【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。

【応用】レーザリンク

インターネットは、情報伝達の手段としてすでに私たちの生活に欠かすことができない技術となっています。しかし、世界を見渡すとまだまだインターネット(とくにブロードバンド)のメリットを享受できていない地域もあります。その解決策として、宇宙を利用した無線情報伝送の事業化が進んでいます。

これは、宇宙空間に人工衛星の一群・システム(コンステレーション)を構築し、その間、および衛星と地球をつなぐことで地球上の必要な地域にインターネットサービスを提供しようというものです。

この概念自体は、レーザーが誕生した1960年頃まで遡るといわれています。しかし、最初に実証されたのは、2008年に行われた欧州の衛星Terra SAR-Xと米の衛星Near Field Infrared Experimentの2つの低地球軌道衛星間でレーザー通信が行われた実験です。25秒以内で互いにロックオンし5.6Gbpsで約20分間双方向通信したそうです。

続いて、2013年にNASAがLLCD(Lunar Laser Communication Demonstration)によって月からデータを送信しました。この時の速度は622Mbpsで宇宙からの無線でのデータ速度としては高速で、技術的に大きな進展が見られました。

2016年には、最初の商用レーザ衛星間でのレーザリンクが運用されました。エアバスがSpaceDataHighwayとして、テサット社のレーザ通信ターミナルを用いて、低地球軌道上の4基の衛星によって収集された画像データを地球に1.8Gbpsで送信しました。2019年には、2期目の対地同期衛星が追加され、中継速度が向上しました。

これらの技術をさらに発展させて、ブロードバンドが未整備の地域へインターネットサービスを提供する動きもあります。SpaceX社が衛星打ち上げサービスの低価格化を実現したため、衛星を経由したインターネットサービスが目前に迫っているとの指摘もあります。

無線データ通信は、マイクロ波リンクでも実現可能です。この方式ですと、雲や霧など大気中で光信号が遮られることがないというメリットがあります。一方で、レーザは伝送帯域幅が広く、受信機を小さくでき、盗聴されにくいというメリットがあります。ただ、レーザー接続を常に維持するために相対位置を制御し続ける必要があります。

ブロードバンドを世界に届けるという目標の解決策としてFacebookはドローンを検討していたようですが、今では衛星の方にシフトしているようです。

レーザーのハードウエアは、分布帰還型(DFB)半導体レーザー+増幅器の1550nmや1080nm帯、DPSSレーザーの1064nmが使用されているようです。

技術的にも、まだまだ課題が多く、困難が伴いますが、世界の人々が平等にインターネットを使うことができれば、素晴らしいですね。

【応用】レーザーの医学応用(4)

レーザーを医学の分野への応用としては、治療の他に計測・診断があります。レーザーを使うメリットの一つとして、生体情報のin vivo(生きた状態での)計測があげられます。さらに、病気の診断までできることもあり、optical biopsy(光学生検)と呼ばれ、注目されているそうです。biopsy(生検)は、生体組織を一部採取し、顕微鏡などで精密に調査し、病気の診断をすることを言いますが、レーザーを使った計測では、これを非侵襲にて行うことが可能になります。

1. 近赤外分光計測

近赤外光を使うことで、体内のヘモグロビン酸素化の状態を調べることができます。血液が酸素を多く含む動脈血が鮮やかな赤色であるのに対し、酸素が少ない静脈血は少し暗い色をしています。これは、血液に含まれるヘモグロビンが酸素化されている状態と、脱酸素化されている状態で吸収スペクトルが異なるためです。波長600~800nmの光では、酸素化ヘモグロビンの吸収が小さく鮮やかな赤色となり、800nm以上では脱酸素化ヘモグロビンの吸収が小さくなります。この吸収率の違いにより、ヘモグロビンの酸素化状態を知ることができます。

この原理を応用した計測手法がパルスオキシメーター(酸素モニタリング装置)です。この装置は、発光部と受光部を備えており、受光された光の強度で酸素飽和度(SpO2)を計測することができます。指に挟んで簡単に計測できるものが多く、患者への負担も小さいのが特長です。また、同時に脈拍も測ることができる製品もあります。

2. 蛍光分光計測

蛍光物質を特定の位置へ移動させ、レーザーを照射することにより発生する蛍光を検出することで、その位置を特定することができます。この蛍光画像法は、がん組織や動脈硬化部位の特定に使われています。

蛍光物質の一例としてNPe6があります。これを必要量だけ静脈注射し、一定時間後に計測を行います。NPe6は、腫瘍や脂肪組織に集まりやすい性質があり、病変組織中では664nmの光で励起すると670nmにピークがある蛍光を発します。必要なパワー密度は1mW/cm2程度と非常に少なく半導体レーザーで簡単に励起できます。蛍光状態をCCDカメラなどで観察することで、病変部の像を取得することができます。また、内視鏡と組み合わせることで生体内部の状態を観察することもできます。このNPe6は、数時間程度で排出されるため生体への影響もほとんどありません。

【応用】レーザーの医学応用(2)

医学応用の特徴

レーザーを治療や計測など医学に応用することは、近年では広く行われていますが、どのような利点があるのかを、一般的な話として記述してみます。

まず第一として、レーザーの利用条件によりますが生体に過度の損傷(侵襲)がないことがあげられます。太陽光線をはじめ、様々な光の中で人間を含めた生物は生息しています。過度な暴露はガンなどのリスクも伴いますが、一般的には問題なく生活できています。これが、光(レーザー)が人体に対して無侵襲ないし、低侵襲であることの証左です。

第2として、高い集光性があげられます。このことにより、狙った位置に確実に作用させることができます。局所的な治療や、高分解能の計測には、この特長が非常に有効です。一方で、比較的大きな面積について作用させる場合には、レーザーを走査したり、集光度を低くすることが可能です。これは、レーザーのもつ高いエネルギーと直線性によって達成されます。

さらに、第3番目の特徴として、非接触性があげられます。非接触のため、ウイルスや菌などの汚染のリスクを抑えることができます。また、多くの場合、非接触により短時間で作用が済むこともあり、人への負担が少ないという利点もあります。

レーザーの医学応用は、すでに多くの実績がありますが、レーザー応用技術も日々進歩しており、さらなる医学への貢献が期待されます。

【応用】レーザーの医学応用(1)

レーザーの生体への作用

レーザーは工業用途のみならず、医学の分野でも用いられています。その応用は、狭義には治療と診断(計測)ですが、広義には光通信や情報の記録、微細加工なども含まれるかもしれません。

ここでは、狭義の治療と診断に絞って、レーザーのどのような特長が、どのように活用されうるかという光学的特性を見ていきます。

まず、医学では扱う対象は生物(生体)です。そのため、生体の光学的特性を見ていきます。生体に強度I0の単色平行光を入射するとき、生体が均一な吸収体であれば、入射位置から深さxの光の強度Iは、吸収係数\(\mu_\alpha\)を用いて、次式であらわされます。

$$ I = I_0 exp(- \mu _\alpha x) $$

しかし、実際には生体内部に様々な物質があり、散乱体とみなした方が良いです。そこで、散乱による減衰係数を\(\mu_s\)として、総合的な減衰係数\(\mu_t\)を用いて光の強度は次のようにあらわされます。

$$ I = I_0 exp(- \mu _t x) $$
$$\mu_t = \mu_\alpha + \mu_s $$

さらに、生体表面での光の反射もあります。その反射率をRとして、光の強度は次のようにあらわされます。

$$ I = I_0 (1-R) exp(- \mu _t x) $$

光がある単一粒子に照射されたとき、その散乱光はあらゆる方向へ進みます。進行方向に対する光の角度を散乱角と定義するとき、その角度が90度より小さい(光が進む方向へ散乱する)ときを前方散乱といいます。反対に90度より大きい(光の進む方向と反対)ときを後方散乱と呼びます。ぞれぞれ、非等方散乱パラメータgを用いて、g=1, g=-1とあらわします。等方散乱の時は、g=0です。一般に、生体内ではg=0.8~0.97と言われています。

この散乱は、一度で終わるものではなく、何度も繰り返し生体内をめぐっていきます(多重散乱)。この光が吸収され熱に変換されたり、生体分子を励起したり、様々な相互作用が起こります。しかも、均一の物質ではないため、複数の減少が複雑に発生することになります。

生体の主成分は水で、約70%と言われています。この水は600nm以下の波長帯で吸収が増大することが知られています。また、生体内にはタンパク質も多く含まれています。このたんぱく質は紫外域で大きな吸収を示します。このように生体での光の波長に対する吸収をプロットすると、700~1500nm付近で吸収が比較的小さくなります。このため、この帯域を「生体の分光学的窓」とも呼ばれています。

このように、生体の場合には、その生成によって光学的な特性が異なります。つまり、組織の種類によるところも多いです。内蔵のような軟組織と歯や骨のような硬組織でも異なります。下の図には、軟組織での光の深達長を光の波長ごとに模式的に示してあります。

【応用】レーザー表面硬化

材料(特に金属)の表面特性を変化させるために局所的な加熱を行うことがあります。その熱源としてレーザーを用いたものが、レーザー表面硬化法(Laser Transformation Hardening)です。

レーザーを材料表面に照射して融点以下まで加熱し、その後、冷却することで材料特性を変化させます。金属の熱による硬化は様々な方法がありますが、レーザーを用いる特徴としては、選択的に一部分のみの加工ができることや、加熱に対して自己冷却が進むため冷却が早いことが挙げられます。

実用的な数mm深さの表面硬化を行うには、出力kW級のレーザーが用いられます。従来は、CO2レーザーがメインでしたが発振波長が10.6μmであり金属への吸収率があまり良くないため、加工効率は良くありませんでした。場合により材料表面に吸収促進剤を塗布するなどの工夫を行っていました。一方、YAGレーザーが実用に近づいてくると光源の置き換えが検討されました。YAGレーザーの波長1.06μmは金属の吸収率が高く表面硬化に適していると考えられました。しかし、半導体レーザーの高出力化が進むと、扱いやすさやコストパフォーマンスの点で利用が進む可能性があります。

レーザー表面硬化は1970年代ごろには、すでに開発が進められていた技術のようです。1990年ごろには、歯車、ピストンリング溝、モーター軸、シリンダライナ、タービンブレードなど多くの工業製品に応用されるようになりました。

2000年に入ると、実用的なkW級の高出力半導体レーザーが入手できるようになりました。半導体レーザーは金属への吸収が良く、ランニングコストが安価でメンテナンスフリー、ファイバーによりレーザーのハンドリングが容易という特徴があり、レーザー表面硬化に有利なため、プロセスの研究開発がさらに進むことになりました。近年は、レーザー光源のさらなる発達により、また、市場のニーズにより利用範囲が広くなっているようです。

R. C. Reedらは、kW級のCWレーザーを用いてビーム形状によって硬化にどのような影響があるかを3種類の金属材料に対して調べています。

レーザー表面硬化は、局所的な表面処理が可能で、自己冷却で効率という点で、レーザーのメリットを活かした加工方法であるといえそうです。

【応用】光ピンセット

光ピンセットは、光の力学的な作用を利用して、物体をマニピュレーションする方法ないし、装置です。操作する対象は主に液体内にある光に対して(ほぼ)透過なマイクロメートルオーダーの物体です。稀に空気中で微小物体を操作する研究も見受けられます。

光ピンセットは、被操作物体に集光光を当て、その力学的な作用である放射圧(光圧)によって、操作する技術です。

この放射圧は、17世紀にニュートンによって予測され、19世紀にマクスウエルによって定式化され、レーザーが実用化されてきたことにより、この微小な力の研究と応用が進められてきました。

主となる応用分野は、生物学です。微生物や細胞の操作などに広く使われるようになってきているようです。

光によって発生する力「光圧」は、電磁波中の誘電体に生じる双極子によって起こる電磁界の歪から計算することができます。電磁界のもつ単位体積当たりの運動量Pは、ポインティングベクトルS,物質中の光の速さvを用いて、次式であらわされます。

$$ P = \frac{S}{ v^2 }$$

力学的な力Fは、運動量の変化によって生じますので、次式で求められることになります。

$$ F = \frac{\Delta P}{ \Delta t} $$

これらより、光の入射強度をIとすると、力は次の式で表されます。

$$ F = \frac{QIn}{c} $$

ここで、nは粒子の屈折率、cは真空中の光の速さ、Qは運動量の変化の度合いに対応する無次元の定数(0~2)で効率をみなせます。

照射する光の波長が被操作対象に対して大きいか小さいかで力の発生原理が異なります。対象が波長より大きい場合はMie散乱領域として扱われ、小さい場合はRayleigh散乱領域として扱われます。

被操作対象が、光が照射されると反射・透過を何度も繰り返します。そのそれぞれの光線が力を発生させます。下図のように、光強度Iの光線が被操作対象に角度Θで入射したときの散乱力と勾配力を考えます。被操作対象が光の波長より大きいとして幾何光学的に散乱力Fsと勾配力Fgを求めると次式であらわされます。

$$ F_\xi = F_s = \frac{n_1 I}{c}\left[ 1 + R \cos 2 \theta – \frac{T^2 \{ \cos (2 \theta – 2 r) + R \cos 2 \theta \}}{1 + R^2 + 2 R \cos 2 r} \right]$$
$$ F_\eta = F_g = \frac{n_1 I}{c}\left[ R \sin 2 \theta – \frac{T^2 { \sin (2 \theta – 2 r) + R \sin 2 \theta }}{1 + R^2 + 2 R \cos 2 r} \right]$$

ここで、被操作対象の屈折率がn1、反射係数がR、透過率がTです。

全光線についての力を足し合わせることで被操作対象に働く力を求めることができます。この式をグラフ化するとわかるのですが、入射光線の進行方向と反対方向への力を発生することもできます。

光ピンセットの例としては、1064nmのNd:YAGレーザー145mWを対物レンズ(×100、NA=1.3)で集光させエチレングリコール内の直径1μmのポリスチレン微粒子をトラップした例などがあります。

Arthur Ashkinは、この研究成果により、2018年にノーベル物理学賞を受賞しています。

【応用】リップル

レーザーで材料(特に金属)を加工するときに、微細なさざ波形状の模様(リップル: ripple)ができることがあります。周期としては、使用したレーザーの波長程度で、深さはレーザーの強度によりますがサブミクロン程度のほぼ規則的な凹凸で、いわゆるグレーティングに近いものです。この現象は、直線偏光のレーザーを使用したときに観察され、その偏光方向やレーザー走査方向によって形成される構造が変化します。

これは、レーザーによって被照射材料の表面粗さによって励起された表面電磁波と入射レーザーとの干渉によるものと考えられています。

グレーティングの空間周期\(\delta_s\)は、励起された表面電磁波の波数をks、入射レーザーの波数をk0として、レーザー入射角度をΘとすると、以下のように表されます。

$$ \delta_s = \frac{2 \pi}{k_s \pm k_0 \sin \theta} $$

レーザーを適切に制御することで、このようなリップルを形成でき、写真のように虹色に光る模様を作ることもできます。

より実用的には、この技術を使って量子ドットを作る研究もなされています。こちらは、より高精度に加工するために2ビーム干渉により材料表面をエッチングしています。

【応用】サビ落とし

レーザーアブレーションの応用としてサビ落としがあります。アブレーションの閾値の差を利用して、材料表面についたサビのみを除去する技術です。パラメータを最適に設定することで、下地には全く損傷を与えることなくレーザーによりクリーニングすることができます。

パルス幅9ns、フルエンス0.3~0.4J/cm2、もしくは、パルス幅200ns、フルエンス1~4.4J/cm2のNd:YAGレーザーを照射することで厚さ4μmの赤サビをきれいに除去できているようです。除去後の表面粗さは0.89μmだったとのことです*。

市販化されている装置は、ヘッドを手に持ち、レーザーを対象物に照射するタイプが多いようです。ヘッドにはガルバノスキャナが内蔵されているものもあり、より高効率なサビ除去ができることが期待できます。レーザー出力は、100W程度以上のパルス発振のファイバーレーザーが使い勝手も良く多用されているようです。

ファイバーレーザーを使うことができれば、ロボット等によるレーザーのハンドリングが可能になるため、様々な表面形状に対して柔軟にサビとりを行うことができます。さらに、CAD/CAMと連携できれば自動で作業を実施できる可能性もあります。

また、アブレーション閾値の差を利用するため、サビだけではなく、成形型に付着した樹脂や金属についたセメント、金属に付着した油脂等の除去にもレーザークリーニングが使われます。

レーザーによるクリーニングは、従来はサンドペーパーや薬品に頼っていた作業を手軽に安全に環境にやさしい作業へと変えてくれました。今後も利用領域は拡大していくものと思われます。

*出典:レーザー応用工学、コロナ社、小原他

【応用】美術品の修復

絵画や彫刻品の修復にもレーザーが活躍しています。汚れた空気や経年劣化から美術品の表面がくすむ等の劣化が見られる場合があります。レーザーアブレーションの技術を使い、表面をほんの僅かだけ削り、元の表面を露出させ修復します。


PhotonicsMediaの記事にあるように、フィレンツェの研究所にて絵画を修復しています。様々なテストを行い、レーザーアブレーションで問題となる加工後の黄味がかった色を加工パラメータの最適化で克服しています。
ギリシャのFotakis教授のグループはKrFエキシマレーザーを用いて17世紀のイコンを修復したとしています。修復前後で見比べると、レーザーを用いた修復の効果がはっきり分かります。


また、近年の超短パルスレーザーの発展により、より高品質な修復ができる可能性も出てきました。”The potential of UV femtosecond laser ablation for varnish removal in the restoration of painted works of art”の記事にあるように、Paraskevi Pouli氏らのチームは、パルス幅500fsのTiサファイアレーザーを用いてナノ秒レーザーより高いエッチング分解能を実現しています。

イタリアのQuanta System社は、美術品のレーザー修復専用装置を販売しています。

このように、アートの世界でもレーザーが活躍しています。