レーザー核融合の研究開発と産業応用展開

中央研究所 産業開発研究センター センター長
川嶋 利幸
2021.3.17
電気通信大学 レーザー新世代研究センター
客員教授研究紹介LNA4B73036

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1

自己紹介
■ 川嶋利幸（59才浜松市出身）■ 1985年電気通信大学物理工学科卒業■ 同年浜松ホトニクス株式会社入社

コロナ禍での自粛生活中に筋トレをしてスリムになりました。

■ 1997年〜2010年大阪大学レーザー核融合研究センター(現レーザー科学研究所)に出向。2003年博士(工学)■ 現在中央研究所産業開発研究センター長
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目次■ 会社紹介■ 産業用レーザーを取り巻く近年の状況■ 半導体レーザー(LD)励起セラミックスレーザーの開発■ 大エネルギーレーザーパルスの産業応用■ まとめ
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会社紹介

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浜松ホトニクス株式会社（電気通信大学から約200km）
電気通信大学

浜松ホトニクス（株）

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5高柳健次郎 博士

1899年（明治32年）−1990年（平成2年）

1926年12月25日浜松高等工業学校(現静岡大学工学部）においてブラウン管による電送受信に成功させた。
走査線40本によりイロハのイの字を表示させた。

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61953年(昭和28年)

昔は皆ベンチャー企業だった（お蔵からスタート）

高柳先生の門下生がテレビジョンのような未知の分野・未踏の領域に挑戦するというスピリットを持って浜松テレビという会社を興した。

創業当初の浜松テレビ

創業当初の作業風景

初期の光電管

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7現在の浜松ホトニクスの姿〜事業部構成〜

固体事業部

システム事業部

電子管事業部

レーザ事業推進部

中央研究所
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中央研究所

産業開発研究センター

中央研究所

産業開発研究センター

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9産業開発研究センター（私の職場）
浜名湖

Area:193,000m2

第1研究棟

管理棟

講演ホール

光産業創成大学院大学
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10産業開発研究センターの主な研究開発内容⑤レーザー加工
アブレーション

④中性子応用

衝撃波

産業利用

高圧のプラズマ発生
金属材料など道路等のインフラ診断

中性子ディテクタ

基盤技術①大出力レーザー技術②核融合（プラズマ制御）技術③量子ビーム技術（中性子、電子、イオン等）

核融合反応
レーザパルス
半導体レーザー（励起源）
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エネルギー回収🄫 Hamamatsu Photonics K.K. and its affiliates. All Rights Reserved.

11産業用レーザーを取り巻く近年の状況

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SDGs (持続可能な開発目標)

2015年国連サミットにて採択

2030年までに達成すべき17の国際目標
大企業の多くがSDGsを活動の指針とし始めている
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13

Society 5.0の実現に向けた取り組みが加速

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https://www8.cao.go.jp/cstp/society5̲0/index.html

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14

サイバー空間とフィジカル空間の融合

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https://www8.cao.go.jp/cstp/society5̲0/index.html

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15

レーザー開発に関連する国家プロジェクトの動向
戦略的イノベーション創造プログラム
SIP（第1期）

2014

2018

革新的研究開発推進プログラムImPACT

Society 5.0

2015
2018
「ユビキタス・パワーレーザーによる安全・安心・長寿社会の実現」

Society 5.0を実現するために光・量子技術を活用することが不可欠となっていることが背景「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」
2016
切れ目なく国家プロジェクトが走っている

NEDO

2020

「先端レーザーイノベーション拠点」
2018

光・量子飛躍フラッグシッププログラム(Q-LEAP)「光・量子を活用したSociety 5.0実現化技術」
2018

SIP（第2期）

2027

社会実装

2022

レーザーの実用化技術開発が鍵となる
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NEDO「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」プロジェクトの概要（東大・小林プロジェクトリーダ資料より抜粋）

IoTによる知的（AI）生産システム

経験と勘から最適化へ（高品位少量多品種生産システム）

加工のパラメータはこれまで経験と勘から導き出されてきた。これをAIを駆使したシステムで導出したい。
サイバーシステムサイバーシステム

超スマート社会へ
超スマート社会へ最適化生産
加工レ シ ピ
加工データ ベース

データ ベース

学理
学理

ディ ープ ラ ーニン グ

計測・評価

シ ミ ュ レ ーシ ョ ン

計測・評価

予測
形状
温度
CPS

ニーズ
ニーズ
ユーザー企業
ユーザ企業
材料企業
他プロジェクト他プ ロ ジ ェ ク ト
パラ メ ータ等 etc.
波長

飛散物質

データ 取得etc.

パラ メ ータ 制御
パラ メ ータ 制御
CPS
CPS

パラ メ ータ

パルス 幅

掃引速度

パワー

繰り 返し
パタ ーン

繰り 返し
etc.

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ス ペク ト ル

レーザー加工機 etc.
レーザー加工機

高輝度レーザー
高輝度レーザー
フィジカルシステム
フィジカルシステム

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17

半導体レーザー(LD)励起セラミックスレーザーの開発

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18

世界における近年のLD励起高エネルギーレーザーの状況
HiLASE(RAL)
100J×10Hz

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ELI-beamline(LLNL)
80J×3.3Hz

浜松ホトニクス
50J×0.5Hz

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大出力レーザー材料に必要な３つの特性レーザー発振する
増幅度

飽和パラメータEs (J/cm2)

熱衝撃パラメータ
Rt (W/cm)
パルスエネルギーエネルギーを蓄えられる

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パルス繰返し率
壊れない（割れない）

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20

飽和パラメータと熱衝撃パラメータ
寄生発振のリスク（大口径時）

レーザー損傷のリスク（光学部品の損傷）

Yb:YAG (77K)

熱負荷に強いYb:YAG (140K)

冷却温度でチューニング可能Yb:YAG (225K)
Nd:YAG
Nd:YVO4

Yb:YAG (300K)
Nd:GGG
Nd:LG750

高スループット化に重要

Nd:HAP4 (glass)
Nd:LHG8 (glass)

大エネルギー化に重要

エネルギー蓄積：大きい
レーザー発振しやすい
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Yb:YAGの低温動作時のメリット

Boltzmann Occupation Factor
Yb：YAG electron energy level

F 52

10,327 flb=0.87(180K)
4x10-20[cm2]@225K
785

2

F 72

612 fla=0.007(180K)
565
0 fa=0.98(180K)

The minimum frequency in a manihold

10.06

0.950.04

fa

0.02

fla
00100
200300Temperature [K]0.90.85
0.8
400

BOF for the ground-state-level

7.6x10-21[cm2]10,67910,624 fb=0.08(180K)

BOF for the lower-laser-level

2150K以下ではYb:YAGは4準位系レーザーとして振る舞う
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レーザーセラミックスの特長
レーザーガラス

透光性セラミックス

Nd:glass slab (40cm x 10cm x 1.5cm)

単結晶

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10cm square
YAG ceramics

レーザーガラス

単結晶

透光性セラミックス

低コスト××〇

大型化〇×〇🄫 Hamamatsu Photonics K.K. and its affiliates. All Rights Reserved.

23

LD励起Yb:YAGセラミクスレーザー装置の概要

励起波長
ストークス効率
蛍光寿命
LDコスト比率
熱伝導率1mJ

発振器
空冷
ファイバー型

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Nd:YAG
808nm
76%
230μs
5.2>10W/m･K

室温Yb:YAG
増幅器

Nd:ガラス
888nm
〜84%
360μs
3〜1W/m･K

100mJ

Yb:YAG
940nm
〜91%
1ms
1>10W/m･K

低温Yb:YAG
増幅器

1J

水冷
クライオスタット冷却
アクティブミラー型
ロッド型

•低温化

誘導放出断面積の制御
 増幅特性を最適化•低温Yb:YAGセラミクス
増幅器
クライオスタット冷却
アクティブミラー型

熱伝導率が増加 熱レンズ効果の抑制
 熱ショックパラメータの向上
10J

低温Yb:YAGセラミクス
増幅器

100J

ヘリウムガス冷却
ディスク型

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24各増幅器における特性発振器

100mJ増幅器

1J増幅器

10J増幅器

100J増幅器

動作温度

室温

室温

低温

低温

低温

エネルギー

1 μJ

117 mJ

0.8 J

11J

117J

繰り返し率

10 Hz

10 Hz

10 Hz

0.05Hz0.05Hz

任意波形成形

NFP

NFP

NFP

NFP

80
4ns Gaussian70

8ns Gaussian

諸特性

Intensity (a rb. u. )60

16ns Gaussian
32ns Gaussian

50
4030
20
100-100-80-60-40-20

020

40

60

80

100

Tim e (ns)

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低温ヘリウムガス冷却マルチディスクYb:YAGセラミックス増幅器
大気開放低温用ファン
低温ヘリウムガス
冷却装置

液体窒素
流量調整弁

レーザー
チャンバー１

レーザー
チャンバー２

ヘリウムガス
三方弁
温度センサー

LDモジュール
低温ヘリウムガス冷却装置
ガス温度：100K
ガス圧力：0.9MPa
冷却能力： 7kW

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100J×10Hz（平均出力1kW）
Yb:YAGセラミクス
直径：120mm
厚さ：10mm
枚数：6枚
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26

レーザー出力特性

シードレーザー
0.05Hz, 40ns

5J

LD励起マルチディスク型
Yb:YAGセラミック増幅器（1段目）2パス

30J

LD励起マルチディスク型
Yb:YAGセラミック増幅器（2段目）2パス

100J

LD励起の繰り返し率: 0.5Hz

出力特性
非励起

近視野像

117J出力 100J×10Hz動作に向けた開発を行っている。
 1.5年後までに250J級レーザー出力を実証する。
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高繰り返し動作時の冷却性能
Yb:YAGセラミクスの温度評価
100J出力に必要な温度<175K

冷却条件の比較本試験

ヘリウム循環器の定格冷却温度

150K

＜150K

ヘリウムの圧力

4気圧〜8気圧

体積流量1m3/分

2m3/分

質量流量

20g/秒

〜80g/秒

10Hz

5Hz
1Hz
100J出力に必要な励起強度

 ヘリウム循環器の定格動作により、10Hz動作が可能であることを確認
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励起用LDの高出力化
100kW (100J) module

2014

2002

1993

QCW 100W
diode bar

2001

120 kW module

5kW (1J) stack2013

6kW (6J) stack

Mass production
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2004

200 kW module

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29高出力LDモジュールの開発
小型LDモジュールの開発

新型LDスタック
アクティブ冷却 パッシブ冷却*

繰り返し率>10Hz10Hz

波長940nm

940nm

ピークパワー

6kW

7.5kW

パルス幅

1ms

1ms

エネルギー

6J

7.5J

速軸発散角

<0.3deg.

<0.3deg.

サイズ

150cm36.7cm3コスト

11/3【目標仕様】

従来型

新型

ピーク出力

40kW

>100kW

パルス幅

1ms

1ms

照射強度

50mm

25mm

>2.5kW/cm2 >2.5kW/cm2

均一性>90%>90%

エネルギー

40J

>100J

0mm

25mm

50mm

* N. Kageyama et. al., IEEE Photonics Technology Letters, 28,9, 983 ‒ 985 (2016)

世界最高出力の小型LDスタックを搭載した高出力LDモジュールを開発LNA4B73036

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大エネルギーレーザーパルスの産業応用

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パルス幅とエネルギー・ピーク出力の関係
NIF (国立点火施設)

ローレンスリバモア国立研究所、米国
4 MJ@1053nm, 192 beams

1 EW

エネルギーW

960 kcal

等価矩形パルス
1 PW

ピーク出力

120 kcal

ピーク出力

Pt

1 TW

0.16 kcal

1 GW

1 MW

0.24 cal
||青のり
ひとかけら

P = W/t [W]レーザパルス波形

1 kW
1 fs

1 ps

1 ns

1 µs

1 ms

1 s (CW)

パルス幅
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32わずかなエネルギーを瞬間的に閉じ込める
青のり

1 J (0.24 cal)
= 1 GW (109 W)
1 ナノ秒
ごく短時間にエネルギーを集中↓
瞬間的に極めて高い先頭値を作り出す

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33

高出力レーザーの応用
1 EW

1 PW

レーザー核融合
電子・プロトン加速レーザー推進ロケット

ピーク出力

コヒーレントX線発生
宇宙デブリ除去

1 TW
ピーニング

1 GW

超微細加工

アブレーション
アニーリングレーザー加工分野

半導体プロセス加工

1 MW

分光応用
切断

医療・バイオ応用
穴あけ

溶接

1 ms

1 s (CW)

1 kW
1 fs

1 ps

1 ns

1 µs

パルス幅
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34

パルス幅と熱影響
レーザーのパルス幅

fs=10-15（フェムト秒）

fs=10-12（ピコ秒）

ns=10-9（ナノ秒）

ms=10-6（マイクロ秒）

低温・微小量
加工プロセス

ms=10-3CW（連続波）（ミリ秒）

高温・マクロ加工プロセス

非熱的加工

熱的加工

レーザー衝撃加工
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35

レーザー衝撃加工
レーザビーム

水プラズマ

圧力P
衝撃波

レーザー吸収層材料

ଵ ⁄ଶ
𝛼𝑃(GPa) = 0.01
𝑍 ଵ ⁄ଶ × 𝐼 ଵ ⁄ଶ
2𝛼 + 3

レーザー誘起圧力*【一例】
レーザエネルギー 1 J
パルス幅 10 ns
集光スポット直径 30 μm
レーザー強度 I = 14.1 TW/cm2
圧力 P = 119 GPa （117万気圧）
LNA4B73036= 1.0 × 𝐼 ଵ⁄ଶ （水を用いた場合）

𝛼: レーザプラズマ相互作用の効率
𝑍: ショックインピーダンス g⁄cmଶ s
𝐼: レーザー強度 GW⁄cmଶ

*P. Peyre and R. Fabbro, Opt. Quantum Electron. 27, 1212-1229 (1995).

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36

レーザー衝撃加工による金属の強化
大出力レーザーパルス

疲労強度が強化（表面が破断しにくい）
圧縮残留応力層が形成

衝撃波が伝搬
深さ

格子欠陥

衝撃波により転位が生成

金属材料

部品・装置寿命の向上による競争力向上（自動車、航空機、重工業にて需要）高効率レーザーと消耗品フリーな加工プロセスにより環境省エネ効果が期待（ショットピーニングと比べてCO2排出量 1/10※）*F. Zhao et al., J. Cleaner Prod. 18, 1311-1319 (2010).

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37残留応力の計測法
破壊検査
 歪みゲージ法、穿孔法等
 切断や穿孔などによって開放される歪みを計測

非破壊検査
 X線回折法、放射光X線回折法、中性子回折法等
 放射線のBragg回折を利用し、格子面間隔の変化量(歪み)から応力を測定

Bragg回折**村田一夫、産技研ニュース 77, (2001).

LNA4B73036

http://warp.da.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/239462/www.tri.pref.osaka.jp/kankou/news/No77/Xray.pdf

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38

レーザー衝撃加工（レーザピーニング）の実例
プラズマ閉じ込め層(例： 水)レーザパルス (~ GW/cm2)圧縮残留応力層

アブレータ
材料

加工前

深さ

衝撃波

加工中
レーザピーニング加工の模式図

ピーニング後引張

X線回折法による深さ方向の残留応力分布
試験材料: SCM435

残留応力(MPa)
ResidualStress(MPa)600

5.0 GW/cm2

400

電解研磨による逐次研磨により測定

2000-200-400-600

圧縮
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0200

400

600
800
Depth(μm)
深さ (μm)

1000

1200

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39

大出力レーザーによる超高圧発生とその応用

レーザー誘起圧力（万気圧）

レーザー核融合燃料の爆縮レーザ照射強度-圧力
スケーリングモデル

地球中心部の圧力
この領域では様々な物質が金属化
例

水素の金属化：~ 400 万気圧（理論）

ダイヤモンド生成圧力
地震発生場の圧力
レーザーピーニング

エネルギー開発
新材料創生
惑星・地球科学レーザー加工レーザー照射強度（W/cm2）
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40

レーザーによる高圧発生とその測定手法
高い照射強度を広い面積で得るために高出力ナノ秒レーザーを使用

非常に高速な現象であるため圧力の直接測定は困難・・・

金属板ターゲット
衝撃波
衝撃波による金属板ターゲット裏面の動きをプローブレーザー

速度干渉計で観測し圧力を評価

圧力発生用高出力ナノ秒レーザー
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41速度干渉計（VISAR）によるレーザー誘起圧力の評価①

速度干渉計：VISAR (Velosity Interferometer System at Any Reflector) Ref J. Appl. Phys. 43, 4669, 1972
衝撃波によって動いたターゲットによりプローブレーザーが受けるドップラーシフト
YAGレーザ
波長： 532nm
パルス幅：10nsb = v/c、 v : ターゲット裏面の速度 (~km/sオーダー)
波長の変化量 dl は10-12 mのオーダーで分光器での測定は不可能
しかし干渉縞の位相変化量djで見ると・・・
D : 光路長差
マイケルソン干渉系
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例えば光路長差Dが1mm程度でもp/5オーダーの変化として現れるため観測可能
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42速度干渉計（VISAR）によるレーザー誘起圧力の評価②

干渉縞をストリークカメラで観測することでナノ秒以下の時間分解能で位相変化を捉えることが可能

ターゲット裏面の速度（km/s）

衝撃波先端がターゲット裏面に到達した時刻

ストリークカメラによる干渉縞位相シフトの実データ
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速度の最大値から圧力を導出

ランキン・ユゴニオの状態方程式（圧力と衝撃波速度の関係を記述）

時間（ns）
ターゲット裏面の速度変化
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43

当社の高出力レーザーを用いた高圧発生実験の結果と今後の計画

レーザー誘起圧力（万気圧）

VISAR計測によって評価された
レーザー誘起圧力
これまでに最大で30万気圧を達成
100万気圧その時のレーザー集光強度は7×1011 W/cm2（出力 20 J、パルス幅 10 ns、集光径 600 mm）

100J級レーザーの運用
前述したような100J級レーザーを運用することで当面の目標である100万気圧を目指し、様々な応用開発に取り組んでゆく

レーザー照射強度（W/cm2）
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まとめ

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まとめ
 産業用レーザーを取り巻く状況 企業の開発動向は、世界規模での環境・社会問題の課題解決力を通じて収益につなげる傾向。
 製造業における鍵となるツールとして期待されるレーザーの実用化技術の開発が急務。

 半導体レーザー(LD)励起セラミックスレーザーの開発
 100J超級の繰り返し出力可能な大出力レーザーの開発が、科学分野だけでなく工業的応用への展開に向けて世界的に進められている。
 100J×10Hzレーザー動作にはレーザー媒質の安定した冷却が課題。

 大エネルギーレーザーパルスの産業応用: レーザー誘起による衝撃波を利用することで、表面改質などの産業応用に加え、超高圧状況(〜400万気圧)により新材料創生など新分野への展開も期待される。
 速度干渉計はレーザー誘起の速度を計測可能。レーザー核融合研究や新材料探索にも資する100J級レーザーを用いた超高圧発生試験では必須の計測手法。

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