体レーザといえばYAGレーザを言うことが多くなっています。YAGレーザは、基本的にはパルス発振ですが、強い連続光源（キセノンランプや半導体レーザ）を用いれば連続発振が可能です。
　

■　発振の仕組み

　固体レーザでは、結晶ロッドに励起光を照射させて誘導放出光を取り出します。ロッド内部は、入射した光に対して誘導光を発する発光原子（ゲスト）とそれを支える母体（ホスト）で成り立っています。メイマンが発明したルビーレーザでは、クロム原子が発光原子（ゲスト）でサファイアが母体（ホスト）でした。YAGレーザでは、YAGの母体のなかにNd（ネオジム）発光原子をばらまいたNd:YAGが一般的になっています。
　発光原子は、母体中である間隔をあけて存在する必要があります。発光原子の密度があまり高いと効率よい発振ができないためその比率は約1%と言われています。発光素子としてよく使われる原子としては、今述べた、クロム（Cr）やネオジム（Nd）があり、それに加え、エルビウム（Er）、ホロミウム（Ho）、セリウム（Ce）、コバルト（Co）、チタン（Ti）などがあります。これらの原子は母体の中ではイオンになっていることが多く、イオン結合（Cr3+、Nd3+、Er3+、Ho3+）によって母体と繋がっています。3+のイオン状態とは、原子から3個の電子がなくなった状態を指します。従ってイオン結合による原子（ゲスト）は外部から電子を受けやすく、これが原子の励起に繋がっています。発光原子は母体と化学結合をしているため母体の材料が違えば、励起されたエネルギが基底に落ちる準位も若干異なり、Nd：YAGではλ = 1064nmとなり、Nd:YLFではλ = 1054nmとなります。
　発光素子を支持する母体もいろいろな結晶が作られています。YAGが一般的ですが、YLF（イットリウム・リチウム・フッ化物）、YVO4（イットリウム・バナジウム酸塩）、YAlO3（イットリウム・アルミ酸塩）、GdVO4（ガドリニウム・バナデイト結晶）などもあります。母体材料に求められる性質としては、ポンプ光（励起光）とレーザ光の両方の波長に対して透明でなければなりません。不透明なものでは光を入れることも発振することもできないからです。励起光の吸収が大きい母体では加熱が激しく、ダメージが大きくなります。また、母体は熱特性が良好なものでなければなりません。励起光が母体に照射されますと母体が加熱されます。励起光の約1%程度しか発振に関与しないのが通常の固体レーザにあってはロッドに対する熱対策は重要なのです。熱に対して弱かったり特性が変わる母体では安定した発振ができません。
　発振ロッドは、通常、直径数mm、長さ数十mmの丸い鉛筆状のものが使われています。比較的小さな棒状の形状で、この外側に共振器ミラーが取り付けられているタイプもあります。
　

■　励起光源：

　励起させる光源は、キセノンフラッシュランプや水銀灯、クリプトン連続ランプ、半導体レーザ等が使われます。連続発振するYAGレーザでは、非線形光学結晶を用いて可視光の連続光が得られるので、ガスレーザであるアルゴンレーザに置き換わりつつあります。その理由は、ガスレーザに比べてレーザ本体自体がコンパクトで、それに関係する電源設備、冷却設備も小さくてすみメンテナンスも容易になるからです。YAGロッドでは、内部イオンが励起して反転分布を作るために必要な励起光の波長が580nm、750nm、810nm、870nmに別れています。この波長成分を持つ強い光をYAGロッドに照射してやればロッド内部に反転分布ができ、1.06umの種火で誘導放出がおきレーザが発振します。歴史的に見てみるとYAGレーザの励起光源にはキセノンフラッシュが使われてきました。白色光源で発振するに足る強いエネルギが得られたからです。連続発振を行うには、連続光源を使います。連続光源にはタングステンハロゲンランプや、クリプトンアークランプ、カリウム水銀ランプがなどが使われました。これらの光源はロッドの励起に都合の良い緑色から赤外域にかけてリッチな発光があるからです。しかし、連続発光ランプは常時発光をしているため、YAGロッドが受ける熱のストレスを十分に考慮に入れる必要があり、必然的に大出力レーザは期待できません。最近になって、半導体レーザに高出力のものが現れ、YAGレーザの吸収帯域に効率のよい800nm近辺のみを発光する光源が使えるようになったため、励起光源として半導体レーザを使うことが多くなってきました。半導体レーザを励起光源として用いたYAGレーザは取扱が楽で、エネルギ効率も良いため電源設備に負担をかけず小型高出力レーザができるようになりました。
　

■　集光器

　励起光源からの光を効率よくロッドに照射するために、YAGレーザでは他のレーザにはない集光器が設けられています。歴代の固体レーザの集光器を見てみますと、螺旋形をしたフラッシュランプの真ん中に発振ロッドを配置したり、放物面鏡の集光面にランプをおいて反対側の放物面鏡で光を受けその集光面に発振ロッドをおいたり、ロッドとランプを抱き合わせるように置いたりといろいろな工夫がなされました。固体レーザのポンピング光として半導体レーザが使われるようになってポンピング光を発振ロッドに入れる手法が変わりました。ポンピング光として使うGaAsAl半導体レーザは、750nm - 800nmを中心として発光する光ですので、この波長域が励起帯であるNd:YAGレーザにとってはとても効率よい光源になります。固体レーザにあっては、励起光は特定の波長でしか反転分布に使えないので、それ以外の光は発光に関与せず熱がたまるだけで百害あって一利なしなのです。半導体レーザはその意味では効率よく励起に使うことができロッドに与える熱的ストレスが最小限となります。半導体レーザをポンピング光として使う場合のレイアウトの一例として、左に示したような発振ロッド端面から入射させる手法がとられています。ポンピング光が入射する端面には、810nmの光が透過し1.06umの光を反射させるコーティング処理が施されています。この処理によって半導体レーザからのポンプ光を効率よく発振ロッドに入れ込むことが出来るようになります。半導体レーザは大出力のものが作りづらいのでたくさんのレーザを帯状（アレイ状、バー状）に作ってこれと発振ロッドを抱き合わせて発振する方法も開発されました。
　

■　共振器

　YAGレーザは、ロッドの両端面の鏡面部で光が往復して発振を行います。大きな出力のものはヘリウムネオンレーザ同様発振ロッドの外側に反射鏡を配置して発振させます。ロッドはまた励起光源の光エネルギが強くあたるため高温にさらされます。従ってロッドは高温場で熱膨張によりロッド内部の屈折率が変わり中心部ほど屈折率が大きく、周辺部で小さくなる凸レンズのような特性を示すようになります。その屈折の度合いは、連続発振の数W出力レーザロッドでf=1,000mm、100W出力ではf=数100mmになると言われています。従って、YAGレーザではロッドにレンズ効果が現れるので光学的な補正が必要になり、ロッド両端を凹面形状に研磨したり外部に補正反射鏡を用いた方法をとっています。このような理由からYAGレーザの場合、ロッド内部の熱分布管理が重要なファクタとなります。ロッドが設計どおりの熱分布をしていないとロッド内部に熱歪みを生じ屈折率が変わり希望する発振ができません。そこでレーザが安定して発振できるようにパルスYAGでは、低い周波数（5Hz程度〜十数Hz）の発振でウォーミングアップしYAGロッドを暖めています。増幅の所で述べてますが、スラブ型増幅器レーザは、ロッドの形が平行六面体の形をしていて入射したひかりがジグザグに進みます。この方式ですと丸棒型ロッドに比べ光がロッド全体を通るために熱分布が均一になり、丸形ロッドに比べ熱による光学歪みが抑えられ効率のよいレーザ光が得られます。
　

■　連続発振、パルス発振

　レーザは、大きく分けて、フラッシュライトのように単発で光る発振と、連続して発振するモードの二つに分けられます。この発振のタイプはレーザの種類によって決まります。レーザによってはパルスでしか発振できないものと、連続でしか発振しないもの、両方ともできるものがあります。ガスレーザは連続発振であり、固体レーザはパルス発振と連続発振ができ、銅蒸気レーザなどの金属蒸気レーザやエキシマレーザはパルス発振です。金属蒸気レーザやエキシマレーザは強い励起光を入れないと反転分布が得られないため高圧、高電流、短時間で高周波スイッチングができるサイラトロン（Thyratron、電子管）を利用して発振させています。ガラスレーザや出力の高いYAGレーザもパルス発振となります。パルス発振と連続発振は、レーザ自体の発振原理による固有のものの場合と、使用する目的によって連続レーザをパルス発振に変換する場合があります。パルス発振の特徴は、発振周波数を変えることによりレーザ出力光を制御することができたり、1発あたりの発光エネルギを強くすることができるため、照射物体に精度のよいレーザエネルギを照射することが可能となります。また、パルス発光では、発光エネルギのピーク値が高いため、平均出力が比較的低いものでも金属を加工できる能力を持ち合わせています。
　レーザの出力を示す値には、平均出力、ピーク出力、発光エネルギ、発振周波数があります。単位は、W（ワット）とJ（ジュール）の二つです。単発発光の場合には、エネルギ総量であるジュールで表します。ピークエネルギと発光幅を掛け合わせるとおおよそのエネルギが求まります。発光幅が低くてピークエネルギが高い発光は総エネルギが小さいものの強いレーザと言えます。1秒間に複数回のパルス発光があるときはその総量をまとめてワット（W = J/s）で表します。パルスレーザは、発光のピーク値が連続発光レーザの出力値に比べて高いものの、平均出力はパルス幅とピーク出力の積、それに発振周波数分を加え合わせたものとなるので、低めに算出されます。平均出力が低いパルスレーザでも発光自体はかなり強い光が出ているので慎重に扱う必要があります。平均出力が数W程度でもピークエネルギが数十kWもあるパルスレーザでは金属を穿つだけのエネルギを持っています。
　
　
　
　

■　パルス発振　-　Q-スイッチ

　YAGレーザでは強いフラッシュ光源を使えば高いエネルギのパルス発振を行うことが可能です。また、『Q-スイッチ』と呼ばれる光学手法で瞬間的に大きなエネルギを取り出すことができます。Q-スイッチレーザは、レーザがこの世で初めて発振された1960年の翌年にRobert W. Hellwarthによって考案され、翌年1962年ルビーレーザを使って発振に成功しています。Q-スイッチレーザは、予め励起光源で反転分布を作り続け、光学シャッタにより一転してその分布を解除してやると、反転分布で貯まっていたエネルギが雪崩のように誘導放出光が放出されるというものです。Q値は、Quality Factor Valueと言って、もとは振動工学の分野で使われていました。物体には固有の共振値があってQ値によって共振のしやすさを言い表していました。この言葉が通信工学で電波の発振（共振）回路を作るとき共振周波数の度合いを表すのにQ値を使っていたのです。この言葉をレーザ工学にも取り入れてレーザの発振の度合いを表すのにQ値を使ったのです。レーザ工学で使われるQ値は、レーザを発振させる際の発振器の性能の目安で、Q値が高いほど発振しやすい共振器ということが言えます。
　レーザ光学で使うQ値は、
　
　　Q = 2 x π x l / （λ x α）　　　・・・・（L-16）
　　　　Q ：　Q値
　　　　π：　円周率、3.14159
　　　　 l ：　共振器間隔
　　　　λ：　レーザ発振波長
　　　　α：　共振器で失われるエネルギの割合 = 1 - R
　　　　　　　R ：反射鏡の反射率
　
で表されます。この式の元は、
　
Q = 2πν x （共振器内に蓄えられた場のエネルギ）/（共振器から失われるエネルギ）　　　・・・・（L-17）
　
から求められています。上の式からわかるように、振動数の高いものほど共振がおきやすいことがわかります。レーザで言えば、波長の短い発振ほど発振がしやすいことがわかります。また、共振器が長いほどQ値が高く発振が起きやすいことを示しています。
　このQ値を人為的に外部で操作して変化させることにより、つまり、上の式のαを意図的に変化させて、レーザの発振を行ったり止めたりすることができるようになります。この操作をQ-スイッチと呼んでいて、高速でこの操作を行うことによってエネルギ密度の高い（ピークエネルギの高い、もしくは尖頭値の高い）レーザ光を取り出すことができます。
　
　YAGレーザに使われるQ-スイッチ用の光学シャッタとしては、初期の時代には高速回転ミラーやポッケルスセルシャッタ（Pockels Cell Shutter）が使われ、最近ではAOM（Acoust - Optical Modulator = 音響光学素子）が使われています。こうした方法によると、ピーク出力が10〜100MWに達するものが可能となります。
　連続したパルス発振では、1発当たりのエネルギが400mJから1800mJまで得られ、紫外光に変換しても190mJ程度の出力が可能です。ロッドを励起させる励起光源はキセノンフラッシュランプが一般的であるのでこのフラッシュランプの性能によってレーザの繰り返し発光が決まり、一般的に10Hzから30Hz程度となっています。1,000Hz以上の発振周波数を持つレーザの場合、キセノンフラッシュランプでは応答しないので励起光源にクリプトンランプを用いAOM光学装置で「Q」スイッチを行い高周波発振を達成しています。また、高周波発振が可能な半導体レーザを励起光源のに使うことにより5,000Hzから10,000Hzのパルス発振ができるレーザも開発されています。
　

■　増幅

　レーザ出力を100W以上に上げたい要求も少なからずあります。100Wのレーザはとても強力なレーザです。アルゴンイオンレーザの所でも説明しましたが、15Wのアルゴンイオンレーザの光はもとても強いのです。それよりも6倍以上の光エネルギをもちます。こうした大出力レーザの要求は、金属溶接などのレーザ加工機の熱源として必要になっています。高温加工の熱源として使う場合のレーザ光は、ピークエネルギもさることながら平均出力の高いものが要求されます。
　レーザ光は、単体では高い出力を得ることが難しいものの、レーザーを直列に配置して多段レーザを組み上げることによって、次々にレーザ光を増幅させて大出力のレーザを作ることができます。多段レーザを組み上げるときに、初段で励起されたレーザは次々に次段のレーザキャビティに入射され、その都度、誘導放出光が導き出されて増幅されます。大出力レーザは一般的には馴染みが薄いものですが、大出力のレーザ加工機を作る場合とか、金属を分離する際にプラズマ光源として使うとか、高温、高圧場を作る場合の強力なエネルギ源を確保する場合に、多段レーザを組み合わせたシステムが作られます。
　大阪大学レーザ核融合研究センターで稼働している「激光」装置は、その好例と言えるものです。彼らの真の研究は、レーザ光の持つ高密度エネルギを利用して物質をバラバラに分解して核融合を起こさせることです。「激光」は、言ってみれば太陽の中心部の環境を作り出す装置なのです。そうしたエネルギを作り出す熱源としてのレーザはとても有効で（逆に言うとレーザでしか実現できない）、この目的のために、大阪大学は世界の最先端をいく大型レーザを建設しました。そのレーザは、大型建物1棟分（床面積120mx60m）を占めるほどの大きさがあります。「激光」と呼ばれているレーザは、彼らが開発してきた一連のレーザの名前です。激光は7号機まで進化発展を遂げています。このレーザの初段部は、レーザ径5mm、発光エネルギ10uJ、発振波長1.053umの赤外発光を持つガラスレーザです。この種火とも言えるガラスレーザ発振器から発したレーザ光を次々に増幅段に導き入れ、途中、増幅したレーザ光を12のラインに分け、さらに増幅を続けて雪だるま式に光エネルギを蓄えます。増幅には約100台のロッド型増幅器とディスク型増幅器が使われているそうです。そうした増幅段を経たレーザ光は最終的には口径350mm、発光幅1ns〜2ns、発光エネルギ25KJの光の塊となります。種火が10uJですから25億倍の増幅となります。この光は、発光幅が1ns〜2nsですから、直径350mm、長さ300mm〜600mmの円筒状の光の塊がレーザ建屋を駆けめぐって巨大なエネルギになる感じです。　（2006.02.23　長さ30mm〜60mmの円筒・・　という記述を訂正しました。Y.O.さんよりご指摘受けました。感謝します。）　レーザ光を大口径にするのも12ビームラインに分けるのも巨大化するエネルギで自らの装置がダメージを受けるのを防ぐためです。分岐して増幅されたレーザ光は、最終的にターゲットチャンバーに集められて集光されます。集光されたエネルギは強力なものになり、核融合反応の実験に使われるのです。
　
　

▼ロッド型増幅器

　固体レーザの増幅する方式の中で最もシンプルな構成です。この方式では、通常のレーザ発振器の両端のレーザ共振器（ミラー）を外し、ロッド端面にも蒸着を施さずに使用します。ロッドの一方向からレーザ光の種火が入射し、ロッドを通過する過程で誘導放出を促しロッドから放出する時には入射光の何倍かになっているというものです。こうしたロッド型増幅器を複数配置することによりレーザ光の増幅ができるようになります。レーザ増幅はもちろん簡単なものではなく、各ロッド増幅器の光学アライメントを細心の注意を払って調整する必要がありますし、増幅器内の増幅度（G = ゲイン）が系の損失を十分に上回るものでなければなりません。

▼スラブ（slab）型増幅器

　結晶面を平行四面体形状として媒質中（ロッド中）を伝わる光学パスを長くとった構造をしています。媒質中をジグザグ状に幅広く伝搬することにより熱的な偏りがなくなり（固体レーザで問題になっているレンズ効果がなくなり）、効率がよく品質が良くて大出力レーザができるようになります。スラブレーザは、高出力が要求される高温加工分野の熱源として期待され、国のプロジェクトにも指定されてレーザ加工機メーカ、電機メーカ、大学研究所による産学共同開発プロジェクトができました。スラブ型レーザの材質はNd:YAGで、これにポンプ光源として半導体レーザを使って増幅します。この増幅器は、電気-光変換効率16%で平均出力4kwのレーザが開発されているそうです。

▼ディスク型増幅器

　レーザ光を極限のエネルギとして使おうとする場合にレーザ光を何段にも渡って増幅し、エネルギを強くしていく手法が取られますが、エネルギが強くなると装置自体がそのエネルギを扱えなくなるくらい強くなってしまいます。一つの解決策として、レーザを増幅していく場合、ビームを拡げる手法がとられます。ビーム径が大きくなれば単位面積あたりのエネルギ密度が下がり、増幅装置に与えるダメージが軽減されるからです。ディスク型増幅器（Disk Amplifier）は、大きな口径の円盤状の媒質（ロッド）で、これで増幅を行います。通常、ディスク型増幅器は、ブルースタ角に何段にも並べて徐々に口径を拡げてレーザの光出力を上げていきます。大阪大学レーザ核融合研究センターのような大規模なレーザ装置に採用されている増幅器です。

　
　
　

■非線形光学素子（NLO、Non-Linear Optical Device）

　YAGレーザなどの赤外レーザ光を扱っていると耳にする言葉です。この光学素子は、簡単に言えば赤外波長のレーザ光を可視域のレーザ光にする光学結晶です。外観は透明なガラス形状です。典型的な非線形光学結晶としては、KDP（リン酸二水素カリウム、KH2PO4）、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）、BBO（BaB2O4）、KTP（KTiOPO4）、バナナ（Ba2NaNb5O15）、DKDP (KD2PO2)、ADP (NH4H2PO4)などがあります。
　非線形というのは、線形に対峙する言葉で、外部からの入力に対して一次式による比例した出力が得られない特性を持ったもの、という意味になります。線形という言葉のわかりやすい例としては、バネにおける荷重とバネの伸びの関係があり、この比例関係を線形と呼んでいます。バネにかかる荷重に比例してバネの伸びが増えていくというものです。バネの伸びは、しかしながら弾性限界以上の荷重を加えますと荷重に比例した伸びを示さなくなります。この領域は、線形ではなく非線形となります。
　バネのたとえにもあるように、荷重が小さいときはきちんとした関係がたもてたのに荷重が大きくなると挙動が安定しないという現象は光についても当てはまり、光が強いと一般的な性質から離れる現象がみられるようになります。レーザ光はコヒーレンスが良く、しかも通常の光では考えられないくらいの強い光を出します。このような強いレーザ光が石英結晶体のような透明な媒質に入射したとき、通常の光のように単純には透過して出てきません。光があまりに強いため、結晶材料の中で相互作用を起こし、これから述べる、入射した光の波長が半分になる現象が起きるのです。
入力に対して期待する出力が直線関係（1次式で表せる比例関係）にないとき、この関係は非線形であると言います。光学結晶の場合、入力の光を周波数で表すと、出力光が一次式で表せず、
　
出力 = A（入力） + B（入力）2 + C（入力）3　　　・・・・（L-18）
　
という関係になります。数学で言う二次式、三次式の関係をもつ関係ということができます。入力が光の周波数（B・cosωt）として表されるとき上の二次成分は、cos2（ωt）となり、これは0.5cos（2ωt + 1）に書き直すこ