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

概要

周波数で100GHz～10THz、波長が3mm~30μmをテラヘルツ(THz)波と呼びます。光と電波の中間に位置しており、可視光線とマイクロ波の間の領域に相当します。一部の物質に対して透過性が高いため、紙、プラスチック、布などの一般的な材料を透過して物質の内部情報を取得することができ、これは非破壊検査や医療画像診断に利用されています。

原理

テラヘルツ波の生成と検出にはいくつかの方法があります。はじめに、その生成方法について紹介します。

1. 光パルス法（光検出法）
   一般的な方法の一つは、フェムト秒またはピコ秒の超短パルスのレーザを使用してテラヘルツ波を生成する方法です。この方法では、レーザーパルスがテラヘルツ放射を引き起こすため、テラヘルツ波が発生します。このテクニックは光検出法とも呼ばれます。
2. 光整合法（光学整合法）
   光整合法は、非線形結晶などの光学的整合材料を使用して、二つの異なる光波を組み合わせてテラヘルツ波を生成する方法です。このプロセスは、高い光整合度を持つ結晶を使用して非常に高い周波数の波を生成することが可能です。
3. 光伝播法（放射法）
   他の手法として、高い電場の光を物質に照射すると、物質が非線形応答を示し、その結果としてテラヘルツ波が発生することがあります。この方法は光伝播法として知られています。

次に、テラヘルツ波の検出方法について紹介します。

1. 非線形光学効果を利用した検出
   テラヘルツ波は一般的に検出が難しいため、非線形光学効果を利用して検出されることがあります。これには、光検出法と同様に、光学的整合材料や非線形結晶を使用することが含まれます。
2. アンテナを使用した検出
   テラヘルツ波を検出するためには、適切なアンテナが必要です。特に、微小な結晶や金属のアンテナを使用して、テラヘルツ波を効果的に検出することができます。

応用例

テラヘルツ波の周波数帯は光の特徴である直進性やミラーやレンズによる取り回し易さ、電波の特徴である様々な物質に対する透過性を併せ持っているため、計測や検査に注目されています。以下にその応用例をいくつか紹介します。

1. 組織の特性の調査
   テラヘルツ波は、生体組織において水分や脂肪などの特性を検出できるため、医療画像診断に利用されます。がんなどの疾患の早期検出や、組織の異常な変化の追跡が可能です。
2. 材料の特性評価
   テラヘルツ波は多くの物質に対して透過性があり、金属、プラスチック、ガラスなどの材料の内部構造や異常を非破壊で評価できます。これは工業や建設分野での利用が期待されます。
3. 高帯域通信
   テラヘルツ波は非常に高い周波数を持っており、これを利用して高帯域通信が可能です。将来的には、テラヘルツ通信が5G以上の通信規格として登場する可能性があります。
4. 物質の特定
   テラヘルツ波は物質の異常な特性を検出できるため、セキュリティスクリーニングや爆発物の検知に応用されます。例えば、荷物やコンテナの中の異常な物質を特定するのに使用されます。
5. 食品の品質評価
   テラヘルツ波は、食品の水分や油分などの特性を測定するのに適しています。これにより、食品の品質評価や異常検出が可能となります。
6. 分子の振動スペクトル
   テラヘルツ波を使用することで、分子の振動スペクトルを観察できます。これにより、分子の構造や化学反応の進行状況を非破壊で調査することが可能です。

参考文献

• THINK LANDS:ミリ波・テラヘルツ波とは
• テラヘルツ波とは何？活用事例や測定方法の種類・原理を解説

概要

UVレーザはその波長が基本波長レーザの1/3であるレーザです。その波長が紫外線と同じ領域のため「UVレーザ」と呼ばれています。

構成

1,064nmの基本波長を非線形結晶に通して変換された532nmの波長に基本波長を合わせ、さらにもう1つの単結晶を通過させることで355nmの波長に変換します。

特徴

先述したように、UVレーザの光の波長は基本波長レーザ（1,064nm）の約1/3（355nm）です。この波長は、紫外線領域であることから「UVレーザ」と呼ばれます。

各素材に対して吸収率が非常に高く、熱ダメージを与えない印字や加工が可能なため、高い発色性や製品へのダメージを抑えた加工が求められる用途に最適です。つまり、必要以上にパワーを上げることなく、視認性の高いマーキングが可能となります。金、銀、銅をはじめとする反射率の高い材質に対しても吸収率が高く、熱ダメージを与えません。そのため煤やバリを抑制し、表面を破壊しない耐腐食性の高い印字・加工が可能です。基本波長レーザでは、封止樹脂部を透過して内部にダメージを与える懸念がありますが、UVレーザなら、高い吸収率で内部への透過を抑制することができます。

また、UVレーザは波長が短いため、レーザをレンズで集光した際に集光径をより小さくでき、微細な加工が可能です。一般的にレーザはレンズで集光すると、レーザの波長程度まで絞ることができます。したがって波長の短いレーザほど、微細な加工が可能となります。

一般に光のエネルギーはレーザの波長に反比例します。波長が短いという特徴はエネルギーの観点からも有益です。つまり、波長の短いUVレーザは波長の長いレーザに比べて、光エネルギーが高くなります。そのため、高効率な加工が可能となります。特に樹脂の有機結合を切断する点で有利であり、樹脂の高品質加工には、UV領域のレーザが多用されます。

応用例

UVレーザは、その波長の短さから光のエネルギーが高いという特徴があります。そのため、世界で最も硬い物質で知られるダイヤモンドも、UVレーザのエネルギーを直接吸収して加工されます。

またサファイアはYAGレーザではレーザー光が透過してしまい加工ができませんが、UVレーザでは光のエネルギーが高いため、レンズで集光することにより吸収が起こり、加工することが可能となります。

CO2レーザでも格子振動による吸収が起こりサファイアの加工は可能ですが、熱的な加工となるため、クラックや熱影響層の大きな加工となります。

参考

1. UVレーザーマーカー | 基礎知識 | マーキング学習塾 | キーエンス

2. UVレーザー加工｜Orbray株式会社

3. レーザー加工機の種類やレーザーの分類について解説