平成 26 年 3 月 27 日

光量子工学研究が達成すべき社会的課題に向けた研究開発戦略の策定について

光量子工学研究領域
領域長

緑川克美

光量子工学研究領域は、第 3 期中期目標、第 3 期中期計画、平成 25 年度年度計画において示された平成 25 年度中に明らかにする優先順位の高い社会的課題、重要な社会的課題達成に貢献することを目指した研究開発の戦略について検討を進めて来た。検討の結果、光量子工学研究領域として、以下を研究開発戦略とすることとした。

光量子工学研究が達成すべき社会的課題に向けた研究開発戦略１．ものづくりの高度化
ものづくりにおける微細 3 次元構造の大量製造技術ならびに品質検査を高度化する新規解析技術の開発
・超高繰り返しアト秒･フェムト秒レーザー光源によるナノ構造加工技術
・テラヘルツ光を用いた化合物の品質検査技術
２．安心・安全に向けた非破壊検査技術・非侵襲計測技術の確立（１）既存インフラ等における非破壊検査技術の確立
・小型中性子システムによる橋梁等インフラの非破壊検査技術
・テラヘルツ光による電気インフラ等の非破壊検査技術
・小型･超高繰り返し高出力レーザー光源によるトンネル内壁等の非破壊検査技術（２）極限センシング計測による非侵襲計測技術の確立
・アト秒レーザー・X 線・短波長光による物質ダイナミクスの計測
・中赤外レーザー・テラヘルツ光による 1 分子検出・近接場・メタマテリアルの電場増感効果を用いた微量分析（３）超高速現象を時間追跡できるアト秒量子ビームの発生とその利用技術の開発以上を達成するために必要な要素技術を含め、研究開発を実施する。

以上

理化学研究所

光量子工学研究領域
RIKEN Center for Advanced Photonics

平成26年3月
1

光量子工学研究が達成すべき社会的課題に向けた研究開発戦略の策定について
１．ものづくりの高度化
ものづくりにおける微細3次元構造の大量製造技術ならびに品質検査を高度化する新規解析技術の開発
・超高繰り返しアト秒･フェムト秒レーザー光源によるナノ構造加工技術
・テラヘルツ光を用いた化合物の品質検査技術
２．安心・安全に向けた非破壊検査技術・非侵襲計測技術の確立（１）既存インフラ等における非破壊検査技術の確立
・小型中性子システムによる橋梁等インフラの非破壊検査技術
・テラヘルツ光による電気インフラ等の非破壊検査技術
・小型･超高繰り返し高出力レーザー光源によるトンネル内壁等の非破壊検査技術（２）極限センシング計測による非侵襲計測技術の確立
・アト秒レーザー・X線・短波長光による物質ダイナミクスの計測
・中赤外レーザー・テラヘルツ光による1分子検出・近接場・メタマテリアルの電場増感効果を用いた微量分析（３）超高速現象を時間追跡できるアト秒量子ビームの発生とその利用技術の開発以上を達成するために必要な要素技術を含め、研究開発を実施する。

ものづくりの高度化に向けた新規技術の開発研究
現 ○我が国のものづくり産業は非常に厳しい環境下におかれているが、活力ある地域経済を実現するためには、新産業分野の市場化に向けたものづくり力の革新が不可欠。そのため、「低価格・コストダウン」「生産技術・量産技術＋品質保証技術の確立」などを達状成する既存技術の改良と新規技術の開発を同時に進めることが重要である。
・ ○このような状況において、産業界では未踏の光であるテラヘルツ光の産業応用に期待が高まっているとともに、産業プロセスの自課動化、高精度化が進むことが予想され、レーザーによる微細加工技術に対しては、制御性の向上だけでなく、従来の限界を超え題た超微細領域での加工技術が求められている。

目標●化合物等の品質検査の精度向上・時間短縮・コスト削減を実現

テラヘルツを用いた化合物等の構造変化の直接解析●今まで不可能であった３次元微細機能発現構造の大量製造を実現

超高繰り返しアト秒・フェムト秒レーザー光源の開発

メタマテリアル構造を用いた化合物等の高感度センシングの実現
10MHz級フェムト秒レーザーとレーザー照射
光学系の設計想定される成果例
精度の限界

品質・安全性保証の問題 形成された構造物を迅速に品質保証する技術が存在しない！

テラヘルツ観測による⾷品・薬品等の全数検査

副作⽤等の原因になる光異性体の混⼊を防⽌

⾷品パッケージ内の異物・残留物質検査(写真は粉ミルク中の針)全数検査による効率的な廃棄（悪いもののみ破棄）

中性⼦・テラヘルツで複合材料（セラミック、⾼分⼦材料、CFRP等）の内部⽋陥を検査

三次元造形された⽣体組織（⽿・⾻等）
スペースシャトルの耐熱タイル● これまで不可能であった直接計測、内部計測による、迅速かつ正確なスクリーニングの実現によって製造物の全数検査が可能に！

現在のプロセスを凌駕する品質・安全性の向上、時間短縮、コスト削減を実現し、ものづくりにおける⽣産ラインのあり⽅を劇的に変化！

既存の⽅法ではナノサイズの3D構造は作れない！

超⾼繰り返しアト秒・フェムト秒レーザーの実
現により、超微細レベルのメタマテリアル材料の3次元積層が可能に

⾼感度センシングデバイス等への応⽤

レーザーにより3D微細機能発現構造の積層を実現
溶液A 溶液B

マイクロリアクター内部にナノサイズの微細加⼯を施し反応溶液同⼠が効率よく混ぜる● 今までよりも⾼精度の微細加⼯技術が可能に！
● 現在のものづくりにおいて律速となっている、ナノサイズでの３次元微細機能発現構造の製造、さらに量産が可能に！

物質の機能を劇的に向上させる超微細構造の⽣産や造形された構造物の品質保証を迅速かつ正確に⾏う次世代３次元造形技術を実現！

非破壊検査技術・非侵襲計測技術の確立

現状・課
題○安全・環境保護・防災や資源探査、医療・診断等における技術の革新的進展をもたらすことは、身近な危険や異常を事前に察知できる安心・安全な社会の構築につながる。安心・安全な社会の構築のために、未踏領域の光の発生や、未踏光源を応用した非破壊検査技術・非侵襲計測技術の確立を目指す。
○具体例として、橋梁等の大型構造物は、高度成長期に大量に建造されており、今後、大量の公共インフラが寿命を迎える。現状の公共事業費では、全ての橋梁・高速道路等を新造することは不可能であり、非破壊検査技術の速やかな確立が必須である。
○現状では医療費の高騰が大きな社会問題である。これを抑制するためには、病気等の徴候を早期に検出することが不可欠であり、非侵襲での微量検出・分析計測技術の確立が必須である。また、農業分野においても、植物の育成過程の成分計測が農作物の安定的な生産につながる。

想定される成果例
レーザーを用いたトンネ
ル表面・内部欠陥計測

電場増強効果を用いた微量分析
テラヘルツ光を用いた
電力インフラ劣化診断

テラヘルツ光とメタマテリ
アルを用いた微量検出

中性子を用いた橋梁
等の劣化診断多種多様なインフラに使われる多種多様な材料や、インフラの表面・内部・深部といった、計測箇所・条件に合ったビームテクノロジーを組合せることで、安全かつ高速に、正確なインフラ診断評価の実現

波長可変中赤外レーザーやテラヘルツ光とメタマ
テリアル等の電場増強素子を組み合わせ非侵襲での微量検出・分析計測技術の確立。

既存インフラにおける予防保全技術の確立
現状・課
題○橋梁等の大型構造物は、高度成長期に大量に建造されており、今後、大量の公共インフラが寿命を迎える。国土交通省の試算によると、老朽化インフラにかかる更新費・維持管理費は2013年度で3.6兆円、10年後には1.4倍の4.3兆～5.1兆円に、20年後には4.6兆～5.5兆円になる見通しであり、予防保全技術の速やかな確立が必須である。
○このような中で、多種多様なインフラに使われる多種多様な材料や、インフラの表面・内部・深部といった、計測箇所・条件に合ったビームテクノロジーを組合せることで、安全かつ高速に、正確なインフラ診断評価を実現することが求められている。また、
インフラ劣化診断のためのテラヘルツ・中性子基盤技術開発ためには、強くてコンパクトな光源と高感度の検出器が必須である。

●レーザーを用いた表面の欠陥検出、形状計測、光弾性波による内部欠陥計測

目標●車載可能な小型中性子源を用いた、橋梁等の非破壊検査●テラヘルツ光による電力インフラ等の劣化診断

光干渉における遠隔検知と高い分解能
レーザー計測の高速化
高速画像化システムの開発

周波数帰還型レーザーによる表面計測システムの開発

屋外使用時の放射線量の抑制
小型化軽量化の実現
診断システムとして予測診断ソフトの開発

高輝度超短パルス高速中性子加速器、レーザーの小型化
軽量遮蔽の開発

強力かつコンパクトなテラヘルツ光源開発
高感度の多素子テラヘルツ検出器実現

光源光学系の最適化
励起レーザー強度の増大による強度増強想定される成果例

車載が可能なコンパクトなレーザーを用いた表面の欠陥検出、形状計測、光弾性波による内部欠陥計測などトンネル等や港湾の老朽化の高速かつ高精度な自動化された点検・診断が可能に。

車載可能な小型中性子源を用いた構造物内部の形状計測・欠陥検出により、橋梁等や港湾の老朽化の高精度な点検・診断が可能に。

テラヘルツ光を用いたコンクリート材料以外の電力インフラ等の劣化診断が可能に。その他、ボイド・クラック等の内部空隙や機械応力による異常の検出も可能に。

光量子工学研究のロードマップ
H25

基礎研究

エクストリームフォトニクス研究

テラヘルツ光研究

光量⼦基盤技術開発研究

課題解決型プロジェクト研究
ものづくりの⾼度化

光量子工学研究第I期

H30

光量子工学研究第II期

超⾼速・⾼強度パルスの発⽣・計測、分光技術の開発
⼀分⼦計測、ライブイメージング⽤要素技術の開発
新規画像処理法の開発
光格⼦時計の基盤開発
テラヘルツ光源の⾼出⼒化・安定化
テラヘルツ検出器、イメージング技術の⾼度化
テラヘルツ量⼦素⼦の⾼温動作の実現
レーザー結晶・⾮線形光学結晶の新規開拓
超精密・微細加⼯技術の開発
⼩型中性⼦源計測システムの⾼度化
共同利⽤施設の運⽤と先端機器開発⽀援

ものづくりにおける新規解析技術、微細3次元構造の⼤量製造技術の開発
・超⾼繰り返しアト秒･フェムト秒レーザー光源によるナノ構造加⼯技術
・テラヘルツ光を⽤いた化合物の品質検査技術

品質検査の精度向上・時間短縮・コスト削減、
３次元微細機能発現
構造の大量製造を実現

既存インフラにおける⾮破壊検査技術の確⽴

⾮破壊検査技術・⾮侵襲計測技術の確⽴

・⼩型中性⼦システムによる橋梁等インフラの⾮破壊検査技術
・テラヘルツ光による電気インフラ等の⾮破壊検査技術
電子ーイオン協働過程のダイナミクス
・⼩型･超⾼繰り返し⾼出⼒レーザー光源によるトンネル内壁等の⾮破壊検査技術

極限センシング計測による⾮侵襲計測技術の確⽴
・アト秒レーザー・X線・短波⻑光による物質ダイナミクスの計測

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アト秒量⼦ビーム技術の確⽴

アト秒量⼦ビームの発⽣およびその利⽤技術の開発

安全・高速・正確なインフラ診断評価の実現

非侵襲での微量検出・分析計測技術の確立

超高速電子デバイスの開発、ガン治療・半導体材料の性能向上など

アト秒光科学からアト秒量子科学へ

超高速電子デバイスの開発・触媒等の効率改善
タービン等高速動作機械や核物質の非破壊検査・検知
重イオンによるガン治療・半導体材料のイオン注入による性能向上

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鉄鋼・金属機械および大型インフラの非破壊検査