紫外(UV)レーザー ~より身近になった紫外(UV)レーザーが切り開く新たな可能性~

・高エネルギーのUV光子により,精度と性能が向上
・従来のUVレーザーは極めて高価で大型だった
・新世代の小型・低価格のUVレーザーがますます身近なものに
・半導体検査,顕微鏡,殺菌の進化に貢献

多くのレーザーオプティクスのアプリケーションは,より短い紫外線波長を使用する方向にシフトしている。それは,解像度を向上させ,周囲への加熱を最小限に抑えながら非常に小さく精密な特徴を生み出すことができるからである。

最近まで,連続波(CW)UVレーザー光は高コストで大型のため,特に大学の研究室など,多くの場面で使用されることはなかった。現在,小型でコスト効果の高いUVレーザーの登場によって,このバリアが取り除かれはじめている。その結果,UVアプリケーションは,微細加工からUVラマン分光,病原体の不活性化に至るまで拡大している。

● なぜUVレーザーを使うのか?
集光されたレーザーのスポットサイズは波長に比例するため,UVレーザーは赤外光や可視光よりも高い空間分解能を実現できる。そのため,半導体産業や微細加工における精密な欠陥検査に使用することができる。多くの材料を加工する際,UVレーザーは材料を蒸発・溶融させるのではなく,原子結合を直接切断できるため,結果的に周辺に与える熱を抑えることができる。

UV波長は高いエネルギーを有するため,タンパク質などの生体分子の蛍光励起に理想的になる。これは,多くのバイオメディカルアプリケーションにとって有益になる。また,UVレーザーはハイパワーのUVC放射 (200-280nmの波長) を照射することによってUVCランプやLEDよりも効果的に表面消毒ができるため,殺菌システムの効果を高めることができる。


Figure 1: UVレーザーは蛍光顕微鏡やバイオメディカルシステム(左)や潜在的病原菌を除去するための表面除菌(右)などの幅広いアプリケーションにとって有益である

 

● 従来のUVレーザー技術の何が問題なのか?
連続波(CW)UVレーザーは,これまで利得媒質としてイオン化されたアルゴンガスを利用するか,周波数4倍化された近赤外ネオジムレーザーを用いて機能してきた。周波数4倍化システムは最初のビームを一度2倍化するために2つの外部共振器を必要とし,その後さらに別の共振器でこの工程を繰り返す。このシステムは複雑なものとなり,この両方とアルゴンイオンレーザーを含めると少なくとも靴箱2つ分の大きさになってしまう。そのため,ポータブルデバイスに使用することは不可能だった。

● より身近になった新世代UVレーザー
UVレーザー技術の進歩によってより小型で低価格のデバイスが可能になった。UVC Photonics社が開発した新しいプラセオジム添加フッ化イットリウムリチウム(YLF)レーザーは周波数4倍化ではなく周波数2倍化によって261nmのレーザービームを生成する(Figure 2)。そのため,システムの複雑さと必要な部品点数を大幅に削減することができる。このレーザーは半導体レーザーと同様に動作し,共振器ロックや温度安定化のための複雑な電子部品も必要としない。


Figure 2: UVC Photonics社のコンパクトなUVレーザーは青色励起ダイオード,プラセオジウム結晶,第二高調波発生(SHG)用結晶,共振器出力ミラーで構成されている。 写真提供:UVC Photonics社

 

UVC Photonics社のレーザーは,261nmで10mWを超えるCW出力を達成し,動作に必要な消費電力は5W未満,サイズは僅か22x24x71mmである。 こうした特性から,このレーザーは,ポータブルシステムや携帯用システム,従来のUVレーザーではコスト的に採用が難しかった大学の研究室や産業用途に最適な製品となっている。

アルゴンイオンレーザーは通常十数kWの消費電力で十数Wの出力,周波数4倍化UVレーザーは500mW以上の出力が可能である。従来の技術のほうが高い出力が可能ではあるが,著しく大きなサイズとコストのため,特定のアプリケーションにとっては魅力的な選択肢とは言えない。また,この半導体レーザーモジュールの狭い線幅とCW機能はUVラマン分光にも適している。

● エドモンド・オプティクスのUVレーザー用オプティクス
エドモンド・オプティクスは,UV波長用をはじめ,様々なレーザーオプティクスの設計・製造を行なっている。厳しい表面公差と高いレーザー損傷閾値により,UVレーザーシステムの厳しい要求を満たすことができる。266nm(Nd:YAGレーザーの第4高調波)用に設計された多くの光学部品は261nmでも十分機能する。また,お客様のアプリケーションに合わせてコーティングや部品の形状を特注することも可能である。

261.4nm レーザー用オプティクス
Nd:YAG レーザーミラー
レーザーライン凹面ミラー
レーザーグレード平凸レンズ