レーザー豆知識

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レーザーのはじまり

一般には知られていませんが、レーザーの原点はあの『 偉大な発明家 』によって発明されました

アルベルト・アインシュタイン

アルベルト・アインシュタイン

レーザーの始祖、天才アインシュタイン

ノーベル物理学賞の受賞者である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、これが現在のレーザー加工機をはじめとする全てのレーザーの原点です。

1954年には電波の一種のマイクロ波を、直線的かつ強力に送り出す装置(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』を発明・開発しました。
1960年にはルビー結晶(媒質(ばいしつ)が開発され、さらに光を強力に送り出すレーザー発振装置の開発に成功しました。

『 レーザー 』という名前の由来については『 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(誘導放出による増幅した光)』が『 Laser 』の名前の由来であるといわれています。

レーザーの種類

レーザーにはレーザー媒質(光の素)によるいくつかの分類があり、ここでは主な4つを紹介します

レーザー媒質(光の素)による分類

(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。
一般的に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
  • ・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
  • ・ガラスレーザー
などがあります。
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 媒質がガス(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)
  • ・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 媒質が液体のものは『 液体レーザー 』といいます。
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『 半導体レーザー 』あるいは『 レーザーダイオード(LD)』と呼ばれています。
低出力のレーザーに主に使用されており、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、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

レーザーにはたくさんの種類がありますが、ここでは4種類のレーザーの代表的な用途を紹介します

取り出し効率による用途の違い

(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。
主に、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 フィーなどでも使用されています。
(2)YAGレーザー レーザーとしては比較的取り出す効率が良い為、研究用や産業用など。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、金属などへの加工が中心です。
(3)CO2レーザー レーザーとして取り出す効率が非常に良い為、さまざまな分野で使用されています。
熱処理、切断、溶接、穴あけなど。YAGに比べて大きなエネルギーが必要になりますが、多くの工業用設備で見受けられます
(4)その他 HeNe(ヘリウムネオン)、エキシマ、アルゴンなど。

発振と波長による分類

レーザーはさらに『 光の強さの時間的な変化 』に加え『 光の波長 』で分類することもできます

レーザー発振方式の分類

パルスレーザー
断続的にレーザー光を出し、複数の波長で位相を揃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。
CW(Continuous wave laser)レーザー
断続的にレーザー光を出し、複数の波長で位相を揃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。

レーザー波長による分類

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ります。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し。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ります。

赤外線レーザー
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するが、レーザー光が本来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る。

レーザー機器と使用者のための安全指針

レーザーは低出力のものでも、直視すると失明の危険があり注意が必要です。まどかではこの安全指針を順守しています

安全管理体制の整備と確立

国際機関である国際電気標準会議(International Electro-technical Commission、略称IEC)の60825-1『 レーザー機器及びその使用者のための安全指針 』により、レーザー機器の出力、レーザー光線の波長等による、クラス分けがなされており、クラス毎に労働衛生安全管理体制の整備が必要となっています。

日本における安全基準
  • ・JIS(日本工業規格)
  • ・JIS C 6801 「レーザー安全用語」
  • ・JIS C 6802 「レーザー製品の安全基準」
アメリカにおける安全基準
  • ・ANSI(米国規格協会)
  • ・ANSI Z 136.1 「レーザーに関する安全な使用」
  • ・FDA(米国食品医薬品局)
  • ・FDA 21CFR PART1040_10and1040.11 「保護と安全のための放射線規制法」

クラス分けと制約条件(上記JIS C 6802の平成17年改訂を元にしたクラス分け)

クラス1 合理的に予見可能な運転状況下で安全であるレーザー。どのような光学系(レンズや望遠鏡)で集光しても、眼に対して安全なレベルであり、クラス1であることを示すラベルを貼る以外は特に対策は要求されていない。
クラス2 可視光のみに規定され、眼の保護は「まばたき」などの嫌悪反応により行われることによりクラス1並の安全が確保されるレーザー。
クラス1M 合理的に予見可能な運転状況下で安全である302.5 – 4000nmの波長範囲の光を放出するレーザー。
光学系で覗かない限りは安全なレベル。このレベルの光を屋外に放射することは、望遠鏡等を覗いている人がいないと は言えないので危険と考えるべきもの。屋内などの使用条件が限定された場所でのみ安全なレーザー。
クラス2M 可視光のみに規定され、眼の保護は『 まばたき 』などの嫌悪反応により安全が確保されるレーザー。
光学系で覗かない限りは安全なレベルで。
クラス3R 直接のビーム内観察は潜在的に危険でが、その危険性はクラス3Bレーザーに対するものよりも低いレーザー。
製造者や使用者に対する規制対策がクラス3Bレーザーに比し緩和されている。出力はクラス1あるいはクラス2のAELの5倍以内。鍵やインタロックを取り付ける必要がない点で、その上のクラスとは異なる。
クラス3B 連続発振レーザーで0.5W以下、パルスレーザーで10~5Jm/m~2以下のもの。直接見ることは危険なレーザー。
直視をしなければ安全なレベル。鍵やインタロックを取り付ける必要がある。使用中の警報表示等が必要。
クラス4 散乱された光を見ても危険なレーザー。
皮膚に当たると火傷を生じたり、物に当たると火災を生じたりする恐れのあるものを含む。
出射したレーザービームは必ずブロックする等の対策が必要。鍵やインタロックを取り付ける必要がある。
使用中の警報表示等が必要。

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