注意深い！至る所にあるレーザーがあなたの目を損傷するかもしれない

最近のニュース報道によると、江蘇省南通市の少年がレーザーペンを自分の左目に51回連続で照射したという。突然、目の前が真っ暗になり、何も見えなくなりました。

医師は、被爆回数が多すぎるため、少年の左目の視力が完全に回復することは不可能であると診断した。これは本当に悲しく残念なニュースです。レーザーペンは比較的危険なおもちゃです。もし親が子供にレーザーペンで遊ぶことを自由に許可していなかったら、この悲劇は起こらなかったかもしれない。

実際、レーザーについて明確な概念を持っていない人が多いかもしれません。たとえば、レーザーはどのように生成されるのでしょうか?レーザーは何をするのですか?レーザーはどのような危険をもたらしますか?レーザー分野の研究者や実務家でない限り、この質問にすぐに答えられる人はいないと思われます。

子どもたちにこんな質問をされて言葉に詰まってしまわないように、今日はレーザーに関する常識を復習しておきましょう。

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レーザーとは何ですか?

私たちの直感では、レーザーは非常に明るく強力な光線です。では、次の写真のうちどれがレーザーでしょうか?

さまざまな種類の発光体

画像出典: Wikipedia

答えは明らかです。左の写真は通常のサーチライトから発せられる光線、中央の写真は発光ダイオード (LED) から発せられる光、右の写真は有名なレーザーです。これら 3 種類の光の発光原理は異なります。

サーチライトと懐中電灯の内部構造は似ており、主に光源と反射板で構成されています。光源から放射された光は反射板の作用により方向を変え、光線の形で外側に放射されます。光源の前にレンズを追加すれば、光線の角度も調整できます。

サーチライトの内部構造 出典：著者自作

発光ダイオードは半導体ダイオードの一種で、その中核となる部品である P 型半導体と N 型半導体の 2 つの部分で構成されています。電源がオンになると、N 領域の負電荷と P 領域の正電荷が結合し、多くの光子を刺激します。これらの光子はあらゆる方向に自由に伝播し、散乱光を形成します。私たちがよく目にする光る看板やネオンライトは、多数の発光ダイオードで構成されています。

発光ダイオードの内部構造 出典：著者自作

レーザーとはレーザーが発する特殊な光であり、下の図に示すレーザーダイオードもレーザーの一種です。このレーザー ダイオードは発光ダイオードをベースにしており、P 領域と N 領域の間に特殊な「共振空洞」が追加されています。この空洞の片側には全反射鏡が設置されており、光子は通過できません。反対側には部分反射鏡が設置されており、強度が一定の閾値に達すると光が通過できるようになります。

レーザーダイオードの内部構造 出典: 筆者自作

レーザー ダイオードの電源がオンになると、まず光子が正電荷と負電荷の組み合わせによって励起されます。これは発光ダイオードの場合と同様のプロセスです。

しかし、これらの光子の数が少ないため、共鳴空洞内に「閉じ込められ」、ピンポンボールのように 2 つの鏡の間を前後に跳ね返ることしかできません。

光子が半導体原子に当たると、両者の衝突により新たな光子が反発チームに加わります。連続的な電流によって駆動され、衝突で励起される光子がますます増え、新たな跳ね返りと衝突のサイクルに参加し続けます。

この正のフィードバック「雪崩効果」の影響により、光子の数は急速に増加し、最終的には右側の部分反射鏡をスムーズに通過し、外側に放射されるレーザービームを形成します。

このタイプのレーザー ダイオードは日常生活で非常に一般的であり、大量に生産されていますが、最も古い「古参」というわけではありません。

世界初のレーザーは、 1960年にアメリカの科学者メイマンが発明したルビーレーザーです。このレーザーは、光子の励起源としてらせん状の閃光管を使用し、ルビー柱は光子の利得を増幅するために使用される共鳴空洞です。 2年後、ゼネラル・エレクトリック研究所のロバート・ホールのチームがガリウムヒ素を使った最初の半導体レーザーを発明しました。さらに、一般的なレーザーには、ガスレーザー、液体レーザー、光レーザーなどがあります。動作媒体が異なることを除けば、動作原理は似ています。

ルビーレーザーの概略図出典: Wikipedia

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レーザーの特徴は何ですか?

太陽光やランプの光などの通常の光と比較すると、レーザーはより「純粋」です。通常の光は、一般的にあらゆる方向に散乱し（光子の運動方向が異なる）、多くの異なる色の光（光子の波長が異なる）で構成されていますが、レーザー光は単一の波長の光子で構成され、運動方向が非常に一貫しているため、単色で一方向性があり、高エネルギーです。

通常の光（上）とレーザー（下）の比較 出典：著者自作

中でもレーザーは一方向性であるため、横から見ると人間の目にはレーザーの存在が見えず、空気中の塵に散乱してぼんやりとしか見えません。これは、人々がレーザーの危険性を無視する傾向がある理由の 1 つでもあります。結局のところ、まぶしいサーチライトや高輝度 LED ライトと比較すると、レーザーはまったくまぶしくなく、それほど危険ではないようです。

チンダル現象によりレーザーが見えるようになる 出典: Baidu 百科事典

しかし、実際にはレーザーは非常に危険です。

レーザーはエネルギーが高いため、金属、セラミック、プラスチックなどの材料を切断するために使用できます。材料の表面に永久的な跡を残すことができます。均一で強力な溶接を形成するために溶接に使用することができます。高エネルギーレーザービームは、空中のさまざまな航空機に対処するために特別に設計された高度なレーザー兵器の作成にも使用できます。

レーザー切断ソース: http://www.hrjgcn.com/news/190.html

レーザー溶接ソース: https://www.whsclaser.cn/xinwenzixun/489.html

レーザー兵器の概略図 出典：人民日報オンライン

さらに、レーザーは強いコヒーレンスを持っています。コヒーレンスとは、レーザービーム内の個々の光子間の位相関係が固定されており、ランダムに変化しないことを意味します。

これにより、レーザーは安定した干渉パターンを形成できるようになり、レーザーを変調および増幅することも可能になり、情報の伝送と処理が可能になります。光ファイバー通信はレーザーのコヒーレンス原理を利用し、大量の情報を運ぶレーザーをガラスファイバーで長距離伝送することを可能にし、いつでも自宅でWi-Fiに接続できるようにします。

ファイバーソース: https://www.gl268.com/detail/443

驚くべきことに、レーザーは医療分野でも使用されており、人体の組織を切断、切除、凝固、その他の治療に使用できます。外傷が少なく、出血が少なく、回復が早いという利点があります。眼科手術、皮膚美容、腫瘍治療などの分野で広く使用されています。

レーザーは多くの分野で使用できるため、生活のあらゆるところに存在しています。

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レーザーは人間の目に大きな脅威をもたらす

レーザーは、わが国の第13次5カ年計画「中国製造2025」に盛り込まれた、産業の高度化に向けた重要な新興技術です。しかし、現代の技術の産物であるレーザーは、諸刃の剣でもあります。幅広い応用価値があるだけでなく、人体に大きな潜在的危険をもたらす可能性もあります。これらの危険の中で最も深刻なのは、目に回復不能な永久的な損傷を引き起こす可能性があることです。

レーザーが目に向けられると、ビームは角膜と水晶体を直接通過し、網膜の黄斑領域に直接到達します。

この部分は人間の視覚が最も鮮明な部分ですが、放熱能力は非常に低いです。レーザーによって運ばれるエネルギーが一定の閾値を超えると、黄斑の光受容細胞は温度の急激な上昇により破壊されます。つまり、「調理」されるのです。レーザーが人間の目にいかに有害であるかが分かります。

調査によると、米国では毎月平均20件以上のレーザー関連の傷害の報告が寄せられており、そのほとんどは目の傷害である。いたずらな子供はどこにでもいるようです。

レーザー照射後に現れた点状の黄白色の病変 出典：四川オンライン

ここで注目すべき点は、レーザーペンから放射されるレーザーは可視光線の範囲に属するため、目へのレーザーの直接照射を簡単に回避できることです。

ただし、一部のカメラ、レーダー、その他の機器は、人間の目には見えない赤外線レーザーや紫外線レーザーを放射する場合があります。これらの目に見えないレーザーは人間の目にも損傷を与える可能性があるので、近づきすぎて見つめないようにしてください。

参考文献:

[1] 廖立芬、馬雲峰、鄭王、劉昊。レーザー製品の安全性と危険予防および制御管理の現状の分析[J]。中国検査試験、2018年、26(02):63-64。 DOI: 10.16428/j.cnki.cn10-1469/tb.2018.02.018。

[2]レーザーウィキペディア。 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BF%80%E5%85%89

著者: Liuhuo

兵器産業の研究所のエンジニア