概要

レーザ（Laser）は、特定の波長を持つ光を強く、整った状態で発生させる光源として、科学・産業・医療などさまざまな分野で利用されています。通常のレーザは「決まった波長」の光を発生させますが、波長可変レーザ（Tunable Laser）はその名の通り、発振する光の波長を連続的または段階的に変えることができるレーザです。

光の波長は、色やエネルギーを決める重要な要素です。例えば、可視光では赤・緑・青などの色の違いは波長の違いによって生じます。波長可変レーザでは、この波長を調整できるため、一台のレーザでさまざまな用途に対応できるという特徴があります。

この性質により、波長可変レーザは次のような分野で広く使われています。

• 分光分析
• 光通信
• 環境計測
• 医療診断
• 量子技術

特に、物質がどの波長の光を吸収するかを調べる分光測定では、波長を細かく変えられるレーザが非常に重要になります。

波長可変レーザの特徴

長所

1. 幅広い波長を1台でカバーできる

通常のレーザは固定波長ですが、波長可変レーザは広い波長範囲を連続的に掃引（スイープ）できます。
そのため、複数のレーザを用意する必要がなくなります。

例えば、分光実験では

• 600 nm
• 650 nm
• 700 nm

など複数の波長を測定する必要があります。
波長可変レーザなら、これらを一台で順番に発振できます。

2. 高いスペクトル純度

多くの波長可変レーザは

• 狭い線幅
• 高いコヒーレンス

を持っています。

そのため

• 高精度分光
• 光周波数計測

などの精密測定に適しています。

3. 高精度な波長制御

波長可変レーザでは

• ピエゾ素子
• 温度制御
• 回折格子

などを用いて波長を制御します。

これにより

• pm（ピコメートル）
• GHzレベル

の高精度制御が可能です。

短所

1. 構造が複雑

波長を変えるためには

• 可動光学部品
• 波長選択素子

などが必要になります。

そのため

• 構造が複雑
• 価格が高い

という欠点があります。

2. 出力が不安定になることがある

波長を変える際に

• 出力変動
• モードホップ

などが起こる場合があります。

これは高精度測定では問題になることがあります。

他のレーザとの違い

波長可変レーザは、研究用途や計測用途に特化したレーザと言えます。

波長可変レーザの原理

レーザの基本原理は次の3つです。

1. 誘導放出
2. 利得媒質
3. 共振器

波長可変レーザでは、これに波長選択機構が加わります。

レーザ共振条件

レーザ共振器では、光が往復して増幅されます。
共振条件は次の式で表されます。

$$ 2L = m\lambda $$

ここで

• L：共振器長
• m：整数
• λ：波長

この条件を満たす波長だけがレーザ発振します。

波長を変える方法

波長可変レーザでは、主に次の方法が使われます。

1. 回折格子

外部共振器レーザでは、回折格子を用いて波長を選択します。

回折格子の条件は

$$ d(\sin\theta_i + \sin\theta_d) = m\lambda $$

ここで

• d：格子間隔
• θ_i：入射角
• θ_d：回折角

格子の角度を変えることで、選択される波長が変わります。

2. 共振器長の変更

ピエゾ素子でミラー位置を変えると

$$ \lambda = \frac{2L}{m} $$

となり、共振波長が変化します。

3. 半導体のバンド構造制御

半導体レーザでは

• 温度
• 電流

を変えることで屈折率が変わり、波長が変化します。

波長可変レーザの歴史

波長可変レーザの研究は、レーザ誕生後すぐに始まりました。

1960年、世界初のレーザが実現しました。

その後

1960年代
色素レーザ（Dye Laser）が登場

1970年代
広い波長可変が可能になった

1980年代
半導体レーザの可変化

1990年代
光通信向けチューナブルレーザ

2000年代以降
MEMS・集積フォトニクス化

現在では

• シリコンフォトニクス
• 量子光学

などの分野で重要な技術になっています。

応用例

1. 分光分析

最も代表的な用途です。

物質は特定の波長の光を吸収します。

波長を掃引しながら測定すると、吸収スペクトルが得られます。

用途例

• 化学分析
• ガス検知
• 材料評価

例えば

• CO₂
• CH₄
• NOx

などのガス検出に使われます。

2. 光通信

光ファイバ通信では

波長分割多重（WDM）

という技術が使われています。

これは

• 異なる波長
• 同じ光ファイバ

で通信する方法です。

波長可変レーザを使うと

• 通信チャネル変更
• 動的ネットワーク制御

が可能になります。

3. 医療

医療分野でも活用されています。

波長によって

• 吸収される組織
• 透過深さ

が変わるためです。

用途例

• 皮膚治療
• レーザ手術
• 血液分析

4. 環境モニタリング

大気中の微量ガスの検出にも使われます。

例えば

• 温室効果ガス
• 大気汚染物質

の高感度測定が可能です。

5. 量子技術

量子光学では、原子の遷移に一致する波長が必要です。

波長可変レーザを使うことで

• 原子冷却
• 量子コンピュータ研究

などが可能になります。

今後の展望

波長可変レーザは現在も急速に進化しています。

主な研究方向は次の通りです。

小型化

シリコンフォトニクスによって

• チップ上レーザ
• 集積光回路

が研究されています。

高速波長掃引

OCT（光コヒーレンストモグラフィ）などでは

MHzレベルの高速掃引レーザ

が求められています。

高精度化

周波数コム技術と組み合わせることで

• 超高精度分光
• 基礎物理測定

などが期待されています。

まとめ

波長可変レーザは、発振波長を自由に調整できるレーザ光源です。

主なポイントは次の通りです。

• 波長を広範囲に変えられる
• 分光や計測で重要
• 回折格子や共振器制御で波長を選択
• 光通信・医療・環境計測などで活用

今後は

• 小型化
• 高速化
• 集積化

が進み、より多くの分野で利用されると考えられています。

波長可変レーザは、光技術の発展を支える重要な光源の一つであり、今後の科学技術においてもますます重要な役割を果たしていくと考えられます。