レーザー
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レーザー（laser）とは、光（電磁波）を増幅し、コヒーレントな光を発生させる装置（レーザー装置）またはその光（レーザー光）をさす。レーザー光は指向性や収束性に優れており、また、発生する電磁波の波長を一定に保つことができる。レーザーの名は、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（輻射の誘導放出による光増幅）の頭字語（アクロニム）から名付けられた。
レーザー光は、可視光領域の電磁波であるとは限らない。紫外線やX線などのより短い波長、また赤外線のようなより長い波長のレーザー光を発生させる装置もある。ミリ波より波長の長い電磁波のものはメーザーと呼ぶ。また、ビームとは定義が異なるためビームだからといってレーザーであるとは限らない。
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[編集] 原理
レーザー光は、レーザー発振器を用いて人工的に作られる光である。
レーザー発振器は、キャビティ（光共振器）と、その中に設置された媒質、および媒質をポンピング（電子をより高いエネルギー準位に持ち上げること）するための装置から構成される。キャビティは典型的には、2枚の鏡が向かい合った構造を持っている。波長がキャビティ長さの整数分の一となるような光は、キャビティ内をくり返し往復し、定常波を形成する。媒質はポンピングにより、吸収よりも誘導放出の方が優勢な、いわゆる反転分布状態を形成する。すると、キャビティ内の光は媒質を通過するたびに誘導放出により増幅され、特に光がキャビティに共振し定常波を形成している場合には再帰的に増幅が行われる。
キャビティを形成する鏡のうち一枚を半透鏡にしておけば、そこから一部の光を外部に取り出すことができ、レーザー光が得られる。外部に取り出したり、キャビティ内での吸収・散乱等によりキャビティ内から失われる光量と、誘導放出により増加する光量とが釣り合っていれば、レーザー光はキャビティから継続的に出射される。
媒質は反転分布を形成するために、三準位モデルや四準位モデルなどの量子力学的エネルギー構造を持っている必要がある。媒質のポンピングは、光励起、放電、化学反応、電子衝突等、さまざまな方法で行われる。光励起を用いるものの中には他のレーザー光源を用いる方法もある。また半導体レーザーでは、ポンピングは電流の注入により行われる。
1958年、C・T・タウンズ と A・L・ショウロウ によって理論的に実現の可能性が指摘され、1960年5月16日に、T・H・メイマンがルビー結晶によるレーザー発振を初めて実現した。
[編集] 特徴
[編集] 可干渉性（コヒーレンス）
レーザー光を特徴づける性質のうち最も重要なのは、その高いコヒーレンス（可干渉性）である。レーザー光のコヒーレンスは、空間的コヒーレンスと時間的コヒーレンスに分けて考えることが出来る。
光の空間的なコヒーレンスは、光の波面の一様さを計る尺度である。レーザー光はその高い空間的コヒーレンスのゆえに、ほぼ完全な平面波や球面波を作ることができる。このためレーザー光は長距離を拡散せずに伝搬したり、非常に小さなスポットに収束したりすることが可能になる。この性質は、レーザーポインターや照準器、また光ディスクのピックアップ、加工用途、光通信など様々な応用上重要である。空間的にコヒーレントな光は、白熱灯などの通常光源と波長オーダーの大きさを持つピンホールを用いることでも作り出すことが出来る。しかし、この方法では光源から放たれた光のごく一部しか利用できないため、実用的な強度を得ることが難しい。空間的にコヒーレントな光を容易に実用的な強度で得られることがレーザーの最大の特長のひとつである。
一方、時間的なコヒーレンスは、光電場の周期性がどれだけ長く保たれるかを表す尺度である。時間的コヒーレンスの高いレーザー光は、マイケルソン干渉計などで大きな光路差を与えて干渉させた場合でも、鮮明な干渉縞を得ることが出来る。干渉縞を得ることの出来る最大の光路差をコヒーレンス長と呼び、時間的コヒーレンスの目安となる。レーザーの時間的コヒーレンスは、レーザーの単色性と密接な関係がある。一般に、時間的コヒーレンスの高い光ほど単色性が良い。特に、完全な単色光の電場は一定の周波数の三角関数であらわされるので、そのコヒーレント長は無限大である。高い時間的コヒーレンスを持つように配慮して設計されたレーザーは、ナトリウムランプなどよりもはるかに良い単色性を示す。レーザーの時間的コヒーレンスはレーザージャイロのように干渉を利用した応用において重要である。また、レーザーの単色性は、レーザー冷却などの用途に重要である。
[編集] パルス発振
レーザーのもうひとつ重要な特徴は、ナノ秒～フェムト秒程度の、時間幅の短いパルス光を得ることが可能な点である。特殊な装置ではアト秒の時間幅も実現されている。レーザー以外の光パルス光源としてフラッシュランプ（キセノンランプ）、LEDなどがあるがレーザーに比較して低出力である。
パルスレーザーは短い時間幅の中にエネルギーを集中させることが出来るため、高いピーク出力が得ることができる。レーザー核融合用途などの特に大がかりなものでは、ペタワットクラスのレーザーも存在する。また時間幅の短いレーザーパルスは、時間とエネルギーの不確定性関係のため広いスペクトル幅を持つ。パルスレーザーは、時間分解分光や非線形光学、またレーザー核融合などの分野で重要な道具である。レーザーを用いた応用物理研究分野等では、ボーズアインシュタイン凝縮へパルスレーザーを使用し数論上の方程式を物理実験での具現化に実現に成功しており、フェムト秒のパルス光を発振させる為に連続光からパルス発振へ変換させるミラー（共振器内部の鏡）にSESAM半導体を用いたレーザーも使用されている。 高分離解析時間、高分解性能の利得を応用しながら必要な出力を保つ為にはフィードバック制御機能が追加されないシンプルな媒質として欧米ではSESAM半導体を用いたシンプルなレーザーへのさらなる応用と研究が期待されている。連続光を反射せずある程度ため保持して出すというSESAM半導体の特性はパルスレーザーに物理的消耗変化として温度上昇する放熱管理がレーザー自体の寿命と利得を左右する。
[編集] 種類
[編集] 媒体による分類
レーザーは媒体（誘導放出を起こす物質）によっていくつかの種類に分けられる。
- 固体レーザー
- 媒体が固体であるものを固体レーザーという。通常、結晶を構成する原子の一部が他の元素に置き換わった構造を持つ人工結晶が用いられ、代表的なものにクロムを添加したルビー結晶によるルビーレーザーや、YAG結晶中のイットリウムを他の希土類元素で置換した種々のYAGレーザーがある。ネオジム添加YAGを用いたNd:YAGレーザーは波長が1064nmの赤外線を発する。ただし非線形光学結晶を用いて高調波を発生させることによって、波長532nmの緑色の光（SHG）や355nmの紫外線（THG）なども出すことができる。
- 固体レーザーの励起光源としてレーザーダイオードを用いたものをDPSSL（ダイオード励起固体レーザー）という。
- 液体レーザー
- 媒体が液体であるレーザーを液体レーザーといい、色素分子を有機溶媒（アルコールなど）に溶かした色素レーザーがよく利用されている。色素レーザーの利点は使用する色素や共振器の調節によって発振波長を自由に、かつ連続的に選択できることである。
- ガスレーザー
- 媒体が気体のものはガスレーザーと呼ばれ、炭酸ガスレーザー（赤外）やヘリウムネオンレーザー（赤色）、アルゴンイオンレーザー（主に青色または緑色）、エキシマレーザー（主に紫外）などがある。
- 半導体レーザー
- 媒体が半導体である物は固体レーザーとは区別され、半導体レーザーあるいはレーザーダイオード（LD）と呼ばれている。レーザーポインターやパソコン内でのCD・DVDの読み取りなどの低出力でもよいレーザーに主に使用されている。安価で小型なため、利用が広まっている。
- 自由電子レーザー
- 真空中で光速に近い自由電子に磁界を加え進路を変えるとき発生する放射光を利用するレーザーは、自由電子レーザーと呼ばれる。
[編集] 発振方式による分類
レーザーは光の強さの時間的な変化でも分けることができる。
断続的にレーザー光を出すパルスレーザーと、連続的にレーザー光を出すCWレーザー（Continuous wave laser）とに区別することができる。前者は、複数の波長で位相をそろえて同時に発振させるモード同期という手法を用いるか、またはQスイッチという構造を用いて、瞬間的に非常に強いパワーを出すことが可能である。後者はパルス動作と比べると瞬間的なパワーは低いが、高い時間的コヒーレンスを得ることが可能で、そのため干渉などの現象を観測しやすい。
[編集] 波長による分類
レーザーは発振される光の波長によって分類することも出来る。
多くの場合、使用されるレーザー媒体によって、レーザーの発振波長はほぼ決まる。多くのレーザー媒体は、ごく限定された波長範囲でしか利得を持たないからである。ただし、色素レーザーやチタンサファイアレーザーなど、広い波長範囲で利得を持つ媒体も存在する。これらの場合は共振器のQ値の分光特性や、利得スペクトルの形状などにより発振波長が決まる。また自由電子レーザーでは、媒質となる電子ビームの利得波長を自由に選ぶことが出来るため、任意の波長で発振することができる。
- 赤外線レーザー
- 波長によっては、大気中での減衰が最も小さい
- 可視光線レーザー
- 当たった場所を視認することが出来るのでレーザーポインターなどに使用されている。
- 紫外線レーザー
- X線レーザー
- 軌道電子の遷移を起源とするものをX線と呼ぶため、レーザーの原理上はガンマ線の領域であっても硬X線レーザーと呼ぶ。
[編集] 大気中での伝送に適した波長
大気中に伝播するレーザー光は、気体分子による吸収や散乱により減衰される。気体分子による吸収の少ない波長は可視〜赤外領域の一部に存在し、大気の窓と呼ばれる。一方、気体分子による散乱は波長が長い光ほど少なくてすむ。このため、大気中で長距離を伝送する用途には、大気の窓の中に発振波長をもつ赤外線レーザーが用いられる。たとえば炭酸ガスレーザーは、大気中の伝送させる用途によく用いられるレーザーのひとつである。
X線の高出力レーザーを空気中に照射すると、気体分子をプラズマ化させ、プラズマから放射される光を見ることができる。このとき、レーザーのエネルギーは、空気をプラズマ化させることに使われて激しく減衰してしまい、長距離を伝搬させることは難しい。
[編集] 応用
レーザーは、多くの分野で利用されている。
[編集] 安全基準とクラス分け
レーザーは出力の低いものでも、直視すると失明の危険があり注意が必要である。国際機関である国際電気標準会議（International Electro-technical Commission、略称IEC）の60825-1「レーザー機器及びその使用者のための安全指針」により、レーザー機器の出力、レーザー光線の波長等による、クラス分けがなされており、クラス毎に労働衛生安全管理体制の整備が必要となる。
国内における安全基準
- JIS（日本工業規格）
- JIS C 6801 「レーザー安全用語」
- JIS C 6802 「レーザー製品の安全基準」
アメリカにおける安全基準
- ANSI（米国規格協会）
- ANSI Z 136.1 「レーザーに関する安全な使用」
- FDA（米国食品医薬品局）
- FDA 21CFR PART1040_10and1040.11 「保護と安全のための放射線規制法」
[編集] クラス分けと制約条件
上記JIS C 6802の平成17年改訂を元にしたクラス分け。
- クラス1
- 合理的に予見可能な運転状況下で安全であるレーザー。どのような光学系（レンズや望遠鏡）で集光しても、眼に対して安全なレベルであり、クラス1であることを示すラベルを貼る以外は特に対策は要求されていない。
- クラス2
- 可視光のみに規定され、眼の保護は「まばたき」などの嫌悪反応により行われることによりクラス1なみの安全が確保されるレーザー。
- クラス1M
- 合理的に予見可能な運転状況下で安全である302.5 - 4000nmの波長範囲の光を放出するレーザー。光学系で覗かない限りは安全なレベルである。このレベルの光を屋外に放射することは、望遠鏡等を覗いている人がいないとは言えないので危険と考えるべきである。つまり屋内などの使用条件が限定された場所でのみ安全なレーザーとみなすべきである。
- クラス2M
- 可視光のみに規定され、眼の保護は「まばたき」などの嫌悪反応により行われることにより安全が確保されるレーザー。光学系で覗かない限りは安全なレベルである。
- クラス3R
- 直接のビーム内観察は潜在的に危険であるが、その危険性はクラス3Bレーザーに対するものよりも低いレーザー。製造者や使用者に対する規制対策がクラス3Bレーザーに比し緩和されている。クラス1あるいはクラス2のAELの5倍以内である。鍵やインタロックを取り付ける必要がない点で、その上のクラスとは異なっている。
- クラス3B
- 連続発振レーザーで0.5W以下、パルスレーザーで10~5Jm／m~2以下のもの。直接見ることは危険なレーザー。直視をしなければ安全なレベル。鍵やインタロックを取り付ける必要がある。使用中の警報表示等が必要。
- クラス4
- 散乱された光を見ても危険なレーザー。皮膚に当たると火傷を生じたり物に当たると火災を生じる恐れのあるものを含む。出射したレーザービームは必ずブロックする等の対策が必要。当然のことながら鍵やインタロックを取り付ける必要がある。使用中の警報表示等が必要。
[編集] 関連項目
[編集] 外部リンク
- 社団法人レーザー学会
- 日本光学会 （社団法人応用物理学会 分科会）
- （百科事典）「Laser」 - スカラーペディアにある「レーザー」についての項目。（英語）
最終更新 2009年10月1日 (木) 09:50 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
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