【基本】銅蒸気レーザー

銅(Cu)蒸気レーザー(Metal-vapor laser)は、発振効率が数%と高く、平均出力が200W程度と高出力な特長があります。しかし、金属を蒸気にしてレーザーを発振させるため放電開始からレーザー発振まで1時間程度の長い時間がかかります。このデメリットのせいからか、最近は固体レーザーや半導体レーザーにその役割が置き換わりつつあります。用途は限られてきており、ウラン同位体分離用の色素レーザーのポンピング光源として、その他、金属・セラミックスの微細穴加工用途、ライトショー、高速写真の光源などに利用されています。

このレーザーは、510.6nm(緑色)と578.2nm(黄色)で発振するパルスレーザーです。このレーザーのレーザー管は高温になるため、通常は、セラミックス製の放電路が用いられます。放電により1500℃以上に加熱され銅ペレットを蒸気化します。セラミック管は、モリブデンの多層反射と保温材で覆われ安定した蒸気化を実現しています。断熱として、真空断熱や熱シールドなどが用いられています。

レーザー管の大口径化、管長の増大により高出力化を図ります。口径80mm、長さ3mの巨大なレーザー管で、平均出力500W,2000時間の連続動作をしたという報告もあります。

気体レーザーの上準位が非常に高いため、励起エネルギーの一部しかレーザー遷移にならず効率が悪いのですが、銅蒸気レーザーのようなアルカリ金属が媒体のレーザーの場合、低い準位のため、少ないエネルギーでレーザー発振します。

パルス発振のための放電には鋭い立ち上がりが必要なためサイリスタなどが用いられます。これにより、高繰り返しのパルス発振ができます。また、利得が大きく、低反射率のミラーでも発振します。

銅の代わりに金を用いると312.2nm(紫外線)と627.8nm(赤色)でレーザー発振します。鉛蒸気レーザーは、732nmで発振します。また、ルビジウムの蒸気を半導体レーザーで励起、発振する例もあります。

【基本】He-Cdレーザー

He-Cdレーザーは、CWの気体レーザーの一種で、使用する放電方法によって発振波長が異なります。グロー放電を用いるものとホロー陰極放電を用いるものがあります。出力は、数十~数百mW程度です。実用化されてから数十年の実績があります。

グロー放電の場合、発振波長は441.6nmと325nmです。レーザープリンターの光源、生物顕微鏡の光源、ラマン測定などに利用されます。一方の、ホロー陰極放電の場合、635.5nm, 636.0nm, 533.7nm, 537.8nm, 441.6nmであり、白色光が得られるため白色レーザーと呼ばれることもあります。カラープリンタ、ホログラフィーの記録などへの利用の期待があります。ノーベル賞を受賞した青色発光ダイオードの研究開発でも使われました。

He-Cdレーザーの構造は、He-Neレーザーとほぼ同じですが、レーザー管の構造が異なります。内径1~2mmの放電管中に、数TorrのHeガスに対して約1%のCdが封入されています。Heは、Cdによる吸着や漏れにより徐々に減少するため、Heの自動補給装置がついています。レーザー管の中には、Cd蒸気を送り込むためのCd金属溜を陰極付近に設けます。これを270~280℃で加熱して蒸気化され、He放電中にイオン化されレーザーが発振します。これらの工夫により、出力~200mWで~5000時間程度の寿命があります。

紫外域のアルゴンイオンレーザーに比べ、高効率で寿命が長いのでCW紫外レーザーとして重宝されましたが、最近は波長変換の技術も進み、固体レーザーが多用されるようになってきています。

【基本】エキシマレーザー

希ガス原子とハロゲンガス原子の混合ガスを媒質とするレーザーをエキシマ(エキサイマー)レーザーと言います。通常、希ガス原子(He, Ne, Ar, Kr, Xe)は安定ですが、励起状態となると他の原子(Br, F, Cl)と結合して分子を構成します。このように励起状態でのみ安定に存在する2原子分子を意味するexcited dimerに由来する言葉でexcimer(エキシマ、エクサイマ)と呼ばれます。エキシマは励起状態では安定ですが、基底状態に戻るとバラバラになり原子の状態に戻ります。下位準位がなく、すぐに基底状態となるため理想的な反転分布を得ることができます。エキシマレーザーはこの現象を利用しています。

多くは、放電励起方式で発振され、1~4気圧程度の高い圧力の気体に一様な放電をさせます。この放電には高い技術力が要求されるものの、紫外線領域の高いフォトンエネルギーと高いピークパワーを高効率で得ることができ、装置を小型化できることは魅力的で、広く普及しました。

市販のものでは、出力エネルギー~1J程度、パルス幅10~30ns、繰り返し周波数~1000Hz程度のレーザーが多いようです。

最初に実現されたのはXe2レーザーと言われています。液体希ガス中に電子ビームを照射させてレーザー発振が得られました。その後、希ガスとハロゲン原子が結合した希ガスハライドが出現し高出力・高効率の紫外レーザーとしてポピュラーとなりました。

希ガスーハロゲンと発振波長を次に示します。

ArCl —- 175nm
ArF —- 193nm
KrCl —- 222nm
KrF —- 249nm
XeBr —- 282nm
XeCl —- 308nm
XeF —- 351nm

ガスや要素部品の寿命が短いという欠点がありましたが、最近ではガスの高純度化や部品の改善により、109ショット以上の長寿命化が進んでいます。

用途としては、紫外線分光の光源、光化学、レーザー微細加工、レーザーリソグラフィー、レーザーアニールに用いられています。また、レーシックなど視力矯正治療にも用いられています。

【基本】チタンサファイアレーザー

サファイア(Al2O3)にTi3+イオンをドープしたレーザー媒質を持つレーザーが、チタンサファイア(Ti:Al2O3)レーザーです。0.66~1.15μmの幅広い帯域で発振され、一つの媒質としては最も広く、波長可変レーザーとして知られています。最も効率が良いのは、800nmです。

また、媒質がサファイアであるため、硬く安定しており、熱伝導性も良いのでレーザーの実用には有利です。励起光源としては、Nd:YAGレーザーの第2高調波や、アルゴンレーザーなど高出力で安定したレーザーが用いられます。レーザー上準位の寿命が3.2μsと短いため、ランプ励起は使えません。

発振形態としては、超短パルスから連続発振まで幅広い使われ方があります。チタンサファイアの結晶と、波長選択と分散補償のためのプリズム対、可変幅スリットから構成される共振器でパルス幅11fsの超短パルスが得られた例もあります。

また、近年は広帯域にわたって分散を制御するチャープミラーなどを使うことで10fs以下のパルス幅も実現されています。理論的には、350nmある利得帯域幅からすると、3fs程度のパルスが発生できる可能性があります。

この超短パルスは、共振器内のパルス自身がレーザー媒質内部で引き起こすレーザービームの自己集束を利用したカーレンズモード同期によるものです。いったんモード同期がおこると、自己位相変調により周波数が広がり、さらにパルスが短くなり、ピーク強度が増加します。これにより安定したモード同期発振がなされます。

さらに、従来の色素レーザーに比べ平均出力が大きいという特長があります。チャープパルス増幅を用いた再生増幅器も実用化されており、mJ程度のさらに大きなエネルギーを扱うことができます。

テラヘルツ光の発生やフェムト秒分光、微細加工などの用途で用いられています。

偏光(へんこう)って何?(2)~意外と身近な偏光~

 前回の『偏光って何?(1)』では、液晶ディスプレイからの光が偏光していることを、偏光サングラスで観察することにより確認しました。

簡単に前回の内容についておさらいです。

・「偏光」とは、光の振動方向がある規則性をもって偏った状態の光のこと。
・検光子(身近なものとして、偏光サングラスを使いました)で、液晶ディスプレイ画面を観察すると液晶ディスプレイが見えなくなる位置(回転角度)がある。

という点について、簡単な実験を通して、示してみました。

 ところで、『光の振動方向』って何?と思ってしまいますね。
 そこで、今回は『光の振動方向』について、ざっくりと考えてみたいと思います。

 この『光の振動方向』を理解する為、必要になってくるのが『横波』(光、電波、“水の”波、など)に関する理解です。横波と対になるものは、『縦波』(音など)ですが、偏光の話しがテーマなので、縦波についての説明は省略します。

 話しは反れますが、物理法則というものは、数式等で理解することが必要な場面もあります。
 しかし、数式だけで理解するよりも、実際の現象を通して、想像力を働かせて、素直に考えれば、直観的に理解ができることも多いです。

 光に関する物理法則も、そんな身近な発見や、気づきを通して理解が進んだ例もあります。
 光学の“歴史”に着目すると、逆に、光に関する物理法則などは、理解しやすい場合もあるかもしれません。「光学史」に関しては、色々、おもしろい話しもありますので、それらはまたの機会に。

 さて、光は、横波に分類されますが、偏光のイメージをつかむためには、この横波の概念をもっておくと都合がよいと思います。

 そこで、横波についてのイメージをつかむため、誰でもできる身近なところで実験したいと思います。
 注)広い意味での検光子としての偏光サングラスの”機能”については、『偏光(へんこう)って何?(1)』に記載しています。

 実験は、お風呂に入ったついでに、できてしまいます。
 直観的な理解を助ける実験ですので、興味がある方は試してみてください。

 実験は2つあります。

実験1)

 湯舟に入る前に、水面が静かな状態にしておきます。
 面倒なときは、洗面器のようなものにためた水でもかまいません。
 その水面に、水滴を一滴、ポタリと落としてみてください。
 水面に同心円状の波紋が広がりますね。

 水滴の落下点が振動源で、落下方向が振動方向です。
 波は、水滴の落下点を中心に同心円状に進行していきますね。
 つまり、波の振動方向と同心円状の波紋の広がる方向(=波の進行方向)が直交している状態です。
 これが、横波です。

実験2)

 お風呂に入って、指先を前に伸ばして、水面で手のひらを動かしてみてください。
 手のひらの動きに合わせて、水面が動きます。
 そして、波の進む向きは、手のひらを中心にして、前方や左右方向に広がっていきます。
 これも、波の振動方向と波の進行方向が直交している状態です。
 つまり、横波です。

まとめ)
 媒質の振動方向が、波の進行方向と垂直である波を横波と呼びます。
 ところで、水面に起きた波の場合、媒質は「水」です。
 さて、光にとっての媒質は?となりますね。
 このお話しは、また別の機会にできればと思います。
 とりあえず、今回は横波のイメージをつかむところまで。

 次回は、「光は横波」ということを踏まえて、“反射によってあらわれる偏光”について、書いてみたいと思います。    

【基本】X線レーザー

X線レーザーは、原子の内殻電子の遷移を利用してX線領域の電磁波を出すレーザーです。

代表的な反転分布発生機構として、レーザー照射時の加熱相で反転分布の生じる電子衝突励起があります。強力な短パルス光で高エネルギーを原子に与え原子の束縛電子を強電離イオン状態を作ります。例えば、強力な電離によりC5+のように束縛電子が1個だけ残ったイオンを水素(H)様イオン、電子が2個残ったイオンをヘリウム(He)様イオンなどと呼びます。このような束縛電子が励起電離状態遷移によってレーザーを発振します。

最初にレーザー利得が報告されたのは波長20.6nmのネオン様セレンレーザーです。原子番号34のSe原子から24個の電子をとったSe24+のイオンが用いられました。

X線レーザーの発振に必要な励起強度は、レーザー波長の4乗に逆比例するため、短波長では特に高いエネルギーが必要となります。また、レーザー上準位の寿命は波長の3乗に比例して短くなるので、ファムと秒程度の短パルス励起が必要です。このように、X線レーザーは、発振条件がかなり厳しいです。

発振が確認されたX線レーザーは、25イオン種(波長3.6~28.6nm)で50以上あるようです。これまでの最短波長は、3nmです。X線レーザーの輝度は1026にもなり、超大型シンクロトロン放射光装置のアンジュレーターラインで放射されるX線の輝度に比べ6〜7桁も高くなっているようです。

報告されている最大レーザーエネルギーは、波長15.5nmのネオン様イットリウムレーザーで、7mJのようです。この時のパワーは、10MWに達したとされています。

X線レーザーは、水による吸収の少ない波長領域の光を扱えるため、生きたままの生物の観察や、生体高分子の解析など、医学・ライフサイエンス分野での大きな貢献が期待されています。

【応用】光学とインダストリー4.0

産業技術の改革として「インダストリー4.0」が提唱され、今では広く認識されていると思います。このキャッチーなコピーは、従来は縁の下の力持ちとして表舞台に立たなかった製造技術を世間に広めるという意味だけでも重要でした。

インタストリー4.0は、データの保存・処理にクラウドを用い、デバイスのIoT、統計学的処理・分析などにより、コンピューターとロボットが密接に関係しあい、製造効率の向上を目指す概念です。

精密光産業もすでにこの概念を踏襲してモノづくりを始めています。一例としてヨーロッパで2025年までにチリ・アタカマ砂漠に完成を目指す超大型望遠鏡(European Extremely Large Telescope:E-ELT)プロジェクトがあります。その構造は、軸外し放物面の798枚の六角形ミラー(サイズ約1.5m、表面粗さ10nmRMS)からなる超大型の望遠鏡です。

そのミラーの製造工程に、まさにインダストリー4.0の概念が使われています。

CNC研削(griding)と研磨(polish)によってミラーを加工していきますが、このような巨大非球面レンズの加工では、研削中に0.02mm~1mm程度の空間周波数をもつ波が形成されてしまうという問題がありました。この”波”は、残念ながら研磨工程では完全に取り切れず、研削と研磨の中間プロセス(グローリッシュ: grolish)を加えました。

工程が増えることによるコスト増、工期の遅延が心配されましたが、これをインダストリー4.0によって解決しようと奮闘しました。これにより、除去速度16.3mm3/min、0.3μmRMS、PV3μm等を達成し、後工程の研磨により理想のミラーができました。

グローリッシュのプロセスでは、従来のCNCではなく、より高速で低コストのロボットを導入しました。確かに、精度は低下しますが、それより高速性を重視したのです。ロボットの軌跡を構築するためは、コンピュータモデルを作り、その精度を上げました。また、統計学的な設計を活用し最適なパラメータを探索しました。統計処理やデータ保存等は、クラウドを効率よく活用し、クライアント側で過負荷による効率低下を避けました。

超精密が要求される光産業は、所謂、「職人」が必要と思われがちかもしれませんが、IT技術も活用し、より進化しているようです。

【基本】半導体レーザー

半導体レーザーは、レーザーダイオード(LD)とも呼ばれ、小型軽量、高効率、低電圧動作、電流制御が高速変調が容易に可能等の利点から広く使われています。CD/DVDなどの記録読み出し機器の光源、レーザープリンター用光源、光通信用光源、バーコードリーダー、レーザーポインターなど、身近な機器での利用が多いです。最近では、レーダー(LiDAR)の光源にも利用されています。また、大出力のレーザーでは、加工用途にも利用されています。

構造は、異種の層が重なってできるダブルヘテロ構造となっています。GaAsやAlGaAsなど2つ以上の化合物半導体層から構成されており、中央部にバンドギャップの狭い発光層(100nm程度の活性層)があります。その上下を、活性層より少しバンドギャップの広いp型とn型の半導体層からなっています。

このpnの順方向へ電流を流すとGaAs活性層に反転分布が形成され、へき開面よりレーザーが出射されます。これは、ファブリペロー共振型の半導体レーザーと呼ばれます。レーザーを単一縦モードでより安定的に動作させるための工夫が施された分布帰還型(DFB)の構造もあります。また、量子井戸の原理を利用して、単色性が極めてよく、高速で光変調させることができる量子井戸(QW)型のレーザーもあります。

通常は、これらのように半導体基板の端面から水平にレーザーを発光するのですが、基板面に垂直にレーザーを出射する面発光レーザー(VCSEL)もあります。この構造ですと、面的に多数のレーザーを配置できますので大量のデータを伝送するときや、多くの情報を表現できるため、高速並列処理に有利となります。

半導体レーザーは、発振形態としては、CWとパルスの両方があります。発振波長は、活性層の結晶材料がもつバンドギャップとチップの共振器長で決まりますが、300~1000nm程度が多いです。出力は数mW~数kW程度まで幅広く対応しています。半導体チップは真空封入されたパッケージとなっており扱いやすいです。また、大出力のレーザーでは冷却モジュールと一体になったものもあります。安定的に出力するために、PDを内蔵し出力をモニタ・フィードバックすることで電流電圧制御できるものもあります。

半導体レーザーで手軽に扱えるようになったレーザーは、ますます活躍の場を広げています。

【基本】自由電子レーザー

自由電子レーザー(FEL:Free Electron Laser)は、自由電子と電磁場の共鳴を利用してコヒーレントな光を発生させるレーザーです。媒質によって光の波長が決まる一般的なレーザーとは異なり、電気的な操作で波長を変えることができます。軟X線、紫外光、可視光、遠赤外光まで幅広い波長を取り出すことができます。

電子ビームを供給する電子加速器、光を発生させ増幅するウィグラーまたはアンジュレータ、光共振器から構成されています。ウィグラーまたはアンジュレータは、挿入光源とよばれ、永久磁石を規則的に並べたユニットを向かい合わせ、その間を蛇行しながら電子ビームが進行していく装置です。この電子ビームが蛇行しながら進むことで、周期的に変化する横磁場により正弦波状に進行することになりシンクロトロン放射(SR)光が発生します。SR光とは、光速度に極めて近い高エネルギーの荷電粒子が、その進行方向を磁場などによって変えられた際に発生する電磁波のことです。この光を合わせ鏡で構成した光共振器内で共振させることでレーザー発振を実現します。

電子ビームのエネルギー、挿入光源の磁場の周期長、磁束密度のいずれかを変えると波長が変化します。広い波長域で連続的に波長を変化させることができ、メガW級の高出力、高効率なレーザーになると期待されています。

自由電子レーザーの原理となるアイデアは、1950年代にMotzおよびPhilipsのマイクロ波発生実験にあります。その後、1977年にスタンフォード大学で赤外域の3.4μmの波長での発振に世界で初めて成功し、1983年にはフランスで可視光650nmの発振に成功しました。

X線領域の波長のFELは、X線自由電子レーザー(XFLE:X-ray free-electron laser:) と呼ばれています。波長 0.1 nm以下を目指したXFEL発振装置は、米国 (SLAC LCLS)、日本 (SACLA)で稼働中であり、ヨーロッパでも開発が進められています。

【基本】色素レーザー

色素レーザーは、液体を媒質とするレーザーです。レーザー媒質は蛍光性有機色素をメチルアルコールなど溶媒に溶かしたものです。レーザーの励起にはXeフラッシュランプなどが使われます。色素溶液は、光共振器内でブリュースター角で膜状に噴射されています。発振波長の選択は、光共振器内に設置されたエタロン板や波長選択素子で行われます。

色素レーザーの電子状態を見てみますと、全てのスピンが対になっている1重項状態と1対のスピンがそろっている3重項状態のエネルギー準位系となっており、互いの移り変わりはゆっくりとしか行われません。また、色素は分子量の大きな複雑な分子であるため、各エネルギー順位はバンド状になっています。各遷移間は大きな吸収係数を持っているため、効率よく励起されます。基底状態に戻るときに蛍光が起こりますが、この蛍光が広いスペクトル幅を持っているため、任意の波長でレーザー発振ができることになります。

媒質である色素を変更することで発振波長を変えることができます。さらに、色素を合成することで希望の波長のレーザーを得ることもできます。現在では、500種類以上の媒質でレーザー発振できることが確認されています。

この色素レーザーで最も効率よく安定したレーザー発振ができる媒質は、ローダミン6Gといわれており、効率は30%にもなります。

色素レーザーは、他のレーザーを励起する種光として用いられることが多く、窒素レーザー、エキシマレーザー、YAGレーザー、アルゴンイオンレーザーに用いられます。しかし、比較的早く媒質が劣化することと波長可変固体レーザーの普及に伴い使用範囲が狭まっています。