なぜレーザー光で物体を切断できるのですか。電磁波とは？光とは？

なぜレーザー光で物体を切断できるのですか。
原理は、虫眼鏡で太陽光を集めて紙を燃やせることと同じでしょうか。
だとしたら、電磁波とは？光とは？

小学生の子にもわかる言葉で説明してくださると嬉しいです。

No.1 回答者： closed16 回答日時： 2019/09/05 20:20

https://www.kousakukikai.tech/laser/

レーザー光線を特殊なレンズで集光し、レンズの焦点で照射すると、3cmほどの鉄板を切断(溶断)できるほどの強力なパワーになります。

No.2 回答者： head1192 回答日時： 2019/09/05 20:48

赤外線に当たると熱を感じるように、

可視光が目に入ると感覚器官が刺激されて光を感じるように、
紫外線が肌に当たると劣化を引き起こすように、
X線やガンマ線に被曝すると放射線障害を引き起こすように、
電磁波はエネルギーを持っています。

というより、電磁波そのものが「電気エネルギーと磁気エネルギーを伝達する存在」なのです。

しかし、電磁波は１本だけ向かってくるのではありません。
数えきれないほどの束になって向かってきます。

電磁波は波なので、海の波と同じように山と谷があります。
今、２つの波があるとします。
山と山、谷と谷がそろっていると、増幅し合って、さらに高い山、さらに低い谷になります。
ところがそうでなく、１つ目の波の山に２つ目の波の谷、１つ目の波の谷に２つ目の波の山が組み合わされると、お互いが打ち消し合ってしまいます。
自然の電磁波はこのように波の位相がバラバラになって向かってきます。
そのためお互い同士が持っているエネルギーを打ち消し合います。
太陽光を見ても直ちに目が焼けないのはこのためです。

しかし、レーザー光では、電磁波の束の山と山、谷と谷がすべてそろっています。
なので、出発するとき持っていたエネルギーがそのままの強さで伝わっていきます。
目に入るとあっという間に焼けてしまいます。
出力を調整したり焦点を結ばせたりすると、金属の結晶ですら破壊します。
これがレーザーで物体を切る原理です。

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2019/09/05 23:24

金属の切断に使われるのは主に炭酸ガスレーザーですか

これは数百kWの大出力がだせるレーザーです。

百kWというのは 1 mLの水をー秒間に2万度くらいの割合で
暖めるほど強い光で、これを細く絞って金属あてると
光のあたったところはあっというまに溶けてしまいます。

No.4 回答者： fxq11011 回答日時： 2019/09/06 11:09

レーザー光→単一波長のため、拡散せずに直進する。

一般的には、例えば懐中電灯、距離が２倍になれば照らす範囲（面積）は４倍になります、個々の位置の耀さは1/4になります。
レーザー光は拡散しないので変わりません。
＞虫眼鏡で太陽光を集めて
集める必要ありません、集めたと同様の狭い空間で大出力で光を発生します。
聞きかじりの知識ですが、直線のトンネルの両端に鏡を置き、一方から光を出し、跳ね返って往復する間ににも光を出し続ければ、大きなエネルギーを持った光になり、その時点で一方の鏡を倒せば・・・。
同じ高さの波が重なればより大きな波になりますね、それとにた要なもの？。

No.5 回答者： konjii 回答日時： 2019/09/06 12:25

原理は、虫眼鏡で太陽光を集めて紙を燃やせることと同じです。

レーザー光を同じ虫眼鏡で集めるとより沢山集まります。
集まり方が大きいか小さいかの違いだけです。
また、太陽光もレーザー光も同じ電磁波です。

以下は、文系大学生向けになります。
光は波で、数式ではAsin(ωｔ＋α）Aは振幅、ωは角速度、αは定数です。
この(ωｔ＋α)の部分を位相と言います。通常の光はその位相がバラバラですがレーザー光
の位相は同じです（コヒーレント光と言います）。
位相の同じ光を２本あわせると２Asin(ω₀ｔ＋α₀）と強さは２倍になります。
一方、位相が１８０°ずれているのと２本合わせると、極端な場合ですが
Asin(ω₀ｔ＋α₀）＋Asin(ω₀ｔ＋α₀＋π）＝Asin(ω₀ｔ＋α₀）ーAsin(ω₀ｔ＋α₀）＝０
最悪０になります。
レーザー光の場合光線の数に正比例してエネルギーが増加します。
通常の光は位相が０～１８０°の光の平均となります。
また、レーザー光は波長が同じなのでレンズで１点に集められますが通常の光は波長も
異なるので光の屈折率が異なって（分散と言います）１点に集まりません。
これらの性質を総合して、レーザー光はは１点に大きなエネルギーを集めることが出来ます。

No.6 回答者： livetolive 回答日時： 2019/09/09 05:53

まず、物を切断する方法について考えます。

道具を使わずに自分の手足を使って簡単にやる方法は、紙を破る、枝を折る、などいろいろあります。道具を使うと、はさみ、カッターなどがすぐに思いつきます。これらの方法は、物に物理的な力を加えることで切断しています。

他の切断方法を考えると、熱を加える方法やその応用として熱を加えて急激に冷やす方法が思いつきます。
一例として、ガラス食器をガスコンロで熱するとパリンと割れてしまいます。危険なので実験はやめた方が良いと思います。後片付けも大変です。この方法だと切断には程遠いですが、切断したいところだけを急激に熱して急激に冷やすと切断できそうです。
他には直接燃やしてしまう方法もあります。荷造り用のビニールひもは力任せでは切れないので、ちょっと危険ですがライターの火を近づけると簡単に切れます。

しかし、レーザー光で物体を切断する原理は、以上の方法とは違うようにも思えます。
答えは、たぶんレーザー光があたった部分を熱で溶かして更に蒸発させて気体にしているのだと思います。水が氷、水・お湯、水蒸気と変化するように、物質は、個体、液体、気体と変化しますので、非常に狭い範囲を高温にすることで固体から気体に変化させていると考えてよいと思います。医療用レーザーメスやアセチレンガスバーナーでの金属切断がわかりやすいかもしれません。

電磁波、光については別回答します。

No.7 回答者： sandaba 回答日時： 2019/09/09 15:09

広い意味では同じと言っていい、細かいところは結構違います。

同じなのは「レンズで光を集めてエネルギーを集中させる」という部分です。

例えば虫眼鏡で太陽光ではなく蛍光灯を集光すると、焦点が合ったところには蛍光灯の形が映るだけです。太陽でも基本は同じですが非常に遠くにあるのでとても小さなスポットに集光されます。またエネルギーの総量が桁違いに大きいので、そのエネルギーで温度が上がって火をつけることができます。

レーザーの場合、ほぼ点にまで集光できます。厳密には回折限界という、1000分の1ミリ前後のスポット径になります。ごくごく小さなスポットにエネルギーが集中するので、太陽ほど巨大なエネルギー源じゃなくても切断に使えます。

これがレーザーポインターなどに使われる連続発振のレーザーだと、エネルギーが集中して熱が発生する、それで材料が溶けることで切断されます。

一方で、近頃増えている（はず）のは超短パルスレーザーというやつで、これは10兆分の1秒程度のものすごく短時間だけのパルス光が繰り返し出ています。ゆえに、レーザーの出力（時間平均）は1ワット程度でも、光が当たっている瞬間には10万ワットとか、とてつもないエネルギーが照射されています。

溶融を通り越して気化するか、熱膨張の衝撃で吹っ飛ぶか、正確なところは知りませんが。溶けて垂れることがないというのがこのタイプのレーザー加工の特徴です。

明らかに小学生向けの内容ではないので、どこまで話すかというのは御自身の判断で加減してください。もっとも、意外と子供の方が難しい話でも丸呑みで理解してしまうものです。

No.8 回答者： livetolive 回答日時： 2019/09/10 20:56

遅くなりましたが、電磁波、光についての回答です。

まず光について。
冬などのアウトドアでは焚火の火にあたると温かくなります。これ空気中を伝わる熱がほとんどですが、焚火の光から放射されて直接届く熱もあります。これから言えることは、熱エネルギーの一部が光になってその光が物にあたると極微少な熱エネルギーに変わるということだと思います。
今の時期の直射日光だと、熱を伝えない真空中を伝わって地球に届いているにも関わらず、熱く感じることから直感的に理解できると思います。ただ、私の知識レベルではこれ以上の説明は無理です。

次に電磁波です。
光が電磁波というのは不思議な感じですが、赤い色の周波数が低く青色の周波数が高いようです。太陽は全ての周波数の光を含んでいるので白色光と言えます。

電波法では、この電磁波のうち、３００万メガヘルツ以下の電磁波を電波として定義しています。電波は周波数が重要ですが、周波数の話になるとわけがわからなくなりますので、電流の変化がその場の磁界の変化をもたらし、磁界の変化が電流の変化をもたらして、それが次々に伝搬していると考えるとわかりやすい気がします。
写真は、環境省の資料の中に合った図ですが、この電流変化が１秒間に５０回だと50ヘルツで1000回だと1kHzになります。