現代世界と未来のコアテクノロジーとしてのレーザー

レーザーの可能性

最初のレーザーが1960年に製作され、その基礎となる物理学を発展させた科学者たちが1964年にノーベル物理学賞を受賞して以来、この技術には新たな用途が生まれ続けています。レーザーは一般に次の分野で使われています。

• 彫刻と印刷、
• 光ファイバー通信、
• 光ディスク、
• 半導体製造、
• 外科手術、
• 医療治療、
• 測定、
• 軍事標的設定。

こうした発展を踏まえると、近い将来、レーザーは製造工程（溶接や3Dプリント）、衛星通信、宇宙船の推進、バイオテクノロジー、コンピューティング（フォトニクス）、核融合、さらには兵器においても不可欠になる可能性があります。

レーザーの原理

レーザーは英語のLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation、すなわち「誘導放出による光の増幅」の頭字語です。レーザー技術の中心的な考え方は、通常の光ではなくコヒーレント光を生成することです。

コヒーレント光は、単一波長の非常に細い光線となり、長距離でも拡散しません。

出典: Britannica

レーザーは、通常は気体であるものの液体や固体の場合もある発光材料の原子を励起して作られます。原子が光を放出し、その大部分がレーザー内部に閉じ込められて反射を繰り返し、最終的にコヒーレント光として外へ出ます。

出典: University of Kwazulu-Natali

レーザーは幅広い波長で作ることができます。波長ごとに発光材料が異なるため、動作も変わります。波長によって運ぶエネルギー量が異なり、対象材料への吸収のされ方も変化します。

医療分野だけでも、目的に応じて多種多様なレーザーが使われます。

出典: University of Kwazulu-Natali

（レーザーの科学的原理に関心がある方は「レーザーの原理」をご覧ください。）

レーザー技術の発展

レーザーは長年にわたり大きく進歩してきました。新材料によって利用可能な波長が増え、CO₂レーザー、ルビーレーザー、チタンサファイアレーザー、そして基礎研究が2023年ノーベル物理学賞を受賞した量子ドットレーザーなどが登場しました。

これにより、超短パルスレーザーや、製造・医療の特定用途向けに精密調整されたレーザーが可能になりました。

低出力レーザーは急速に低価格化し、1970年代にはバーコードスキャナーに組み込まれました。その後、CD、DVD、Blu-rayディスクのデータ読み取りにも使われました。

出典: Laser Warfare

新たな種類のレーザーも登場する可能性があります。例えば、開放空気レーザーは、より頑丈で軽量になる可能性があります。

レーザーの応用

極短時間現象の観測

超短レーザーパルスの用途の一つは、フェムト秒、すなわち10億分の1秒の100万分の1というごく短時間だけ対象を照らすことです。

これにより、従来は瞬時に起きると考えられていた分子の化学反応などを観測できます。

出典: Nobel Prize

さらなる進歩は、アト秒科学という全く新しい研究分野も切り開いています。1アト秒は1フェムト秒の1,000分の1です。科学者はこれを使って、原子や分子内部の電子ダイナミクスを研究し、凝縮相の物質を調べることができます。

彫刻と製造

レーザーは材料を非常に精密に加工できます。しかし、照射時間が長すぎると材料が急速に加熱され、損傷を与える衝撃波が生じます。これは高出力レーザーや欠陥が許されない材料で以前から問題となっていました。

改良されたフェムト秒レーザーは加工能力を保ちながら、パルスが過熱を防げるほど短いため、この問題を解消します。

出典: Nobel Prize

現在、レーザーは金属に加えてプラスチック、木材、ガラスなどの穴あけ、切断、マーキング、表面加工、溶接に広く使われています。

「今日製造される部品の多くには、レーザー穴あけでしか作れない微細構造が必要です。

直接描画、トレパニング、マスク投影などの方法により、熱影響や材料損傷を起こさず、さまざまな材料に極小で複雑な構造を作れます。」

Laser Light Technologiesのエンジニアリング責任者Matt Nipper。同社は現在Spectrum Plasticsの一部です。

最新のレーザー装置はCNC機械と同様に高度なソフトウェアで制御されます。レーザー製造装置は、数千ドルの小型卓上機から数百万ドルの工場規模の機械まで多岐にわたります。

レーザーは、電線の絶縁材を除去できるほど高精度です。

「絶縁材は0.005インチの公差内で除去できます。電線上の任意の位置で絶縁材を除去するようプログラムできるため、中間部も高精度で剥離できます。」

Laser Light Technologiesのエンジニアリング責任者Matt Nipper。同社は現在Spectrum Plasticsの一部です。

3Dプリンティング

多くの3Dプリンターは、完成品を形成するプラスチックや金属をレーザーで溶かします。これには、環状レーザービームによってさらに高精度かつ強力になり得るレーザー粉末床溶融結合も含まれます。

出典: International Journal of Machine Tools and Manufacture

2本のレーザーを同時に使う構成も標準化される可能性があり、積層造形を高速化できます。

「製造業の未来に定着する3Dプリンティング」で述べたように、3Dプリンティングが製造工程で占める割合が拡大するにつれ、レーザー需要も増加すると予想されます。

医療用途

レーザーの強い光は、陽子や電子などの粒子を極めて高いエネルギーまで加速するレーザー・プラズマ加速を生み出せます。これらの粒子は放射線治療に使用でき、巨大な粒子加速器とは異なり、病院に設置できるほど小型の装置を実現できます。

超高速レーザーは眼科手術にも使われます。眼鏡を不要にするLASIK手術から、糖尿病網膜症を治療する光凝固術まで用途は多様です。

出典: Nobel Prize

レーザーは皮膚治療にも使えます。波長により、表層だけに作用させることも、より深い血管まで到達させることもできます。

出典: Laser Focus World

さらに、脱毛や入れ墨除去、肌の若返り、ニキビ跡やしみ・ほくろなどの色素病変の除去といった美容治療にも利用されます。

データ保存

レーザーは数十年にわたり、光ディスクへのデータ記録に使われてきました。より強力で波長の短いレーザーほどデータを高密度に保存できるため、ブルーレイでは青色LEDレーザーが採用されました。

しかし、光ディスクが耐久性の高いデータ保存方式ではないことが明らかになりつつあります。

そこで、ポリマーへの低出力レーザー刻印、その他の機械式データ保存、ダイヤモンドへの刻印、5次元結晶ディスクなどが検討されています。

出典: University of Southampton

レーザーは光の波長に相当するナノメートル精度を実現できるため、特に長期保存で好まれる記録方式であり続ける可能性が高いでしょう。

半導体彫刻

半導体メーカーは業界の初期から、コンピューターチップ用材料の加工にレーザーを使ってきました。

レーザー切断と刻印は接触が不要で、代替手段より粉じんが少ないという大きな利点があります。最高水準の清浄度が必要な材料では特に重要です。また材料の無駄が少なく、ひび割れも起こしません。

レーザーは半導体材料や装置の溶接、コーティング除去、マーキングに使われます。

コンピューティング

従来のシリコンチップが物理的な小型化の限界に近づく中、コンピューターやデータセンターの性能をさらに高める新しい計算方式が検討されています。

その一つが、計算データの伝送に電子ではなく光を使うフォトニクスです。この手法では、多数の超高速レーザーに加えて光センサーと光ファイバーを用いてシリコントランジスタを置き換えるため、ムーアの法則を維持する方法になる可能性があります。

もう一つの選択肢は、量子効果によって通常のコンピューターでは不可能な計算を行う量子コンピューターです。レーザーも、水素原子を操作する赤外線レーザーから非磁性物質を磁化するレーザーまで役立ちます。

テレコム

レーザーは半導体やコンピューティングに加え、数十年にわたり情報伝送にも使われています。

レーザーダイオードは狭い周波数帯のコヒーレント光を生成し、1本の光ファイバーで複数の情報チャネルを送信できます。主に長距離通信に使われ、量子ドットで製造されます。

レーザーは衛星間、または衛星と地上局の間の宇宙通信にも使用できます。

電波に対するレーザー通信の主な利点は帯域幅が広く、より多くのデータを短時間で送れることです。また、盗聴者が受信機のすぐ近くに物理的にいる必要があるため、レーザー通信はほぼ傍受できません。

例えば、各Starlink衛星には3本の衛星間レーザーリンク（ISL）があり、200Gbit/sで衛星間のデータを送った後、Starlink地上局へ転送します。

将来、月や火星の基地との宇宙通信でも、最速のデータ転送と最大の帯域幅を提供するレーザーが使われる可能性が高いでしょう。

バイオテック

蛍光

レーザーの用途で見落とされがちなのがバイオテクノロジーです。初期の手法はレーザー誘起蛍光（LIF）で、レーザーにより生体組織や分子から緑色または赤色の光を出させ、蛍光顕微鏡で観察します。

出典: MicroscopyU

レーザーはフローサイトメーターで試料中の細胞を分離する際にも使われます。

この技術の重要な下位分野がLIF分光法です。クロマトグラフィーとキャピラリー電気泳動で使用され、いずれも生体分子を分析する重要な生化学手法です。

遺伝子シーケンシングと医療

重要性が高まっているもう一つのバイオ技術用途が遺伝子シーケンシングです。

出典: Memorial University

レーザー技術の向上とコスト低下は、遺伝子シーケンシングを広く普及させ、研究者と医療専門家の双方が利用できるようにした重要な要因です。

レーザーはがんの検出とがん細胞の分析に使われるほか、追加分析用の薄い組織切片の作製にも利用されます。

センサーと自動運転車

レーザーは周囲の環境を測定できます。工場内の位置決め、距離測定、障害物検知などに使われます。

このようなレーザーの複合システムは、レーザーパルスで周囲の物体までの距離を測るライダー（Light Detection and Ranging）に使われます。ライダーは地図作成で広く利用されています。

ライダーはGoogleのWaymo (GOOGL )を含む大半の自動運転システムの主要部品です。カメラだけに依存するTeslaは例外です。

指向性エネルギー兵器

ドローンが現代の戦場で脅威を増す中、世界各国の軍は低コストで撃墜する方法を探しています。

自爆ドローンの多くは高くても数千ドルにすぎず、ミサイルや銃器による対処さえ標的より高価になりがちなため、特に重要な課題です。

解決策の一つが、マイクロ波ビームなども含む指向性エネルギー兵器の一種であるレーザー兵器です。強力なレーザーでドローンが脅威になる前に焼き切ります。

出典: Laser Focus World

弾薬費がエネルギー代だけで済むため、長期的に実用可能な数少ない選択肢になり得ます。ただし技術はまだ未成熟で、実戦配備までに複数の問題を解決する必要があります。

• 霧の多い天候ではレーザー兵器の性能が低下します。
• 消費電力が非常に大きく、連射に必要な発電と蓄電が難しくなります。
• レーザーは比較的壊れやすく、最前線での信頼性に欠けます。

レーザー兵器が最初に大規模配備される用途は、軍事基地や艦船などの固定施設になる可能性が高いでしょう。

核融合

現在、核融合を実現する主な戦略は、磁場でプラズマを閉じ込めるドーナツ型の構造であるトカマクを利用することです。

「核融合 — 目前に迫る究極のクリーンエネルギー解決策」で説明したように、核融合を実現する方法はこれだけではありません。 別の方法は、レーザーで水素原子を極端に熱して互いに衝突させ、瞬時に生じる衝撃波で原子を押し合わせるものです。

好例が、192本の強力なレーザーを鉛筆の消しゴムほどの標的へ誘導・増幅・反射・集束する米国国立点火施設（NIF）です。1点に500兆ワットのピーク出力を届けます。

出典: Britannica

このようなシステムは商用核融合の有力候補であり、深宇宙船のパルス核融合推進にも役立つ可能性があります。

宇宙応用

天体物理学

天体物理学では、地球上で再現が難しい極端な圧力や温度を扱うことが多く、恒星や巨大ガス惑星の内部がその例です。

X線自由電子レーザー（XFEL）は高温高密度物質（WDM）の研究に役立ち、より優れた宇宙船や核融合エンジンの開発につながる可能性があります。

軌道太陽光発電

軌道上太陽光発電はクリーンエネルギー源として可能性を増しています。発電設備を軌道に打ち上げる費用が急速に下がり、数千トンの貨物を軌道へ運ぶことや宇宙製造が現実的になりつつあります。

「無限のクリーンエネルギーを実現する宇宙ベースのエネルギー解決策」で紹介したように、発電したエネルギーはマイクロ波ビームまたは強力なレーザーで地球へ送れます。

ソーラーセイル

レーザーのもう一つの将来の宇宙用途がソーラーセイルです。光子には質量がありませんが、ごく小さな運動量を持つことが基本的な考えです。

深宇宙の無重力環境では、このわずかな力でも宇宙船を加速できます。

ソーラーセイルは光を受けて推進力に変える大型の薄膜帆です。軌道上や月面のレーザーがより多くの光を当てれば、化学ロケットでは届かない速度まで加速できます。

出典: For All Mankind TV

既知の物理法則だけでも宇宙船を理論上光速の20％まで加速できるため、この方法は恒星間航行にも利用できる可能性があります。

レーザー技術への投資

レーザーは、光ディスク、手術器具、3Dプリント、半導体、製造、ゲノム解析装置に至るまで、現代技術の無数の分野で使われています。 178億ドル規模の市場は、2030年まで年平均7.8%で成長すると予測されています。

多くの証券会社を通じてレーザー関連企業に投資できます。Securities.ioでは、米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多くの国の優良証券会社を紹介しています。

個別企業を選びたくない場合は、iShares U.S. Technology ETF（IYW）やProShares Nanotechnology ETF（TINY）などのテクノロジーETFも検討できます。レーザー専用ETFはありませんが、ナノテク株とテクノロジー株に分散投資できます。

レーザー製造の重要元素で、現在の米中貿易戦争の焦点でもあるガリウムへの投資方法は、専用レポートで確認できます。

レーザー企業

II-VI Marlow / Coherent

Coherentは2万6,000人超の従業員を抱える大手産業コングロマリットで、レーザー技術のリーダーです。先端材料企業II-VI (COHR ) MarlowとレーザーメーカーCoherentの合併で誕生しました。

同社はリン化インジウム、エピタキシャルウェハー、ヒ化ガリウムなど、レーザー、光学、フォトニクスに使われる先端材料の専門企業です。過去10年間の複数の買収を通じて大きく成長しました。

出典: Coherent

同社は売上高の29％をレーザーから直接得ており、残りは光ファイバーや電子機器などの関連装置です。計測機器部門は主にライフサイエンスと医療用途で構成されます。

出典: Coherent

熱光起電力、炭化ケイ素、レーザー、電子機器などの先端材料事業により、精密製造、積層造形と3Dプリンティング、電動化、再生可能エネルギーの成長という構造的トレンドの恩恵を受けられます。熱光起電力については以前の記事で取り上げました。

同社は最近、炭化ケイ素事業を新会社として分離しました。Coherentが75％を保有し、残りを炭化ケイ素パワー技術の知的財産を提供するMitsubishi Electricと、電動化・パワー半導体の自動車供給事業を提供するDensoが均等に保有します。

炭化ケイ素が、EV、バッテリー、再生可能エネルギーなどの高出力用途で主に使われる独立した技術になりつつあるためです。

Coherentは、自動運転用途を含むライダーとデジタル3Dセンシング、バイオ技術向け次世代シーケンシング（NGS）フローセル、半導体製造用レーザーのリーダーです。主要市場が8～20％成長すると見込んでいます。

出典: Coherent

指向性エネルギー兵器、フォトニックコンピューティング、核融合、宇宙技術など、その他の新しいレーザー用途も同社の長期成長を支える可能性があります。

全体として、Coherentはこの分野に関心を持つ投資家が選べる上場純粋レーザー企業に最も近い存在です。強力な垂直統合と、技術革新を守る3,100件超の特許を保有しています。