今までの通信は電子・電波でしたが、ＩＴ時代の今日、光なくして通信は成り立たなくなりました。光がＩＴを担っているのはオプトエレクトロニクスの分野、すなわち、電子工学技術（エレクトロニクス）を光工学技術（オプテックス）が手助けをして、今までできなかったことをできるようにする分野です。簡単にいいますと、通信量が急激に増えてきて、通信の渋滞や混乱が大変に心配されるようになり、これまでの電波（無線通信・ラヂオ・衛星TVなど）や電気＝電線（テレビ・電話・CＡTV・インターネットなど）を使ってやってきた通信を、もっと効率のよい光を使ってやろうというものです。

　電波・電気を光に替えることによって、速度は変わりませんが、回線数（道路に例えると車線数）は驚くほど多数の万単位の倍数まで増やすことができること、すなわち、大量輸送ができることと、送信距離に比例した信号のエネルギーやパワーの減衰もほとんどゼロに近いほど、大幅に抑えることができるようになります。加えて、漏電の心配や磁気による障害も受けません。この光による通信の主役がレーザーなのです。この光を出す主役のレーザーと、光を運ぶケーブル（光ファイバー）および光を受けて電気信号に変える受光器の３者の合体によって、非常に効率のよい通信、すなわち、光通信が可能になるのです。
　レ−ザ−（Laser）は、放射の誘導放出による光増幅（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）の英語の頭文字を取ったものです。
　開発の始まりは、アインシュタインの「誘導による輻射（放射）理論」（1917）に基づいて、電波通信回線の増加を狙っての通信用マイクロ波（メ−ザ−/Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation）を対象とした研究だったのです。
　レ−ザ−は光であって光ではありません。レ−ザ−は、本来直ぐに共鳴しない光子と電子をいきなり共鳴させる技術（電子の誘導技術）の開発と研究によって生まれました。
　レ−ザ−は、生まれてみるといろいろな点で、今までにない優れた性質を持っていることが分かりました。そしてそれらの特長を活して、通信、計測、エネルギ−分野などで、いたって有効に利用されています。
　光は、元は生物に全く害がなく、生物に有利にだけ働き、取るに足らない非常に小さなエネルギ−しかないものでした。しかし、レ−ザ−発生装置で誘導され増幅された光は、増幅の程度、すなわち強さよって、昨年問題になったポインタ−・電気メス・工作機械から強力な兵器にまで利用されています。

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＊A,Einsteinの「誘導輻射の理論」の概略
　誘導輻射の理論とは、励起された原子が外部からの力なしに光子を放出する自然放出と、原子（分子）から自然放出された光子が引金となって、他の励起された原子に光子を放出させる誘導放出の２つの動きの型があり、そして、もし励起された原子と走り続ける光子の密度が十分に大きければ、多少の損失を差し引いても、誘導放出の効果が優勢となって、レ−ザ−動作が起こるというものでした。
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�ｦ−１、レ−ザ−の仕組み

レ−ザ−発生の仕組みには、２つの重要な段階があります。最初は、自発的な自然発光の段階であり、次は、たった１個の自発光をどんどん増殖させる段階です。
　この２つの段階を簡単に言いますと、まず、取り出したい光の周波数とエネルギ−値の等しい原子、すなわち、波長が完全に等しく共鳴する原子を持っていることに加えて、励起状態（ごく僅かな刺激でもすぐに動き出す状態）を比較的長い間持ち続けることができる物質を選び（この物質の開発選択は大変なことなのですが）、両端をミラ−（鏡）で塞いだ筒状の光路にそれを封じ込め、光・電圧または熱などで予め封じ込めた物質の原子を励起状態にして、増幅作動の引き金になる最初の自発放射（物質中の一つの原子が励起状態の極限に達して、自ら自然に光を放射すること）を待ちます。
　次に、最初に自発放射された光は、ミラ−で折り返して光路の中を繰り返し往復しながら走り続けますが、この間に励起されている原子に当たると、その原子は共鳴し、受けたエネルギー（周波数）と全く等しいエネルギーの光を放射します。光を放射したばかりの原子はエネルギー準位の低い中間の準位または元の基底準位に戻り、再び徐々に励起されて次の放射に備えることになります。そしてこの反応を繰り返すのです。つまり、引き金になる最初のたった１個（無数の原子が存在しますので１個とは限りませんが）の放射だけが自発放射で、他の全ての放射は共鳴による自己増幅（増殖）であり、自分と寸分違わぬコピ−（クローン）を次から次へと衝突した原子の数に応じた割合で増やしていくのです。したがって、駆動光子（走り続ける光子）の数が多くなるにつれて、反応の確率も増大します。そして適当な力量（パワー）に成長したとき、シャッタ−を開けて（実際には、出口ミラ−にシャッタ− の役目を兼ねさせているので、ミラ−を突き抜けて）太く強くなった光線の束を筒から発射するのです。
このように、最初、たった１つの自発放射の光子が駆動子となって走り出し、他の原子に衝突すると、駆動子（光子）に衝突された原子から新たに放射された光子が放射の度ごとに駆動子に完全に重なって、波の振動の振幅（波の高さ＝強さ）がどんどん大きくなり、光が強くなっていく仕組み、すなわち、誘導放射によって光を増幅する仕組み、これがレ−ザ−の根本原理なのです．

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★途中ですがもう少し詳しい話
　ある原子から自発放射された１つの光子が他の原子に衝突して吸収されると、その光子のエネルギ−は原子の内部エネルギ−に返還され、原子は「励起された＝高いエネルギ−準位」状態に上げられます。
　励起した原子の通る道は２つあります。一つは普通の道で、励起されたまま比較的長い時間放置された場合で、この時の原子は、これ以上励起状態を保ち続けることができなくなり、光子を自然放出して、中間または元の基底準位に戻ります＝通常の吸収過程です。二つ目の道は、原子が励起されているうちに光子に衝突された場合で、その原子が自然放出するはずの光子と正確に等しいエネルギ−を持った別の光子に衝突されると、衝突して来た光子に誘導されて、その原子は光子を放出するのです。
　この誘導作用が隣接原子に順に伝播されることによって、「なだれ状」に急激に成長して増幅されます。この急激に増幅された光子を放射するのがメ−ザ−やレ−ザ−なのです。
　放出された光子の波は、その放出を誘導した光子の波と「位相＝波のスタート位置」が正確に等しいのです。この互いに同位相であることがメ−ザ−やレ−ザ−の心臓になっています。
　メ−ザ−やレ−ザ−を可能にするためには、「活性媒質」が必要です。活性媒質とは、吸収作用（上記一つ目の道）に勝って誘導放出が可能な媒質で、励起原子の過剰状態が長く保たれる（上記二つ目の道）ものでなくてはなリません。歴史的に良く知られた活性媒質としては、ルビー、ヘリウム−ネオンガス、ダイオ−ド、半導体などがあります。
　この活性媒質中では、大部分の原子を励起することができることと、その結果、その活性媒質の中を通る正確に「等しい周波数」の電磁波（光＝光子の重なり合ったもの）が、なだれ状に原子から光子を誘導放出させることができます。
　一方、原子は誘導放出する波長と異なった波長の電磁波（共鳴しない光）を注入することによって励起準位に上げられます。この活性化の過程は「ポンピング」と呼ばれます。
　「増幅」は、活性物質（媒体）を両端がミラーで塞がれた筒状の光路を持った「反射箱」に封じ込むことで可能となります。箱の一方の壁（鏡）から出発する波が、もう一方の壁（鏡）に到達するまで、誘導放出によって「振幅」が成長し（強調されて輝度が高くなる）、壁（鏡）で反射してまた励起集団に戻っていきます。
　このとき、壁での反射が不完全なために、必然的に損失が生じます。しかし、誘導放出による増幅の利得（成果）がこの反射のときの損失を上回るならば、波が往復を繰り返すことによって、定常的な波が箱の中で形成生長するはずです。
　片方の壁であるミラー（鏡）が半透過であれば、しきい値（ミラーの遮断能力値）まで生長した波（光）の１部はその壁（鏡）を通り抜けてメ−ザ−やレ−ザ−としての出力となるのです。
　強力なレ−ザ−は、より多くの原子を速やかに同期して、一斉に作用させることによって得られます。
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　発振の引金は2つあります。１つはポンピングされたのちの最初に自然放出した光子であり、もう１つは誘導波としての入力信号です。
　この誘導による増幅放射（輻射＝光の放出）の場合は、通常の（励起準備のない自発放射）発光と異なり、発光の方向は入射光の方向と正確に一致するので、方向がずれたり、四方八方に散らばることはないのです。これはレーザーの大きな特性の１つです。 また、実に興味深いことには、ちょっと見たところ１個の粒子に見える光子は、実は同じ波長の純粋に１個の光子を無数に含みうる性質を持っているのです。つまり、光子が重なっても太さは変わらないが、振幅＝波の高さ＝強さだけが変わっているのです。すなわち、蚕のまゆの１本の繊維に見立ててみると、普通の光の場合は重なった光子の数分だけ本数も太さも大きい絹糸になりますが、レーザーの場合は光子が無数に重なっても、本数も太さも１本の繭の繊維のままに見え、ただ強さだけが重なった数に比例して強くなっているのです。これもレーザーの大きな特性の１つです。
　これを糸に例えてみると、電子１個１回の遷移単位で放射する通常の電灯などの光子はパルス状で短い（約１m）のにくらべ、レ−ザ−の光は上記のように遥かに長くすることができるので、普通の光の束は多数の短い繊維で作った綿糸や羊毛の糸のように太めであり、レーザー光束は１本から数本の繊維で作った絹の糸のようにとても細いものです。そして、通常の放射光は四方八方に散乱するため、実際には紡ぐことが出来ませんが、レ−ザ−の光は進む方向・波の長さ・波の位置が正確に一致しているので、無駄な隙間が全くない状態で紡いで細く長い糸に出来ます。いいかえると、繭から取り出した１本の繊維に見える糸の中に、実は何本もの繊維が含まれている絹糸だった、と言う状態がレ−ザ−光線だといえるのです。
つまり、レ−ザ−は、原子の正確で純粋な波長の光を放射する性質を利用することによって、方向・波長・位相・波面にいたるまで、正確に同一（クローンよりも正確な同一）の光を重ねる完璧な共鳴強調（干渉）によって作られているのです。

自然光 およびグローランプ とレーザーの比較表 ＊グローランプは人工の光の中で一番太陽光に似ているので同枠にいれた．
	光（太陽・グローランプ）	レ−ザ−
発光	加熱刺激された原子が突然遷移の自然放出によって、ばらばらに発光する。このために、強調干渉することができない。	励起された原子群の中のいくつかが自然放出し、それが引金になって、隣接原子に次々に伝播し、誘導して増幅（強調干渉をくり返して）し、設定した強さに達したとき、光束を放出する。
１連の波の長さ	パルス発光で短い。約１mと言われている。	次から次へと重ねてつなげることができるので、相当に長くできる。
周波数（波長／色）の同一性	多数の元素の集団から出るので、いろいろな波長がいっぱい混ざっていて、全体としては雑音集団である。	完全な単色（同一波長）なので、完全に同一周波数である。
エネルギー	完全に不規則に発光するので、高エネルギーは得られない。	多くの光子が一斉に放射されるので、高エネルギーが得られる。
方向性	多方向に放射するので、拡散角が大変大きい。	方向性が非常に高く、拡散角は想像以上に非常に小さい。低出力では0.05度 で、こう出力では 0.5 度と言われている。損失が非常に少ないので、宇宙との交信や衛星を利用した測量などに役立っている。
空間から受ける影響	空間の密度差で曲がったり波面が歪んだりする。	エネルギーが高いので、曲がったり波面が歪んだりすることはほとんどない。
時間から受ける影響	仮に方向が一致したとしても、ばらばらに発光するので、足並み（位相）は揃わない。	波長は完全に一致しているし、全ての光子の波のスタート位置も完全に一致しているので、足並み（位相）は完全に揃っている。

�ｦ−3、媒質物質とレ−ザ−波長の関係

　媒質物質とレ−ザ−の関係を表にしてみると次のようになります。

結晶レーザー・ガスレーザー・半導体レーザーの比較表
	ピンクルビー レーザー	He-Neレーザー	半導体 レーザー
増幅エレメント	原子	原子	電子
発振	パルス	連続	連続
入力装置	放電管照射装置が必要	特別な装置は不要（放電自体が入力になる）	特別な装置は不要．通電だけで良い．
入力エネルギー	大	小	小（出力＝入力x1/10〜1/1）
ポンピング	光	電気的放電中	通電
出力	高い（10,000W/cm2 ）．出力は不可変．	低い．出力は不可変．	小〜大．出力可変（電圧昇降）
拡散角	0.5〜0.05度（高〜低出力）	0.5〜0.05度（高〜低出力）	0.5〜0.05度（高〜低出力）
波長帯域	やや広い（パルス発振時の熱による）	狭い（周波数純度が高い）	中程度
出力波長	単一	広い（混合比による）	単一
出力変化	不可（再現性良）	不可（再現性良）	可（再現性不良）

�ｦ−4、通信レ−ザ−の波長と光ファイバ−と受光器の関係
　受光装置自体は、エネルギーの強い波長の短い（青色の）方が間違いなく作動します。しかし、通信波の光を運ぶ光ファイバーは、赤外線を最も良く通す石英ガラスで出来ているので、実際には、通信波の減衰をできるだけ抑えるために、赤い色の光よりさらに波長の長い赤外線（λ＝16000 nm）のレーザーが使われています。したがって、光通信の場合の光領域は、可視光域のすぐ隣の極近赤外線までと見ると良いでしょう。熱線の遠赤外線は取り扱いが危険なので、利用されません。
　石英がラスでできている光ファイバーは、直径 0.1 mm(髪の毛は約 0.08 mm) という非常に細いものですが、実は２重の層になっているのです。まん中の芯に当たる部分をコア（芯）といい、芯を包んでいる外側をクラッドといいます。そしてコアの方がクラッドよりも屈折率が高く作られています。なぜならば、屈折率の高い方から低い方へ光が進んだときの方が、屈折率の違う境界で反射できる角度（全反射角度）が大きいからです。光はコアの中を壁（クラッドとの境界）に当たって反射しながら進むので、全反射角度が大きいほど、コアから飛び出す光の損失をなくすることができるのです。
　最小単位の１本の光け−ブルは、双方通信を想定して、この光ファイバーが２本（１対）で出来ています。１本は受信用で、もう１本は送信用です。
　受光器にはフォトトランジスタとフォトダイオードがありますが、フォトトランジスタは低周波で高電流用（100kHz・数mA〜数100Ａ）として使われることが多く、フォトダイオードは高周波で低電流用＝光通信用（数MHz・数10μＡ）として使われます。

�ｦ−4、レ−ザ−に関する参考デ−タ
　１、媒質による波長域の差
　　　個体 ；610〜 2,600 nm
　　　半導体 ；650〜 3,100 nm
　　　気体 ；590〜35,000 nm

　２、チャンネル幅
　　　テレビ波 ；４MHz（4,000,000Hz）/混信を防ぐためのチャンネル幅．
　　　　　光　 ；周波数を波長に変えると，約0.0375Åの差があれば混信しない。
　　　　　　　　＊可視域の全部（4,000〜7,000Å）を無駄なく使ったとすれば、
　　　　　　　　　約８万のＴＶチャンネルが可能になる計算になる．

　３、エネルギー
　　　太陽 ；0,0001w/cm2 （１w/m2）
　　　レーザー放射器 ；10,000w/cm2 （100,000,000w/m2）(太陽の１億倍)
　　　＊ピーク4,800Åの帯域から、１MHz（0.00002Å）以下の狭い幅の緑の光だけを
　　　　フィルターで取り出したとすれば、太陽表面１cm2からは、わずか。0.0001w
　　　　の出力しか放射していないのだそうです。
　　　＊レーザーは100xの良質の顕微鏡の対物レンズと同様なレンズで集光すると、光速
　　　　を１/100に収斂できます。
　　　　この元々細く散らばらないビ−ム（光束）をさらに百分の一の細さにまで絞れる
　　　　特性を活かして、非常に小さい穴の加工（例えば、化学繊維を取り出すノズル
　　　　（噴射口）の加工/レ−ザ−によって初めて絹と同等の細い繊維の製作が可能に
　　　　なった）や顕微鏡下での彫刻加工など、とにかく精密で微細な工作などが出来る
　　　　ようになったのです。います。
　　　　この方式は、発光素子（ﾀﾞｲｵ-ﾄﾞ）を使った光ディスク・レ−ザ−ディスクの読み
　　　　取 り装置などにも組み込まれています。

　４、レーザー年表

＊＊		光は科学として最初に取り上げられた.
17世紀	C,Hygens	光の波動性を提案した。ただし、粗密波（タテ波）.
1704	Isaac Newton	光 は粒子（量子）の流れであると発表.
1803	Thomas Young	光 は波動であることを立証した.
1806	A,T,Fresnel　D,F,Alago	光 は横波であることを立証した.
19半ば	J,C,Maxwel	光 は電磁波の１種であると発表.電磁界の振動数（周波数）が大きいのがＸ線で、中程度が可視光（光）で、小さいのがラヂオ波（放送電波）であるとした．
1900	Max Planck	光がエネルギー交換するときの係数＝プランクの定数　　　　　　　　　　　　　　　　（h）を発見した.
1905	Albert Einstein	エネルギーの交換は光子だけでなく、光束それ自体も量 子として働くことを説き、プランクの光の粒子論を拡充 した.
1913	Niels H, D, Boh（デンマーク人）	発光の理論を発表.光 は横波であることを立証した.
1917	A,Einstein	誘導輻射の理論を発表.ボーアの発光理論を修正する.
1948 （S.23）		日本では、トランジスターの研究が盛んになり、以後、 固体物理学の世界的発展を導いた.
1954	ames P,Gordon H,J,Zeiger	最初のメーザー（アンモニア）を実現する.
1958	Charles H,Townes ArthurL,Schawlou （コロンビア大学/ ベル電話研究所）	メーザー作用の理論的解析をする.
1959	Ali Javan （ベル電話研究所）	グロー放電中に特定の気体原子を用いる方法を提案.
1960	Charles H,Townes	メーザーの原理を発表.
〃	T,H,Maiman （ヒュ−ズ航空機会社）	ルビーレーザーの実現（世界最初の可視光のレ−ザ−をを実現した）.
〃	その他	メーザーが４種実現. エコー衛生が反射する弱い信号をメーザーで増幅した.（天文学者たちは大いに評価した）
1961	Ali Javan W,R,Bennet,Jr . D,R,Herriott （ベル電話研究所/〃）	気体メーザーに成功.
1963	H,Samelson Alexander Lempicki	液体レーザーに成功 .（媒体はどろーっとしたアルコール/レートレーザーとも言われる）
〃	N,E,Wolff R,J,Pressley （RCＡ研究所/〃）	プラスティックレーザーに成功.（媒体はラスティックのキレートレーザー）
〃	J,D,Rigden A,D,White （ベル電話研究所/〃）	気体（希ガス）レーザーに成功.（波長は6,328Åでテスト用に最適であった）
〃	Nick Holonyak,Jr S,F,Bevacqua	半導体レーザーに成功. 媒体はGa,As,P(ガリュームヒソ結晶)であった.
〃	その他	その他３グループが半導体レーザーに成功.