レーザー(赤色 あかいろ 、緑色 みどりいろ 、青色 あおいろ )
コンサート の演出 えんしゅつ に用 もち いられるレーザー
He-Ne レーザー
典型 てんけい 的 てき なレーザーの構成 こうせい 要素 ようそ 1. レーザー媒質 ばいしつ 2. 励起 れいき 用 よう エネルギー 3. 全 ぜん 反射 はんしゃ 鏡 きょう 4. 出力 しゅつりょく 結合 けつごう 鏡 きょう (英語 えいご 版 ばん ) 5. レーザービーム
レーザー (英 えい : laser ) とは、L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation (誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ による光 ひかり 増幅 ぞうふく 放射 ほうしゃ )の頭字 かしらじ 語 ご (アクロニム)であり、指向 しこう 性 せい と収束 しゅうそく 性 せい に優 すぐ れた、ほぼ単一 たんいつ 波長 はちょう の電磁波 でんじは (コヒーレント光 こう )を発生 はっせい させる装置 そうち である。レーザ とも表記 ひょうき される[注 ちゅう 1] 。レザーとも表記 ひょうき される場合 ばあい もある[1] 。
レーザーの発明 はつめい により、非線形 ひせんけい 光学 こうがく という学問 がくもん が生 う まれた。発生 はっせい する電磁波 でんじは は、可視 かし 光 こう とは限 かぎ らない。紫外線 しがいせん やX線 せん などのより短 みじか い波長 はちょう 、また赤外線 せきがいせん のようなより長 なが い波長 はちょう の光 ひかり を出 だ す装置 そうち もある。ミリ波 は より波長 はちょう の長 なが い電磁波 でんじは を放射 ほうしゃ するものはメーザー と呼 よ ぶ。
レーザー光 こう は、コヒーレント光 こう を発生 はっせい させるレーザー発振器 はっしんき を用 もち いて人工 じんこう 的 てき に作 つく られる光 ひかり である。
レーザー発振器 はっしんき は、キャビティ(光 ひかり 共振 きょうしん 器 き )と、その中 なか に設置 せっち された媒質 ばいしつ 、および媒質 ばいしつ をポンピング(電子 でんし をより高 たか いエネルギー準 じゅん 位 い に持 も ち上 あ げること)するための装置 そうち から構成 こうせい される。キャビティは典型 てんけい 的 てき には、2枚 まい の鏡 かがみ が向 む かい合 あ った構造 こうぞう を持 も っている。半 はん 波長 はちょう がキャビティ長 なが さの整数 せいすう 分 ぶん の一 いち となるような光 ひかり は、キャビティ内 ない をくり返 がえ し往復 おうふく し、定常波 ていじょうは を形成 けいせい する。媒質 ばいしつ はポンピングにより、吸収 きゅうしゅう よりも誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ の方 ほう が優勢 ゆうせい な、いわゆる反転 はんてん 分布 ぶんぷ 状態 じょうたい を形成 けいせい する。すると、キャビティ内 ない の光 ひかり は媒質 ばいしつ を通過 つうか するたびに誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ により増幅 ぞうふく され、特 とく に光 ひかり がキャビティに共振 きょうしん し定常波 ていじょうは を形成 けいせい している場合 ばあい には再帰 さいき 的 てき に増幅 ぞうふく が行 おこな われる。
キャビティを形成 けいせい する鏡 かがみ のうち一 いち 枚 まい を半 はん 透 とおる 鏡 きょう にしておけば、そこから一部 いちぶ の光 ひかり を外部 がいぶ に取 と り出 だ すことができ、レーザー光 こう が得 え られる。外部 がいぶ に取 と り出 だ したり、キャビティ内 ない での吸収 きゅうしゅう ・散乱 さんらん などによりキャビティ内 ない から失 うしな われる光量 ひかりりょう と、誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ により増加 ぞうか する光量 ひかりりょう とが釣 つ り合 あ っていれば、レーザー光 こう はキャビティから継続 けいぞく 的 てき に発振 はっしん される。
媒質 ばいしつ は反転 はんてん 分布 ぶんぷ を形成 けいせい するため、三 さん 準 じゅん 位 い モデル や四 よん 準 じゅん 位 い モデル などの量子力学 りょうしりきがく 的 てき エネルギー構造 こうぞう を持 も っている必要 ひつよう がある。媒質 ばいしつ のポンピングは、光励起 ひかりれいき 、放電 ほうでん 、化学 かがく 反応 はんのう 、電子 でんし 衝突 しょうとつ など、さまざまな方法 ほうほう で行 おこな われる。光励起 ひかりれいき を用 もち いるものの中 なか には他 た のレーザー光源 こうげん を用 もち いる方法 ほうほう もある。また、半導体 はんどうたい レーザー では、ポンピングは電流 でんりゅう の注入 ちゅうにゅう により行 おこな われる。
1958年 ねん 、C・H・タウンズ とA・L・ショウロウ によって理論 りろん 的 てき に実現 じつげん の可能 かのう 性 せい が指摘 してき され、1960年 ねん 5月16日 にち にT・H・メイマン がルビー 結晶 けっしょう によるレーザー発振 はっしん を初 はじ めて実現 じつげん した。
可 か 干渉 かんしょう 性 せい (コヒーレンス)[ 編集 へんしゅう ]
レーザー光 こう を特徴 とくちょう づける性質 せいしつ のうち最 もっと も重要 じゅうよう なのは、その高 たか いコヒーレンス (可 か 干渉 かんしょう 性 せい )である。レーザー光 こう のコヒーレンスは、空間 くうかん 的 てき コヒーレンスと時間 じかん 的 てき コヒーレンスに分 わ けて考 かんが えることができる。
光 ひかり の空間 くうかん 的 てき コヒーレンスは、光 ひかり の波面 はめん の一様 いちよう さを計 はか る尺度 しゃくど である。レーザー光 こう はその高 たか い空間 くうかん 的 てき コヒーレンスのゆえに、ほぼ完全 かんぜん な平面 へいめん 波 は や球面 きゅうめん 波 は を作 つく ることができる。このためレーザー光 こう は長距離 ちょうきょり を拡散 かくさん せずに伝播 でんぱ したり、非常 ひじょう に小 ちい さなスポットに収束 しゅうそく したりすることが可能 かのう になる。この性質 せいしつ は、レーザーポインターや照準 しょうじゅん 器 き 、また光 ひかり ディスク のピックアップ、加工 かこう 用途 ようと 、光通信 ひかりつうしん など様々 さまざま に応用 おうよう する上 じょう で重要 じゅうよう である。空間 くうかん 的 てき にコヒーレントな光 ひかり は、白熱 はくねつ 灯 とう などの通常 つうじょう 光源 こうげん と波長 はちょう オーダーの大 おお きさを持 も つピンホール を用 もち いることでも作 つく り出 だ すことが出来 でき る。しかし、この方法 ほうほう では光源 こうげん から放 はな たれた光 ひかり のごく一部 いちぶ しか利用 りよう できないため、実用 じつよう 的 てき な強度 きょうど を得 え ることが難 むずか しい。空間 くうかん 的 てき にコヒーレントな光 ひかり を容易 ようい に実用 じつよう 的 てき な強度 きょうど で得 え られることがレーザーの最大 さいだい の特長 とくちょう のひとつである。
一方 いっぽう 、時間 じかん 的 てき コヒーレンスは、光 ひかり 電場 でんじょう の周期 しゅうき 性 せい がどれだけ長 なが く保 たも たれるかを表 あらわ す尺度 しゃくど である。時間 じかん 的 てき コヒーレンスの高 たか いレーザー光 こう は、マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい などで大 おお きな光 ひかり 路 ろ 差 さ を与 あた えて干渉 かんしょう させた場合 ばあい でも、鮮明 せんめい な干渉 かんしょう 縞 しま を得 え ることが出来 でき る。干渉 かんしょう 縞 しま を得 え ることの出来 でき る最大 さいだい の光 ひかり 路 ろ 差 さ をコヒーレンス長 ちょう と呼 よ び、時間 じかん 差 さ をコヒーレンス時間 じかん と呼 よ ぶ。レーザーの時間 じかん 的 てき コヒーレンスは、レーザーの単色 たんしょく 性 せい と密接 みっせつ な関係 かんけい がある。一般 いっぱん に、時間 じかん 的 てき コヒーレンスの高 たか い光 ひかり ほど単色 たんしょく 性 せい が良 よ い。特 とく に、完全 かんぜん な単色 たんしょく 光 こう の電場 でんじょう は一定 いってい の周波数 しゅうはすう の三角 さんかく 関数 かんすう であらわされるので、そのコヒーレント長 ちょう は無限 むげん 大 だい である。高 たか い時間 じかん 的 てき コヒーレンスを持 も つように配慮 はいりょ して設計 せっけい 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 よ い単色 たんしょく 性 せい を示 しめ す。レーザーの時間 じかん 的 てき コヒーレンスはレーザージャイロ のように干渉 かんしょう を利用 りよう した応用 おうよう において重要 じゅうよう である。また、レーザーの単色 たんしょく 性 せい は、レーザー冷却 れいきゃく などの用途 ようと に重要 じゅうよう である。
レーザーのもうひとつ重要 じゅうよう な特徴 とくちょう は、ナノ 秒 びょう ~フェムト 秒 びょう 程度 ていど の、時間 じかん 幅 はば の短 みじか いパルス光 こう を得 え ることが可能 かのう な点 てん である。チタンサファイヤレーザーの高次 こうじ 高調 こうちょう 波 は 発生 はっせい などではアト 秒 びょう の時間 じかん 幅 はば も実現 じつげん されている。レーザー以外 いがい の光 ひかり パルス光源 こうげん 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 くら べて出力 しゅつりょく が低 ひく い。
パルスレーザーは短 みじか い時間 じかん 幅 はば の中 なか にエネルギーを集中 しゅうちゅう させることが出来 でき るため、高 たか いピーク出力 しゅつりょく が得 え ることができる。レーザー核 かく 融合 ゆうごう 用途 ようと などの特 とく に大 おお がかりなものでは、ペタワットクラスのレーザーも使 つか われる。また時間 じかん 幅 はば の短 みじか いレーザーパルスは、時間 じかん とエネルギーの不 ふ 確定 かくてい 性 せい 関係 かんけい のため広 ひろ いスペクトル幅 はば を持 も つ。パルスレーザーは、時間 じかん 分解 ぶんかい 分光 ぶんこう や非線形 ひせんけい 光学 こうがく 、またレーザー核 かく 融合 ゆうごう などの分野 ぶんや で重要 じゅうよう な道具 どうぐ である。レーザーを用 もち いた応用 おうよう 物理 ぶつり 研究 けんきゅう 分野 ぶんや などでは、ボーズアインシュタイン凝縮 ぎょうしゅく へパルスレーザーを使用 しよう することで、数 かず 論 ろん 上 じょう の方程式 ほうていしき を物理 ぶつり 実験 じっけん 具現 ぐげん 化 か することに成功 せいこう している。フェムト秒 びょう のパルス光 こう を発振 はっしん させる為 ため に連続 れんぞく 光 こう からパルス発振 はっしん へ変換 へんかん させるミラー(共振 きょうしん 器 き 内部 ないぶ の鏡 かがみ )に半導体 はんどうたい 可 か 飽和 ほうわ 吸収 きゅうしゅう ミラー(SESAM )を用 もち いたレーザーも使用 しよう されている。
高 こう 分離 ぶんり 解析 かいせき 時間 じかん 、高 こう 分解 ぶんかい 性能 せいのう の利得 りとく を応用 おうよう しながら必要 ひつよう な出力 しゅつりょく を保 たも つため、フィードバック制御 せいぎょ 機能 きのう が追加 ついか されないシンプルな媒質 ばいしつ として欧米 おうべい ではSESAMを用 もち いたシンプルなレーザーへのさらなる応用 おうよう と研究 けんきゅう が期待 きたい されている。連続 れんぞく 光 こう を反射 はんしゃ せず、ある程度 ていど 保持 ほじ して溜 た めてから出 だ すというSESAMの特性 とくせい はパルスレーザーに物理 ぶつり 的 てき 消耗 しょうもう 変化 へんか として現 あらわ れる。この場合 ばあい 、放熱 ほうねつ 管理 かんり がレーザー自体 じたい の寿命 じゅみょう と利得 りとく を左右 さゆう する。
基盤 きばん となる理論 りろん [ 編集 へんしゅう ]
1917年 ねん 、アルベルト・アインシュタイン の論文 ろんぶん Zur Quantentheorie der Strahlung (放射 ほうしゃ の量子 りょうし 論 ろん について)がレーザーとメーザーの理論 りろん 的 てき 基礎 きそ を確立 かくりつ した。アインシュタインは、電磁 でんじ 放射 ほうしゃ の吸収 きゅうしゅう 、自然 しぜん 放出 ほうしゅつ 、誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ についての確 かく 率 りつ 係数 けいすう (アインシュタイン係数 けいすう )に基 もと づいて、マックス・プランク の輻射 ふくしゃ 公式 こうしき から新 あら たな公式 こうしき を導 みちび き出 だ した。
1928年 ねん 、Rudolf W. Ladenburg は誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ および負 まけ の吸収 きゅうしゅう という現象 げんしょう が存在 そんざい することを確認 かくにん した[2] 。
1939年 ねん 、Valentin A. Fabrikant は誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ を使 つか って「短 みじか い」波長 はちょう を増幅 ぞうふく できる可能 かのう 性 せい を予言 よげん した[3] 。
1947年 ねん 、ウィリス・ラム とR. C. Retherford は水素 すいそ スペクトルに明 あき らかな誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ を発見 はっけん し、誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ について世界 せかい 初 はつ のデモンストレーションを行 おこな った[2] 。
1950年 ねん 、アルフレッド・カストレル (1966年 ねん ノーベル物理 ぶつり 学 がく 賞 しょう 受賞 じゅしょう )は光 ひかり ポンピング法 ほう を提案 ていあん し、数 すう 年 ねん 後 ご に Brossel、Winter と共 とも に実験 じっけん で確認 かくにん した[4] 。
1953年 ねん 、チャールズ・タウンズ は、大学院生 だいがくいんせい の James P. Gordon と Herbert J. Zeiger と共 とも に世界 せかい 初 はつ のマイクロ波 は 増幅器 ぞうふくき を開発 かいはつ し、メーザーと名付 なづ けた。この装置 そうち はレーザーと同様 どうよう の原理 げんり に基 もと づくが、赤外線 せきがいせん や可視 かし 光線 こうせん ではなくマイクロ波 は を増幅 ぞうふく するものである。ただし、タウンズのメーザー は連続 れんぞく 出力 しゅつりょく ができなかった。
同 おな じ頃 ごろ 、ソビエト連邦 れんぽう のニコライ・バソフ とアレクサンドル・プロホロフ が独自 どくじ に量子 りょうし 振動 しんどう について研究 けんきゅう し、2つのエネルギー準 じゅん 位 い を使 つか って連続 れんぞく 出力 しゅつりょく 可能 かのう なメーザー を開発 かいはつ した。
これらのメーザーシステムは基底 きてい 状態 じょうたい に落 お ちることなく誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ でき、したがって反転 はんてん 分布 ぶんぷ になっている。
1955年 ねん 、プロホロフとバソフは反転 はんてん 分布 ぶんぷ を作 つく り出 だ す手段 しゅだん として多 た 準 じゅん 位 い 系 けい の光 ひかり ポンピング法 ほう を示唆 しさ し、それが後 のち にレーザーポンピングの主 おも な手法 しゅほう となった。
1964年 ねん 、タウンズ、バソフ、プロホロフは「量子 りょうし エレクトロニクス の分野 ぶんや に基本 きほん 的 てき な貢献 こうけん をし、メーザー・レーザーの原理 げんり に基 もと づく発振器 はっしんき と増幅器 ぞうふくき をもたらした」としてノーベル物理 ぶつり 学 がく 賞 しょう を受賞 じゅしょう した。
タウンズは、ニールス・ボーア 、ジョン・フォン・ノイマン 、イジドール・イザーク・ラービ 、ポリカプ・クッシュ らがメーザーは理論 りろん 的 てき に不可能 ふかのう だと反対 はんたい していたことを明 あ かしている[5] 。
1957年 ねん 、ベル研究所 けんきゅうじょ に勤 つと めていたチャールズ・タウンズとアーサー・ショーロー は、赤外線 せきがいせん レーザーを真剣 しんけん に研究 けんきゅう し始 はじ めた。研究 けんきゅう が進 すす むと彼 かれ らは赤外線 せきがいせん をやめ、可視 かし 光線 こうせん に集中 しゅうちゅう するようになった。当初 とうしょ この概念 がいねん は「光学 こうがく メーザー」と呼 よ ばれていた。
1958年 ねん 、ベル研究所 けんきゅうじょ は光学 こうがく メーザーについての特許 とっきょ を出願 しゅつがん 。同年 どうねん 、ショーローとタウンズはフィジカル・レビュー 誌 し に光学 こうがく メーザーの理論 りろん 計算 けいさん の原稿 げんこう を送 おく り、それが掲載 けいさい された(Volume 112, Issue No. 6)。このとき取得 しゅとく された特許 とっきょ が、レーザーに関 かん する基本 きほん 特許 とっきょ となっている。
1958年 ねん 、プロホロフも独自 どくじ に開放 かいほう 共振 きょうしん 器 き の使用 しよう を提案 ていあん し、ソ連 それん 国内 こくない でそれを発表 はっぴょう した。
この頃 ころ 、コロンビア大学 ころんびあだいがく の大学院生 だいがくいんせい ゴードン・グールド は、励起 れいき したタリウム のエネルギー準 じゅん 位 い についての学位 がくい 論文 ろんぶん を書 か いていた。グールドはタウンズと会 あ って電磁 でんじ 放射 ほうしゃ の放出 ほうしゅつ について話 はな し合 あ い、1957年 ねん 11月に、"laser" や開放 かいほう 共振 きょうしん 器 き のアイデアについてノートに書 か いていた。
ベル研究所 けんきゅうじょ では、ショーローとタウンズが開放 かいほう 共振 きょうしん 器 き を使 つか ったレーザーの設計 せっけい で合意 ごうい に達 たっ していた。このとき、彼 かれ らはプロホロフの発表 はっぴょう も、グールドの未 み 発表 はっぴょう のアイデアも知 し らなかった。
1959年 ねん の学会 がっかい で、ゴードン・グールドは論文 ろんぶん The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation の中 なか で初 はじ めて "LASER" という言葉 ことば を公 おおや けにした[6] [7] 。グールドは、マイクロ波 は が "maser" なら、同様 どうよう の概念 がいねん には全 すべ て "-aser" を後 うし ろにつけ、光 ひかり (light) なら "laser"、X線 せん なら "xaser"(ゼーザー)、紫外線 しがいせん なら "uvaser" (ユヴェーザー)と呼 よ ぶことを想定 そうてい していた。しかし、レーザー (laser) 以外 いがい の用語 ようご は定着 ていちゃく しなかった。
グールドのノートにはレーザーの用途 ようと として、分光 ぶんこう 法 ほう 、干渉 かんしょう 法 ほう 、レーダー 、原子核 げんしかく 融合 ゆうごう などが書 か かれていた。彼 かれ はその考 かんが えを発展 はってん させ、1959年 ねん 4月 がつ に特許 とっきょ を出願 しゅつがん した。しかし米国 べいこく 特許 とっきょ 商標 しょうひょう 庁 ちょう はグールドの出願 しゅつがん を却下 きゃっか し、1960年 ねん にベル研究所 けんきゅうじょ に特許 とっきょ を与 あた えた。そのため、28年 ねん におよぶ訴訟 そしょう となった。グールドは1977年 ねん にマイナーな特許 とっきょ で勝利 しょうり を勝 か ち取 と ったが、光 ひかり ポンピングとガス放電 ほうでん を使 つか ったレーザー装置 そうち についての特許 とっきょ をグールドに与 あた えることを法廷 ほうてい が特許庁 とっきょちょう に命令 めいれい したのは1987年 ねん のことだった。
1960年 ねん 5月 がつ 16日 にち 、カリフォルニアのヒューズ研究所 けんきゅうじょ のセオドア・メイマン が、コロンビア大学 ころんびあだいがく のタウンズやベル研究所 けんきゅうじょ のショーロー[8] やTRG (Technical Research Group) のグールドに先駆 さきが けて、最初 さいしょ のレーザー発生 はっせい 装置 そうち を開発 かいはつ した[9] [10] 。メイマンのレーザー装置 そうち は、ポンピング用 よう の閃光 せんこう 放電 ほうでん 管 かん で合成 ごうせい ルビー を励起 れいき させるルビーレーザー であり、694ナノメートルの波長 はちょう の赤 あか い光 ひかり を発生 はっせい させる。しかし3準 じゅん 位 い レーザー であるため、パルス発振 はっしん しかできなかった。
直後 ちょくご にイラン 人物 じんぶつ 理学 りがく 者 しゃ Ali Javan と William R. Bennett、Donald Herriot が、ヘリウム とネオン を使 つか った初 はつ のガスレーザー を開発 かいはつ した。Javanは1993年 ねん にAlbert Einstein World Award of Science を受賞 じゅしょう した。
また、ボソフとJavanは量子 りょうし 振動 しんどう 子 こ による半導体 はんどうたい レーザー の概念 がいねん を提案 ていあん した。
1962年 ねん 、Robert N. Hall がヒ化 か ガリウム を使 つか った半導体 はんどうたい レーザー素子 そし を開発 かいはつ し、850ナノメートルの近 ちか 赤外線 せきがいせん レーザー発生 はっせい に成功 せいこう した。直後 ちょくご にニック・ホロニアック が可視 かし 光 こう の半導体 はんどうたい レーザーの実験 じっけん に成功 せいこう した。初期 しょき のガスレーザーと同様 どうよう 、初期 しょき の半導体 はんどうたい レーザーはパルス発振 はっしん しかできず、液体 えきたい 窒素 ちっそ で冷却 れいきゃく する必要 ひつよう があった。
1970年 ねん 、ソ連 それん のジョレス・アルフョーロフ 、林 はやし 厳 いむ 雄 つよし 、ベル研究所 けんきゅうじょ の Morton Panish がそれぞれ独自 どくじ に常温 じょうおん で連続 れんぞく 発振 はっしん できるヘテロ接合 せつごう 構造 こうぞう を使 つか った半導体 はんどうたい レーザー素子 そし を開発 かいはつ した。
1985年 ねん 、チャープパルス増幅 ぞうふく (Chirped Pulse Amplification ; CPA)法 ほう [11] が提案 ていあん された。これにより、原子 げんし 、分子 ぶんし 内 ない の電子 でんし が核 かく から受 う ける電場 でんじょう 以上 いじょう の高 こう 強度 きょうど レーザーの発振 はっしん が可能 かのう となった。
媒質 ばいしつ による分類 ぶんるい [ 編集 へんしゅう ]
レーザーは媒質 ばいしつ (誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ を起 お こす物質 ぶっしつ )によっていくつかの種類 しゅるい に分 わ けられる。
固体 こたい レーザー
媒質 ばいしつ が固体 こたい であるものを固体 こたい レーザー という。通常 つうじょう 、結晶 けっしょう を構成 こうせい する原子 げんし の一部 いちぶ が他 た の元素 げんそ に置 お き換 か わった構造 こうぞう を持 も つ人工 じんこう 結晶 けっしょう が用 もち いられ、代表 だいひょう 的 てき なものにクロム を添加 てんか したルビー 結晶 けっしょう によるルビーレーザー や、YAG 結晶 けっしょう 中 ちゅう のイットリウム を他 た の希土類 きどるい 元素 げんそ で置換 ちかん した種々 しゅじゅ のYAGレーザー がある。ネオジム 添加 てんか YAGを用 もち いたNd:YAGレーザー は波長 はちょう が1064nmの赤外線 せきがいせん を発 はっ する。ただし非線形 ひせんけい 光学 こうがく 結晶 けっしょう を用 もち いて高調 こうちょう 波 は を発生 はっせい させることによって、波長 はちょう 532nmの緑色 みどりいろ の光 ひかり (SHG )や355nmの紫外線 しがいせん (THG)なども出 だ すことができる。また、サファイア にチタン を添加 てんか した結晶 けっしょう を媒質 ばいしつ に使用 しよう したチタンサファイアレーザー があり、超 ちょう 短 たん パルス発振 はっしん が可能 かのう である。
固体 こたい レーザーの励起 れいき 光源 こうげん としてレーザーダイオードを用 もち いたものをDPSSL(Diode Pumped Solid State Laser、ダイオード励起 れいき 固体 こたい レーザー)という。
液体 えきたい レーザー
媒質 ばいしつ が液体 えきたい であるレーザーを液体 えきたい レーザーといい、色素 しきそ 分子 ぶんし を有機 ゆうき 溶媒 ようばい (アルコールなど)に溶 と かした有機 ゆうき 色素 しきそ を媒質 ばいしつ とした色素 しきそ レーザー がよく利用 りよう されている。色素 しきそ レーザーの利点 りてん は使用 しよう する色素 しきそ や共振 きょうしん 器 き の調節 ちょうせつ によって発振 はっしん 波長 はちょう を自由 じゆう に、かつ連続 れんぞく 的 てき に選択 せんたく できることである。色素 しきそ レーザーは1970年代 ねんだい 以降 いこう 超 ちょう 短 たん パルスレーザーとしてよく用 もち いられたが、より性能 せいのう の良 よ い固体 こたい レーザーに置 お き換 か えられていった。
ガスレーザー
媒質 ばいしつ が気体 きたい のものはガスレーザー(気体 きたい レーザー )と呼 よ ばれる。中性 ちゅうせい 原子 げんし レーザー(ヘリウムネオンレーザー (He-Ne。赤色 あかいろ )など)、イオンレーザー(アルゴンイオンレーザー (Ar-ion。主 おも に青色 あおいろ または緑色 みどりいろ )など)、分子 ぶんし レーザー(炭酸 たんさん ガスレーザー (赤 あか 外 がい )、窒素 ちっそ レーザー (紫 むらさき 外 がい )など)、エキシマレーザー (主 おも に紫 むらさき 外 がい )、金属 きんぞく 蒸気 じょうき レーザー (金属 きんぞく 蒸気 じょうき を電子 でんし 線 せん 等 とう で励起 れいき して誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ する。ヘリウムカドミニウムレーザー など)などに分 わ けることができる。化学 かがく レーザー を気体 きたい レーザーに含 ふく める時 とき もある。
半導体 はんどうたい レーザー
媒質 ばいしつ が半導体 はんどうたい である物 もの は固体 こたい レーザーとは区別 くべつ され、半導体 はんどうたい レーザー あるいはレーザーダイオード(LD)と呼 よ ばれている。レーザーポインター や光 ひかり ディスク の読 よ み書 か きなど低 てい 出力 しゅつりょく でもよいレーザーに主 おも に使用 しよう されている。安価 あんか で小型 こがた なため、利用 りよう が広 ひろ まっている。
自由 じゆう 電子 でんし レーザー
真空 しんくう 中 ちゅう で光速 こうそく に近 ちか い自由 じゆう 電子 でんし に磁界 じかい を加 くわ え進路 しんろ を変 か えるとき発生 はっせい する放射光 ほうしゃこう を利用 りよう するレーザーは、自由 じゆう 電子 でんし レーザー と呼 よ ばれる。
化学 かがく レーザー
化学 かがく 反応 はんのう 励起 れいき による誘導 ゆうどう 放出 ほうしゅつ を利用 りよう するレーザーを化学 かがく レーザー と呼 よ ぶ。酸素 さんそ -ヨウ素 す 化学 かがく レーザー (en )やフッ化 か 水素 すいそ レーザー などがある。高 こう 出力 しゅつりょく のレーザーを発振 はっしん できる。
ファイバーレーザー
希土類 きどるい を添加 てんか して利得 りとく を広帯域 こうたいいき 化 か させたファイバーをレーザー媒質 ばいしつ として用 もち いる。安価 あんか でコンパクト・高 こう 出力 しゅつりょく 。超 ちょう 短 たん パルスを作成 さくせい するには性能 せいのう が制限 せいげん されるが、レーザー加工 かこう によく用 もち いられる。また、光通信 ひかりつうしん 用途 ようと としても利用 りよう される。
発振 はっしん 方式 ほうしき による分類 ぶんるい [ 編集 へんしゅう ]
レーザーは光 ひかり の強 つよ さの時間 じかん 的 てき な変化 へんか でも分 わ けることができる。
断続 だんぞく 的 てき にレーザー光 こう を出 だ すパルスレーザー と、連続 れんぞく 的 てき にレーザー光 こう を出 だ すCWレーザー (Continuous wave laser)とに区別 くべつ することができる。前者 ぜんしゃ は、複数 ふくすう の波長 はちょう で位相 いそう をそろえて同時 どうじ に発振 はっしん させるモード同期 どうき という手法 しゅほう を用 もち いるか、またはQスイッチ という原理 げんり を用 もち いて、瞬間 しゅんかん 的 てき に非常 ひじょう に強 つよ いパワーを出 だ すことが可能 かのう である。後者 こうしゃ はパルス動作 どうさ と比 くら べると瞬間 しゅんかん 的 てき なパワーは低 ひく いが、高 たか い時間 じかん 的 てき コヒーレンスを得 え ることが可能 かのう で、そのため干渉 かんしょう などの現象 げんしょう を観測 かんそく しやすい。
波長 はちょう による分類 ぶんるい [ 編集 へんしゅう ]
レーザーは発振 はっしん される光 ひかり の波長 はちょう によって分類 ぶんるい することも出来 でき る。
多 おお くの場合 ばあい 、使用 しよう されるレーザー媒質 ばいしつ によって、レーザーの発振 はっしん 波長 はちょう はほぼ決 き まる。多 おお くのレーザー媒質 ばいしつ は、ごく限定 げんてい された波長 はちょう 範囲 はんい でしか利得 りとく を持 も たないからである。ただし、色素 しきそ レーザーやチタンサファイアレーザー など、広 ひろ い波長 はちょう 範囲 はんい で利得 りとく を持 も つ媒質 ばいしつ も存在 そんざい する。これらの場合 ばあい は共振 きょうしん 器 き 長 ちょう や、利得 りとく スペクトルの形状 けいじょう などにより発振 はっしん 波長 はちょう が決 き まる。また自由 じゆう 電子 でんし レーザー では、媒質 ばいしつ となる電子 でんし ビームの利得 りとく 波長 はちょう を自由 じゆう に選 えら ぶことが出来 でき るため、任意 にんい の波長 はちょう で発振 はっしん することができる。
赤外線 せきがいせん レーザー
波長 はちょう によっては、大気 たいき 中 ちゅう での減衰 げんすい が最 もっと も小 ちい さい
可視 かし 光線 こうせん レーザー
当 あ たった場所 ばしょ を視認 しにん することが出来 でき るのでレーザーポインター などに使用 しよう されている。
紫外線 しがいせん レーザー
X線 せん レーザー
軌道 きどう 電子 でんし の遷移 せんい を起源 きげん とするものをX線 せん と呼 よ ぶため、レーザーの原理 げんり 上 じょう はガンマ線 がんません の領域 りょういき であっても硬 かた X線 せん レーザーと呼 よ ぶ。
大気 たいき 中 ちゅう での伝送 でんそう に適 てき した波長 はちょう [ 編集 へんしゅう ]
大気 たいき 中 ちゅう に伝播 でんぱ するレーザー光 こう は、気体 きたい 分子 ぶんし による吸収 きゅうしゅう や散乱 さんらん により減衰 げんすい される。気体 きたい 分子 ぶんし による吸収 きゅうしゅう の少 すく ない波長 はちょう は可視 かし 〜赤 あか 外 がい 領域 りょういき の一部 いちぶ に存在 そんざい し、大気 たいき の窓 まど と呼 よ ばれる。一方 いっぽう 、気体 きたい 分子 ぶんし による散乱 さんらん は波長 はちょう が長 なが い光 ひかり ほど少 すく なくてすむ。このため、大気 たいき 中 ちゅう で長距離 ちょうきょり を伝送 でんそう する用途 ようと には、大気 たいき の窓 まど の中 なか に発振 はっしん 波長 はちょう をもつ赤外線 せきがいせん レーザーが用 もち いられる。たとえば炭酸 たんさん ガスレーザー は、大気 たいき 中 ちゅう の伝送 でんそう させる用途 ようと によく用 もち いられるレーザーのひとつである。
X線 せん の高 こう 出力 しゅつりょく レーザーを空気 くうき 中 ちゅう に照射 しょうしゃ すると、気体 きたい 分子 ぶんし をプラズマ化 か させ、プラズマから放射 ほうしゃ される光 ひかり を見 み ることができる。このとき、レーザーのエネルギーは、空気 くうき をプラズマ化 か させることに使 つか われて激 はげ しく減衰 げんすい してしまい、長距離 ちょうきょり を伝播 でんぱ させることは難 むずか しい。
1.4μ みゅー mから2.6μ みゅー mまでの波長 はちょう のレーザー光 こう は角膜 かくまく で吸収 きゅうしゅう され、網膜 もうまく まで達 たっ しにくいため、マーケティング的 てき にこのように呼称 こしょう される事 こと がある。ただし、これらの波長 はちょう のレーザーを「アイセーフ」と呼称 こしょう することは、実際 じっさい に安全 あんぜん であるのは比較的 ひかくてき 弱 よわ い出力 しゅつりょく の連続 れんぞく 光 こう レーザーのみであるため、誤解 ごかい を招 まね く。これらの波長 はちょう でも、出力 しゅつりょく が強 つよ かったり、ピーク出力 しゅつりょく が高 たか いQスイッチレーザーなどでは、容易 ようい に角膜 かくまく を焼 や き,深刻 しんこく な肉眼 にくがん への障害 しょうがい を招 まね きうる。また、それほどの強度 きょうど ではなくても、肉眼 にくがん への損傷 そんしょう が想定 そうてい され得 え る。
レーザー安全 あんぜん の規格 きかく [12] においても、アイセーフレーザーはクラス1を表 あらわ すと明記 めいき されており、特定 とくてい の波長 はちょう のレーザーをアイセーフと呼称 こしょう することへの危険 きけん 性 せい への注意 ちゅうい がなされている。
レーザーは、多 おお くの分野 ぶんや で利用 りよう されている。
安全 あんぜん 基準 きじゅん とクラス分 わ け[ 編集 へんしゅう ]
レーザー警告 けいこく シンボル
レーザーは出力 しゅつりょく の低 ひく いものでも、直視 ちょくし すると失明 しつめい の危険 きけん があり注意 ちゅうい が必要 ひつよう である。国際 こくさい 機関 きかん である国際電気 こくさいでんき 標準 ひょうじゅん 会議 かいぎ (International Electro-technical Commission、略称 りゃくしょう IEC )の60825-1「レーザー機器 きき 及 およ びその使用 しよう 者 しゃ のための安全 あんぜん 指針 ししん 」により、レーザー機器 きき の出力 しゅつりょく 、レ れ ーザ ざ ー光線 こうせん の波長 はちょう などによる、クラス分 わ けがなされており、クラス毎 ごと に労働 ろうどう 衛生 えいせい 安全 あんぜん 管理 かんり 体制 たいせい の整備 せいび が必要 ひつよう となる。
国内 こくない における安全 あんぜん 基準 きじゅん
JIS (日本工業規格 にほんこうぎょうきかく )
アメリカにおける安全 あんぜん 基準 きじゅん
ANSI (米国 べいこく 規格 きかく 協会 きょうかい )
ANSI Z 136.1 「レーザーに関 かん する安全 あんぜん な使用 しよう 」
FDA (米国 べいこく 食品 しょくひん 医薬品 いやくひん 局 きょく )
FDA 21CFR PART1040_10and1040.11 「保護 ほご と安全 あんぜん のための放射線 ほうしゃせん 規制 きせい 法 ほう 」
クラス分 わ けと制約 せいやく 条件 じょうけん [ 編集 へんしゅう ]
上記 じょうき JIS C 6802の平成 へいせい 17年 ねん 改訂 かいてい を元 もと にしたクラス分 わ け。
クラス1
合理 ごうり 的 てき に予見 よけん 可能 かのう な運転 うんてん 状 じょう 況 きょう 下 か で安全 あんぜん であるレーザー。どのような光学 こうがく 系 けい (レンズや望遠鏡 ぼうえんきょう )で集 しゅう 光 ひから しても、眼 め に対 たい して安全 あんぜん なレベルであり、クラス1であることを示 しめ すラベルを貼 は る以外 いがい は特 とく に対策 たいさく は要求 ようきゅう されていない。
クラス2
可視 かし 光 こう のみに規定 きてい され、眼 め の保護 ほご は「まばたき」などの嫌悪 けんお 反応 はんのう により行 おこな われることによりクラス1なみの安全 あんぜん が確保 かくほ されるレーザー。
クラス1M
合理 ごうり 的 てき に予見 よけん 可能 かのう な運転 うんてん 状 じょう 況 きょう 下 か で安全 あんぜん である302.5 - 4000nmの波長 はちょう 範囲 はんい の光 ひかり を放出 ほうしゅつ するレーザー。光学 こうがく 系 けい で覗 のぞ かない限 かぎ りは安全 あんぜん なレベルである。
クラス2M
可視 かし 光 こう のみに規定 きてい され、眼 め の保護 ほご は「まばたき」などの嫌悪 けんお 反応 はんのう により安全 あんぜん が確保 かくほ されるレーザー。光学 こうがく 系 けい で覗 のぞ かない限 かぎ りは安全 あんぜん なレベルである。
クラス3R
直接 ちょくせつ のビーム内 ない 観察 かんさつ は潜在 せんざい 的 てき に危険 きけん であるが、その危険 きけん 性 せい はクラス3Bレーザーに対 たい するものよりも低 ひく いレーザー。製造 せいぞう 者 しゃ や使用 しよう 者 しゃ に対 たい する規制 きせい 対策 たいさく がクラス3Bレーザーに対 たい し緩和 かんわ されている。クラス1あるいはクラス2のAELの5倍 ばい 以内 いない である。鍵 かぎ やインタロックを取 と り付 つ ける必要 ひつよう がない点 てん で、その上 うえ のクラスとは異 こと なっている。
クラス3B
連続 れんぞく 発振 はっしん レーザーで0.5W以下 いか 、パルスレーザーで10~5Jm/m~2以下 いか のもの。直接 ちょくせつ 見 み ることは危険 きけん なレーザー。直視 ちょくし をしなければ安全 あんぜん なレベル。鍵 かぎ やインタロックを取 と り付 つ ける必要 ひつよう がある。使用 しよう 中 ちゅう の警報 けいほう 表示 ひょうじ などが必要 ひつよう 。
クラス4
散乱 さんらん された光 ひかり を見 み ても危険 きけん なレーザー。皮膚 ひふ に当 あ たると火傷 かしょう を生 しょう じたり、物 もの に当 あ たると火災 かさい を生 しょう じたりする恐 おそ れのあるものを含 ふく む。出射 しゅっしゃ したビームは必 かなら ずブロックするなどの対策 たいさく が必要 ひつよう 。鍵 かぎ やインタロックを取 と り付 つ けることや、使用 しよう 中 ちゅう の警報 けいほう 表示 ひょうじ などが必要 ひつよう 。
^ JIS Z8301 では最後 さいご を伸 の ばさないが、国語 こくご 表記 ひょうき の基準 きじゅん (文化庁 ぶんかちょう )では伸 の ばす。
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