2019年はアポロ11号の月着陸から50年の節目の年。

冷戦時代の米ソの宇宙開発競争は宇宙についての知識を深めるという以上に、宇宙という舞台で軍事的優位を得るための競り合いという意味もありました。

たとえば私たちが毎日のように使っているGPS。これは人工衛星なくして成り立たないテクノロジーです。今や人工衛星は重要な社会基盤のひとつになっていますが、それは軍事面でも当てはまること。

このような状況で、実現すれば宇宙における戦略が一変するかもしれないといわれている兵器があります。それがレーザー兵器。

今回の記事では、レーザー兵器の基本的な構造、そして現在の研究開発事例を解説していきます。

レーザー兵器のしくみ

レーザーとは簡単に言えば、強いエネルギーを持った光のことです。

小さなパチンコ玉でさえ高速で飛んできたものがぶつかれば痛いし、速度が十分なら木や金属の板をへこませることだってできます。それは高速で移動するパチンコ玉が、大きなエネルギーを持っているから。

光は光子という粒子を持っており、その粒子の状態に応じてエネルギー量が違います。その際、大きなエネルギーを持っていれば当たった物体に作用することができるのです。

そのエネルギーを熱に変えることで、レーザー兵器は当たったものを焼き切ることができる兵器となります。

では、そのような光をどう作り出すのでしょうか。

レーザーを作る装置の基本的なパーツは、レーザー媒質と共振器です。

レーザー媒質

レーザー媒質とは、光のエネルギーを増幅するために使われる素材のこと。

媒質の素材にはさまざまなものが使われますが、基本的な原理としては誘導放出という現象が利用されています。

誘導放出とは、光のエネルギーを受け取った原子が持っているエネルギーを放出する現象のこと。

原子は原子核と、その周りを一定の軌道で巡る電子から構成されます。

原子核の周りを周回する電子の軌道は、原子の持つエネルギーによって変化します。原子に一定の波長の光が当たると原子は光のエネルギーを吸収し、電子は高い軌道、つまり原子核から離れた軌道へと移動します。これは励起と呼ばれる現象です。

その逆、つまり電子が低い軌道に動くときにはどうなるのでしょう？

起こることは励起の反対で、原子から光が放出されます。これは自然放出と呼ばれる、文字通り原子が励起した直後に自然に発生する現象です。

出典：レーザ加工なび

しかしこうして発生した光は好き勝手な方向に散ってしまう、いわば気まぐれな光。

パレードを思い浮かべてみてください。大勢の人が集まって、各自が進むスピードと向きをちゃんと揃えなければパレードにはなりません。

自然放出でたくさんの原子から光を発生させても、どこにどう進むか知らない人ばかりを集めるようなもの。レーザー光を作るには、進む向きと周波数を揃えた光が必要なのです。

光の向きと周波数を揃えるにはどうすればいいのでしょうか？

そのためには自然放出でエネルギーが放出されきってしまう前に、電子に一定の周波数を持つ光を当てるのです。そうすると、当たった光と周波数や向きが同じ光が原子から放出されます。これは誘導放出という現象です。

媒質の原子を励起させた直後に一定の周波数の光を当てれば、同じ方向に進む光が新たに放たれ、媒質に当たった光線に新しく発生した光が加わります。

これは進む向きとスピードをちゃんと知っている人がパレードに加わったようなもので、レーザー光はこうやってエネルギーを増していくのです。ただ、光が1回媒質を通っただけでは得られるエネルギーはごく少ないのが困りもの。

レーザー共振器

ここで役立つのが共振器です。

これはいわば、ものすごく光を反射する合わせ鏡。光があらぬ方向に飛んでいかないよう正確に向かい合わせになっているため、光は果てしなく反射を続け、鏡の間に「閉じ込められて」しまうのです。

この合わせ鏡の間に媒質を置くと、往復する光が何度も媒質の中を通ります。光が媒質の中を通る度に誘導放出が起こり、やがて強力なレーザー光ができるというしくみ。

レーザーを「発射」するには、共振器のどちらかに、わずかに光を通す鏡を配置します。そうすると増幅されたレーザー光がそこを通り抜け、外部へと出ていきます。