【応用】レーザードップラー血流計

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レーザーのドップラー効果は、物体の速度を測定するためのも用いられます。

この技術を血流の速度を測定するために応用したレーザードップラー血流計があります。皮膚表面の血流を測定する装置と血管内の血流を測定する装置とがあります。どちらの装置も光ファイバーをプローブとして血流の赤血球の移動を測定します。レーザーをビームスプリッターにより2つに分け、その一方をプローブ光として赤血球に照射しその反射を検出します。その光と参照光との干渉により発生するビート信号の周波数fdを検出します。血流速\(v\)は、

$$v=\frac{f_d c}{2 f_0 cos \theta}$$

と表されます。ここで、cは光速、f0はレーザーの周波数、Θはレーザーと血流のなす角度です。

得られた信号を基にスペクトルアナライザで解析します。速度が変化するとドップラー成分がシフトするため、相対的な速度変化を知ることができます。

測定できる速度の範囲は、秒速数十μm~数cm程度です。

皮膚表面の血流速を測定するには、皮膚表面にプローブである光ファイバーを固定して測定を行います。光源にはHe-Neレーザーなどが利用され、光侵襲深さの皮膚から2~3mm程度の深さの血流を測定します。

血管内部の流速を測定するときは、光ファイバーを血管の中に挿入して測定を行います。

血流速計は主に研究分野で使用されており、酸素濃度が血流速に与える影響や、毛細血管内の血漿の分布により赤血球の速度分布に与える影響などが研究されています。

【応用】近接場光学顕微鏡

物体から”漏れ出る光”を近接場光と呼びます。この現象を応用して高分解能な像を得ることができる顕微鏡が近接場光学顕微鏡(SNOM:Scanning Near-field Optical Microscope)です。

通常の顕微鏡ではコヒーレントな光を用いても可視光の場合、サブμm程度の分解能が限界です。それは、得られる像の分解能が回折と波長で制限されているためです。

しかし、同じ光を使っても近接場光を使うとより高い分解能が得られます。

プローブとなる光学素子に所定の角度で光を当てると、光学素子の外側近傍でエバネッセント光という”電磁波の漏れ”が発生します。この電磁場内に他の物体があると電磁場が乱されます。この乱れを検出することで物体のあり/なしを判別できます。「光学素子の近傍」とは、使用する光の波長程度ですので、非測定物の極々近くまでプローブの光学素子を接近させる必要があります。

2次元的な範囲を観察するためには、プローブを平面内で走査する必要があります。

技術的にこの顕微鏡をいかに実現するかは、微小なプローブを正確に作り、それを2次元的に走査する難しさがあります。プローブは光ファイバー先端を加工したものが多く見られます。光源はArレーザーなどが用いられ、分解能は10nm程度を実現しています。

この近接場光学顕微鏡は、その原理から細かく分けるといくつかに分類されます。プローブとしてプリズムを利用して入射光の全反射を利用する”フォトン走査型トンネル顕微鏡”、AFMのカンチレバー先端での近接場を利用する”無開口近接場顕微鏡”、磁気光学的に測定を行う”近接場磁気光学顕微鏡”などが、研究開発されています。

【応用】X線顕微鏡

X線顕微鏡は、光源にX線を利用した顕微鏡で、X線の発見から半世紀程度しか経っていないため、比較的新しい原理の顕微鏡です。

X線が物体に入射すると、以下のような現象が起き、各性質を生かして様々な分析が行われます。

  • 蛍光X線ー>元素分析
  • 光電子ー>表面解析
  • 回折ー>結晶解析
  • 散乱ー>分光・分析
  • 吸収ー>分光・分析
  • 偏光ー>分光・分析
  • 位相ー>生体観察

小さな物体を観察するための方法として、像を拡大して観察する顕微鏡があります。光を用いて物体を観察する顕微鏡では、観察できる最小量である分解能は、使用する波長とレンズの開口数NAによって決まります。分解能は、波長λとレンズの開口数NAと定数kを用いて kλ/NA で表されます。より細かいものを観察するためには、より高い分解能が必要となりますが、この関係式から波長を短くするかNAを大きくすると良いことがわかります。

電子顕微鏡(SEM)でも、原子レベルの分解能が得られますが、真空中で観察する必要があるため、生体材料など水分を含んだ物体を生きたままの状態での観察は難しいです。

大気中でなるべく高分解能となるような装置を前提に、波長に注目したとき、物体を観察する光源としてX線のように短い波長の光を使うと分解能を非常に高められることがわかります。

X線顕微鏡は、倍率が高くなるので明るい光源が必要となります。従来はシンクロトロンの放射光が使われていたようですが、重大な問題が具現化しました。長時間利用による放射線損傷と熱などによるブレアが像に見られることです。この問題を解決するためにX線の露光時間をナノ秒まで短縮して機器への影響を最小にしています。反対に、短時間での観察を可能するため強力な光源が必要となります。そのためレーザー生成プラズマが利用されます。

生体材料を観察するために波長2.3~4.3nmが利用されます。この領域では、水分子の酸素に吸収される割合が、生体材料のタンパク質の炭素での吸収の10分の1以下であるので水を含んだ生体材料を観察できることになります。しかし、ミラーの反射率が数%程度しかないので、反射現象を利用した結像系を実現することは難しいです。そのため、X線レジストに非測定物を密着させ、その陰を観察する手法がとられます。この像を原子間力顕微鏡(AFM)にて観察します。これにより数nmの分解能が得られます。

この手法の問題は、厚い試料の観察ができないことです。そのため、X線領域で利用できる光学素子ができることが期待されてきました。また、コヒーレントな光源を実現できれば、ホログラフィの原理で立体画像の生成も可能となると考えられてきました。

1980年代の半導体製造技術の進展などにより、光学素子の実用化に弾みがつきました。同時期に、光源の研究開発が飛躍的に進みました。

これにより、徐々に使いやすいX線顕微鏡が製品化されてきました。光学部品の性能も向上し、卓上型のX線顕微鏡も市販されています。非破壊にて内部構造を高分解能で観察できるものもあります。X線を適切にスキャンすることで3次元的な像を取得し、専用のソフトウエアで立体的に可視化できるようになっています。

また、時間的に連続して像を取得することでCTを利用して4次元像も表現できるようになってきています。

このように、X線顕微鏡は、すでに実用の域に達しており、像の観察のみならず様々な分析に活用されています。

【応用】レーザー核融合

レーザー核融合は、レーザーを利用して究極のエネルギー源である「核融合」を発生させることです。

核融合反応は、軽い元素を融合して重い元素を生み出すことで、恒星のエネルギー源となっています。「核分裂」を利用する原子力発電とは、対になる技術で、原子力発電で問題となる暴走と放射性廃棄物の問題がないため、究極のエネルギーとも呼ばれています。これが成功すると、地球上でも小さな太陽を作ることができます。

この核融合により発生するエネルギーは、アインシュタインが提唱した”質量とエネルギーの等価性”を示す式、E=mc2で表されます。この質量の変化分がエネルギーとして取り出されるわけです。核融合反応は、原子核内部のクーロン力(反力)に打ち勝つことで発生します。このためには、非常に高温で密度の高いプラズマ状態を作る必要があります。

高温高密度のプラズマを発生させる方法として、大きく2つの方法が検討されています。一つ目は強力な次回によってプラズマを閉じ込める「磁気閉じ込め核融合」、もう一つは、「慣性閉じ込め核融合」です。

この慣性閉じ込め核融合にレーザーが活用されています。

レーザーなど指向性の高いビームを小さなペレットに照射して、表面に発生した高温プラズマが膨張する反作用で中心部を圧縮し、核融合に必要な高温高密度を達成するものです。

この燃料として重水素と三重水素が最有力候補です。この、どこにでもある水素を燃料とできる点も核融合のメリットです。核融合に必要な温度は10keV(1億度)以上で、密度と閉じ込め時間の積は1014s/cm3以上必要であると考えられています。閉じ込め時間1nsで、1023cm-3の高密度が必要な計算です。

必要なプラズマ発生には、大出力レーザーが必要でした。レーザー核融合の研究開始から、ガラスレーザーや炭酸ガスレーザー、エキシマレーザーが使われてきました。研究の過程で、プラズマ発生の点で短波長レーザーが有利であることが分かってきました。ガラスレーザーは、効率や繰り返し周波数の点で実用化が難しいと考えられてきましたが、LD励起によりその問題も解決に向かっているらしいです。

現在のところ、実用化には到達していませんが、アメリカ・カリフォルニアのNIFや日本の大阪大学など世界各地で活発に研究が進められています。

【応用】レーザー切断加工

最も広く普及しているレーザー切断加工の応用は、板金(シートメタル)加工だと思われます。これは、板状の金属を所定の形状にレーザーで切断加工する応用です。切断は、外形切断だけではなく、穴あけやスリット加工も含みます。

板金の加工は、切削などの機械加工やエッチングなどの化学加工、放電加工も候補となりますが、加工経路(パス)の自由度やコスト、加工速度、さらに加工品質を考慮して、レーザーが選択される場合があります。

需要としては鉄、ステンレス、アルミなどの金属の加工が多いようですが、セラミックス、木材、ゴム等の非金属も加工も行われます。

使用されるレーザーは、CO2レーザーが主流でしたが、YAGレーザーやファイバーレーザーの割合が多くなってきています。連続発振するCWレーザーが多いですが、まれにパルスレーザーが用いられます。加工条件の違いにも依存するようですが、パルスレーザーの方が高品質な加工ができるようです。

レーザーを被加工部表面に集光させ高いエネルギーを与えることで切断加工を実施します。被加工物に対するレーザー集光点を相対的に移動させることで、穴あけや切断などを実施します。レーザー移動機構の進歩や、CAD/CAMの発展により、より柔軟な形状をより高精度に高速に加工できるようになってきました。

この応用の当初のレーザー出力は、1kW程度でしたが、時代とともに大出力化に進み、現在では10kW以上のレーザーもあります。

また、加工中はアシストガスを有効に活用することで、加工の促進を図ったり、高品質化を目指したりします。

これらの技術進歩により、初期の頃は、切断できる材料の厚さはSPCCで数mm厚だったものが、現在では、20mmを超える厚手の材料まで切断できるようになりました。

【基本】レンズの収差

収差の概要

光学機器で用いるレンズの最大の敵は収差です。

レンズは、集光・結像のために用いる部品ですが、この機能の前提として「物体の1点からでたあらゆる光線はレンズを投下した後、像面の1点に集まる」という性質があります。つまり、以下の3点を満たすことを前提としています。

1.点光源は、点に集光する。
2.平面の物体は、平面の像を作る。
3.平面上の形状は、相似形として結像する。

しかし、実際のレンズを考えてみますと、このように理想的にはなりません。多くの場合は製造上の都合から球面レンズであり必ずしもこの基本性質を満足はしていません。また、レンズ材料そのものの非一様性や加工誤差などで理想的なレンズを形成することは事実上不可能です。

実際には、光が一点に集光しなかったり、像面位置によって結像場所が変化したり、色がにじんだり、像がぼやけたりと様々な誤差を生じます。これらの現象を総称して収差(aberration)と言います。

収差は、大きく「単色収差」と「色収差」に分けられます。単色収差は、レーザーなど単一波長の光を考慮したときに発生する収差で、色収差は複数波長が重なった光を扱った時に発生する収差のことです。

これらの収差は、さらに以下の通りに分類されます。

単色収差

  • 球面収差:光軸上で光が一点に集光しない
  • コマ収差:光軸外で、集光点で光が尾を引いたようになる
  • 非点収差:同心円像と放射線像の結像が一致しない
  • 像面湾曲:湾曲した像面となる
  • 歪曲:物体と像が相似とならない

色収差

  • 軸上色収差:色によって結像位置が異なる
  • 倍率色収差:色によって倍率が異なる

光学系の設計では、この収差を以下に抑えるかが重要となっています。光学機器メーカーは、専用の光学設計ソフトウエア等を駆使してこれらの収差を抑えるような設計をします。光を扱う機器全般の問題ですから、産業機器にみならず、カメラや光学プリンタ、ビームポインタなど民生品へも大きな影響を及ぼします。

【応用】レーザーレーダー

レーザーと物体との相互作用を利用して、相対的な空間分布状態を観測する装置がレーザーレーダー(laser radar)です。ライダ(light detection and ranging=lidar)と呼ばれることもあります。

プローブ(探針)としてレーザーを送信して被対象物からの反射・散乱してきた光を受信して、戻ってくるまでの時間や光の強度、周波数変化、偏光の変化などを利用して、被測定物の位置、速度、方向、(気体であれば)濃度などを測ることができます。

使用される波長は、UVの250nm~数μmと幅広いようです。これは、被測定物が何かによって使い分けられます。航空機を用いた測量用としては1μm帯が使用され、海底探査では水の透過性が良い500nm近傍のレーザーが使用されます。また、生物の目への安全の観点から長波長帯が選ばれることがあります。

レーザーを走査する場合にはスキャナーが用いられる場合があります。複数枚の可動式ミラーでレーザーを反射させ、レーザー照射を空間的、時間的に変化させます。これにより広範囲の測定が可能となります。

レーザーを受信する機器としては、フォトダイオードや光電子増倍管などが用いられます。感度や測定速度を決定づける機器の一つであるため、その選定は重要です。

同様の装置に電波を用いた測長器もあります。レーザーを使うメリットは光束密度が高く、波長が短いため、高精度に測長できることです。しかし、レーザーの反射を検出できないような障害物があると使えないというデメリットもあります。

ライダ測定の実現には非常に多くのデータ処理が必要なため、特にリアルタイムでの測定の時には、強力なコンピュータ技術が必要となります。静的、準静的な物体の測定が行われる気象学や地質学などの研究や測量などの分野では、それほど多くの情報量がないこと、リアルタイムでの処理が求められないことなどがあり、従来から使用されてきました。また、軍事用途では、その重要性から多くの予算がかかっても技術開発が進められてきました。そして、近年のコンピュータの高度化、低コスト化、さらに、センサ自体の小型化・軽量化によって、即時性が求められる分野でも徐々に普及してきました。自動車の自動運転など安全にも関わる分野でも研究開発が活発に進められてきています。自動車では、カメラも併用して物体の認識が行われる場合があります。スマートフォンなどの小型の電子機器のカメラのフォーカスを補助する機能としても搭載されています。

このように、レーザーの活躍により時間的、空間的に多くの測定ができるようになってきています。