なぜレーザで高電圧が発生するのでしょうか

質問

こんにちは、
現在、レーザを使用すると
6.2^12V/m
まで、電圧を印加可能だそうです。
なぜ、レーザで高電圧が発生するのでしょうか？教えてください。

http://www.hino.meisei-u.ac.jp/ee/tanimoto/LaserAppl.pdf#search='%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B6%E3%83%BC+%E8%B6%85%E9%AB%98%E9%9B%BB%E5%9C%A7'

回答No.8

中村 拓男（@tknakamuri）

>レーザを照射すると、何もない真空の場に、山谷が出来て、それが電界であると

レーザーが電界そのものです。電界は真空の持つ「場」のひとつ。

何も物質の無い真空の空間でも「場」は存在できるのです。だから
太陽から光が地上に降り注ぎます。

回答No.7

tance

またまた　＃１です。

まず、レーザに限らず、電磁波が電界と磁界の連鎖でできている、ということを理解するのが先決です。

だとすると、強い電磁波は強い電界と強い磁界でできていることが解ります。

そうすうると、レーザが電磁波である以上、非常に強くできるレーザは髙電界、髙磁界によって伝搬していると理解できます。

そこで、一つの疑問は、電子（またはイオン）のない真空中でも電界が生じるのか、という疑問です。

これは、何故生じるかは誰も知りません（マックスウェルもアンペールも知らなかったはずです）物理学は、観察された現象をすべて矛盾無く説明できる理論を打ち立てれば完成です。何故そうなるのかは突き詰めないのです。

さて、マックスウェルの電磁方程式は電界や磁界の方向まで含めて表現しているのでベクトル方程式になっていますが、強さだけを考えるのであれば、もっと簡単に解釈することができます。

上から二番目の式を見てください。Eは電界、Bは磁界です。この式の意味は、簡単に言うと、磁界の変化は電界になる、ということです。　微分という演算は「変化」を表します。変化しないものは微分すると０になり、増加という変化をするものは微分するとプラスの値になります。（ここでは微分は時間と場所に対して行っています）「Bの微分とEを足すと０になる」と言っている訳です。足して０になるには、EはBの微分の逆極性の有限な値になっていなくてはなりません。（たとえばBが5ならEは-5になる）

これらの式は、マックスウェルより昔の学者らがそれぞれに研究で得た成果を、マックスウェルが集約してまとめたものです。この式を眺めていて、Bが変化するだけでEが生じ（電荷の存在は不要）、別の式から、EによりBが生じることが発見されました。そうすると、その変化が連鎖して、空間にEとBの変化が飛び出すのではないか、と考えられました。こうして電磁波は「予言」されたのです。そして、後にヘルツなどの手で実際に電磁波が存在することが確かめられました。

回答No.6

tance

再度＃１です。

レーザ光は電磁波でもあり光子でもあることは事実です。そして、電波も電磁波ですね。その電波は「電子」の存在しない真空中を伝搬して行きます。これが電磁波の性質です。

光も電磁波の性質があります。（干渉することから明らか）だから電界、磁界を伴って伝搬して行きます。

そして、もうひとつ間違えやすい部分が、「電界は電子がなくても生じる」ということです。電界＝電荷と考えると間違えます。電界と磁界がどちらも変化していると、こんなことが起きるのです。このことはマックスウェルの電磁方程式で表せます。

電界とは、電荷を持ったものの近くで、他の電荷を持ったものが力を受けることでその存在が認識できます。しかし、電荷が力を受ける「場」というのは必ずしもで電子やイオンのそばだけではないのです。電荷の近くで磁界が変化すれば、その電荷に力が生じます。これはまさに電界です。

なかなか直感的には理解しにくいですが、さまざまな現象を観察・実験すると、結局そういうものなのだ、ということになります。その集大成がマックスウェルの電磁方程式です。

補足

お返事有り難うございます。
＞このことはマックスウェルの電磁方程式で表せます。
難しいですね。マックスウェル方程式のどこを、見れば、レーザによって、電界が強くなることがわかるでしょうか？

回答No.5

中村 拓男（@tknakamuri）

>レーザ光が超高電界が作られるのか？

？？

光というのは電場の波で、光の強度というのは、
電場の大きさなんですが、・・

せまい場所に短時間に光をあてると同じエネルギー量でも
明るくなります。

・明るくなる
・光の強度が強まる
・単位面積あたり単位時間あたりに通過する光のエネルギーが大きくなる)
・電場が大きくなる

これらは皆同じことを言ってます。

補足

こんにちは、

ご回答有難う御座います。

＞これらは皆同じことを言ってます。

やっぱりイメージが沸きません。

＞・明るくなる
＞・光の強度が強まる
＞・単位面積あたり単位時間あたりに通過する光のエネルギーが大きくなる)

これは、暗いところに懐中電灯をかざすイメージです。

＞・電場が大きくなる

電波の強度を測定した電界強度の図を見たことはありますが、、、

これはイメージできません。

レーザを照射すると、何もない真空の場に、山谷が出来て、それが電界であると

イメージすれば良いでしょうか？

その山に、何かを持ってくると、谷まで転げ落ち、場合により、その衝撃で

何かが壊れることがある。

回答No.4

中村 拓男（@tknakamuri）

>電界、電場、電界強度は、すべて同じで、Ｖ／ｍですね。
>例えば、1ｍｍ離して、測定すれば、電圧が得られるのでは？
>すいませんが、ご説明の意味が理解できないです。

電圧は同じでもビーム径が小さくなれば電界は大きくなります。
ビーム径をμm単位まで絞るには位相がそろった光であるレーザを
使うしかありません。

またレーザではエネルギーを時間方向に圧縮する、超短パルス化
技術があります。これも位相のそろったレーザ光でないとできません。

これによってエネルギーの総量はわずかでも、超高電界を作れます。

補足

ご回答有難う御座います。
＞これも位相のそろったレーザ光でないとできません。
ここまでは理解できます。
＞これによってエネルギーの総量はわずかでも、超高電界を作れます。
この点が、理解できません。なぜ、レーザ光が超高電界が作られるのか？
理解できません。

回答No.3

tance

#1です。

電圧と電界の違いをしっかり認識してください。

同じ電界でも距離によって電圧は変わります。たとえば、100V/mという電界は1mmの距離で測れば0.1Vにすぎませんが、1kmの距離では10万Vになります。同じ電界でも電圧は距離によって変わるということです。（ここまでは多分お解りだと思います）

0.0000001Vは高電圧とは言えませんが、髙電界かもしれないのです。逆に6.2×10^12 V/mは髙電界ですが、高電圧とは限りません。（実際はどう計っても高電圧でしょうが）

ご質問の意味をどう解釈するかにもよりますが、もし「レーザ光から高電圧が取り出せるか」という意味なら答えは「無理」です。なぜなら、取り出せたとして、その周波数は数100THzであり、それは電圧として認識できる測定器もないしそもそもレーザ光波長レベルの微小電極が必要だからです。

しかし、「レーザ光の髙電界を利用した物理現象はあるか」という質問なら、答えは「ある」です。

「何故レーザで髙電界が発生するのか」という質問なら、「何故レーザは強くできるのか」という質問と同じです。答えはコヒーレントな光なので時間的空間的に集中させることができるからです。

補足

ご回答有難う御座います。
＞「何故レーザで髙電界が発生するのか」という質問なら、「何故レーザは強く
＞できるのか」という質問と同じです。答えはコヒーレントな光なので時間的
＞空間的に集中させることができるからです。
通常、身の回りの現象で、電界がある状態というのは、電子が必要です。その電子が沢山存在すれば、電界が強くなります。
一方、電磁波は、光子です。光子は電荷を持っておらず中性です。
電磁波として考えれば、電界（磁界も）はサインカーブを描きますが、
トータル的というか、全体から眺めれば、やはりコヒーレントでも中性です。
サインカーブを局部的に見て、電場があるというのは意味がないと考えます。
電子と電子が、相互作用している状態というのは、光子をやり取りしている
らしいですが、光子だけで、髙電界が出来るというのは、やはり理解出来ません。電界には結局、電子が必要ではないでしょうか？
光子は電子が振動して発生するので、レーザも元は、電子が関連しているかもしれませんが、、
結局、頭の中が混乱して、よくわからんです。

回答No.2

中村 拓男（@tknakamuri）

電圧じゃなくて電場です。光は電磁波だから絞り込めば高電界が発生します。

補足

お返事有難う御座います。
＞電圧じゃなくて電場です。
電界、電場、電界強度は、すべて同じで、Ｖ／ｍですね。
例えば、1ｍｍ離して、測定すれば、電圧が得られるのでは？
すいませんが、ご説明の意味が理解できないです。

＞光は電磁波だから絞り込めば高電界が発生します。
すいませんが、ご説明の意味が理解できないです。
なぜ、電磁波だから、電界が得られるのか？
この点を知りたいです。

ご説明を例えるなら、
「車はなぜ、動くのか？」という問いに対して
「車は電車とは異なります。
車は、乗り物なので、動くのですよ。」
という説明に近いです。
車は、エンジン、タイヤがあって、○○、▽▽で、動力を生み出し、
動く。という回答を希望します。
光から電界が発生するとは、一般的に考えないですね。
光が電磁波であり、空間の電場と磁場の変化によって形成される波（波動）であることは解りますが、、、

回答No.1

tance

レーザは光だから電磁波です。電磁波は電界と磁界が相互に影響し合って進む横波です。この電界が大きいということです。電圧ではありません。

補足

お返事有難う御座います。
＞レーザは光だから電磁波です。
それは、そうです。
＞電磁波は電界と磁界が相互に影響し合って進む横波です。
まあ、そうでしょう。
＞この電界が大きいということです。
＞電圧ではありません。
電界、電場、電界強度は、すべて同じで、Ｖ／ｍですね。
例えば、1ｍｍ離して、測定すれば、電圧が得られるのでは？
すいませんが、ご説明の意味が理解できないです。