2019, Sep.
No.

378

CONTENTS
常温動作キロワット出力
Yb:YAGレーザーの開発
SPIE Security + Defense 2019
国際会議報告レーザー総研オープンセミナー
レーザー技術の最先端 〜レーザー加工からインフラ診断まで〜
平成30年度研究成果報告会（ILT2019東京会場）ご案内
主な学会報告予定

ISSN 0914-9805【表紙図】（左）水ジェット冷却装置写真、（右）高励起レーザー発振試験配置図

常温動作キロワット出力
Yb:YAGレーザーの開発

谷口誠治
レーザープロセス研究チーム ハイ
ク コスロービアン
レーザープロセス研究チーム 藤田雅之
レーザー技術開発室 本越伸二
レーザー計測研究チーム

ンライン（ZPL、969 nm）励起、および除熱性能が高い■はじめに固体レーザー材料としてのYb:YAGは、励起量子効

水衝突噴流（ジェット）冷却法の導入を進めてきた。そ率が大きく熱損失が小さい、蛍光寿命が長いためエネの結果、ZPL励起による媒質の発熱抑制に伴う発振効ルギー蓄積能力が高いなどの特長から、高出力、高パ率の増加（Laser Cross No. 361, 2018 Apr.）や、水ルスエネルギー用のレーザー材料として期待されていジェット冷却にる。当研究所では、極薄いYb:YAG層を底面に接合しよる除熱能力のたYAGコンポジット（Yb:YAG TRAM（Total-Reﬂec-向上（Laser Crosstion Active-Mirror、全 反 射 型 ア ク テ ィ ブ ミ ラ ー 方

No. 368, 2018式））（図1）をレーザー媒質に用いて、常温で動作する

Nov.）を実験で確キロワット級高出力CWレーザーの開発を行ってきた。

認 し、こ れ ら の

これまでの研究において、高出力固体レーザー開発手法がレーザーにおける最重要課題の一つであるレーザー媒質の発熱の 高 効 率 化、高対策のため、媒質自体の発熱を抑制できるゼロフォノ

出 力 化 に 有 効 で【図1】Yb:YAG TRAMの写真

公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロス

次ページへつづく常温動作キロワット出力Yb:YAGレーザーの開発あることを明確にした。さらに、レーザー媒質の光吸致している。また冷却水温を低下させると、冷却性能収率を向上させるため2段励起方式を導入し、高励起が向上して媒質温度がより低温に保持され、出力特性パワー（〜2 kW）条件でのレーザー発振試験を行った結（スロープ効率）も向上する挙動も再現されている。図果、最大750 Wのレーザー出力を得ることに成功したには水温をさらに下げた（7 ℃）条件での予測出力を併（Laser Cross No. 373, 2019 Apr.）。また、これらの研せて示した。これらの結果から、冷却水温が19 ℃時究結果を分析することにより、キロワット出力のためには約2.2 kW、7 ℃時には2 kWの吸収パワーで1kWに必要な具体的条件が明らかになってきた。本報告で以上の出力が得られると予測される。

は、これまでの研究に基づき、キロワット出力を実証■1kWを越える出力を実証するため、冷却条件や励起方式を改良して高励起レー1 kWのレーザー出力を実証するため、冷却条件やザー発振試験を行った結果について述べる。

励起方式を改良した高励起レーザー発振試験を行っ■kW出力条件の予測た。表紙図（右）に試験配置を示す。媒質の冷却には、前回の報告（Laser Cross No. 373, 2019 Apr.）で示し噴流の速度および温度の調整が可能な水ジェット冷却た高励起条件でのレーザー出力特性から、1 kW出力を装置（表紙図(左)）を用いた。TRAMの背後から水を高得るために必要な条件を予測した。出力特性の予測に速で噴出させ底面を直接冷却する。上記の予測に基づは、我々が作成した、レーザー媒質の温度（T）依存性

き、冷却水温は7 ℃まで低下させた。レーザー媒質に因子を取り入れた出力予測モデル（下式）を用いた。

は Y b 濃度5 a t % − 層厚0 . 6 m m のTRAMを用いた。
TRAMの近傍にダイクロイックミラー（DM 0°）、結合出力ミラー（OC、反射率85 %）を配置し、共振器を作成した。2 kW以上の吸収パワーを得るため、媒質の光吸収率を考慮して励起には4多段励起方式を導入しここで、Pout (T)：レーザー出力（=AIout (T)、A：励起面積、た。１段目の励起で媒質に吸収されなかった光を再度Iout (T)：出力強度）、ηslope：スロープ効率、V：励起体積、媒質に入力し、さらに2段励起後に透過した光を再び

fl (T)：レーザー上準位占有率、fu (T)：レーザー下準位媒質に入力する（図中①〜③）ことで3段励起光学系を占有率、σemi (T)：レーザー発振波長（1030 nm）での誘導作成した。励起光源には、2 kW以上の励起パワーが放出断面積、τ f (T)：蛍光寿命、hνp : 励起光光子エネル得られる波長935 nmのLDを用いた。さらに波長969ギー、g0 (T)：小信号利得、gth：発振しきい値での小信nmのLD（最大600 W）を4段目の励起に用い（図中④）、号利得、を示す。図2に、前回報告した吸収パワーに吸収パワーを最大で約2.2 kWまで増加させた。吸収パ

対するレーザー出力特性の実測値と、モデルによる計ワーは、分光器（SP）を用いて媒質（Yb）の蛍光スペク算値を比較した結果を示す。計算値は実測値とよく一トルを同時計測して励起中心部の温度を推定し、光吸【図2】レーザー出力特性の計測値と予測値の比較
2【図3】レーザー出力特性(4段励起、水温 7℃）の実測値と予測値

収率の温度依存性を考慮して求めた。励起ビーム径はられ、1 kWを越えるCWレーザー出力（1.07 kW）を実6mmφとした。

証した。この結果はレーザーのさらなる高出力化に向

図3にレーザー発振試験結果を示す。約2 kWの吸収けたマイルストーンとなる。今後は高出力化の次なるパワーで出力は1 kWに到達し、キロワットを越える指標となる10 kW級出力のレーザー開発に向け、出力レーザー出力（最大 1.07 kW）を実証した。スロープ効予測モデルによるシミュレーションなどの検討を行っ率は約60 %と高い値が得られ、その出力特性は出力モていく予定である。

デルによる予測値とも良い一致を示した（図中実線）。

謝辞：本研究の一部は、安全保障技術研究推進制度（研■まとめ

究課題名「ゼロフォノンライン励起新型高出力Yb:YAG

本研究では、常温で動作するキロワット級固体CWセラミックレーザ」）の支援を受けて実施した。水噴流レーザーの開発を目標に、水ジェット冷却を用いた高冷却装置の開発は、三菱重工業株式会社との共同研究励起レーザー発振試験を行い、その出力特性についてとして行われたものである。ご協力に深く感謝いたし検討した。その結果60 %以上の高いスロープ効率が得ます。

REPORTSPIE Security + Defense 2019 国際会議報告
レーザープロセス研究チーム◆SPIE Security + Defenseがストラスブールで開催

染川智弘

いたリモートセンシング技術について幅広い分野の聴講が可能であった。プレナリーセッションはRemote9月9日〜12日の4日間にわたり、ストラスブール（仏）Sensingと共通で行われ、Remote Sensingからドイツにて国際会議 SPIE Security + Defense 2019が開催さ航空宇宙センター（DLR）のMoreira博士による衛生れた。ストラスブールはフランスとドイツの国境にあレ ー ダ ー 観 測 技 術 の 現 状 と 今 後 の 計 画 に つ い て、る都市で、古くから両国が領有権を争ってきた土地とSecurity + Defenseからはアメリカとフランスの軍しても知られる。ドイツのフランクフルト空港から直事研究についての紹介があった。

行バスに乗り2時間30分で行くことができる。会場の◆レーザー照明を用いた海上監視技術

Palais de la musique et des congrèsは、市 街 地 か ら

DLRの研究グループから、"Development of a novel

北西方向に少し離れた場所に位置するが、トラムでのlow-cost NIR gated-viewing sensor for maritime

アクセスは良く、参加登録手続きの際には学会期間中search and rescue application"というタイトルで海上利用できるトラムチケットが支給された。の 監 視 技 術 に つ い て の 報 告 が あ っ た。1Wの 近 赤 外

本学会は、筆者が参加したElectro-Optical Remote

VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）を7個並べて照明Sensing（電気光学リモートセンシング）の他、高出力光源に利用し、カメラでの画像測定を電気シャッター

レーザー技術に関するHigh Power Lasers: Technologyで時間的に切り出すことで、画像中に位置情報を得よand Systems, Platforms, Eﬀects、光 学・生 体 材 料 にうという試みである。原理的な真新しさはないが、他

関 す るOptical Materials and Biomaterial in Securityにフラウンホーand Defense、量 子 通 信 な ど 量 子 技 術 を 取 り 扱 う

ファー研究所

Quantum Technologies and Quantum Information Sci-

（Fraunhoference、AIお よ び 機 械 学 習 の 応 用 に 関 す る Artiﬁcial

IOSB、独）のグIntelligence and Machine Learning in Defense Ap-ル ー プ か ら も、plicationsなど、あわせて12の専門分野のセッションで波 長1570 nmの構成され、またリモートセンシングに関する国際会議

アイセーフパル（SPIE Remote Sensing）が併催されるのが通例である。

スレーザー
（3

発表会場は会議ごとに分けられておらず、隣の部屋でmJ/pulse）を光 【写真1】学会会場（Palais de laRemote Sensingの講演も行われるので、レーザーを用源に用いた類似 musique et des congrès）

3

の発表があったため、理解しやすいカメラ画像に付加

ルをセキュリティーに利用しようという考えである。

価値をつける研究が盛んになっているのかもしれなファイバーの強度など、まだまだ課題は山積みに思えい。また質疑ではコストに関する質問も多く、市場をたが、セキュリティー分野での光の利用は面白い。

意識した開発が望まれているようである。

◆次回開催◆入国審査のセキュリティー強化に光技術を利用

次回（SPIE

Rovert Gordon 大 学（英）の 研 究 グ ル ー プ か ら、Security + De-"Fluorescence lifetime assisted enhanced security

f e n s e 2020）はfeature in travel documents for border control andスコットランド

security applications"というタイトルで、入国審査のの首都エジンバ際のセキュリティー強化に向けた取り組みについてのラでの開催が予報告があった。パスポートにテルビウム−ジスプロシ定されている。

ウム（Tb-Dy）ドープの光ファイバーを埋め込み、385nmのLEDを入射して発生する可視域の蛍光スペクト【写真2】発表時の筆者（写真右）INFORMATION
レーザー総研オープンセミナー

レーザー技術の最先端 〜レーザー加工からインフラ診断まで〜
平成30年度研究成果報告会（ILT2019東京会場）
ご案内
日時：令和元年11月12日（火）10:30-16:30
場所：科学技術館 1F 6号会館
（東京都千代田区北の丸公園2-1）
http://www.jsf.or.jp/access/map/【プログラム】10：30 〜 開会挨拶所長
井澤 靖和
●特別講演
10：35 〜 テラヘルツ波科学技術の最近の展開（国研）理化学研究所 伊藤 弘昌氏●レーザー加工の最先端
11：20 〜 レーザーアブレーションの基礎とシミュレーション
主席研究員 藤田 雅之
11：40 〜 ファイバーレーザーを使った表面加工
主席研究員 藤田 雅之
12：00 〜 休憩●レーザー開発の最先端
13：30 〜 ジェット水流冷却キロワット出力 Yb:YAGレーザー
副主任研究員 谷口 誠治

14：00 〜 UV プリンティング光源の開発
主任研究員 本越 伸二
14：25 〜 光学素子のレーザー損傷とその評価方法
主任研究員 本越 伸二
14：50 〜 休憩●レーザー計測の最先端
15：10 〜 共鳴ラマン効果による微量物質計測
上席研究員 染川 智弘
15：30 〜 陸海空でのリモートセンシング技術
上席研究員 染川 智弘
15：50 〜 レーザーを用いたインフラ検査技術
主任研究員 島田 義則【開催概要】＜受講料＞ 無料
＜講演資料＞ご希望に応じて3,000円（但し、賛助会員等は無料）となります。
140名（定員になり次第締切らせていただきます）＜定員＞＜参加申込＞こちらのサイトからお願いいたします。
https://www.optronics.co.jp/seminar/ilt2019̲am.php

主な学会報告予定
10月20日（日）〜 23日（水）International Symposium on Imaging, Sensing, and Optical Memory (ISOM 2019)（朱鷺メッセ 新潟コンベンションセンター）
島田 義則「Development of Laser-Based Remote Sensing Technique for Detecting Defects ofConcrete Lining」
Laser Cross No.378 2019, Sep.

http://www.ilt.or.jp

発行／公益財団法人レーザー技術総合研究所 編集者代表／谷口誠治 〒550 - 0004 大阪市西区靱本町1-8-4 大阪科学技術センタービル4F TEL(06)6443-6311 FAX(06)6443-6313

掲載記事の内容に関するお問い合わせは、編集者代表･谷口誠治（E-mail:taniguchi@ilt.or.jp）
までお願いいたします。