自然状態の太陽光　

そもそも、自然状態の太陽光エネルギーはどんな状態か。
太陽光の波長は、短波長の宇宙線からγ線～X線～紫外線～可視光線～赤外線～電波（マイクロ派や短波等・・）と色んな波長が混在した光となっています。地球に到達する光の量は図のように波長によって異なっていて、紫外線～可視光線～赤外線でその殆どを占めています。その中でも、可視光線の波長域（380nm～780nm）が最も分光放射照度（平たく言えば単位面積あたりの光のエネルギー量）が大きくなっていることが分かります。

太陽光は生物にとってエネルギーの源なので、生物はその最もエネルギー量の大きい波長域を利用できるように進化してきました。だから人類は380nm～780nmの波長域を可視できるようになったのですね。もちろん生物によっては可視領域が異なります。夜でも虫が寄ってこない低誘虫灯というのがありますが、人間には見えるけど、虫には見えないという、可視領域の違いを利用しています。

＜放射照度と波長の図＞画像はこちらからお借りしました。

これらの波長が地表面に降り注ぎ、生物はそのエネルギーを元に生命活動を営んでいます。
これを単位面積あたりの熱量でいうと0.1W/cm2となります。

太陽光は総量では膨大なエネルギー量ですが、色んな波長が色んな方向に拡散しているため、そのままでは薄く拡散した状態として地表面に降り注いでいるといえます。でも、こんな小さな熱量でも植物は光合成を通じて還元反応を起こしているのだからスゴイですね。 大きな熱量がないと還元反応を創れない科学技術は、まだまだ生物が作り上げた仕組みの足元にも及んでいないのかもしれませんね。生物の仕組みを学ぶ理由はここにあります。



　虫眼鏡の原理　
そんな色んな波長の太陽光を、高密度な使えるエネルギーにするにはどうすればよいか。まず一番身近なのは虫眼鏡による集光。子どものとき虫眼鏡で光を集めて、黒く塗った紙を焼きませんでした 虫眼鏡で光を集光すると、単位面積あたりの光のエネルギー密度は高まります。でも、集光できる光は同じ波長の光しかダメというのが虫眼鏡の限界でもあります。

というのも、光はガラスに当たると、そのガラスの形状に応じて光の速度が変わり、屈折する性質をもっており、この屈折の原理を使って、光を一点に集光するのが虫眼鏡です。この屈折の方向は光の波長によって変わるので、同じ虫眼鏡を通して一点に集光しているのは同じ波長の光のみで、他の波長はその波長ごとに色んな焦点を結ぶ事になります。プリズム現象ですね。


これは何を意味するかというと、虫眼鏡で集光できる光のエネルギーは、同じ波長の光に限られていて、その他のエネルギーは集められないということ。これが虫眼鏡の限界。単位面積あたりの熱量にすると、1000W/cm2になります。自然状態の1万倍ですね。ちなみに、集光鏡を使って鶏肉を焼いている店もあるとか・・

　励起レーザー　
さて励起レーザー。自然状態では0.1W/cm2、虫眼鏡では1000W/cm2。励起レーザーでは結論からいうと100，000W/cm2になるようで、自然状態のなんと100万倍！ 。逆に言えば100万倍にまですることで漸く2万度の温度で酸化マグネシウムを還元できるようですが、なんで、こんなことが出来ているのか？その鍵は光の位相を揃えるところにあるようです。


位相を揃えるというのは、波長の長さも振幅も波形の基点も全て同じ光の波長になるということで、簡単に言えばキチッと整列した光になるということ。自然状態では前段でも述べたように、色んな波長の光が多方向に拡散しているので密度は薄いですが、レーザー媒質から発せられる光はキチッと整列しているので、小さい面積の中にたくさんの光が入ることができます。しかもみんな同じ波形なので互いが干渉することなく余すことなく集光することができる。言うなれば、自然状態では色んな体格の人間が色んな方向にパンチしているのに対し、レーザーを通すと同じ体格のたくさんの人間が一点に同時にパンチしていくイメージでしょうか。軍隊みたいですね。その密度が虫眼鏡の100倍、自然状態の100万倍ということです。
厳密には量子力学で説明できると思いますが、多分ちゃんと解ってないとややこしくなるだけで、レーザー光はまずはこの程度の理解でよいのかもしれません。



さて、そんなマジックみたいなことができるのがレーザー媒質ですが、どんな事がその中で行われているか。もうちょっとだけ次回突っ込んでみたいと思います。