レーザーマニピュレーション　先端科学をのぞいてみよう

レーザー光は太陽光や蛍光灯などの光とは以下のような点で異なった性質をもっています。

１）	指向性に優れている。蛍光灯などの光は四方八方へ広がっていきますが、レーザー光は１つの方向へ進みます。そのため長い距離を進んでも広がらないため、月へレーザー光を当てその反射光が戻って来る時間を測定することにより、地球から月までの距離を求めることもできます。
２）	単色性に優れている。蛍光灯などの光にはいろいろの波長の光が混ざっていますが、レーザー光は同じ波長の光からできています。
３）	コヒーレント（可干渉性）な光。レーザー光は位相がそろった光なので、レーザー光を２つに分けた後、また１つに合わせると干渉が起こります。
４）	強いパワー密度の光が得られる。レーザー光は集光性が良いので、非常に高い輝度を得ることができます。

したがって、通常の光とは異なった特徴を生かした使い方をすることができます。その１つが「レーザーマニピュレーション」です。レーザーマニピュレーションでは特にレーザー光の指向性の良さとパワー密度の強さを利用して、非常に小さい微粒子を操作します。

【1】

【2】

では、まず、レーザー発振の原理について考えてみましょう。
電子や原子のミクロの世界では物質は連続的ではなく、左の図のようにとびとびのエネルギー（状態）をもっています。このようなエネルギー状態にいる分子は光を吸収することによりエネルギーの小さい下のレベルからエネルギーの大きい上のレベルへ移ります。

分子が光を吸収した後、光を放出する過程としては、外からの光のような作用に無関係な自然放出と入射光の強さに比例する誘導放出があります。レーザー発振ではこの誘導放出を利用して強い光を作り出します。

Xe フラッシュランプや放電によってエネルギーを吸収した分子はエネルギーの高い状態に移ります。強いフラッシュランプや放電によって、エネルギーの高い状態にいる分子の数がエネルギーの低い状態にいる分子数より多くなることが起こります。これを反転分布といいます。初め１つの分子が光を放出すると、上の図に示したようにその光によって誘導放出が起こります。これが繰り返されることにより、光の量が増えていきます。これを増幅といいます。

実際のレーザーでは強い光を出すために共振器を用いてさらに増幅します。【2】に示したように、光が共振器の鏡の間を何度も往復する間に誘導放出により光の強度が強くなり、その光を吸収して励起された（エネルギーの高い状態になった）分子数が増えるために、ますます強い光の放出が起こります。この光を取り出したのがレーザー光です。

写真： 関西学院大学理工学部玉井研究室にて

左の写真は He-Ne レーザーです。赤いレーザー光が見えます。

ここで示したビデオは He-Ne レーザーの様子です。赤色のレーザー光が見えます。

映像
関西学院大学理工学部玉井研究室にて

右の写真は YLF レーザーです。

写真：関西学院大学理工学部玉井研究室にて

写真：関西学院大学理工学部玉井研究室にて

左の写真は Ar レーザーです。青色のレーザー光が見えます。

ここで示したビデオは Ar レーザーの様子です。青色のレーザー光が見えます。

映像
関西学院大学理工学部玉井研究室にて

右の写真は Ti-サファイアレーザーです。

ここで示したビデオはTi-サファイアレーザーの様子です。Ti-サファイアレーザーは約 800nm のレーザー光を出します。その光を非線形光学結晶に通すことにより倍波（SHG）（1/2の波長）の光にしています。Ti-サファイアレーザーの手前や右側の青白いスポット光はSHG の約 400nm の光によるものです。

映像
関西学院大学理工学部玉井研究室にて

写真：関西学院大学理工学部玉井研究室にて