コラム
C05_レーザとは？
レーザとはコヒーレントな光を発生する光源のことです。光は電磁波の一種ですが、電磁波の発生は19世紀末にグリエルモ・マルコーニが無線通信の実験をして以来改良が重ねられ、コヒーレントな電磁波は20世紀に入ると数十GHzという高周波まで真空管、トランジスタを用いた回路で発生させられるようになりました。
しかし光の周波数は数十万GHzと飛び抜けて高いため、これらのデバイスで発生させることができず、1960年代の初めになってようやくレーザが開発され光通信などへのコヒーレントな光の利用が可能になりました。
レーザでコヒーレントな光を発光させる原理は従来の電磁波を発生させる原理とは全く異なっています。レーザは図１に示すように光増幅器と反射ミラーで構成されています。
図１ レーザの構成
光増幅器は発光作用も兼ね備えており、発生した光が図１のようにミラーで反射されて往復する間に増幅されミラーの間に強い光がたまります。ただし、ミラーの間で定在波となる光の波長だけがうまく増幅されるので、決まった波長の光だけがミラーの間に強められてたまることになります。そこで、ミラーの反射率をちょっとだけ減らしてやると、たまった光の一部が漏れ出してきます。これがコヒーレントな光を得る原理です。
光増幅器には特殊な材料が必要で、そのためなかなかレーザが開発できませんでした。今では光増幅器用材料としてHe-Neのような気体、Ndを添加したYAGのような固体、GaAsのような半導体が知られており、それぞれガスレーザ、固体レーザ、半導体レーザと呼ばれています。
光ファイバセンサには光ファイバへ光を導入しやすい理由から半導体レーザが多く用いられています。光増幅器で増幅できる波長は用いられる材料によってきまりますが、材料が特殊なため種類が限られており、発光波長の種類も限られています。
波長の種類が多いのはガスレーザで、もっとも有名なHe-Neレーザの633 nmのほか、長波長では加工に用いられるCO2を用いた10 µm、短波長では半導体の露光装置に用いられるAr-Fを用いた123 nmのレーザなどがあります。Nd-YAGの固体レーザの発光波長は1064 nmです。
半導体レーザでは光ファイバ通信に用いられる1550 nm、CDに用いられる780 nm、BD(Blu-ray Disc)に用いられる405 nmなどがあります。
赤外線レーザの光は目に見えないためレーザ光に赤い光を混ぜて、レーザ光の当たる位置が目視できるようにする場合がありますが、この赤い光はレーザ光ではありません。
レーザ光には、コヒーレントであるため干渉計に適している、小さなスポットに絞れるのでCDやBDなどの微小スポットの読み書きができる、細い平行ビームを作れるため月面に置いたミラーで反射させ地球との距離も測れるといった特徴があります。