TEAレーザー
TEAレーザー（横方向励起大気レーザー）は、通常大気圧以上の圧力下で高電圧放電によって励起されるガスレーザーです。最も一般的なレーザーは二酸化炭素レーザーとエキシマレーザーで、どちらも産業界や研究の分野で広く使用されています。一方、窒素レーザーはあまり一般的ではありません。
歴史
発明
二酸化炭素（CO2 ） TEAレーザーは、1960年代後半にカナダ、ケベック州ヴァルカルティエにあるカナダ国防研究開発局に勤務していたジャック・ボーリューによって発明されました。開発は1970年に概要が公開されるまで秘密にされていました。
1963年、ベル電話研究所に勤務していたC. クマール・N. パテルは、低圧RF励起CO2ガス放電から10.6 μmのレーザー出力を初めて実証しました。窒素とヘリウムを添加し、直流電気放電を用いることで、約100 Wの連続波出力が達成されました。さらに、高電圧で放電をパルス化するか、回転鏡を用いたQスイッチを用いることで、実用限界として数キロワットのパルス出力を得ることができました。
より高いピーク出力は、励起されたCO2分子の密度を増加させることによってのみ達成可能であった。単位体積あたりのガスの貯蔵エネルギー容量は密度、したがってガス圧力とともに直線的に増加するが、ガスの絶縁破壊を起こしてエネルギーを上位のレーザー準位に結合するために必要な電圧も同じ割合で増加する。非常に高い電圧を避ける実際的な解決策は、電圧を光軸に対して横方向にパルス化することであった（低圧レーザーの場合のように縦方向ではなく）。これにより、数十 kV という扱いやすい電圧を使用できる。問題は、これらのはるかに高いガス圧力で、放電が明るい高電流アークに退化することなくグロー放電を開始して安定させる方法、およびこれを有効なガス量でどのように達成するかであった。
CO2 TEAレーザー
ボーリューは、横方向励起大気圧CO2レーザーを報告した。アーク形成の問題に対する彼の解決策は、数センチメートル間隔で直線状に並んだピンに対向する導体バーを配置することだった。ピンにはそれぞれ抵抗器が接続され、各ピンからの放電を低電流ブラシまたはグロー放電へと誘導し、バーに向かって拡散させた。レーザー共振器は、これらの放電を100～200回直列にプローブすることでレーザーゲインを生成した。高速放電コンデンサは、スパークギャップまたはサイラトロンを用いてレーザー電極間を高速にスイッチングし、高電圧パルスを生成した。
1秒あたり約1パルスで動作するこれらの最初の「ピンバー」TEAレーザーは、構築が容易で安価でした。大気圧で動作するため、複雑な真空およびガス処理システムを回避できました。これらのレーザーは、数百ナノ秒持続するMWピークパワーを生成でき、短焦点レンズで集光すれば空気を分解できるほどでした。欠点は、ゲインの対称性の悪さ、抵抗器での損失、そしてサイズでした。
ピアソンとランバートン
最初の真の（ピンバーではない）TEAレーザーは、英国国防省バルドックの電子研究所で働いていたピアソンとランバートンによって実現されました。彼らは、1～2センチメートル間隔で配置された一対のロゴスキー電極を使用しました。二重放電設計により、放電エネルギーの一部が、電極の片側と平行かつオフセットして走る細いワイヤに結合されました。これによりガスが予備電離され、均一な体積グロー放電が発生しました。予備電離と同様に重要なのは、放電を非常に高速に行う必要があったことです。エネルギーをガスに急速に放出することで、高電流アークが形成される時間を与えませんでした。
ピアソンとランバートンはストリークカメラを用いて一連の事象を検証した。電極間に電圧が印加されると、細線からの電界放出によって、細線と陽極の間にシート放電が発生した。その後の主放電は陰極から開始されたことから、光電子放出が開始メカニズムであると示唆された。その後、他の研究者らが予備電離を実現するための代替手段を実証した。これには、誘電体絶縁された細線と電極、スライディングスパークアレイ、電子ビーム、コンデンサでインピーダンス負荷されたピンなどが含まれていた。
オリジナルのピアソン・ランバートンTEAレーザーは、DC電源から抵抗充電されたコンデンサを放電するスパークギャップを用いてスイッチングすることで、毎秒約1パルスの発振が可能でした。その後、損失のないコンデンサ充電を利用し、スパークギャップをサイラトロンに置き換えた電極間のガス循環によって、毎秒1000パルスを超える繰り返し周波数が様々なTEAレーザー設計で実現されました。
二重放電法
安定した高圧ガス放電を発生させるために必要な二重放電法は、大気圧下でも大気圧上でも使用可能であり、これらの装置もTEAレーザーと呼ばれます。紫外線で動作する市販のエキシマレーザーは、CO2 TEAレーザーと非常によく似た二重放電方式を採用しています。エキシマレーザーは、ヘリウムで2～3気圧 に緩衝されたクリプトン、アルゴン、キセノンの塩化物またはフッ化物ガスを用いて、メガワット級の紫外線レーザー光パルスを生成することができます。
顕微鏡的放電の説明
ほとんどの過電圧スパークギャップでは、電子の雪崩が陽極に向かって移動します。クーロンの法則によれば、電子数が増加すると電界強度も増加します。強い電界は雪崩を加速します。電圧の立ち上がり時間が遅いため、電子は雪崩を発生させる前に陽極に向かって移動します。求電子分子は、雪崩を発生させる前に電子を捕獲します。熱の影響は均一な放電電子を不安定にし、イオン拡散はそれを安定化させます。
アプリケーション
TEA CO2レーザーは、製品マーキングに広く利用されています。ロゴ、シリアル番号、賞味期限などを、様々な包装材にマーキングします。レーザー光を情報を含むマスクに通し、マーキングする素材をアブレーションできる強度まで集光することでマーキングします。また、TEA CO2レーザーは1990年代半ばから産業環境における表面処理にも利用されています。用途には以下が含まれます。
- 選択的または完全な塗装剥離は、航空機のメンテナンスや修理の分野では選択的レーザーコーティング除去 (SLCR) として知られています。この選択的剥離プロセスは、OEM および航空機メンテナンス センターによって最初のレーザー剥離プロセスとして 2001 年に承認されました。
- 塗装や接着のために表面を活性化または洗浄します。
- 接合または溶接の準備として、汚染物質またはコーティング層を除去します。
- タイヤ金型や自動車内装部品の表皮を製造する金型など、金型やツールの洗浄に摩耗は発生しません。
この特定のレーザーの利点は、主に 10.6 μm のCO2特有の波長と、短いパルス (約 2 μs) の高エネルギー レベル の組み合わせです。
科学的知識の社会学において
TEAレーザーの開発と、他の研究室におけるその構築の再現は、社会学者ハリー・コリンズによって研究されました。彼は、研究者たちが公開されている情報源のみからレーザーを構築するのではなく、電話や研究室への直接訪問に頼って、機能するTEAレーザーの構築に必要なスキルを習得した経緯を分析しました。しかしながら、科学者たちは互いに知識を共有する際、研究室間の競争において重要とみなされる情報を隠蔽することもありました（Collins 1974）。この1974年の論文は、社会学と科学史における 暗黙知の概念の再考を示唆する重要な論文と考えられています。
参照
参考文献
- Patel, CKN (1964-05-25). 「COM 2光メーザー実験の解釈」. Physical Review Letters . 12 (21). アメリカ物理学会 (APS): 588–590 . doi : 10.1103/physrevlett.12.588 . ISSN 0031-9007 .
- Beaulieu, AJ (1970-06-15). 「横方向励起大気圧CO2レーザー」.応用物理学レターズ. 16 (12). AIP Publishing: 504– 505. doi : 10.1063/1.1653083 . ISSN 0003-6951 .
- ピアソン, P.; ランバートン, H. (1972). 「単位体積あたり高出力エネルギーを実現する大気圧CO2レーザー」. IEEE Journal of Quantum Electronics . 8 (2). 電気電子学会誌 (IEEE): 145– 149. doi : 10.1109/jqe.1972.1076905 . ISSN 0018-9197 .
- Levatter, Jeffrey I.; Lin, Shao‐Chi (1980). 「高ガス圧下におけるパルスアバランシェ放電の均一な形成に必要な条件」. Journal of Applied Physics . 51 (1). AIP Publishing: 210– 222. doi : 10.1063/1.327412 . ISSN 0021-8979 .
- コリンズ、HM (1974). 「TEAセット：暗黙知と科学ネットワーク」 .サイエンススタディーズ. 4 (2): 165–185 . ISSN 0036-8539 .
外部リンク
