『マグネシウムエネルギーは次代のエネルギーになりうるか』第８回～レーザーの作り方
さて 前 回 に引き続き、太陽光励起レーザーの仕組みを見てみましょう。
まずレーザーはどのような仕組みで光り輝くのでしょうか？
「レーザー」とは
＞単波長の光を数多く発生させ、光の波の方向と位相をそろえ、増幅して、強力なエネルギーを持たせたものがレーザーだ。（参照：シリーズ新エネルギー②『マグネシウムの再生とレーザー技術』
さらに詳しくレーザーの仕組みを見ていきましょう 
レーザーの仕組み
あらゆる物質を構成する原子は、中心の原子核とその周りにある電子で構成されています。
電子や原子のエネルギー状態には「基底状態」と「励起状態」があります。
「基底状態」とは最も低いエネルギー状態のことで、「励起状態」とはそれよりも高いエネルギー状態のことです。（基底状態の次に高いエネルギー状態を第一励起状態といい、以降高いエネルギー準位を順番に第二、第三励起状態と呼びます。）
物質に光を照射した時に、発生する「基底状態」～「励起状態」～「基底状態」へと移行現象の中に、レーザー発生の原理があるのです。
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それではまず、物質に光を照射した時に起こる３つ現象を紹介しましょう
１．吸 収
物質に光子が入射した場合、電子はその光子の持つエネルギーを吸収して、基底状態（例：E0）から遠く離れた高い位置にある軌道（例：E1）に遷移し「励起状態」になります。言わば原子がエネルギーを得て興奮状態にあります。この現象を光の「吸収」といいます。
２．自然放出
例えば、基底状態の電子が（E3－E0）のエネルギーを吸収したとします。すると電子は第三励起状態（E3）に遷移します。
そしてある緩和時間が経つと、よりエネルギーの低い状態に落ちつく。そのとき電子は、“励起していた準位”と“遷移した先の準位”の“エネルギー差”に等しいエネルギーの光を放出します。
例えばE3からE1に遷移したのであれば（E3－E1）のエネルギーを持つ光が放出されます。
こうした現象を「自然放出」と呼びます。
（原子によってどのような波長の電磁波を吸収するのか、あるいは放出するのかが決まっています。）
３．誘導放出
一方、例えばエネルギーを吸収して励起状態になり、上の準位（エネルギー状態がE1の準位）に電子が存在している状態で、さらに外部から（E1－E0）の光を当てると、これが誘い水になり、この電子は、入射してきた光と同じエネルギー（E1－E0）、同じ位相、同じ進行方向の光を放出します。つまり入射時に１つだった光子が、出射時には２つの光子になっています。これを「誘導放出」といいます。
レーザーの特徴である単色性（全ての光子のエネルギーが等しい）、コヒーレンス（位相が揃っている）、高指向性（進行方向が揃っている）は、この誘導放出を利用している。
ところで一般に熱平衡状態にある物質において、電子の分布する密度は、エネルギー状態の高い準位よりも、低い準位の方が圧倒的に多いため、光子を入射してもそのほとんどが吸収されてしまいます。
したがってこの吸収されてしまう光子の数よりも誘導放出する光子の数が上回らない限り、レーザーは発振しないのです。エネルギー状態の低い準位よりも高い準位の電子密度が多い状態（＝レーザーを発振できる）のことを反転分布状態といい、この反転分布状態をつくるためには、各励起状態に電子が存在できる時間（寿命）に注目します。
一般に電子が緩和して光子を放出する時間は、低いエネルギー準位ほど長いという傾向にあります。
レーザーを発振させたいエネルギーギャップのうち、準位②に電子の存在する時間が、それより高い準位に存在する時間よりも圧倒的に長い物質を選ぶのです。
そうして光を入射することにより、電子を準位②より上の様々な準位に遷移させる。するとある時間が経過したときに、電子のほとんどが準位②に存在する時間帯（＝反転分布状態）ができ、そこに光を当てれば一気に光子を放出するのです。これは例えると、広場でバラバラに遊んでいた子供達のうち、一人がお土産を抱えたお父さんを見つけて走り出すと、それに気づいた他の子供も一斉にお父さんに向かって走り出すようなものです。
レーザーの発振
レーザー媒質の入っている光共振器は、その両端が2枚の平行な反射鏡になっていて、この2枚の反射鏡で光子を反射させレーザー媒質中を往復させることで誘導放出する光子の数を増やしています。２枚の反射鏡の距離は光が定常波を作る距離になっています
反転分布状態の時に１つの電子が準位①に遷移すると、“レーザー発振させたいエネルギーギャップ”に対応するエネルギーを持つ光子が自然放出し、その光子によって別の電子から光子が誘導放出して光子が２つになり、それがまた別の電子から光子を誘導放出させて４つになり・・・・と、エネルギー、位相、進行方向の揃った数多くの光子が誘導放出されます。
これがレーザーなのです。
太陽光励起レーザー
レーザーの仕組みを理解したところで、次に太陽光励起レーザーを見てみましょう。
地上に到達する太陽光は、波長が短い順に紫外光、可視光、赤外光、電波といった様々な波長の光が集まって出来ています。
これらの波長域のかなりの部分を単一波長の光、つまりレーザー光にすれば、生の太陽光よりもはるかに狭い領域まで光を集中でき、超高温を生み出せるということです。
矢部孝教授によると、太陽光励起レーザー発生装置の内部には適切な励起状態を維持でき、なおかつ特定の波長の電磁波を出す材質「レーザー媒質」が備えられています。
この媒質は、太陽光のうち、波長が約400nmの青色光から約900nmの近赤外光までを、波長1064nmの近赤外光レーザーへ効率よく変換する媒質です。
まずプラスチックフレネルレンズで直径２cmほどの領域に太陽光を集光し、そこにレーザー媒質を置けば、媒質から、強力な近赤外レーザー光が出てくるそうです。
それをレンズでさらに集光すると１mm以下のサイズまで光を集中でき、超高温を実現できるということです。
＊写真は矢部教授の研究チームが開発したレーザー発生装置です。媒質を太陽光で包み込んでいるようです。
さてさて、これでおおよその原理は理解できたと思いますので、次回はいよいよその実用性の検証をしていきたいと思います。
参照：レーザーの発振原理
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コメント11件
こんにちは。
ポロロッカ、面白いですよね。
確か雨季に当る3月に起きる現象ですよね。
「月と地球の関係＝自然の摂理」を追求するって、とても面白そうです！
地熱応援団！さん、コメントありがとう
確かに、地熱発電については、火山国である日本で、もっと積極的に取り組む必要があると思います。
地熱発電については、前のシリーズの番外編で扱っていました。
『次代を担う、エネルギー・水資源』水生圏の可能性、水力エネルギーの活用＜番外・予告編＞．火山列島・火の国日本の可能性～高温岩体発電・マグマ発電が国産エネルギー資源の切り札！～
http://blog.sizen-kankyo.net/blog/2011/02/000837.html
ＯＨＭ７月号の地熱発電の特集を見てみましょう。
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日本は世界第３位の火山国、なので地熱発電が良いと思います。
施設稼働率
風力 20%
太陽光 12%
地熱 70%
風力や太陽光は電力の安定供給が難しく、電圧の問題もあります。
地熱は季節、天候、昼夜に問わず24時間発電が可能です。
中学の理科や高校の地学の学習を思い出して下さい。地球の内部はとても熱いのです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/ファイル:Earth-crust-cutaway-japanese.svg
その地球のエネルギーを利用するのが地熱発電です。
ただ、地熱発電のへんな「風評」がながれています。
技術総合誌『OHM』７月号で地熱発電の特集をしていますので、よかったら読んでみてください。
http://targetwinget.com/aws/a/b0057y03bk/