第7章 最先端加工

3. 長波長加工

著者:粟津 邦男、鈴木 幸子

1. はじめに

 長波長レーザー(赤外レーザー:2.5〜25μm)加工は、特に医療・バイオ分野においてその開発・利用が著しい。我々の体を構成する生体物質(例えばアミノ酸、蛋白質、核酸、脂質、生体組織等)は、赤外光を強く吸収することが知られている。これは、生体物質を構成する生体分子の基準振動やグループ振動による(詳細は2に示す)。すなわち、すべての生体物質は中赤外域においてその組成を反映した固有の吸収スペクトルを持つ。
 赤外光の光子エネルギーは、分子結合の解離エネルギーよりも十分小さく紫外・可視光で懸念されるDNAへの突然変異損傷が問題とならないため、赤外光はレーザー医療において大きな可能性を秘めた光源であるといえる。しかしながら、赤外域の既存のレーザー光源では、発振波長が限定されており光を吸収する物質として選択可能な構成要素は水およびアパタイト(硬組織の主成分)に限られる。
 本節では、赤外光と生体分子振動について述べ、医療への利用の進んでいる炭酸ガスレーザー(CO2レーザー:10.6μm)、Nd:YAGレーザー(1.06μm)、Er:YAGレーザー(2.94μm)について概説する。さらに近年、赤外波長領域における応用が期待されている波長可変自由電子レーザーについてその原理と応用例を紹介する。

2. 赤外光と生体分子振動

 レーザー生体相互作用は、生体内に吸収されたエネルギーにより引き起こされる・生体に赤外光を照射すると、表面で入射光の一部が反射され、生体内では吸収・散乱により減衰する。反射率は対象の屈折率によって、吸収特性は分子振動によって決まり、両者共にレーザー波長に強く依存する。本項では、レーザー強度が弱い(1光子吸収が支配的な)場合において、分子振動による光吸収機構、反射率、散乱について述べる。レーザー強度が強くなると、非線形光学現象である赤外多光子吸収・多段階励起やプラズマ発生による吸収プロセスが支配的となる。

(1) 分子振動1、2)

 分子振動励起による中赤外光吸収について、まず、2原子分子モデルを用いて基準振動について説明した後、グループ振動という考え方を導入し複雑な生体分子の場合の光吸収について考える。

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