KLV大学レーザーコース

【図解】レーザーの種類とそれぞれの原理や特性、使われ方を基礎から解説

レーザーは、わたしたちの生活のあらゆる場面に関わっている、「光」に関する科学技術です。

一般的にはレーザーと聞くと、レーザーポインターやレーザー脱毛、レーザープリンタなどが思い浮かべられるかと思います。

一方で、科学技術の開発現場や医療、産業、通信の分野では、レーザーは様々な切り口から分類され、用途（アプリケーション）ごとに使い分けられています。

このページをご覧の方は、レーザーについて

「そもそもレーザーとはどんなものか知りたい」
「レーザーがどのようにして生まれ、発展してきたか知りたい」
「レーザー光がどのようにしてつくられるか仕組みを知りたい」
「レーザーの種類や分類について知りたい」
「種類や波長ごとの特徴や用途について知りたい」
「レーザー製品の購入を検討している」

という方が多いのではないでしょうか。

＞＞レーザー製品のラインナップがすぐに見たい方はこちら

ここではレーザーについての基本的な知識から応用まで、一般的な目線から技術者的な目線まで網羅して、図解でわかりやすく解説していきます。

レーザーに関する疑問はすべて解決できるよう、情報をまとめておりますので、ぜひご一読ください。

レーザーとは？

まずはじめに、レーザーとはいったい何なのか？といったところから解説していきます。

レーザーとはLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation（LASER）の頭文字を取ったもので、これを直訳すると誘導放出による光増幅放射を意味します。

＞＞誘導放出による光増幅放射とは？

このようにして人工的につくられた光そのもの、もしくは共振器を含むレーザー発振器そのものをレーザーと呼ぶこともあります。

それでは、普通の光とレーザーの光にはいったいどのようなちがいがあるのでしょうか。

「普通の光」と「レーザー光」とのちがいとは？

普通の光とレーザー光のちがいはズバリ、以下の4つです。

指向性が高い
コヒーレンス
単色性
収束性に優れている

それぞれ詳しくお話ししていきます。

指向性が高い

「指向性」という言葉は、光に限って用いられる言葉ではありません。

アンテナやマイクなどに用いられるように、音波や電波など「波」があるものに用いられる言葉です。　

光をはじめ、音や電波などが出力されるとき、その強度が方向によって異なる性質のことを指します。

つまりレーザーの指向性が優れているというのは、一方向に向かってまっすぐ強力なレーザー光が出力できることであり、これがレーザーの代表的な特徴であると言えます。

もう少しわかりやすく言い換えるとしたら、遠くまで届く真っ直ぐな光であると言えるでしょう。

自然光とレーザー光の指向性のちがい

コヒーレンス

コヒーレンスとは可干渉性と言われており、光の位相（周期的に繰り返される光の波の、山と谷が揃っている状態）が揃っている光をコヒーレント光といいます。

自然光とレーザー光のコヒーレンスのちがい

前述のように、光は波でできています。

この波が複数ある場合、この波（位相）を重ね合わせることで、打ち消し合ったり強め合ったりします。

この位相がぴったり揃うことで、光は打ち消し合うことなく一定の強度を保った状態になります。

ここまでのご説明であまりしっくりこない方は、コヒーレント光＝規則正しい光であるとご理解いただくとわかりやすいのではないでしょうか。

逆に、この位相が揃っていないと波同士が不規則に打ち消し合い、インコヒーレントな光となるわけです。

単色性

レーザー光は波長のスペクトル幅が非常に狭く、そのため単色性の光となります。

レーザー光の単色性

例えば、太陽光のような自然光は複数の色が混ざりあったものですが、

それに対してレーザー光は、単一波長の光の集まりとなっています。

この特徴を単色性と呼んでいます。

収束性に優れている

同じように、「収束性」とは光の束を一点に集める性質のことを指します。

たとえば、虫眼鏡を使って太陽の光を一点に集めると、紙を焦がしたりすることができますよね。

このように、光を一点に集めることでエネルギーを強くすることは可能ですが、レーザーではない自然光の場合、金属を切断したりできるほどの強度ではありません。

しかしレーザー光を集光する場合、レーザー光はレンズの収差の影響もほとんど受けず、減衰もしません。

これにより、レーザー焦点を限界まで小さくすることでエネルギー密度を高めることができ、金属を切断したりすることができます。

自然光とレーザー光の収束性のちがい

以上のことをまとめると、レーザー光とは誘導放出による光増幅放射を利用し、

まっすぐで単色かつ、規則正しくて密度を集中させることができる光であると言えるでしょう。

このレーザーについての理解を深めるためには、そもそも「光とは何か？」ということについて知っておくと良いでしょう。

光のしくみと波長

わたしたちの身の回りには、太陽の光や照明の光など、あらゆるところに光があります。

その光は、すべて「電磁波」として空間を伝わっています。

光は、その電磁波の波の長さである「波長」によって色や性質が異なり、実はわたしたちが普段、目にしている「色」というものも実は光の波長によって決まるものなのです。

わたしたちが見る色の仕組みは波長のちがい

わたしたちが普段、目にしている「色」は、わたしたちの脳が、特定の波長の光を「色」として認識することで赤や黄色、青などの色が見えています。

それはいったいどのような仕組みなのでしょうか。

光が物体に当たると、その物体は光の一部を吸収もしくは反射します。

そのうち、反射された光が目に入り、電気信号として脳に伝わることで「色」として認識されるというしくみなのです。

人が色を認識する仕組み

そのため、光がないところでは物体は光を反射しませんので、物体を目で認識することはできず色も見ることができません。

つまり、色のちがいというのは物体が光を反射するときの波長のちがいとなります。

可視光線とは？波長によって見える光と見えない光

前項でお話したような「色」として認識できるものをはじめ、目に見える光のことを「可視光線」と呼びます。

逆に、光の中には目に見えない光も存在し、目に見えない光には「紫外線」や「赤外線」といったものが存在し、そのすべてが波長の違いからくるものです。

光の波長のちがいによる名称とエネルギーのちがい

「紫外線」は日焼けの原因となる光として知られていますし、「赤外線」はテレビのリモコンなどをイメージする方も多いでしょう。

このように、光は波長によって見え方だけではなく性質も異なり、これを利用した技術がわたしたちの身の回りを取り巻いています。

レーザー技術の発展の歴史

レーザーの技術は20世紀の初頭からはじまりました。

1917年、アルバート・アインシュタインという科学者が、すべてのレーザー技術の基礎である「誘導放出」現象を提唱したところから始まっています。

その後さまざまな科学者によってレーザーの研究が進められていき、1960年以降は加工・医療・測定と、あらゆる分野でレーザー開発とその実用化が進んでいきました。

1970年、1980年代と進むにつれて、より高出力・高強度なレーザーや安価なレーザーが開発されていき、アプリケーションの幅も格段に広がっていきました。

それぞれの分野のレーザー発展の歴史については、以下のページで詳しく解説しています。

興味がありましたらそちらもご覧ください。

＞＞レーザーの語源とその技術の発展の歴史

半導体レーザーの歴史

現代のレーザー技術において非常に重要な位置づけにある半導体レーザーですが、その始まりは1962年、Robert N. Hall がヒ化ガリウムを使った半導体レーザー素子を開発し、850ナノメートルの近赤外線レーザーをつくりだしたことに始まったと言われています。

その直後、ニック・ホロニアックが可視光の半導体レーザーの実験に成功しましたが、初期の半導体レーザーはパルス発振しかできず、液体窒素で冷却する必要がありました。

そして1970年、常温で連続発振できるダブルヘテロ構造を使った半導体レーザー素子が開発され、1985年にはチャープパルス増幅法が提案されたことより、原子・分子内の電子が核から受ける電場以上の高強度レーザーの発振が可能となりました。

レーザーを発生させる原理としくみ

さて、レーザー光とは誘導放出による光増幅放射を利用した指向性と収束性に優れた人工的な光（もしくはそれを発生させる装置）のことであるとお伝えしてきました。

ここからは、レーザー光が発振する（つくられる）までの原理について、レーザーの基本構造をもとに解説していきます。

レーザー発振器の基本構造

レーザー発振器は、基本的に以下のような構造になっています。

媒質
励起光源
共振器（増幅器）

図で表すと、以下のようなイメージです。

レーザー発振器の基本構造

レーザー光を発信する原理と流れ

レーザー光は、基本的には以下のような流れで発信されます。

励起
自然放出
誘導放出
反転分布
振幅

それぞれ図で詳しく見ていきます。

レーザー発振の原理と流れ1:励起

レーザー発振器に励起光を入射することで、レーザー発振器内にある原子中の電子は光を吸収します。

すると、原子は基底状態（原子の持つエネルギーが低い状態）から励起状態（原子の持つエネルギーが高い状態）になります。

レーザー発振の原理と流れ2.自然放出

励起状態となった原子中の電子はエネルギー準位が上がります。

エネルギー準位が高い原子は不安定な状態のため、安定するために自らエネルギーを放出し、低いエネルギー状態に戻ろうとします（遷移）。

このとき、エネルギー準位が高い状態とエネルギー電位が低い状態の差のエネルギーの光が自然放出されます。

自然放出のしくみ

レーザー発振の原理と流れ3.誘導放出

自然放出により放出された光は、同じように励起状態にある他の原子に衝突します。

励起状態にある原子がその光に当てられると、その光に誘導されて励起状態の原子は次々に同様の遷移をおこします。

誘導放出のしくみ

このように、自然放出により誘導されて光が放出される現象を誘導放出といいます。

誘導放出によって放出された光は、自然放出によって放出された光とエネルギー・位相・進行方向がまったく同じ光を放出します。つまり、自然放出されたエネルギーが2倍になるということです。

つまり誘導放出は、この3つの要素が揃った強い光を創り出すことができるというメリットがあります。

これにより、レーザーの特徴である指向性と収束性に優れた光が生み出されるというしくみです。

レーザー発振の原理と流れ4.反転分布

誘導放出の原理を利用してレーザー光を発振させるには、励起状態（電子のエネルギーが高い状態）の電子密度を、基底状態（電子のエネルギーが低い状態）電子密度よりも高くする必要があります。

このような状態を反転分布状態といいます。

この反転分布状態は、電子に吸収される光の数＜誘導放出される光の数という状態にする必要があり、この状態にすることではじめて、効果的にレーザー光をつくり出すことが可能になります。

レーザー発振の原理と流れ5.振幅

反転分布状態で1つの電子が光を自然放出すると、その光によって別の電子が光を誘導放出し、それにより光の数が連鎖的に増えてより強い光へと増幅されます。

さらにレーザーは2枚のミラーが設置された共振器を反射し続けることによって増幅されていきます。

このような、誘導放出による増幅現象は共振と呼ばれ、共振器に設置された対のミラー（共振器ミラー）の間で行われます。

このミラーは、対のうち一方は全反射ミラーとなっていますが、もう一方は半反射ミラーとなっており、共振により増幅された光の一部分を透過します。

増幅された光がレーザー出力される

このように、半反射ミラーの透過によって取り出された光がレーザー光となるわけです。

これがレーザー発振の基本的なしくみです。

レーザーの種類は大きく分けて4種類

レーザーは、その媒質の素材によって大きく以下の4種類に分けられます。

固体レーザー
液体レーザー
気体レーザー
半導体レーザー

それぞれ解説していきます。

固体レーザー

固体レーザーとは、レーザー媒質にYAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）といった鉱石やYVO4（イットリウム・バナデート）など固体材料を使ったレーザーです。

体積を小さく保ったままレーザー出力を大きくすることができ、小型の共振器でも大きなレーザー出力を得ることができるのが特徴です。

代表的な固体レーザーには、先ほどあげたYAGレーザーやYVO4レーザー、光ファイバの中心に希土類元素Yb（イッテルビウム）が添加されたファイバーレーザーなどがあります。

＞＞YAGレーザとは (仕組みとその特徴・用途をくわしく解説)

＞＞ファイバーレーザーとは

またレーザー媒質が同じ固体でも、半導体を材料とした場合はかなり性質が異なるため、半導体レーザーとして区分するのが一般的です。

液体レーザー

液体レーザーとは、レーザー媒質として液体を用いたレーザーです。

使用する媒質の特性によって有機キレート化合物レーザー、無機レーザー、有機色素レーザーの3種類に大別されています。

安全性や実用性から、一般的に利用されている液体レーザーのほとんどが有機色素レーザーで、色素(dye) 分子を有機溶媒(アルコール：エチレングリコール、エチル、メチル) に溶かした有機色素が媒質として用いられています。

上記のような色素レーザーは、有機溶媒に溶かす色素分子によって色が変化（可視光の波長が変化）することが最大の特徴で、多彩な波長（色）でレーザー発振をすることができます。

このように、波長可変レーザーとして多種多様な分野や目的に利用できる一方、媒質の寿命が短く出力が制限されるのがデメリットです。

気体レーザー

気体レーザーとは、レーザー媒質に炭酸ガス（CO2）などの気体を用いたレーザーです。

媒質となる気体によって、中性原子レーザー、イオンレーザー、分子レーザー、エキシマレーザー、金属蒸気レーザーなどに区分される場合もあります。

固体レーザーなどの他のレーザーと比較すると、レーザー媒質が均質で損失が少なく、共振器の構造を大きくとることができます。

それにより、大きなレーザー出力を得ることができるのが特徴です。

＞＞CO2（炭酸ガス）レーザーとは？特徴や原理から用途までわかりやすく解説

＞＞エキシマレーザーとは？特徴や仕組みから用途までわかりやすく解説

半導体レーザー

半導体レーザーとはレーザーダイオードとも呼ばれ、固体レーザーの中でも特にⅢ-Ⅴ族半導体、またはⅣ-Ⅵ族半導体を使ったレーザーです。

小型の装置で大きなレーザー出力を得ることができるのが特徴で、光通信や医療、加工技術など幅広い用途でつかわれています。

＞＞【図解】レーザーダイオード(半導体レーザー)とは (特徴と選び方)

様々な用途につかわれることから、関連デバイスなど構成を組み替えることにより、CW駆動やパルス駆動、受光側による同期や変調など、それぞれ目的に合った使い方をすることが可能になります。

＞＞【図解】レーザーダイオード（LD）と関連機器との構成や使い方

弊社では半導体レーザーや関連するデバイスを多数、取り扱っておりますので、半導体レーザーの導入をご検討されている方は気軽にご相談ください。

＞＞製品・サービス｜レーザーダイオード

そのほかのレーザーの分類

レーザーの分野では、前項でご紹介したような素材による分類だけでなく、波長やパルス幅など別の切り口でレーザーを分類する場合があります。

波長による分類

レーザーは発振される光の波長によって、以下のように分類することもできます。

赤外線レーザー
可視光線レーザー
紫外線レーザー
X線レーザー

それぞれの波長と特徴についてお話していきます。

赤外線レーザー（780〜1,700nm）

IRレーザーとも呼ばれる、赤外領域のレーザー光です。

産業用レーザーの中では比較的コストが低く、高い出力のレーザーを得ることができます。

一般的には、光の波長帯による分類はおおよそ以下のようになります。

赤外光（780nm〜1mm）

近赤外線：780～2500nm
中赤外線：2500～4000nm
遠赤外線：4000nm以上

ですが、レーザーの分野においては赤外光の中でも780nm〜1,700nmの波長帯の光がよく用いられているため、赤外線レーザーというと一般的には780nm〜1,700nmの波長帯のレーザーのことを指します。

赤外線レーザーについて詳しく知りたい方は、以下の記事もご覧ください。

＞＞赤外線（IR）レーザーとは？特徴や用途の解説と製品一覧

1550nm帯のレーザー製品（LDやSLDなど）一覧

可視光線レーザー（380～780nm）

可視光線レーザーとは、目に見える光である可視領域（380～780nm）の波長帯を持つレーザーです。

レーザー分野における可視光線レーザーの代表格は半導体赤色可視光レーザーです。

バーコードリーダーの光源として利用することで、工業における製造ラインでの部品、製品の識別などに利用されたり、光硬化性樹脂を使用しての試作モデルの製作などにも利用されています。

他にも、レーザーラインを照射して作業工程の位置決めをするマーキングレーザー（レーザー照準器）、多くの方がレーザーと聞いてイメージするような、レーザーポインターなどにも使用されています。

紫外線レーザー（〜380nm）

紫外線レーザーはUV（Ultraviolet）レーザーと呼ばれることもあり、主に加工分野でつかわれています。

前述の可視領域（380〜780nm）より下回る、380nm未満の波長帯をもつレーザーです。

基本的に、光の持つエネルギーはレーザーの波長に反比例するので、ダイヤモンドなど硬度の高い材料も加工することができます。

また、レーザー光の吸収率が高いことも特徴のひとつで、赤外領域のレーザーでは透過してしまうような素材（サファイアなど）も加工することが可能です。

X線レーザー（0.1〜10nm）

波長が0.1〜10nm程度のX線領域の波長帯を持つレーザーです。

ピーク強度が高いという特徴があり、膜たんぱく質をはじめとする高難易度ターゲットの結晶構造解析（シリアルフェムト秒結晶学）といった高度な技術分野に用いられています。

また、短パルス幅を利用した無損傷データ収集、時分割測定、ウイルスや金属粒子といった非結晶性試料のコヒーレント回折イメージングにも利用されています。

パルス幅による分類

レーザーの発振動作は、連続波発振動作（CW）とパルス発振動作にわかれます。

パルス発振動作をするレーザーはそのままパルスレーザーと呼ばれており、極めて短い時間だけの出力を一定の繰り返し周波数で発振するのが特徴です。

その際のパルス幅によりレーザーを分類する場合があり、パルス幅の秒単位によって以下のように分けられます。

ミリ秒レーザー
マイクロ秒レーザー
ナノ秒レーザー
ピコ秒レーザー
フェムト秒レーザー

下にいけばいくほどパルス幅が短く、上記の中ではミリ秒レーザーが最もパルス幅が長いレーザーとなっております。

パルスレーザーのパルス幅は、実際はミリ秒レーザーより長いものが存在します。

しかし、パルス幅によるレーザーの分類はその短パルス性、超短パルス性の特徴を活かした用途に使われるのが基本です。

そのため、パルス幅によるレーザーの分類は基本的に上記のような短パルスのレーザーに用いられています。

＞＞【超短パルス】ピコ秒・フェムト秒レーザーの特徴や用途を詳しく解説

レーザーの種類や波長ごとのアプリケーション

ここまでの解説で、レーザーは波長によってそれぞれ特徴が異なることはおわかりいただけたかと思います。

特に赤外領域の波長のレーザーは、低コスト・高出力であることから様々な用途に使われています。

ここでは、波長ごとにレーザーがそれぞれどのようなアプリケーション（用途）で用いられているかをまとめていきます。

808nm	915nm	976nm	980nm	1030nm
レーザー加工	医療	医療	医療（歯科診断、治療、下肢静脈瘤）	SEED光
医療（OCT以外）	レーザー距離測定	LiDAR		LiDAR
Nd添加ファイバーやNd添加利得媒質の励起光源モード同期Ndファイバーレーザーキットの励起光源	光学測定	レーザー加工		Yb:YAGのメイン出力波長
光線力学的治療法の照射光源	材料加工	微細加工		高次波長がラマン、フローサイトメトリー、ホログラフィ、顕微鏡
LiDARなどセンシング用の光源	Ybファイバ励起※1	溶接切断		材料加工
イメージ記録	光学材料の研究	ファイバ励起※2
光データ記録
分光分析
1064nm	1310nm	1390nm	1550nm	1650nm
★基本波 Nd：YAGの波長半導体/液晶検査レーザーピンセント歯科医療、皮膚医療	光通信	伝送	Erファイバの出力波長	光ファイバ通信
2次高調波 532nm（ラマン、ソフトマーキング、微細加工）	Prファイバレーザーの種光源		LiDAR、3D計測	アナログ信号伝送
3次高調波355（リペア、LCD加工）	InPフォトニック結晶レーザーの励起光源		半導体加工