中赤外域スーパーコンティ二ウム光源(3.5～11 µm/MWIR～LWIR)

US Patent 11,815,782

3.5 - 11 μm Wavelength Range (2850 - 910 cm^-1) with >20 mW Output Power
2 - 11 μm Extended Wavelength Range (5000 - 910 cm^-1) with >80 mW Output Power Available Upon Request
Single-Mode, Collimated Output Beam

Spatial profile of the LWIRSC laser standard emission band at 1 meter, measured in mm.

LWIRSC

Long-Wave Infrared Supercontinuum Laser

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概要
仕様
前面＆背面パネル
発送品リスト
ソフトウェア
パルスに関する計算
レーザの安全性
Feedback

Table 1.1 Key Specifications
Emission Spectral Range^a	3.5 - 11 μm (2850 - 910 cm^-1)
Output Power^b	> 20 mW
Repetition Rate	50 MHz (Typical)
Beam Output^c	Collimated; Single Spatial Mode
Polarization	Linear, Constant Arbitrary Angle
Laser Head Dimensions	17.92" x 20.68" x 5.86" (455.2 mm x 525.2 mm x 148.7 mm)

ご要望に応じて波長範囲を拡張可能
仕様のスペクトル範囲にわたる値
詳細は「仕様」タブをご覧ください。

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お気軽に
当社までご連絡ください。

広い波長範囲：2～11 µm

LWIRSCは、ご要望に応じて80 mW以上の平均出力パワーで2 μm～11 μm(5000 cm^-1～910 cm^-1)に拡張することも可能です。この拡張された波長範囲にはIPDFGスペクトルと残留した励起用半導体レーザの両方が含まれます。範囲の拡張により、2.3 μm付近のCOストレッチを含む、多くのガス吸収線やほかの分子シグネチャと重なり、特定のセンシング用途向けにはより包括的なツールとなります。詳細については当社までお問い合わせください。

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Figure 1.4 このグラフでは拡張された波長範囲における典型的なパワースペクトル密度を示しています。青い網掛け領域は、2～11 µmの拡張された出力スペクトルを示しています。なお、こちらはサンプルスペクトルで、ユニット毎に小さなバラツキがある場合があります。またスペクトルは環境条件の影響を受けることにご留意ください。

Table 1.5 Key Specifications
Emission Spectral Range	2 - 11 µm (5000 - 910 cm^-1)
Output Power^a,b	> 80 mW
Beam Output	Collimated; Single-Mode
Polarization^b	Mixed

仕様の発光スペクトル域全体にわたる値
拡張された波長範囲内の2～3.5 µmの範囲の出力スペクトルには励起用半導体レーザIPDFGからの残留光が含まれます。残留光の偏光状態は3.5～11 µmの光とは異なるため仕様では規定されていません。

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Figure 1.2 標準的な波長範囲における典型的なパワースペクトル密度。青い網掛け領域は、3.5～11 µmの拡張された出力スペクトルを示しています。なお、こちらはサンプルスペクトルで、ユニット毎に小さなバラツキがある場合があります。またスペクトルは環境条件の影響を受けることにご留意ください。

Video 1.3 中赤外域スーパーコンティ二ウム光源LWIRSCのご紹介

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Figure 1.6 中赤外域スーパーコンティ二ウム光源LWIRSCは、チューブPACU2T4を用いてドライエアーサーキュレーターユニットPACU2に接続することにより、レーザーヘッド内の大気中の水分の吸収を最小限に抑えることができます。

特長

3.5～11 µm で20 mW以上の出力パワー
- ご要望に応じて80 mW以上の出力で、2 μm～の波長範囲に拡張可能(当社までお問合せください)
フェムト秒で励起することでショットごとのノイズを最小限に抑制
パルス内差周波発生がベース、可動部なし
アクロマティックにコリメートされた高輝度シングルモード出力
フーリエ変換赤外(FTIR)分光計に対応
振動に敏感な用途向けに水冷式もご用意しております(当社までお問い合わせください)。

用途例

分子の指紋(フィンガープリント)領域における吸収分光法
環境センシング
化学ならびに生物物質のスタンドオフ検出
赤外顕微鏡分光
超短パルスレーザ使用分光法
中赤外域におけるフェムト秒パルス生成
光コヒーレンストモグラフィ(OCT)
半導体の検査

中赤外域スーパーコンティ二ウム光源(LWIRSC)は、当社のスーパーコンティ二ウム光源のラインナップを分子の指紋領域まで拡大する中赤外から遠赤外域用の製品です。この広帯域光源は、当社の中赤外域スーパーコンティ二ウム光源(1.3～4.5 µm/SWIR～MWIR、型番SC4500)を補完して、波長範囲を約3.5 μm～11 μm (2850 cm^-1～910 cm^-1)まで拡張し、平均出力が20 mW以上のシングルモードで、アクロマティックなコリメートビームを出力します。網羅しているスペクトル域は、分子の指紋領域(5～15 μm)の主要部分と重なり、また微量ガスから液体、固体サンプルまで、あらゆる分子振動の吸収分光を可能にします。レーザLWIRSCの輝度は、グローバー光源やシンクロトロンといった従来のインコヒーレント光源よりも桁違いに大きくなります。LWIRSCはご要望に応じて80 mW以上の平均出力パワーで、2 μm～11 μm(5000 cm^-1～910 cm^-1)に拡張することも可能です。範囲の拡張により、2.3 μm付近のCOストレッチを含む、多くのガス吸収線やほかの分子シグネチャと重なり、特定のセンシング用途向けにはより包括的なツールとなります。

LWIRSCは、当社のレーザSC4500で開発された全ファイバーフェムト秒中赤外レーザ技術と、非線形結晶内でパルス内差周波発生がベースとなっています^a,b。この特許取得済みの技術(US Patent 11,815,782)を、コンパクトで高剛性のプラットフォームで提供していますが、従来の差周波発生源とは異なり、光パルスの時間的な調整に依存しません。そのため、このレーザには可変型ディレイラインや可動部を内蔵しておらず、コストや設計の複雑性が抑えられています。50 MHzの繰り返し周波数により、市販のFTIR分光計にも対応します。レーザLWIRSCには、コーティング無しの金ミラーを使用することを推奨します。高品質のシングルモード出力ビームは、ファイバ結合にも適しています。光源の組み込み方法などに関するお問い合わせは当社までご連絡ください。

レーザ共振器は、レーザーヘッドの背面パネルにあるガスインレット・アウトレットによってパージが可能です。ガス供給圧力は5 PSIGを超えてはなりません。レーザにチューブPACU2T4を用いてドライエアーサーキュレーターユニットPACU2に取り付けることで、レーザ内を流れる空気を浄化・除湿し、出力スペクトル上の水分吸収線を最小に抑えます。乾燥窒素やアルゴンのような不活性ガスを供給することで、CO₂のような微量大気成分からの吸収線を除去し、スペクトルをさらにきれいにすることが可能です。レーザLWIRSCの出力ポートには、KF16フランジが付いており、付属のセレン化亜鉛ウィンドウに接続してレーザチャンバを密封させるか、ほかのパージが可能な機器に接続して完全に密閉された光路を作ることも可能です。レーザLWIRSCは、大気圧以下で動作するよう設計されていません。

Figure 1.2のグラフでは、ドライエアーサーキュレータPACU2でパージしたときのLWIRSCの出力スペクトルの違い示しています。「Purged PSD」は光スペクトラムアナライザOSA207CとLWIRSCを用いて、ほとんどのビーム路がクリーンドライエア(CDA)でパージされた状態で測定されました。「Unurged PSD」は典型的な実験室環境で取得されました。なお、4.2 μmにおける特性はCO₂吸収、そして5～7 μmにおける微細な構造はH₂O吸収によるものです。

中赤外域の高い輝度を持つレーザLWIRSCは、センシングや分光用途に適した光源です。用途は温室効果ガスの環境センシングから、標準的なFTIR分光計を用いた分光法の研究フィールドに及びます。また、こちらの出力をバンドパスフィルタでフィルタリングすることで、中赤外域のフェムト秒パルス光源としてもご使用いただけます。

R. Salem, S. Backus, D. Liu, C. Wan, S. Domingue, M. Kirchner, A. Cable, and P. Fendel, "5-11 μm Supercontinuum Generation Using Cascaded Nonlinearities in Fluoride Fiber and ZGP," in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (Optica Publishing Group, 2021), paper STh1L.5.
H. Timmers, A. Kowligy, A. Lind, F. C. Cruz, N. Nader, M. Silfies, G. Ycas, T. K. Allison, P. G. Schunemann, S. B. Papp, and S. A. Diddams, "Molecular fingerprinting with bright, broadband infrared frequency combs," Optica 5, 727-732 (2018)
A. Khanolkar, C. Wan, D. Liu, S. Backus, P. Fendel, and R. Salem, "Multi-octave coherent mid-infrared supercontinuum generation out to 11μm via intra-pulse difference frequency generation in ZGP." in Proceedings, SPIE 13026, Next-Generation Spectroscopic Technologies XVI; 1302604 (2024).

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生データはこちらからダウンロードいただけます。
Figure 2.1 典型的なパワースペクトル密度。なお、こちらはサンプルスペクトルで、ユニット毎に小さなバラツキがある場合があります。またスペクトルは環境条件の影響を受けることにご留意ください。ここでは2組のデータを示しています。「Purged PSD」は光スペクトラムアナライザOSA207CとLWIRSCを用いて、ほとんどのビーム路がクリーンドライエア(CDA)でパージされた状態で測定されました。「Unurged PSD」は典型的な実験室環境で取得されました。なお、4.2 μmにおける特性はCO₂吸収、そして5～7 μmにおける微細な構造はH₂O吸収によるものです。

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Figure 2.2 ビームプロファイルのサンプル測定は、全放射バンドで取得されました(1 m先のプロファイル)。

Item #	LWIRSC
Parameters	Min	Typical	Max
Emission Spectral Range^a	3.5 - 11 µm (2850 - 910 cm^-1)
Output Power (Full Emission Band, 3.5 - 11 µm)	> 20 mW
Output Power (4.5 - 11 µm)	> 8 mW
Output Power (7.3 - 11 µm)	> 4 mW
Repetition Rate	48 MHz	50 MHz	52 MHz
Output Beam Diameter (1/e²)	-	6 mm	-
Full Angle Divergence (θ)	-	< 1 mrad	-
Polarization	Linear, Constant Arbitrary Angle
Warm-Up Time	30 min
Electrical Requirements
Input Voltage	100 - 240 V
Frequency	50 - 60 Hz
Power Consumption	700 W (Max)
Environmental Requirements
Room Temperature Range	17 °C to 25 °C
Room Temperature Stability	< 3 °C Over 24 Hours
Physical Specifications
Gas Purging Inlet and Outlet Connections	For 1/4" (6.4mm) OD, 0.18" (4.6 mm) ID Tubing, PACU2T4 Recommended
Optical Output Aperture	KF16 Flange
Dimensions (Laser Head)	17.92" x 20.68" x 5.86" (455.2 mm x 525.2 mm x 148.7 mm)
Dimensions (Controller)	16.98" x 19.02" x 5.25" (431.2 mm x 483.2 mm x 133.4 mm)

ご要望に応じて波長範囲を2～11 μm(5000～910 cm^-1)まで拡張可能です。

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Figure 3.1 レーザーヘッドの前面パネル

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Figure 3.2 レーザーヘッドの背面パネル

Laser Head Front Panel
Callout	Description
1	Laser Output Aperture, KF16 Flange
2	Laser Emission Indicator LED

Laser Head Back Panel
Callout	Description
1	Female SMA Electrical Synchronization port
2	For Service Only
3	Female DB15 Laser-Controller Communication Cable Port
4	Female DB25 Laser-Controller Communication Cable Port
5	Female DB26 Laser-Controller Communication Cable Port
6	Purge Outlet Compression Fitting, 0.25" (6.4 mm) Outer Diameter, 0.18” (4.6 mm) Inner Diameter, PACU2T4 Tubing Recommended
7	Purge Inlet Compression Fitting, 0.25" (6.4 mm) Outer Diameter, 0.18” (4.6 mm) Inner Diameter, PACU2T4 Tubing Recommended

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Figure 3.3 レーザーコントローラの前面パネル

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Figure 3.4 レーザーコントローラの背面パネル

Laser Controller Front Panel
Callout	Description
1	Temperature Indicator LED
2	Oscillator Indicator LED
3	Laser Emission Indicator LED
4	Interlock Indicator LED
5	Laser On/Off Button
6	Power On/Off Button
7	Power Indicator LED
8	Keyed Laser Standby/Enable Switch

Laser Controller Back Panel
Callout	Description
1	Interlock, Female BNC
2	USB 2.0 Mini-B Port for Software Control
3	Female DB26 Laser-Controller Communication Cable Port
4	Male DB15 Laser-Controller Communication Cable Port
5	Male DB25 Laser-Controller Communication Cable Port
6	AC Power Cable Port
7	AC Power On/Off Switch

発送品リスト
説明	写真
レーザーヘッド
レーザーコントローラ、19インチラックに取り付け可能
DB26(オス－オス)レーザーコントローラ用通信ケーブル
DB25(オス－メス)レーザーコントローラ用通信ケーブル
DB15(オス－メス)レーザーコントローラ用通信ケーブル
コントローラ用電源ケーブル(日本国内向け)
ソフトウェア制御用USB 2.0 Type-A - Mini-Bケーブル
フレアレス管継手用ダストキャップ(装着して発送)	(写真無し)
KF16用セレン化亜鉛ウィンドウ、E4 ARコーティング、2～12 um (装着して発送)
KF16用Oリング(装着して発送)
KF16用クランプ(装着して発送)

LWIRスーパーコンティニウム光源用ソフトウェア

LWIRスーパーコンティニウム光源用ソフトウェアパッケージでは、光出力のON/OFF、レーザの状態のモニタ、発振器のリセット、励起レーザ電流の調整などの制御が可能です。下のソフトウェアのリンクをクリックすると、最新バージョンのソフトウェアパッケージをダウンロードできます。

ソフトウェア

Version 1.1

スーパーコンティニウム光源用Windows^®対応ソフトウェアのインストーラ。レーザの操作にはこのソフトウェアが必要です。

Minimum System Requirements
Operating system	Windows^® 7, 8.1, or 10 (32 Bit or 64 Bit)
Processor	>1 GHz
RAM	512 MB
Hard Drive Space	32 Bit: 850 MB 64 Bit: 2 GB

パルスレーザ:パワーとエネルギーの計算

フルレポートは上をクリックしてダウンロードいただけます。

パルスレーザからの放射光が、使用するデバイスや用途に適合するかどうかを判断する上で、レーザの製造元から提供されていないパラメータを参照しなければならない場合があります。このような場合、一般には入手可能な情報から必要なパラメータを算出することが可能です。次のような場合を含めて、必要な結果を得るには、ピークパルスパワー、平均パワー、パルスエネルギ、その他の関連するパラメータを必要とすることがあります。

生物試料を損傷させないように保護する
フォトディテクタなどのセンサにダメージを与えることなくパルスレーザ光を測定する
物質内で蛍光や非線形効果を得るために励起を行う

パルスレーザ光のパラメータはFigure 170AおよびTable 170Bに示します。参照用として、計算式の一覧を以下に示します。資料をダウンロードしていただくと、これらの計算式のほかに、パルスレーザ光の概要、異なるパラメータ間の関係性、および計算式の適用例がご覧いただけます。

計算式
周期と繰り返し周波数は逆数の関係:		、
平均パワーから算出するパルスエネルギ:
パルスエネルギーから算出する平均パワー:
パルスエネルギーから概算するピークパルスパワー:
平均パワーから算出するピークパワー、ピークパワーから算出する平均パワー :
	、
平均パワーおよびデューティーサイクルから算出するピークパワー*:
	*デューティーサイクル() はレーザのパルス光が放射されている時間の割合です。

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Figure 170A パルスレーザ光の特性を記述するためのパラメータを、上のグラフとTable 170Bに示します。パルスエネルギ (E)は、パルス曲線の下側の黄色の領域の面積に対応します。このパルスエネルギは斜線で表された領域の面積とも一致します。

Table 170B パルスのパラメータ
パラメータ	シンボル	単位	説明
パルスエネルギ	E	ジュール[J]		レーザの1周期中に放射される1パルスの全放射エネルギ。パルスエネルギはグラフの黄色の領域の面積に等しく、これは斜線部分の面積とも一致します。
周期	Δt	秒 [s]		1つのパルスの開始から次のパルスの開始までの時間
平均パワー	P_avg	ワット[W]		パルスとして放射されたエネルギが、1周期にわたって均一に広がっていたと仮定したときの、光パワーの大きさ(光パワー軸上の高さ)
瞬時パワー	P	ワット[W]		特定の時点における光パワー
ピークパワー	P_peak	ワット [W]		レーザから出力される最大の瞬時パワー
パルス幅		秒 [s]		パルスの開始から終了までの時間。一般的にはパルス形状の半値全幅(FWHM)を基準にしています。パルス持続時間とも呼ばれます。
繰り返し周波数	f_rep	ヘルツ [Hz]		パルス光が放射される頻度を周波数で表示した量。周期とは逆数の関係です。

計算例

下記のパルスレーザ光を測定するのに、最大入力ピークパワーが75 mW
のディテクタを使用するのは安全かどうかを計算してみます。

平均パワー: 1 mW
繰り返し周波数: 85 MHz
パルス幅: 10 fs

1パルスあたりのエネルギは、

と低いようですが、ピークパワーは、

となります。このピークパワーはディテクタの
最大入力ピークパワーよりも5桁ほど大きく、
従って、上記のパルスレーザ光を測定するのに
このディテクタを使用するのは安全ではありません。

レーザの安全性とクラス分類

レーザを取り扱う際には、安全に関わる器具や装置を適切に取扱い、使用することが重要です。ヒトの目は損傷しやすく、レーザ光のパワーレベルが非常に低い場合でも障害を引き起こします。当社では豊富な種類の安全に関わるアクセサリをご提供しており、そのような事故や負傷のリスクの低減にお使いいただけます。可視域から近赤外域のスペクトルでのレーザ発光がヒトの網膜に損傷を与えうるリスクは極めて高くなります。これはその帯域の光が目の角膜やレンズを透過し、レンズがレーザーエネルギを、網膜上に集束してしまうことがあるためです。

安全な作業および安全に関わるアクセサリ

クラス3または4のレーザを取り扱う場合は、必ずレーザ用保護メガネを装着してください。
当社では、レーザのクラスにかかわらず、安全上無視できないパワーレベルのレーザ光線を取り扱う場合は、ネジ回しなどの金属製の器具が偶然に光の方向を変えて再び目に入ってしまうこともあるので、レーザ用保護メガネを必ずご使用いただくようにお勧めしております。
特定の波長に対応するように設計されたレーザ保護眼鏡は、装着者を想定外のレーザ反射から保護するために、レーザ装置付近では常に装着してください。
レーザ保護眼鏡には、保護機能が有効な波長範囲およびその帯域での最小光学濃度が刻印されています。
レーザ保護カーテンやレーザー安全保護用布は実験室内での高エネルギーレーザの遮光にご使用いただけます。
遮光用マテリアルは、直接光と反射光の両方を実験装置の領域に封じ込めて外に逃しません。
当社の筺体システムは、その内部に光学セットアップを収納し、レーザ光を封じ込めて危険性を最小限に抑えます。
ピグテール付き半導体レーザは、他のファイバに接続、もしくは他のファイバとの接続を外す際には、レーザ出力をOFFにしてください。パワーレベルが10 mW以上の場合には特にご注意ください。
いかなるビーム光も、テーブルの範囲で終端させる必要があります。また、レーザ使用中には、研究室の扉は必ず閉じていなければなりません。
レーザ光の高さは、目線の高さに設定しないでください。
実験は光学テーブル上で、全てのレーザービームが水平を保って直進するように設定してください。
ビーム光路の近くで作業する人は、光を反射する不要な装飾品やアクセサリ(指輪、時計など)をはずしてください。
レンズや他の光学装置が、入射光の一部を、前面や背面で反射する場合がありますのでご注意ください。
あらゆる作業において、レーザは必要最小限のパワーで動作するようにご留意ください。
アライメントは、可能な限りレーザの出力パワーを低減して作業を行ってください。
ビームパワーを抑えるためにビームシャッタやフィルタをお使いください。
レーザのセットアップの近くや実験室には、適切なレーザ標識やラベルを掲示してください。
クラス3Rやクラス4のレーザ(安全確保用のインターロックが必要となるレーザーレベルの場合)で作業する場合は、警告灯をご用意ください。
ビームトラップの代用品としてレーザービュワーカードを使用したりしないでください。

レーザ製品のクラス分け

レーザ製品は、目などの損傷を引き起こす可能性に基づいてクラス分けされています。国際電気標準会議(The International Electrotechnical Commission 「IEC」)は、電気、電子工学技術関連分野の国際規格の策定および普及を行う国際機関で、IEC60825-1は、レーザ製品の安全性を規定するIEC規格です。レーザ製品のクラス分けは下記の通りです

Class	Description	Warning Label
1	ビーム内観察用の光学機器の使用を含む、通常の条件下での使用において、安全とみなされているクラス。このクラスのレーザ製品は、通常の使用範囲内では、人体被害を及ぼすエネルギーレベルのレーザを発光することがないので、最大許容露光量(MPE)を超えることはありません。このクラス1のレーザ製品には、筐体等を開かない限り、作業者がレーザに露光することがないような、完全に囲われた高出力レーザも含まれます。
1M	クラス1Mのレーザは、安全であるが、望遠鏡や顕微鏡と併用した場合は危険な製品になり得ます。この分類に入る製品からのレーザ光は、直径の大きな光や拡散光を発光し、ビーム径を小さくするために光を集束する光学素子やイメージング用の光学素子を使わない限り、通常はMPEを超えることはありません。しかし、光を再び集光した場合は被害が増大する可能性があるので、このクラスの製品であっても、別の分類となる場合があります。
2	クラス2のレーザ製品は、その出力が最大1 mWの可視域での連続放射光に限定されます。瞬目反射によって露光が0.25秒までに制限されるので、安全と判断されるクラスです。このクラスの光は、可視域(400～700 nm)に限定されます。
2M	このクラスのレーザ製品のビーム光は、瞬目反射があるので、光学機器を通して見ない限り安全であると分類されています。このクラスは、レーザ光の半径が大きい場合や拡散光にも適用されます。
3R	クラス3Rのレーザ製品は、直接および鏡面反射の観察条件下で危険な可視光および不可視光を発生します。特にレンズ等の光学機器を使用しているときにビームを直接見ると、目が損傷を受ける可能性があります。ビーム内観察が行われなければ、このクラスのレーザ製品は安全とみなされます。このクラスでは、MPE値を超える場合がありますが、被害のリスクレベルが低いクラスです。可視域の連続光のレーザの出力パワーは、このレベルでは5 mWまでとされています。
3B	クラス3Bのレーザは、直接ビームを見た場合に危険なクラスです。拡散反射は通常は有害になることはありませんが、高出力のクラス3Bレーザを使用した場合、有害となる場合もあります。このクラスで装置を安全に操作するには、ビームを直接見る可能性のあるときにレーザ保護眼鏡を装着してください。このクラスのレーザ機器にはキースイッチと安全保護装置を設け、さらにレーザ安全表示を使用し、安全照明がONにならない限りレーザがONにならないようにすることが求められます。Class 3Bの上限に近いパワーを出力するレーザ製品は、やけどを引き起こすおそれもあります。
4	このクラスのレーザは、皮膚と目の両方に損傷を与える場合があり、これは拡散反射光でも起こりうるとみなされています。このような被害は、ビームが間接的に当たった場合や非鏡面反射でも起こることがあり、艶消し面での反射でも発生することがあります。このレベルのレーザ機器は細心の注意を持って扱われる必要があります。さらに、可燃性の材質を発火させることもあるので、火災のリスクもあるレーザであるとみなされています。クラス4のレーザには、キースイッチと安全保護装置が必要です。
全てのクラス2以上のレーザ機器には、上記が規定する標識以外に、この三角の警告標識が表示されていなければいけません。

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