2024年2月

概要

マイクロチップレーザは、非常に小型のレーザであり、高密度の情報処理やセンシングなどに広く使用されます。通常、固体レーザまたは半導体レーザであり、非常に短いパルス幅を生成することができます。これにより、高密度の情報処理に適しています。

マイクロチップレーザの開発には、レーザ加工技術、半導体技術、光学技術など、多くの技術分野が関わっています。現在、マイクロチップレーザは、データストレージ、通信、センサー、生物医学分野で使用されています。

マイクロチップレーザは、1980年代初頭に最初に開発され、その後、センサーや生物医学分野など、他の分野でも使用されるようになりました。マイクロチップレーザの特徴は、小型であることと、非常に短いパルス幅を生成できることです。これにより、高速で正確な光パルスを生成することができ、情報処理やセンシングなど、多くの分野で重要な役割を果たしています。

原理

マイクロチップレーザは、固体レーザまたは半導体レーザの一種で、その原理は一般的なレーザ発振に基づいています。レーザ発振は、活性媒体（レーザ媒体）に光を注入し、光の共鳴を利用して光を増幅し、最終的にレーザ光を発生させる過程です。

マイクロチップレーザの場合、通常、レーザ媒体は非常に小型化されており、微小なマイクロチップの上に配置されています。レーザ媒体は、通常、固体レーザの場合にはNd:YAG（ネオジウムドープイットリウムアルミニウムガーネット）やNd:YVO4（ネオジウムドープイットリウムバナジウム酸化物）などが使用され、半導体レーザの場合には、ガリウムアルセニド（GaAs）やガリウム砒素化合物（GaInAs）などが使用されます。

レーザ発振には、媒体に光を注入することが必要です。これは、通常、光ファイバーやレーザーダイオードなどの光源を使用して行われます。光源から出力された光は、レンズやミラーなどの光学素子によってレーザ媒体に注入されます。レーザ媒体内の光は共鳴し、媒体内で反射され、増幅され、最終的にレーザー光が発生します。

特長

マイクロチップレーザの特長には、以下のようなものがあります。

1. 小型化: マイクロチップレーザは非常に小型であり、一般的に数mmから数cm程度のサイズです。これは、半導体技術を使用して製造されるためで、従来のレーザよりもはるかにコンパクトであることが特徴です。
2. 高出力: マイクロチップレーザは非常に高い出力を発揮することができます。このため、レーザ加工やレーザ治療など、高出力が必要な分野で広く使用されています。
3. 高効率: マイクロチップレーザは、効率的に光を発生させることができます。また、省エネルギーであるため、環境に優しいエネルギー源として注目されています。
4. 短いパルス幅: マイクロチップレーザは、短いパルス幅を生成することができます。これは、短時間の間に高出力の光を発生させることができるため、レーザ加工やレーザ治療など、精密な光学的操作が必要な分野で広く使用されています。
5. 高い信頼性: マイクロチップレーザは、半導体技術を使用して製造されるため、信頼性が高く、長期間安定した性能を維持することができます。
6. 多様な波長: マイクロチップレーザは、様々な波長を発生することができます。これにより、幅広い応用分野に対応することができます。
7. 安価: マイクロチップレーザは、半導体技術を使用して製造されるため、従来のレーザに比べて安価であることが特徴です。これは、レーザ加工や光通信など、大量生産が必要な分野で広く使用される理由の一つです。

以上のような特徴を備えたマイクロチップレーザは、幅広い応用分野で使用されています。

歴史

マイクロチップレーザの歴史は、1960年代に固体レーザ技術が発展したことに始まります。当時、最初のレーザは、ルビーレーザやNd:YAGレーザのような固体レーザでしたが、これらのレーザは非常に大きく、高価でした。その後、1970年代には半導体レーザ技術が発展し、より小型かつコスト効率が高いレーザを作成することができるようになりました。

1990年代以降、マイクロチップレーザの開発が進み、研究者たちはさまざまなレーザ媒体を使用して、より小型で高性能なレーザを作成する方法を模索しました。特に、Nd:YVO4を使用したレーザは、高出力、高効率、高信頼性、短いパルス幅などの特徴を備えていたため、広く使用されるようになりました。

2000年代には、マイクロチップレーザは、多様な応用分野で使用されるようになりました。たとえば、医療分野では、マイクロチップレーザを使用して、レーザ治療や光凝固療法などが行われています。工業分野では、マイクロチップレーザを使用して、レーザ加工、マーキング、溶接などが行われています。また、マイクロチップレーザは、光学通信、センシング、バイオテクノロジー、量子情報処理などの分野でも使用されています。

参考

マイクロチップレーザ

マイクロチップレーザー

高出力マイクロチップレーザー

概要

ルビーレーザーは、合成ルビー結晶を利得媒質とする固体レーザーの一種です。

1960年5月16日、ヒューズ研究所のTheodore H. Maimanによって作られたルビーレーザーが最初の実用化されたレーザーです。

ルビーレーザーは、波長694.3nmのコヒーレントな深い赤色の可視光線のパルス発振のレーザーで、一般的なパルス長は、1ミリ秒のオーダーとなっています。

構成

ルビーレーザーは、多くの場合、ロッド状のルビーを媒質として構成されています。合成ルビー、すなわちアルミナ骨格 (Al2O3) の Al 原子のうち0.01～0.5%程度が発光原子であるクロムに置換されたものをレーザ媒質として用います。

反転増幅をさせるために、キセノンフラッシュランプ等で非常に高いエネルギーで励起します。このルビーロッドは共振器である 2 枚の鏡の間に置かれ、ルビーの蛍光によって生じる光を発振させ、誘導放出させられます。

ルビーは可視光領域の光を発する数少ない固体レーザーで、694.3nmで発振し、0.53nmという非常に狭い線幅であるというのが特徴です。

ルビーレーザーは他の材料に比べてパルス幅を長くすることができ、非常に高いエネルギーでの励起が可能です。また、非常に広い吸収プロファイルを持つ一方で、その変換効率は他の媒体に比べて非常に低いというのが欠点となっています。

また、近年美容用途で用いられる場合には、Qスイッチをつけて短時間だけ照射することで、皮膚へのダメージを減らす工夫もされています。

さらに、モード同期や増幅技術の進歩があり、1970年代には毎年数倍という驚異的な速さで改良が進められました。

応用例

ルビーレーザーの最初の用途の1つは、距離測定でした。1964年には、回転プリズムQスイッチを備えたルビーレーザーが軍用距離計の標準となり、その10年後にはより効率的なNd:YAG距離計が製造されました。

また、ルビーレーザーは波長可変色素レーザを光学的に励起するために使われた最初のレーザーで、特に近赤外で発光する色素レーザーの励起に使用されました。

近年では、原因となるメラミンへの反応が高いレーザーであることから、シミやほくろ除去など美容用途での広がりも見せています。

残念ながら、ルビーレーザーは主に低効率と低い繰り返し周波数のために、産業ではほとんど使用されていません。しかし、ルビーレーザーの高出力ビームはダイヤモンドの赤色の幅広い吸収帯（GR1バンド）と相性が良いため、ダイヤモンドの穴加工に用いられたこともあります。

概要

色素レーザ（ダイレーザ）は、レーザ媒質が色素を含んだ液体のレーザで、毛細血管拡張症やいちご状血管腫などを治療するために使われるレーザ機器です。皮膚の医療目的で多く用いられます。大まかなな仕組みとしては、赤色への吸収率が高い585nmの波長を用いて血管の異常を治療します。

ここでは、医療応用例をメインにその特長等を紹介します。

原理

治療の原理

色素レーザは、次のようなメカニズムで血管病変を治療します。

1.赤血球の酸化ヘモグロビンにレーザが吸収される

2.吸収されたレーザの光が熱エネルギーに変わる

3.赤血球が発熱して周囲の毛細血管を損傷させる

4.損傷した毛細血管は塞がる

5.熱で破壊された血管は正常な組織におきかえられる

この治療では、1回の治療ですべての血管を治療することはできません。そのため3～5回治療を繰り返す必要があります。

治療が有効な症状

いちご状血管腫 ：未熟な毛細血管が増殖してできる赤あざ

単純性血管腫 ：産まれた時にある平坦な赤あざ

毛細血管拡張症 ：飲酒などで拡張した毛細血管が戻らずに起こる赤ら顔などの症状

老人性血管腫 ：毛細血管が増殖しほくろのように見える腫瘍

炎症性ニキビ ：顔・首・下あごなどに広範囲に広がる赤ニキビ

歴史

色素レーザという名前は、そこまで特別なことではなく、実は昔はすべてのレーザが色素レーザでした。というのは、レーザの原理がすべて同じだったからです。有色の化合物を用いていたので色素という名前が用いられていましたが、無色の化合物を含めて「 色素」 とい う言葉を用いるようになっています。

参考

• 色素レーザーとは
• レーザー技術に使える色素とその活用 – J-Stage