2024年3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

概要

He-Cdレーザとは、ヘリウムとカドミウムをガスとして用いたガスレーザの一種です。紫外線（325 nm）や青色光（441.6 nm）を出力することができ、比較的安価でありながら高い出力を持つことから、科学研究や工業分野などで幅広く利用されています。

He-Cdレーザの原理は、ヘリウムガスを励起させてエネルギーを与え、そのエネルギーをカドミウム蒸気に伝えることでカドミウム原子を励起状態にします。そして、励起されたカドミウム原子が放出する光が共振器内で反射・増幅されることによって、レーザ光を発生させます。

He-Cdレーザは、波長が紫外線に近いため、顕微鏡や顕微探針、光学式デジタルディスク、蛍光分光法などの分野で利用されています。また、照明や医療機器などでも使用されており、近年ではレーザ加工分野でも活用されています。

原理

He-Cdレーザの原理は、ヘリウムとカドミウムをガスとして用いたガスレーザの一種で、以下のような過程でレーザ光を発生させます。

1. ヘリウムガスを放電させて励起状態にすることで、ヘリウム原子にエネルギーを与えます。
2. 励起されたヘリウム原子が、カドミウム原子と衝突してエネルギーを伝達し、カドミウム原子を励起状態にします。
3. 励起されたカドミウム原子は、そのエネルギーを放出するために光を放出します。
4. 光が反射鏡の間を通り、同じ波長の光と干渉することで、増幅されます。
5. 最終的に、レーザ光が共振器から出射します。

応用

He-Cdレーザは、波長が紫外線や青色光に近いため、分光法や光学式デジタルディスク、医療機器などの分野で幅広く利用されています。また、比較的安価でありながら高い出力を持つため、研究分野や産業分野での利用が広がっています。

歴史

He-Cdレーザは、1960年代に開発されたガスレーザの一種です。当初は、光通信分野において、データ転送用の光源としての利用が期待されましたが、光ファイバーの発明によりその需要は減少しました。その後、分光法や医療機器などの分野で利用されるようになりました。

1967年、アメリカの物理学者であるW・J・アルバースハイマーは、He-Cdレーザの発光機構を研究し、レーザ光を紫外線領域まで拡張することに成功しました。その後、1970年代には、アメリカやドイツなどでHe-Cdレーザの商用化が進み、分光法や医療機器などの分野で幅広く利用されるようになりました。

1990年代以降は、He-Cdレーザの発光効率の向上や波長安定性の向上などが進み、光学式デジタルディスクや照明などの分野でも利用されるようになりました。しかし、He-Cdレーザの波長が紫外線に近いため、使用する際には適切な保護装置を備える必要があります。近年では、He-Cdレーザの代替技術として、半導体レーザや固体レーザなどが普及しています。

今後の展開

He-Cdレーザは、分光法や医療機器、光学式デジタルディスクなどの分野で幅広く利用されてきましたが、近年では代替技術の普及により、その需要は減少しています。

しかし、以下のような可能性があるとされています。

1. 生体医療分野での利用：He-Cdレーザは、紫外線や青色光に近い波長を持ち、光散乱や吸収が少ないため、生体内部への浸透性が高いとされています。そのため、生体組織の切除や加熱、細胞の処理などに利用される可能性があります。
2. 環境分野での利用：He-Cdレーザは、水中の微生物や有害物質の検出に利用されることがあります。さらに、He-Cdレーザを用いた光触媒によって、有害物質の分解や空気浄化が可能とされています。
3. 研究分野での利用：He-Cdレーザは、比較的安価でありながら高い出力を持ち、幅広い波長領域をカバーすることができます。そのため、研究分野での利用が期待されています。
4. 特殊な用途での利用：He-Cdレーザは、極低温下でも動作することができるため、量子コンピューターや量子通信などの分野で利用される可能性があります。

さいごに

He-Cdレーザは、強い紫外光を出せるため、非常に期待されたレーザでした。しかし、種類によっては毒性のあるカドミウムを使用しているため、環境に対する影響や取り扱いには注意が必要でした。また、代替技術の普及により、需要が減少しているという面もあります。今後、普及させていくには、メリットを最大限に活用できる応用先を模索する必要がありそうです。

参考

• He-Cdレーザーとは

概要

レーザクリーニングは、レーザ光を除去対象物に照射することによって、レーザの特長である高いエネルギー集光能力を活用して、物質の蒸発及び衝撃圧力によって、除去対象物を母材表面から剥離する、洗浄方法のことです。

この洗浄方法で一番大切なことは、レーザの強度です。除去したい領域にどれだけのエネルギーを充てるかがクリーニングの性能によります。要求される洗浄品質によりますが、レーザ強度によっては母材を損傷させてしまうこともありますので、その調整には非常に神経が必要です。

多くの場合、一度設定を決めてしまえば、レーザの再現性のため、再調整はほとんど必要なく、最適なクリーニングができます。

構成

レーザクリーニングは、レーザ照射を使用し母材のサビ、コーティング、汚れなど密度が低いものを除去するの洗浄方法です。

最も重要な構成要素は、レーザです。母材の密度や反射率等に応じて、最小限のダメージしか与えないようなレーザを選択します。波長や強度、パルス等が選択要素となります。

次に走査装置を検討します。多くの場合、ガルバノスキャナのようなデバイスを用いて高速にレーザを走査します。その走査速度やタイミング、方向等もクリーニングの性能に影響を与えます。

構造としては、手にレーザヘッドを持ってレーザ照射範囲を移動させるハンディタイプや、装置の中に組み込んでロボット等がレーザヘッドを走査するタイプもあります。

特徴

レーザクリーニングプロセスは、溶剤や水などを用いないドライ環境でのクリーニングになることが大きなメリットです。廃棄物の処理を必要とせず、非接触加工であるため、適正なレーザ照射条件を選定さえすれば、母材を傷つけずにクリーニングを行うことが可能です。

しかし、母材のダメージのリスクもあります。テスト加工を十分に行い、ダメージを最低限に抑えます。

装置のコストも高いですが、クリーニング内容によっては、十分に効果的な場合があります。

用途

• 錆おとし・表面クリーニング
• 印刷＆包装用ローラのクリーニング
• 表面処理の前処理
• コーティングの除去、グリース除去、酸化膜除去、塗料除去

さいごに

レーザクリーニングは、従来の洗浄方法と全く異なるプロセスです。初期コストが高くなりがちですが、メリットが多い技術です。また、しかしランニングコストが非常に低く、ほぼ電気代だけとなっています。加工行程も少ないので専門知識がなくても扱うことができるという点での魅力もあります。

参考

• レーザークリーニングとは – Fittech Co.,Ltd　
• レーザクリーニング｜技術紹介｜東成イービー東北　
• レーザークリーニング

概要

液体レーザは、媒質が液体であるレーザです。代表的な例が色素レーザーですが、そのほかにも無機液体レーザーやキレートレーザーなどがあります。しかし、実用化されている殆どの液体レーザーは色素レーザーとなっています。

構成

色代表的な例である素レーザーは、媒質として色素分子を有機溶媒に溶かした有機色素を用いて構成されています。

特徴

液体レーザーには大きく4つの利点があります。

• 1つは媒質が液体であることにより、任意の大きさの光学的に均一な媒質が安価に得られる点です。
• 2つ目は循環によって冷却や劣化した媒質の除去が容易にできる点です。
• 3つ目に、成分の濃度や混合比、添加物などが自由な調整が可能なことです。
• 最後に、液体レーザーでは活性中心の波度が気体にくらべると高く、小型で高利得・高出力が得ることができます。これに関しては個体レーザーにも共通した特徴と言えるでしょう。

歴史

色素レーザーは波長可変レーザーとして最も早く実用化したため、1970年代から1990年代にわたって，レーザー分光学の発展に大きく貢献しました。1990年代以降は、Ti:サファイアレーザーや光パラメトリック発振器のような固体化された波長可変デバイスが発達し、色素レーザーの用途はしだいに狭まってきています。

応用例

分光測定や分析、超短パルスの光源などで利用されています。

参考

• ３分でわかる技術の超キホン レーザの分類（種類）と特徴・用途をミニマム解説！
• 液体レーザー | オプティペディア – Produced by 光響