タウンズのレーザー特許 ――1958年、公園のベンチから生まれた光増幅装置#2929922

特許博物館 · 2026-06-09 · 約6,500字 · 約13分

ベンチで休んでいたら、20世紀後半の光が見えた。そんな話が、もし本当にあったとしたら――。

1. フランクリン公園のベンチから

1951年春、ワシントンD.C.のフランクリン公園。学会のために宿に泊まっていた35歳の物理学者チャールズ・ハード・タウンズ（Charles Hard Townes, 1915年7月28日–2015年1月27日）は、朝早く目を覚まし、近くの公園のベンチに座って物思いに耽っていたと自伝『How the Laser Happened』に書いています。テーマは、もう何年も頭の片隅にあった問いでした――「分子そのものから、もっと短い波長の電磁波を、強く取り出す方法はないだろうか」。

当時、レーダーや分光で使うマイクロ波は、真空管を使った発振器で作るしかありませんでした。ところが、波長を短くしようとすると、発振器の共振部を波長に合わせて小さく作らなければならず、ミリメートル以下の領域では加工そのものが壁になる。装置を小さくするほど出力も落ちる。「短い波長ほど装置が苦しくなる」という、いわば物理と工作精度の板挟みが、当時の分光屋の共通の悩みだったのです。

タウンズは、この壁を装置の側でなく分子の側から回り込もうと考えました。分子は、その振動や回転に応じたとびとびのエネルギー準位を持っています。高いほうの準位に上がった分子は、放っておいても、あるいは外から適当な電磁波を当てられると、その差分に対応した波長の電磁波を吐き出す。鍵になったのは、アインシュタインが1917年に理論的に導いていた「誘導放出（stimulated emission）」という現象でした。励起された分子は、外から来た波に位相まで揃った形でエネルギーを放出する――つまり、入ってきた波と見分けのつかない波を上乗せして返す、という性質です。同じ波が二つになり、その二つがまた次を誘い、雪崩のように増えていく。

公園のベンチでタウンズは、エネルギーの高い状態にある分子だけをより分けて集め、それを電磁波が往復できる空洞共振器に閉じ込め、そこへ弱い電磁波を入れれば、誘導放出の連鎖で増幅されて出てくるはずだ――そんな概念図を、便箋の裏に走り書きしたと語っています。装置の大きさではなく、分子のエネルギー準位が波長を決める。だから原理的には、赤外線でも可視光でも、同じ理屈が使えるはずだった。逸話の細部を割り引いても、本人が後年「あの朝、骨格は決まっていた」という趣旨を書き残しているのは事実です。

2. メーザーからレーザーへ ――1958年の論文

ベンチの構想が実物になるまでには、そこから数年かかりました。1954年、コロンビア大学に戻っていたタウンズは、博士課程の学生ジェームズ・P・ゴードン、ポスドクのハーバート・J・ザイガーらと共に、最初期のメーザー（MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation＝誘導放出によるマイクロ波増幅）を動かすことに成功します。使ったのはアンモニア分子でした。アンモニアは、窒素原子が水素三角形の上にあるか下にあるかで「反転」する運動を持ち、その二状態のあいだに約24GHz（約23.9GHz）のきれいな遷移線がある。タウンズたちは不均一な電場をかけて、エネルギーの高い状態の分子だけを静電的にふるい分け、共振器へ送り込みました。まさに、公園のベンチで描いた「励起分子を集めて共振器に入れる」という骨格そのものです。出力は極めて微弱でしたが、誘導放出で電磁波が増幅されることが、初めて実験で確かめられました。

もっとも、この研究は最初から歓迎されていたわけではありません。コロンビアの物理学科には、ノーベル賞級の大物であるイジドール・ラビとポリカプ・クッシュがいて、二人はメーザー計画を「実用にならない」「基礎物理から学科の資源を逸らすだけだ」と見て、タウンズに手を引くよう促したと自伝で語られています。分子ビームと発振器を知り尽くした先輩たちが「筋が悪い」と判じた計画を、当のタウンズは畳まなかった。そこが、この物語の最初の分岐でした。

問題は、ここからどうやって波長を短くするかでした。マイクロ波からさらに赤外線、そして可視光まで持ち込めれば、その先には文字どおりの「光増幅装置」が広がっています。タウンズは、1951年に自分の妹オーレリアと結婚した義弟でもあるアーサー・レナード・シャウロウ（Arthur Leonard Schawlow, 1921年5月5日–1999年4月28日、当時ベル研究所）と議論を重ねました。二人は、光の領域では共振器を分子サイズの箱にはできないと見抜き、向かい合わせた二枚の平行鏡のあいだで光を何百回も往復させるファブリ・ペロー型共振器を採用します。1958年12月15日、二人は共著論文「Infrared and Optical Masers」を Physical Review 誌（第112巻6号、1940–1949頁）に発表しました。可視光でメーザー原理を成立させるための共振器の作り方と利得媒質の条件をまとめた、いわばレーザーの設計図にあたる論文です。

並行して、ベル研究所は1958年7月30日に特許を出願し、米国特許 #2,929,922「Masers and Maser Communications System」として1960年3月22日に付与を受けます。発明者はシャウロウとタウンズ、出願人（譲受人）はベル電話研究所。タイトルは「メーザー」ですが、明細書は赤外・可視・紫外への拡張を明確に含んでおり、事実上の光メーザー＝レーザー特許として、後の業界の基準点になりました。

3. ゴードン・グールドと30年の特許訴訟

ただし、話はこれで終わりません。1957年11月13日――シャウロウ・タウンズの論文より1年以上前――コロンビア大学の大学院生だったゴードン・グールド（Gordon Gould, 1920年7月17日–2005年9月16日）は、自分の研究ノートの冒頭に「LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」という頭字語を書き付けていました。「レーザー」という言葉そのものを命名したのは、タウンズでもシャウロウでもなく、グールドだったとされます。彼はそのノート（後の訴訟で「Exhibit 1」と呼ばれる証拠物）の1〜9頁を、近所の店で公証してもらったと伝えられます。

このノートが只者でなかったのは、思いつきの走り書きではなかった点です。後の裁判記録によれば、そこには、両端を部分反射する平行平面鏡で閉じた管（ファブリ・ペロー共振器）、反射率98%に達する多層膜鏡の検討、そして外部の放電から光でエネルギーを注ぎ込む「光ポンピング」の着想までが書き込まれていました。問題は、彼が特許出願に踏み切ったのが1959年だったことです。グールドは「先に動く実機を作らないと出願できない」という誤った助言を信じ込み、出願を先送りにしてしまったと伝えられます。実際の出願は1959年4月6日（出願番号804,539）。翌1960年、この出願はTRG社（コントロール・データ社の子会社）に譲渡されます。ベル研究所より9か月ほど出願が遅れたことが、その後の30年を決めました。

最初の正面衝突が、両者の特許出願がぶつかった抵触審査（インターフェアレンス）です。米特許商標庁の抵触審査部は、先に出願していた「先願側」のシャウロウ・タウンズに発明の優先権を認めました。グールドは連邦の関税特許控訴裁判所（CCPA）に持ち込みますが、1966年の判決（Gould v. Schawlow, 363 F.2d 908）でも敗れます。裁判所の理由は、ノートと本人の証言だけでは足りない、という一点でした。1957年のノートがどれだけ具体的でも、それを裏づける独立の証拠（第三者による確認）がなければ、先に発明していたという立証責任を果たせない――記録が律儀なほど強い、という特許の作法が、ここでは逆にグールドを縛ったのです。

ここで効いていたのが、当時の米国が採っていた先発明主義（first to invent）という制度でした。世界の多くの国は、出願が早い者を勝たせる先願主義（first to file）です。もし当時の米国が先願主義なら、1958年出願のベル研究所が1959年出願のグールドに自動的に勝ち、1957年のノートは検討の対象にすらならなかった。逆に先発明主義だからこそ、後から出願した「後願側（ジュニア・パーティ）」のグールドにも、「自分のほうが先に発明していた」と証拠で覆すチャンスがあった――その扉が開いていたにもかかわらず、裏づけ（corroboration）を用意できずに閉じてしまった、というのが1966年の敗因でした。ちなみに米国が先発明主義から先願主義へ移るのは、はるか後の2011年成立・2013年3月16日施行の米国発明法（America Invents Act）を待つことになります。グールドの30年戦争は、この古い制度の最後の時代に起きた出来事でもありました。

ここから、米国特許史でも屈指の長期戦が始まります。レーザー本体の特許をめぐる訴訟で敗け続けたグールド側は、途中で戦い方を変えました。レーザーそのものではなく、あらゆるレーザーに不可欠な部品――光でエネルギーを注ぐ「光励起（光ポンピング）増幅」――に的を絞ったのです。この作戦が当たり、1977年10月11日、彼はようやく最初の基本特許米国特許 #4,053,845「Optically Pumped Laser Amplifiers」**を取得します。この特許の出願系譜は、1959年4月の最初の出願にまでさかのぼるものでした。以後、彼の特許群は次々と成立し、1988年ごろまでには、米国で作られるレーザーの多くをカバーするに至ったと伝えられます。ある業界誌は、1988年時点でグールドの光ポンピング増幅特許が米国製レーザーの約80%に及び、年5億ドルを超えるレーザー市場からライセンス料が流れ込んだ、と報じています。特許を取れずに20年以上、世界中のメーカーが自分の着想を使うのを眺めるほかなかった院生が、最後には産業の通行料を集める側に回った――「誰がレーザーを発明したか」という問いに、ノーベル賞委員会と米国特許商標庁が、ある意味で別々の答えを出してしまった珍しいケースだと言われます。

4. メイマンのルビー結晶、そして1964年ノーベル賞

理論と特許が走る一方、最初に光らせたのは、また別の人物でした。1960年5月16日、カリフォルニア州のヒューズ研究所で、セオドア・メイマン（Theodore Maiman）が、ルビー結晶を利得媒質に用いた装置で、動作するレーザーとして最初に知られる発振を観測します。波長694.3ナノメートル、深い赤色の閃光。シャウロウ・タウンズ論文からわずか1年半後の出来事でした。

メイマンの装置は、螺旋状の強力なフラッシュランプでルビー棒を一気に光ポンピングするという、当時は多くの専門家が「ルビーでは無理だろう」と見ていた構成だったと伝えられます。そして、この装置をめぐっては、掲載媒体の逸話も残っています。メイマンは成果をまず速報誌 Physical Review Letters に送りましたが、編集長サミュエル・ガウズミットは、当時メーザー関連の投稿があまりに多かったこともあり、これを「またメーザーの論文か」と退けたと伝えられます。行き場を失った報告は Nature 誌に回され、1960年8月6日、「Stimulated Optical Radiation in Ruby」という短い論文として世に出ました。20世紀後半を変えた装置の第一報が、速報誌に一度断られていた、というわけです。

1964年、タウンズはソ連のニコライ・バソフとアレクサンドル・プロホロフ（ともにモスクワのレベデフ物理研究所）と共にノーベル物理学賞を受賞します。メーザーの原理は、コロンビア大学のタウンズらと、モスクワのバソフ・プロホロフとが、ほぼ同時期に独立して到達していました。同じ理屈に、大西洋の両側で別々にたどり着いていたわけです。賞金の半分がタウンズに、残る半分がバソフとプロホロフに贈られました。受賞理由は「メーザー・レーザー原理に基づく発振器および増幅器の構築へと導いた、量子エレクトロニクス分野における基礎研究に対して」。義弟のシャウロウもまた、1981年に別の研究（高分解能レーザー分光）でノーベル物理学賞を共同受賞しています。グールドにノーベル賞は届きませんでしたが、彼は長い裁判の末に、特許上の発明者としての地位のほうを取り戻しました。栄誉の帳簿と、権利の帳簿は、別々に閉じられたのです。

その後の半世紀、レーザーは20–21世紀の文明を裏側から支える基盤技術になっていきます。光ファイバー通信、CD・DVD・Blu-rayといった光ディスク、レーザーメスや眼科手術、半導体を焼き付ける露光装置、精密計測、金属の切断・溶接、バーコード、そして近年は量子情報処理まで。タウンズが公園のベンチで書き留めたとされる骨格は、いまも私たちの生活のあちこちで、文字どおり増幅され続けている、と言ってもよさそうです。

「もしも」の問い

もし、あの春の朝。タウンズが公園のベンチで考えごとをせず、宿に戻って学会の発表準備だけをしていたとしたら――。

メーザーの実演は数年遅れ、1958年の論文も別のかたちになっていたかもしれません。特許#2929922が今のような基準点にならず、グールドの1957年のノートが、抵触審査で「先願側」に負けることなく、もっと早く基本特許になっていた可能性もあります。光通信もCDも、いまとは少しずつ違うスケジュールで生まれていたでしょう。

ただ、誘導放出という現象そのものは、1917年のアインシュタインの時点ですでに地面の下に眠っていました。誰かが、いずれ掘り当てた領域です。ベンチに座った物理学者と、義弟との議論と、ノートに「LASER」と書き付けた院生と、ルビーを光らせた研究員と――その配置がほんの少しずれたら、私たちが「レーザーの発明者」と呼ぶ名前は、別の組み合わせになっていたかもしれません。

この物語の妙は、そこに二重の帳簿があることです。1966年、グールドのノートは「裏づけがない」という理由で優先権を失いました。ところがその同じノートが、光ポンピング増幅という一点に的を絞り直すことで、20年後には米国のレーザー産業の大半に通行料を課す道具に化けた。優先権の争いで敗れた側が、最後は産業の徴税人になった――発明の順番は先願主義が決め、発明の対価は別の戦場が決める。特許#2929922は、その二枚の帳簿が食い違ったまま両方とも有効だった、という奇妙な均衡の輪郭を、いまも保管庫の中に残しています。

この題材をもう少し深掘りする

一次記録の手触りは、原典に当たると変わります。タウンズがどんな冬の朝にレーザーの骨格を思いついたか、グールドのノートがなぜ強くて弱かったかは、本人たちの評伝やレーザー史を読むと一気に体感できます。

🌀 もしも、グールドが「動く実機を作ってから出願を」という助言を受けなかったら?

もし彼が、1957年のノートを公証したその足で――律儀に実機作りへ回り道せず――すぐ特許を出していたら。出願日はベル研究所より前に来ていたかもしれず、抵触審査の勝者はグールドだった可能性がある。皮肉なのは、彼を30年遅らせたのが技術の壁ではなく、たった一つの「先に実機を」という助言だったことです。発明を左右するのは、しばしば物理ではなく、その周りの手続きの作法のほうなのだ――特許博物館の棚では、装置の中身より、いつ・何を・どう記録したかを考えさせられます。

主な参考文献

Nobel Prize — Charles H. Townes 1964（Biographical） — 受賞者本人による自伝的記述（1951年フランクリン公園の着想、アンモニアメーザー）
The Nobel Prize in Physics 1964（NobelPrize.org） — 半分をタウンズ・半分をバソフとプロホロフに、受賞理由「量子エレクトロニクス」
Schawlow & Townes, "Infrared and Optical Masers," Physical Review 112, 1940–1949（1958-12-15・APS） — レーザーの設計図となった論文
Google Patents US2,929,922 "Masers and Maser Communications System" — 発明者Schawlow & Townes・1958年7月30日出願・1960年3月22日付与
Google Patents US4,053,845 "Optically Pumped Laser Amplifiers"（Gordon Gould） — 1977年10月11日付与・出願系譜は1959年4月にさかのぼる
Gould v. Schawlow, 363 F.2d 908（C.C.P.A. 1966・Justia） — 抵触審査で優先権は先願側へ・ノート1〜9頁1957-11-13公証・裏づけ欠如
Gordon Gould（英語版Wikipedia） — 「LASER」命名・1959年出願・TRG譲渡・30年の特許戦争
Theodore Maiman（英語版Wikipedia） — 1960年5月16日ヒューズ研究所のルビーレーザー・PRL掲載拒否・Nature 1960年8月6日
Nobel Prize — Arthur L. Schawlow 1981（Biographical） — 義弟シャウロウのその後（1951年オーレリア・タウンズと結婚を含む）
Gordon Gould: The Long Battle For The Laser Patent（Electronic Design） — 1988年時点で米国製レーザーの約80%・年5億ドル超の市場という報道

本記事は note では公開していない、The IF Lab サイト独占コラムです。

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