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1 レーザーってなに?

Laserの誕生

ノーベル物理学賞を受賞したアインシュタインが1920年代半ばに行った「誘導放出の研究」という論文がレーザーの発想の原点です。1954年に、C・タウンズらが、電波の一種のマイクロ派を強力にまっすぐに送り出す装置(誘導放出によるマイクロ波増幅装置)である「水素メーザー」を開発しました。1960年にはアメリカのT.H.メイマンがルビーの結晶(媒質(ばいしつ))を使い、光を強力に直線的に送り出すレーザー発振装置を開発しました。これが近代レーザーの誕生です。現在では、Laser光の素である「媒質」も増え、多くの種類のLaser光が使用されるようになりました。

Laserの名前の由来

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(誘導放出による増幅した光)が「Laser」の名前の由来であり、1957年にグルードが「Laser」として言葉を発表したといわれています。

Laserの種類

Laserの種類の分類には幾つかの分け方があります。

[Ⅰ] レーザー媒質による種類

(1)固体レーザー

媒質が固体であるものを固体レーザーといいます。ふつうは、人工結晶が用いられ、代表的なものには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(YttriumAluminumGarnet)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レーザーがあります。ネオジム添加YAGを用いたNd:YAGレーザーは波長が1064nmの赤外線を発生させます。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、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ます。
固体レーザーの励起(れいき)光源としてレーザーダイオードを用いたものをDPSS(ダイオード励起固体レーザー)といいます。

(2)ガスレーザー

媒質が気体のものはガスレーザーといいます。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(青色または緑色)、エキシマレーザー(紫外)などがあります。

(3)液体レーザー

媒質が液体であるレーザーを液体レーザーといいます。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ます。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、連続的に選択できることです。

(4)半導体レーザー

媒質が半導体である物は固体レーザーとは区別しています。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ます。安価で小型なため、いろいろな分野で多く使われています。

代表的なレーザーの用途

(1)ルビーレーザー

レーザーとして取り出す効率が悪い為研究、産業用にはあまり使用されません。用途としては、医療用途(特に美容)でシミ・ホクロ消しに利用されています。また、赤色の光を出すレーザーとして、ホログラフィーなどにも使われています。

(2)YAGレーザー

比較的取り出す効率が良い為研究、産業用など広い分野で使用されています。産業用途としては、金属溶接や穴あけ、切断などの利用が多く、主に金属などへの加工が多いようです。

(3)CO2レーザー

レーザーとして取り出す効率が非常によい為さまざまな分野で使用されています。用途としては、熱処理、切断、溶接、穴あけなどです。金属への加工は光の波長が合わない為、YAGに比べて大きなエネルギーが必要になります。

(4)その他

HeNe(ヘリウムネオン)、エキシマ、アルゴンなどが有ります。

[Ⅱ] 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。

[Ⅲ] 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

波長を落とすことで、熱エネルギーによる熱加工能力は低下しますが、レーザー光がもともと持っている光エネルギーが高くなり材料
の熱による影響が少なくなります。

[Ⅲ] 波長による分類