誰がレーザーを発明したか：50年の歴史を紐解く

カッティング 接合技術 は産業システムにおける重要な技術クラスターである。

レーザー加工は、この技術クラスターの中で最も輝かしい宝石のひとつである。

特に今日のインダストリー4.0やスマート・マニュファクチャリングにおいては、あらゆる切断・接合技術の中でレーザー加工がスマート・マニュファクチャリングと最も自然に結びつくと考える人さえいる。

さて、今日はそんなレーザー業界のあれこれを掘り下げ、ファイバーレーザー業界の発展ストーリーを体系的にまとめてみよう。

業界と技術の歴史は、後に業界と起業家精神で一人歩きをする者にとって、見逃してはならない重要な参考資料であり、背景である。

まず、おさらいと要約をしよう。 レーザーの基礎.

レーザーは「最も明るい光、最も速いナイフ、最も正確な定規」と呼ばれている。

20世紀の主要な科学技術発明のひとつとされ、英語では「レーザー」、すなわちLASER（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）と呼ばれている。

レーザーの科学的原理である「放射の誘導放出」は、1917年にアルベルト・アインシュタインによって提唱された。

アインシュタインは、高いエネルギー準位E2にある粒子が、V＝（E2-E1）／hの光子（hはプランク定数）の周波数が入射すると、粒子は、ある確率で、エネルギー準位E2からエネルギー準位E1に素早く飛び移ると指摘した。

どういう意味かわかるかい？

一方の光子はもう一方の光子とまったく同じであることが判明した。この2つの光子は次に何をしようとしているのだろうか？

その通り、この2人は他にも発射する粒子を見つけ、4人になった。

このプロセスは核爆発の連鎖反応のようなもので、光子の数が急激に増加し、元の光信号が増幅されるのと同じである。

レーザーが作られたのは、アインシュタインが「自然放出と誘導放出」の理論を提唱してから5年後の1960年である。

なぜこんなに時間がかかったのか？

アインシュタインの論文で提案された「刺激吸収」のためだ。

光子はE1のエネルギー準位にある粒子に衝突し、その粒子をE2のエネルギー準位に変化させ、そのまま消滅してしまい、いわゆる連鎖反応は失われる。

一般的な材料では、刺激された吸収粒子が励起粒子よりも多い（エネルギー準位が低いほどE1がE2よりも多い）ため、通過する光の強度は増幅されずに減少する。

レーザーを発生させるためには、高エネルギーの粒子が低エネルギーの粒子よりも多い「粒子数の逆転」が重要な条件となる。

しかし、1930年代までさかのぼれば、物理学者たちはそれを可能にしていた。

ただ、1930年代には光学理論と技術の統合が十分でなかったため、科学者たちがそれをやろうと思わなかっただけで、結局のところ、他にも多くの重要な発見があったのだ。

そのため、レーザーの発明にはちょっとした紆余曲折がある。先に開発されたのは「メーザー」（マイクロ波増幅器）で、その後に「レーザー」が生まれたのである。

上の写真は古典的なもので、左がタウンズ、右が弟子のゴードンで、メーザー（マイクロ波励起装置）の前にいる。

なお、右端の後ろに写っているのは中国人の王天良で、彼は後に中国に戻り、武漢数理物理学研究所に分光学研究室を設立した。

つまり、タウンズはメーザーの創始者であり、レーザーの発明者としても知られている。

しかし、科学者たちはレーザーの発明者の立場にも苦慮している。

第二次世界大戦中、ベル研究所に勤務していたタウンズは、レーダーの原理と設計に取り組んでいた。

その結果、タウンズはマイクロ波と分子分光学の創造に興味を持つようになった（レーダーはマイクロ波を使用し、現在では携帯電話、無線LAN、その他のワイヤレス通信もマイクロ波を使用している）。

第二次世界大戦後、タウンズはコロンビア大学に移り、世界初のマイクロ波励起装置（メーザー）の開発で1964年のノーベル物理学賞を受賞した。

当然、タウンズは短波長のマイクロ波励起装置（メーザー）を作ろうと考えた。

ミリ波、サブミリ波、遠赤外線、中赤外線、近赤外線、可視光線、紫外線と段階を踏んでいく。

タウンズもこの方向で取り組んでいる。

しかし、ミリ波やサブミリ波では困難がつきまとい、いずれにせよ成功は難しかったので、当面はあきらめて、まずは手軽で意義のありそうな可視光に目を向ける計画だった。

タウンズは義弟のショローとともに、このマイクロ波励起装置（メーザー）を可視域に導入する方法について理論を展開し、大きな影響力を持つに至った。

ネオンが発する光を希土類結晶に当てると、結晶は明るく、常に光を集める。

実際、可視光マイクロ波励起装置（メーザー）はレーザーである。

これがレーザー発明のきっかけとなった。

この時、道路から一人の青年、すなわちメイマンが現れ、彼は非常に興味を持ち、レーザーを作るためにタウンズとも連絡を取った。

残念ながら、彼は革命的なチームに受け入れられることはなかった。しかし、メイマンは1960年に自分のキッチンを立ち上げ、レーザーを作った。

上の写真はメイマン社製のルビーレーザー。

メイマンはルビーを励起するために高輝度フラッシュチューブを使用する。ここで重要なのは "光共振キャビティ "を持つことで、光は適度な倍率でクリスタルを通過するが、両端に反射板を取り付け、光が常に前後に拡大されるようにすると、驚くべきことになる。

銀メッキが少し薄くなった反射鏡の一部が光を漏らし、おなじみの一方向性レーザーが出てくる。

マーマンは桃狩りの速い選手の一人だ。

タウンズや他の人たちは確かに非常に納得しておらず、タウンズは1964年にノーベル賞を受賞し、彼のレベルが認められた。

こうして、誰がレーザーの発明者なのかという論争の種がまかれた。

エジソンが電流をめぐってテスラやウェスティングハウスと争ったように、科学界も争いやライバルには事欠かない。

そして、こうしたライバル関係が人類の進歩を促してきたのである。

1960年代、世界が社会主義対資本主義という2つの陣営に分かれていた時代、当然ながらレーザー共同体はソビエトなしでは発展しなかった。

年、レーザーで、タウンズと同時にノーベル賞を受賞した2人のソ連の物理学者、ニコライ・バソフとアレクサンドル・プロホロフが受賞した。

1960年の国連総会で、ソ連のフルシチョフ指導者が靴を脱いでテーブルを叩いた話は誰もが知っている。

政治家の強さと支配力の背後には、総合的な国力がある。

当時、ソ連は核兵器や航空宇宙だけでなく、レーザーなどの基礎科学でも世界一だった。

これがフルシチョフの自信だった。

ソ連の物理学者バソフはこう提案した。 半導体レーザー ファイバー・レーザーを開発したのである。

バソフ（右）とプロホロフ（左）がタウンズ（中央）を率いて研究室を訪問した。

タウンズのチームと同様、バソフとプロホロフも1955年にアンモニア分子ビーム・マイクロ波励起装置 "メーザー "を開発した。

バソフの貢献は、1958年に論文を発表し、半導体を使ってレーザーを作るというアイデア（半導体における「粒子数反転」の理論的記述）を提唱したこと、1961年に「キャリア注入」PN接合を発表したことである。1961年には「キャリア注入」PN接合を発表し、1963年にはPN接合半導体レーザーを完成させた（彼が提案した原理に従って最初に作ったのはアメリカ人である）。

半導体レーザーは、教科書に登場するルビーレーザーほど有名ではないが、専門家たちは半導体レーザーの理論的な重要性をはっきりと認識しており、その可能性ははるかに大きい。

半導体レーザーの利点は数多くある：

• 電子を直接光子に変換する電気光学変換効率は50%を超え、他のものよりはるかに高い。 レーザーの種類.
• 10万時間以上の長寿命で、他のタイプよりはるかに長い；
• 半導体は、他のタイプではできない出力変調もできる。
• 小さく、軽く、費用対効果の高い半導体は、ルビーのような素材よりも安い。

レーザーは、発明されてすぐに実用化され、1961年には手術に使われるようになった稀有な技術である。

レーザーの特性はあまりにも優れているため、コヒーレンスのすべての光子は特に優れており、一方向に向けられ、ある点に加えられるエネルギーは、太陽の100万倍の明るさになる。

切断や加工には、より高出力のレーザーを使用することができる。

切断、溶接、測定、マーキングなど、その用途は多岐にわたる。通信、工業加工、医療、美容など数え切れないほどの産業で使用され、常に従来のプロセスに取って代わっている。

この時点で、中国について触れなければならない。

今年は中国の改革開放40周年にあたるが、40年の実績はゼロから築いた宙に浮いた城ではない。

新中国は最初の30年間で完全な産業基盤を築き、基礎科学に投資した。

アメリカでレーザーが製造された1年後の1961年秋、長春光学機械研究所の若手研究者、王志江は、師である王大衡学者の指導の下、中国初のレーザーを製造した。

中国光学の父-学者王大衡

中国レーザーの父-王志江とルビーレーザー

中国初のレーザーは使用可能だが、名称は未定。

初めて赤ちゃんを授かった若い夫婦のように、彼らはいつも立派な年長者に名前をつけてもらいたいと願っている。

1964年10月、中国科学院長春光学機械研究所が主催する雑誌『光刺激放出知性』（旧『光量子増幅特集』）の編集部が銭雪仙に手紙を送り、LASERに中国語名をつけるよう依頼したところ、銭雪仙は「激光」という中国名を提案した。

同年12月、上海では厳吉智が議長を務める第3回光量子増幅器学術会議が開催された。議論の結果、銭雪仙の提案が正式に採用され、「light amplification by stimulated emission of radiation」の英語略称LASERが正式に「激光」と訳されることになった。

その後、「Optical Stimulated Emission Intelligence」誌も「Laser Intelligence」と誌名を変更した。

科学技術の発展は、基本概念の定式化、基礎理論の確立、実験製品の出現という段階的な概念に従っている。

実際、工業化されてはじめて、人類に貢献し、若返ることができるのだ。

これはレーザー技術の場合である。

産業市場において、材料加工に使用される初期の産業用レーザーは、主にガスレーザーと結晶レーザーであった。

ガスレーザー代表的なものはCO₂ レーザーを使用する。

結晶レーザーの代表はYAGレーザーで、YAGとはイットリウム・アルミニウム・ガーネットにネオジムやイッテルビウムを加えたもの。

今日、ロフィン・レーザーのCO₂ スラブレーザーは依然として大きなシェアを占めている。

CO₂ レーザー加工機はCO₂ を生成するための作業材料として使用される。 レーザー放射また、補助ガスの窒素とヘリウムも放電管にチャージされる。

電極に高電圧をかけると、放電管内でグロー放電が発生し、ガス分子がレーザー光を放出し、そのエネルギーが増幅されてレーザービームとなる。

YAGレーザーは、レーザー光を発生させるためにNd:YAG結晶を照らす光を発する「ポンプランプ」としてクリプトン管やキセノン管を使用する必要がある。

ポンプランプの発光スペクトルは広帯域の連続スペクトルである。Ndイオンに吸収されるスペクトルピークはわずかであり、吸収されなかったスペクトルエネルギーのほとんどは熱エネルギーに変換されるため、エネルギー利用率は低い。

CO₂ とYAGレーザーにはさまざまな欠点があるが、それぞれに長所もある。

例えば、高出力レーザーは今でも産業界で重宝されている。

半導体レーザーには多くの利点があるが、致命的な弱点がある！

クリスタル・レーザーの出力ビームは高品質で、高い時間的・空間的コヒーレンスを持っている。わずか2キロのスポットで月までレーザービームを照射できるという。

半導体レーザーのスペクトル線幅とビーム発散角は、結晶レーザーよりも数桁大きい。

そのため、初期の半導体レーザーはポンプ光源として使われるのが一般的だ。例えば、半導体レーザーを水晶レーザーのポンプとし、両者の長所を組み合わせる。

半導体レーザーから放出された光源は、結晶レーザーによって「最適化」された後、高品質のビームを形成して放出する。

例えば ディスクレーザー TRUMPFが開発した製品はこの道を歩んだ。

TruDiskシリーズのディスクレーザーは、固体レーザーとダイオードレーザーの両方の利点を備えています。

そのディスクはビーム品質を保証する。 固体レーザーまた、ポンプ光源としてダイオードレーザーの高エネルギーと高効率を備えている。

そういえば、4つの一般的な産業用レーザー（今日の主人公であるファイバーレーザーを含む）の基本性能を比較してみよう。

ファイバーレーザーの総合力は実に華やかで圧倒的だ。

表1 一般的な産業用レーザー4機種の基本性能比較

業界にはよく例がある。

旧世代の製品が市場を開拓し、プロセスが切り替わり、そして新世代の製品が効率化を達成する。

ファイバー・レーザーは、このシナリオで効率を改善するために登場した。

ファイバーレーザーが発明され、市場に出回るようになったことで、自分の価値を倍増させ、有名になった人たちがいる。

これはいわゆる技術的な羽口であり、この羽口を最初に作り、この羽口に座ったのはロシアのヴァレンティン・ガポンツェフである。

バレンティン・ガポンツェフ

なぜガペンチェフは羽釜を作り、羽釜の上に座るのか？

1939年生まれ。レーザー材料物理学の上級科学者で、ソ連科学アカデミー無線工学・電子科学研究所の所長。正真正銘のソ連人技術者である。

崩壊後のソ連とロシア人は企業経営が難しいようだが、ガペンチェフなら大丈夫だろう！

1990年代、ソ連が崩壊すると、経済全体が壊滅的な打撃を受け始め、崩壊さえした。カウボーイがカウボーイたる所以は、歴史の落とし穴からいつでも飛び出すことができるからだ。

ソビエト連邦の崩壊によって、50年間社会主義のために戦ってきた目標が消滅した以上、ナガペンチェフは新たな歴史的環境と歴史的過程に直面しなければならない。

1990年、IPG Photonicsを設立。

2006年、ナスダックに上場（IPGP）。2017年の売上高は14億米ドル、現在の市場価値は60億米ドル。業界で最も有名なファイバーレーザー企業である。

IPGはマサチューセッツ州に本社を置き、米国、ドイツ、ロシア、イタリアに製造工場を持つ。

ガペンチェフはIPGの株式の半分近くを保有し、億万長者であるが、79歳の現在も同社の取締役会の会長兼CEOを務めている。

2009年、ガペンチェフはメドベージェフ大統領とソコロフ運輸大臣に同行して、ロシアにあるIPGの生産拠点を訪問した。

2009年、ガペンチェフはアメリカ・レーザー協会からアーサー・ショーロ賞を受賞した。

2010年、ガペンチェフはロシアの科学技術に対する最高の栄誉であるロシア国家科学技術賞を受賞した。

実際、ガペンチェフはアメリカとロシアの二重国籍を持っている。

世界史の変化の中で、ソ連の科学者の遺伝子とアメリカの資本市場を巧みに融合させた天才科学者といえる。

では、なぜガペンチェフはファイバーレーザーで巨万の富を築き、なおかつその栄誉を手にすることができたのだろうか？

先ほどの半導体レーザーをポンプ光源とする結晶レーザーに戻らなければならない。

一般的にバルク結晶は、波長の短い高エネルギーの光子を吸収し、波長の長い低エネルギーの光子に変換する。エネルギーの一部は、非放射遷移で常に熱エネルギーに変換される。

この熱エネルギーの一部を巨大な結晶の中に逃がすことができなければ、致命的なダメージとなり、やがて燃え尽きてしまうので、放熱の問題は非常に重要である。

バルク結晶を細長い帯状にすれば、放熱面積が非常に大きくなり、問題を解決できる。これは実際に光ファイバーの外観である。

1964年にガラス・レーザーを作った人がいた。光源は半導体レーザーではなかったが、結晶には光ファイバーが使われていた。

しかし、当時は光ファイバー自体が開発されておらず、欠陥が非常に大きく、光源の集光も難しかったため、20年以上このルートは進展しなかった。

1980年代になると、ポンプとしての半導体レーザーは大きく進歩し、光ファイバーもネットワーク通信の発展とともに大きく進歩し、ファイバーレーザーの技術的条件は徐々に成熟していった。

1987年、イギリスのサウサンプトン大学とアメリカのベル研究所は、エルビウム添加ファイバー増幅器の実現可能性を証明し、重要な科学的ブレークスルーを達成した。

しかし、1990年にガペンチェフによって設立されたIPGに長年こだわり続けた結果、工業的なブレークスルーがもたらされた。

ファイバーレーザーは非常にハイエンドなハイテクであり、複数の分野が関わっている。

励起半導体レーザーの出力を上げ、ファイバーの増幅性能を継続的に向上させなければならない。

光ファイバーを改良するコツは、さまざまな希土類元素を加えることだ。

IPGは欧米諸国の典型的なハイテク企業であり、その研究開発は単純ではなく、製品の利益率は50-60%と高い。

ファイバーレーザーは、半導体レーザーの一連の長所と、結晶レーザーの高いビーム品質の長所を併せ持つ。

産業的な観点から見ると、ファイバーレーザーの利点は、CO₂ レーザーとYAGレーザーの利点は非常に大きく、比較できるものはない。

ファイバーレーザーは、半導体レーザーの超高変換効率に加え、絶対的に理想的なビーム品質を持ち、光ファイバーやLEDライトのようにメンテナンスが全く不要で、高い安定性と小型化を実現しています。まさにパーフェクトな製品である。

もちろん、新しいハイテク製品には高価という欠点がある。

この世界では、どんな製品でも中国で市場を見つけることができれば、間違いなく売れる。

どんなに高価な製品でも、中国で工業化さえできれば、コストは常に低く抑えられる。

この時点で、ファイバー・レーザー業界のパルスを握るもう一人の中国人、高雲峰について触れなければならない。

1996年、高雲峰はハンズレーザーを設立。

市場に参入するためには、IPGのファイバーレーザーを様々なレーザー加工機器、例えば各種 "レーザーマーキングマシン "や "レーザー加工機 "に組み込む必要がある。レーザー切断機.”

Han's LaserはIPGとの協力モデルを見つけ、加工機を作るためにファイバーレーザーを購入した。

しかし IPGレーザー は高価だが、システムが統合された後は、マシン全体がコストを薄め、良いパフォーマンスを発揮する。

そのため、ファイバーレーザーの応用は中国で盛んになり、産業チェーン全体がローリング方式で発展している。

2018年、IPGとHan's LaserはLaser Society of Americaの運営単位に選出された。

米国レーザー学会（LIA）は、世界的に有名な米国タイムズスクエアのトムソン・ロイター・ビルのデジタルスクリーンで放送した："50周年を迎えるにあたり、LIAはコヒレント社、Han's Laser社、IPG Photonics社、TRUMPF社のご支援に感謝いたします。."

現在でもIPGの主要市場は中国である。

2018年、IPGの売上の49%は中国市場に依存していた。

2017年、IPGの市場価値は60億米ドル以上に達し、Han's Laserの市場価値は550億元に達した。

2人は単なる兄弟だ。

もちろん、今日の米中貿易戦争はハイテク企業の株価に影響を与えている。

この質問は一般的な環境に属するものであり、本稿の範囲外である。

20年以上前、ソビエト連邦の崩壊、経済のグローバル化、中国製造業の離陸を背景に、ファイバーレーザー業界はIPGと漢のレーザーを作った場合。

では、20年後の今、ファイバーレーザー業界はどうなっているのだろうか？

中国で最も嫌なIPGといえば武漢だろう。 レイカス.

米国に滞在していた医師のミン・ダペン博士によって設立されたレイカス社は、2008年に最初の10Wパルスファイバーレーザーのセットを発売し、2018年には20kWファイバーレーザーを発売した。

IPGから見れば、レイカスは市場をめちゃくちゃに破壊した。

値下げに値下げを重ね、わずかな利幅の中で営業し、市場価格を弱体化させた。

毎年、瑞池の価格はほぼ50%以上下がっている。

2010年、IPGは20ワットのファイバーレーザーを150,000以上で売ることができる。現在、レイカスの提示額は8,800円で、IPGは太刀打ちできない。

ついに、IPGの良き兄貴分であるハンズレーザーまでもが使い始めた。

仕掛けはいたって簡単だという。国内メーカーにファイバーレーザーの使用を数台依頼し、インターフェイスの定義をオープンにさせ、成功例をコピーする人を何人か見つけ、そして買うのを止める。

したがって、IPGの見解では、中国は実際に市場を破壊した。

もちろん、お尻の位置が違えば、言うことも違ってくる。

当時、最先端のレーザー技術の開発は、中国が世界の3分の1を占めていた。

中国から見れば、中国企業は市場を殺すことなく、一定の利益を確保することを前提に、確かにコストを大幅に削減することができる。実際の効果は、アプリケーションの早期普及である。

実際、産業用レーザーの人気は、中国の熾烈なコスト削減と応用促進にかかっている。

インドやベトナムなど、一定規模の製造用途の需要がある国では、中国製の低価格な産業用レーザー機器も使われており、レイカス製品はかなり認知されている。

サムスンのベトナム工場は、中国企業の機械を多く使用している。

さらに、中国企業がコスト削減に狂奔できるのは、大規模な産業チェーンが完成しているからだ。

例えば、光学レンズはドイツで1万円、中国では1,000円だ。

シリンダーガイドなどの部品は国産化されており、現地化されていない基幹部品はほとんどない。

ローカライゼーションの進展に伴い、コストは急速に下がっている。2015年には3ワットの紫外線レーザーが90,000円で売られていたが、現在は20,000円だ。

さらに、中国の研究開発要員の多さは、業界の競争を、顧客のニーズに素早く応える競争へと変えた。

ハンのレーザーがベトナムで韓国のEOと競合したとき、同じ構成の製品が10万円以上も安かった。IPGの部品は安く、サムスンのベトナム工場に大勢の若い技術者が昼夜を問わずデバッグに駆り出されたからだ。

EOから派遣された韓国人エンジニアは少なく、彼らの髪は白髪だ。

アメリカ企業の自動レーザー装置は半年かかるが、中国企業は30%を直接見積もり、工期は1カ月。

そしてアメリカでは、定年間近の老エンジニアがやっている。定年後は誰もやらない。

レーザー開発の歴史の中で、旧ソ連から受け継いだ半導体レーザー技術がファイバーレーザーに発展したのは、中国の巨大な需要とコストダウン推進があったからだ。

現在、中国の繊維メーカーはレイカスだけではない。 レーザーメーカーしかし、市場は赤い海を形成しているようだ。

この市場が将来どうなるかは誰にもわからない。

物事を分析するとき、時には既存のサイロから飛び出す必要がある。例えば、近年の半導体レーザー結合技術の発展により、高出力半導体レーザーが徐々に大規模な産業加工用途に使われ始めている。

こちらも参照のこと：

レーザーの歴史：1960年～2019年