レーザーメスに活用されているレーザーの原理とは

2020.11.26

治療用機器

医療現場において活躍するレーザーメス。金属刃物のメスとは異なり、レーザー光線の熱を利用して切開するという特徴を有します。そのレーザー光線とは、どのような原理で発生するものなのでしょうか。基本的な部分から順を追って見ていきたいと思います。

レーザーメスとは

レーザー光線により、人体を切開することを可能とした医療機器・レーザーメス。一般的な金属製メスとの大きな違いは、切開時の出血が抑えられる点と言えるでしょう。レーザー光線の熱により、切断面で血液の凝固作用が生じ、これが止血効果をもたらすわけです。

出血を抑えられれば、治療を受ける患者さんへのダメージが軽減され、過度な負担が生じません。そのような利点から、腫瘍の除去を始め、眼科・歯科・美容外科など幅広い分野で活用されています。

レーザーとは

「レーザー」とはどのようなものなのでしょうか。大まかに言えば、指向性・単色性・可干渉性を持つ光、と表されます。光とは本来、空間を通過する波です。通常の光を波として捉えた場合、波の向かう方向・波長・位相がバラバラな状態となっています。

(注釈:波長とは、波の振幅1セットの長さを意味し、光の場合では視覚的に色として認識できる要素です。位相とは、波の位置のことを指し、波同士の振幅の揃い具合を意味します)

他方、レーザーでは、光の方向・波長・位相が一定に揃えられています。言い換えれば、光に指向性・単色性・可干渉性が与えられていることを示し、それに伴い高いエネルギーを持つこととなります。これを利用することによりレーザーメスのように熱で物体を切ることも可能となるわけです。

レーザーメスでレーザーが発生する仕組みについて

レーザー光線はどのような仕組みで発生するのでしょうか。実のところ、その名称自体が、原理を端的に示すものとなっています。レーザーという名称は「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の頭文字から付けられたものであり、これを訳すと「誘導放出による光増幅放射」となります。

その言葉はどういうことを意味しているのか、確認していきたいと思います。まず、誘導放出について見ていきましょう。これには、あらゆる物質を構成している原子が関係しています。原子は、中心にある原子核の周りを、元素番号と等しい数の電子が周回している構造になっています。

電子は原子核からの距離に伴いエネルギーを持っており、電子の数に伴いその周回軌道が幾層かに分かれています。その原子に外部から光エネルギーが入ると、それを受けて周回軌道の最外層にある電子がさらにもう1段階上の軌道へと移ります。

これを励起状態と言います。励起状態となった電子は元の軌道(基底状態)に戻ろうとし、その際に受けた分のエネルギーを光として放射します。これを自然放出と言います。その一方で、外部から入射した光が作用して励起状態から基底状態に戻るケースもあります。

これが誘導放出を意味します。それによって生じる光は、外部から受けた光と同じ方向・波長・位相を持つものとなります。つまり、入射した光と放射された光が合わさってエネルギー的に強化されるわけです。

このように方向・波長・位相を同じくする光を増やすことにより、レーザー光線が作り出されます。誘導放出を多く発生させるにはまず、励起状態の電子を増やすこと、すなわちポンピングが必要です。

励起状態の電子が多くなれば、それによって放出される光も多くなります。さらにその光を増幅させることによって、高いエネルギーを持つレーザー光線が発生するわけです。この原理を応用した機器が、レーザーメスなどのようなレーザー発振器となります。

レーザー発振器は主に、媒質をミラーで挟んだ内部構造となっています。励起状態にする物質を含む媒質に励起光を照射。それによってポンピングを起こさせます。そして誘導放出された光をミラーの反射で増幅。さらなる連鎖的な誘導放出を促し、レーザー光線を作り出すわけです。