他の波長では為しえなかった領域へ

2µmレーザーは独自の吸収特性によって微細かつ精密な切断加工が可能

水の吸収により、医療用レーザー用途での熱損傷域が最小限に

ポリマーなどの材料加工に最適

最近の2µmレーザーの進歩によって、効率、使いやすさ、安定性が向上

生体組織やポリマーを含めた多くの材料には2µm近傍で独自の吸収特性があり、ツリウム (2080nm) やホルミウム (2100nm) レーザーなど、このスペクトル領域のレーザーは、周辺領域への損傷を最小限に抑えながら非常に小さなエリアを加熱することができます。こうした特性によって、2µmレーザーは材料加工やレーザー手術など幅広い用途で使用することができます。2µmレーザーが登場してからすでに数十年が経過しますが、最近の設計上の進歩によって、使いやすさ、パワー効率、安定性が大幅に向上しました。UVレーザーや1µmレーザーは異なる吸収特性をもち、こうした特定の材料の加工や医療用途のニーズを満たすことはできません。

2µmレーザーの利点: 強い威力を秘めた小型筐体

初期の2µmレーザーは非常に大型かつ高額で、液体窒素冷却だったこともあり、多くの用途にとって現実的な選択肢ではありませんでした。しかし、2µmレーザー技術の進展によって、性能を向上させながらコストの低下とサイズの小型化が進んでいます。最新の2µmダイオードレーザーは長さ30mm程度、ファイバーレーザーであればもっと小さなサイズが入手可能です。研究者がファイバーを材料として部品を開発しているケースもあり、その場合はコストを劇的に削減することができます。2µmレーザーは、低コストや使いやすさに加え、パルスや連続波などエネルギーの伝播方法が選択可能なことから、他の光源を着実に置き換えています。

材料加工

長年にわたって、材料加工用途には出射波長1-1.5µmのレーザーが使用されてきました。しかし、局部過熱を最小に抑えながら精密な形状の切断加工が可能な点など、2µmレーザーには多数の利点があります。プラスティックなど多くのポリマーは、1µm近傍の波長で高い透過率を示します。つまり、1µmレーザーはポリマーに吸収されるのではなく透過してしまうため、その加工には弊害になります。1µmでの吸収を高めるために添加物を加えることも可能ですが、製造工程が複雑になってしまいます。一方、多くのプラスティックは10µm近傍で強い吸収があります。これは効果的な表面加熱にはなりますが、精密加工に求められる局所加熱ではありません。

幸い、これらの材料は、2µm近傍でより好ましい量の波長吸収があります。そのため、2µm放射は、プラスティック材料を最適な距離で伝播しながら大きく吸収されるため、材料の局所加熱と0.1-0.5mm幅の切断や溶接が可能になります (Figure 1)。2µmレーザーによるポリマー溶接の重要な用途に、インプラント、微小流体デバイス、チューブ、カテーテルなどの医療用デバイスの接合があります。

Linear welding of plastics using a 2µm laser

Figure 1: 2µmレーザーを使用したプラスティックの線形溶接

医療用レーザー

2µm放射はヒトの細胞の大部分を構成する水分子で高い吸収を示すので、2µmレーザーは高精密な手術に最適です。水分子中のO-H結合が伸びたり曲がったりすることにより振動し、この振動周波数が2µm放射に一致するため、強い吸収が発生します。Figure 2は、水の吸収スペクトルと、一般的なレーザーの種類別の侵入深度を示しています。この図では、2µmでは吸収のピークが高く、侵入深度も適度に小さく正確であることがわかります。これに対して、3µmのピークでは手術用途に十分な侵入深度が得られません。

この高い吸収によって、2µmレーザーを使用した細胞の切除もしくは除去は、約0.5mmという小さな損傷域で可能になります。また、2µmの放射に曝されると、凝固 (血液が液体から半固体に変化し血栓を形成する工程) が発生します。これによって手術中の出血が抑えられ、手術がより清潔、容易、かつ効率的に行えるようになります。

Absorption of water and tissue penetration depth at different wavelengths

Figure 2: 異なる波長における水の吸収と細胞の侵入深度

エドモンド・オプティクスの2µmレーザー用オプティクス

DA 広帯域レーザービームエキスパンダー
コンパクトサイズのTECHSPEC^® DA 広帯域レーザービームエキスパンダーは、2µmレーザーやチューナブルレーザー光源を使用する厳密さが求められるアプリケーションに最適です。ねじ込み式のビーム拡がり調整機能により、λ/10の透過波面精度と1900-2100nmで高い透過率を維持しながら、入射ビームの発散性を補償することができます。合成石英7979基板もしくは7980の基板をお選びいただけます。
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モノリシック構造反射型ビームエキスパンダー (Mark I)
広帯域でアクロマティックなTECHSPEC^® モノリシック構造反射型ビームエキスパンダー (Mark I) は、反射面、タップ穴、貫通穴など、実装に便利な設計要素を備えているので、どのようなレーザー用途においてもアライメント、固定、実装の簡略化が可能になります。モノリシック設計のため、性能や安定性が温度変化の影響を受けることもありません。
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λ/10 合成石英製ウインドウ
TECHSPEC^® λ/10 合成石英製ウインドウは、レーザーグレードの平行度と表面品質とλ/10未満の透過波面歪を両立しています。2µm用反射防止膜 (ARコーティング) を施した製品は、2µmレーザーのアプリケーションにおける反射を最小に抑えることができます。卓越した熱特性、高い透過率、厳しく制御された製造公差を実現しています。
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ReflX™ 反射型対物レンズ
TECHSPEC^® ReflX™ 反射型対物レンズは、広いスペクトル域と回折限界に近い性能を備えるため、優れた画質を提供します。この対物レンズは、透過光学素子の代わりに反射鏡を使用することにより、標準的な対物レンズに見られる色収差や透過材料自体による光吸収の影響を受けません。2µmのアプリケーション用にさまざまなコーティングをご用意しています。
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高性能ReflX™ 反射型対物レンズ
TECHSPEC^® 高性能ReflX™ 反射型対物レンズは、標準タイプのReflX™ 対物レンズと同様に広いスペクトル範囲で使用可能ですが、λ/4 (P-V) の透過波面精度とテーパー形状のメカニクス設計により、最大45°の入射角で使用可能です。2µmのアプリケーション用にさまざまなコーティングをご用意しています。
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2µm用レーザーミラー
TECHSPEC^® 2µm用レーザーミラーは、医療、産業、計測用途で使用されるツリウム (1940nm) やホルミウム (2100nm) ドープレーザーとの使用に最適です。2µmで99%以上の反射率を実現し、10 J/cm²のレーザー損傷閾値を保証します。
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よくある質問 (FAQ)

2µmレーザーは新しい発明という訳ではないのに、最近の光学業界のトレンドになっているのは何故？

2µmレーザーは、性能の向上やサイズ/コストの低減により、最近になってより広く使用されるようになりました。

材料加工の用途には、パルスと連続波のどちらの2µmレーザーを使用するべき？

連続波 (CW) の2µmレーザーの場合、加工中に材料の上面と底面に熱影響部ができてしまいます。2µmのパルスレーザーのほうが熱影響部は小さく、表面の損傷も少なく、より精密な加工が可能です。

手術用途では1µmレーザーが2µmレーザーほど効果的ではないのは何故？

1µmレーザーの放射は2µmレーザーよりもはるかに吸収が少なく、組織に深く侵入します。その結果、損傷部が大きくなり、不必要な壊死細胞も増えてしまいます。手術は非常に緻密な工程なので、切断する深さも下層組織への損傷を低減するために精密に制御する必要があります。2µmレーザーを用いると、この精密な制御が可能になるため、手術用途での使用が検討されます。

2µmレーザーにはどんな光学材料が使用できる？

2µmのスペクトル範囲で使用される材料としてもっとも一般的なのは、合成石英、セレン化亜鉛、フッ化カルシウム (CaF₂)、ゲルマニウム、サファイアなどです。使用可能な光学材料とその特性についての詳細は、アプリケーションノートのCharacteristics of 2µm Lasersをご参照ください。

参考資料

アプリケーションノート

アプリケーションノート

理論的説明や公式、図解などを網羅した技術情報やアプリケーション実例です。

Characteristics of 2µm Lasers
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UV vs. IR Grade Fused Silica
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2µm レーザー

November 2018 | 光学テクノロジー最前線の全ての記事を見る