2015, Feb.
No.

323
CONTENTS

高出力、高品質レーザー開発に向けた
新しいコヒーレントビーム結合技術
ロチェスター大学滞在記【光と蔭】光と蔭のあや
主な学会等報告予定【表紙図】コヒーレントビーム結合における近視野での各ビーム配置（（左）タイルアパー
チャー、（ 右）重ねアパーチャー）と各配置における遠視野での結合ビーム強度パターン

高出力、高品質レーザー開発に向けた
新しいコヒーレントビーム結合技術
レーザープロセス研究チーム◆ はじめにハイク コスロービアンをおよぼす可能性がある。そのようなケースには、複数高出力かつ高いビーム品質を持つレーザーの開発

ビームを開口部で同軸上に配置する重ねアパーチャーは、さまざまな応用に向けその重要性がますます高（filled aperture, FA）が有利である（表紙図右）。FA

まっている。複数の数k W 級レーザーを結合して超高のC B Cはサイドローブが現れることはなく、より精密強度光を得るビーム結合の概念はその現実的な選択肢な加工への応用に適している。本稿では、単一光検出の 1つであり、コヒーレント、インコヒーレント、スペク器によるCBC技術を用いてFAでの 4ビーム結合実験をトル結合等多くの手法が提案されてきた 。これらに行い、結合ビームの特性評価を行った結果について報対し当研究所ではこれまで、単一の光検出器を用いた告する。

新しいコヒーレントビーム結合（C B C）技術の開発を行◆ 重ねアパーチャー（FA）でのCBC 実験

1)

い、5本のレーザーを開口部（近視野）でタイル状に配図1にF Aでの４ビーム結合システムの配置図を示置した場合（t i l e d a p e r t u r e ( T A )）でのビーム結合にす。主発振器からのレーザー光（1064 n m , c w）は 4つ成功した（Laser Cross No.311, 2014 Feb.）。TAでののビームチャンネルに分割され、再び結合される。１

CBCは、結合ビーム中心にある突出部（central lobe）のつのビームチャンネルは参照光として用いられる。各強度がビームチャンネル数の 2乗に比例するため高強ビーム間の位相差を制御あるいはロックするため、結度が得やすく、一般的な応用には有利である。しかし合ビームをサンプラーで分割（強度 < <1 %）し、単一一方、この配置では結合ビームの充実因子（fill-factor）の光検出器（フォトダイオード, P D）により検知する。

が損なわれるケースが多い。表紙図左に示すように、P Dからの信号は、簡単な制御アルゴリズムにより各

T Aでは充実因子が 1よりも小さく結合ビームにサイドビーム経路に配置したピエゾアクチュエーター（P M）ローブ（side lobe）が現れるため、炭素繊維（CFRP）やにフィードバックされ、結合ビーム強度が最大化されMEMS等の精密加工への応用に際し、その精度に影響る。結合ビームの空間プロファイルはC C Dカメラによ

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高出力、高品質レーザー開発に向けた新しいコヒーレントビーム結合技術【図1】４ビームC B C実験配置図（B S :ビームスプリッ
ター、PM：ピエゾミラー、PD:フォトダイオード）【図2】結合前の単一ビーム（黒）、4ビーム結合後（赤）、最大結合効率の予測値（青）、ビーム結合時の全損失（灰色）の強度分布（遠視野）り観測した。位相制御のため我々は、ゼロ平均にディザリングした確率的並列勾配降下法（S P G D）を離散的レーザー波長の 1/25よりも良い値であった。この場合ベルヌーイ試行に応用したアルゴリズムと、強度−位C B C 効率の低下は約４％以下に抑制される。C B C 効

相マップ上での擬2次対角クライムヒル法に基づくア率低下の他の要因には各ビームの強度のアンバランスルゴリズムの 2つの制御方式をテストした。その結果、や、分散、ポインティング、オーバーラップのミスマッ

結合ビームはともに単一のコヒーレント光と同等のふチ等が考えられ、これらの要因を改善することにより、るまいを示すことがわかった。このC B Cシステムとさらに高効率のCBCを達成することが可能である。

制御アルゴリズムは、高繰り返し（＞500kHz）、時間幅◆ まとめ

サブナノ秒（あるいはそれ以上）のパルスレーザーにも精密加工等への応用が可能な高平均出力、高品質適用できるが、これには各パルスの一時的なオーバーレーザーの開発に向け、単一光検出器を用いた重ねアラップ、繰り返し周波数の下でのP Dバンド幅の保持、パーチャー配置のコヒーレントビーム結合技術を提案

多くのパルスに渡る捕捉信号の平均化および最大化し、c wおよび高繰り返しナノ秒パルスレーザーを光源を行うことが重要となる。また我々は、位相制御の高に用いた４ビーム結合実験を行った。その結果、現在速化のため数k H zでの信号処理が可能なF P G A（f i e l dのレーザー装置でのC B C 効率は最大約90 %（c w 光）とprogrammable gate array）を採用した。これにより見積もられた。本技術は基本的にk W 級のレーザー光位相制御速度の制限はピエゾミラーの応答速度のみと源にも適用可能であり、今後MOPA等さまざまなレーなる。図2に4ビーム結合実験の主な結果を示す。４ビー

ザー光のCBCヘの応用が期待できる。

ムCBCの結合効率はcw光で 90%、パルスでは 85%と見◆ 参考文献

積もられた。また結合ビームの位相の 2乗平均偏差は[1] A. Brignon (Ed.), Coherent Laser Beam Comb.,

CONTRIBUTION

ロチェスター大学滞在記
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
日本学術振興会 特別研究員（PD）

2三上勝大

米国ニューヨーク州ロチェスター大学（U n i v e r s i t y

OMEGAレーザーは 60本のビームラインからなり、40o f R o c h e s t e r、 以 下U o f R） に あ る 研 究 施 設

k J以上の出力を誇るナノ秒パルスレーザーである。一

Laboratory for Laser Energetics (LLE)

は、方で、OMEGA-EPレーザーは 4ビームラインで構成さ

O M E G AレーザーおよびO M E G A - E Pレーザーといれ、パルス幅は最短1 ps、出力1 kJ、その強度は 1 PWにう世界屈指の大型高出力レーザー装置を有している。

なる。現在は、OMEGA-EPレーザーに光パラメトリッ

ク増幅法を加えたOMEGA-EP OPALが検討され、パを有する。現在、直径2 inchまで製作され、最終的に大ルス幅20 fs、出力2 kJ（強度100 PW）を目指している。

型レーザーシステムに導入することを目指している。

筆 者 は 2013年9月 〜2014年8月 の 約1年 間、L L EのLLE内での偏光素子研究は、液晶素子の研究が先行しS t e p h e n D J a c o b s教授がリーダーを務めるO p t i c a lている。直径100 mmの液晶素子の偏光状態を、波長Materials Technology Group（OMTグループ）に355 n m光を用いて 68時間かけて空間分解能0.5 m m

Visiting Research Associateとして在籍し、レーザーでマッピングする評価系が構築されている。

損傷およびその評価技術に関する研究に取り組んだ。

光学素子洗浄の研究では、特徴的な表面構造によ研究成果の紹介は別に譲り、本稿ではL L EのO M Tグり拭き取り洗浄が難しい回折格子の洗浄が主要なループの取り組みについて紹介する。

テーマとなっている。2013年には濃硫酸と過酸化水

5つの研究キーワード

素水溶液の酸混合液（通称、ピラニア溶液 P i r a n h a

O M Tグループ内の研究キーワードは大きく分けsolution）洗浄により、光学素子のレーザー耐性が向て 5つである。
“G l a n c i n g A n g l e D e p o s i t i o n（以下、上したことが報告された[1]。また別手法として、プラGLAD）”、“液晶素子”、“光学素子洗浄”、“材料研磨”、そズマクリーニングについての研究も進められている。

して“レーザー損傷”である。光学材料に施す光学薄膜

LLEでは、直径300 mmの材料を面精度20分の 1波の製膜はAmy Rigatti教授がリーダーを務めるOptical長で研磨可能な大型研磨機を２台有している。このManufacturing Shop Groupが担当し、OMTグルー研磨手法はウェット研磨であるが、磁気流体研磨にもプと連携を取りながら研究が進められている。

取り組んでいる。現在の磁気流体研磨の研究では、磁GLADは蒸着法の一種であり、和訳すると「斜め蒸着」である。偏光素子製作を目的とし、電子ビーム蒸着時の性体を変化させながら最適な研磨条件について検討を行っている。

製膜基板を大きく傾けることにより基板面に対して斜レーザー損傷の研究では、光熱ヘテロダインイメーめ方向に柱状構造を形成する。製作された膜は複屈折ジング法による微少吸収測定を空間分解能50 μ mで光と蔭のあや去年の暮、O E Lキャンペーンが 600号を迎えた。二、三の方のお勧めも……211あり、卒寿記念に上梓することになった。

OELキャンペーンの 1号は 2004年1月5日にネットで発行したのであるが、それ以来月曜日を定例日として続けてきた。この前身はILEキャンペーンとして 2年間に 108号を出したが、図に乗って橋本龍太郎総理大臣の威張り型を揶揄した所、その筋からクレームがきた。ということで、改めてOELキャンペーンを始めることになった。
O E Lキャンペーンは発行元オプトエレクトロニクスラボラトリのホームページで全号ご覧頂けるのであるが、2000年の「光と蔭」、2005年の「光と蔭のはざま」、2010年の「光と蔭の綾」CD版、2012年の「レーザー総研25年の進歩」CD 版に続く出版となった。
旧年中に校正を終え印刷にかけたいと努力したが、思った様にすすまず、片岡紀子さんの手をわずらわせて、今度どうやら刊行の運びになった。公益財団法人レーザー技術総合研究所からの出版ということで関係者には厚く御礼申し上げる次第である。
OELキャンペーンの内容はその時、その場で感じたこと、反省したこと、その他希望の類を書き連ねたもので、まさに洛陽の紙価を下げる代物である。それでも筆者にとっては思い出の記を中心に若かりし頃の行状が縷々綴られているので、反省の材料にはなっている。
「光と蔭のあや」は「エネルギー戦略の不毛（479）」に始まって「温故知新（600）」で終わっている。心は日の本の再生への願である。
もし皆様のご同感を得る所があれば誠に喜ばしい限りである。

【名誉所長】
3

評価できる装置を確立している。また近紫外光を用いいる（筆者のLLEでの研究は、この課題に関連したものたレーザーアニールによる光学素子の高耐力化についであった）。て報告している [2]。

「測定雰囲気制御」は、ナノ秒ダメージ評価システム

テーマは「全自動化」と「測定雰囲気制御」を用いた評価を乾燥窒素雰囲気下で行うことである。

レーザー損傷チームでは、Semyon Papernov博士

大阪大学では、真空容器内に設置された光学素子が気が管理するナノ秒ダメージ評価レーザーシステム（波相不純物により汚染され、レーザー耐力が低下するこ

長1053nm/ 526nm/ 351 nm・パルス幅 1.4ns/ 1.2ns/とが報告されている [3]。L L EのO M E G Aレーザーも0.9 ns）とAlexei Kozlov氏が管理するピコ秒ダメージ

例外ではなく、従来の真空中で評価を行っているピコ評価レーザーシステム（波長 1054 nm・パルス幅 0.5

秒ダメージ評価システムだけでなく、ナノ秒ダメージ〜10 ps（可変）もしくは100 ps ）を保有している。チー評価システムでも評価試料周辺を囲い、湿度0％の条件ムとはいっても2台あるレーザー耐力評価用のレーザー下でレーザー耐力を評価する態勢を整えている。

装置に 1名ずつ専任者がいるだけで、私を含めて 3人でOMEGA-EP OPALに関連して、筆者が帰国する直あった（写真）。私が在籍している期間、両評価レーザー

前にはパルス幅が数〜数10フェムト秒の超短パルスシステム共に大規模な改修プロジェクトが進められ、現レーザーによるレーザー損傷評価のプロジェクトが検在も継続している。LLEはソフトウェアや配線、ネット討されていた。

ワーク、機械工作などの専門部署を有しているためプロおわりにジェクトチームが組織される。改修のテーマは 2つ、「全LLEのOMTグループは、非常に高いアクティビティ自動化」と「測定雰囲気制御」である。
「全自動化」はそのを誇っており、それを支える経済的および人員的なサ名の通り、レーザー耐力評価に必要な照射レーザーエネポートが非常に強固であった。その取り組みの大部分

ルギー密度の決定、照射位置の制御、レーザー損傷発生は大型レーザーシステムに関連した研究であり、成果有無の判定を自動で評価できる系の構築である。プロ

公開よりも大型システムを用いた研究を下支えするこジェクトの中で、最も難しい課題であるのがレーザー損とを最優先としている印象が強かった。今回の滞在で傷の検出である。一般に損傷の有無はレーザー照射前“アメリカらしい”発想を目の当たりにした。
「測定雰囲後の試料を光学気制御」では、ガス置換の小型容器を評価試料の設置位顕微鏡で観察し、置に置けないと判ると、光学定盤の全てを覆って雰囲レーザー損傷の気を置換することに決定。筆者も“アメリカらしい”感有無を肉眼で判覚も取り入れ、今後の研究に取り組んでいきたい。

断 し て い る。 如

[1] H. P. Howard, et al., Appl. Opt. 52 (2013) 1682

何に定量的かつ[2 ] S . P e p a r n o v , e t a l . , P r o c . S P I E 8885 (2013 )

高分解能、高精度【 写 真 】L L Eレ ー ザ ー 損 傷 チ ー ム（左より、A . K o z l o v氏、筆者、S . に判定するのか、Papernov博士）
課題が山積して888504[3] H. Murakami, et al., Proc. SPIE 8530 (2012)
853024

主な学会等報告予定
3月11日（水）〜14日（土）第62回応用物理学会春季学術講演会 （東海大学湘南キャンパス）ハイク コスロービアン 「Tiled Aperture Coherent Combining of Multiple Beams using
Bernoulli Algorithm」
李 大治 「負の屈折率媒質による電子ビームからの電磁波放射」谷口 誠治「液中レーザーアブレーションによるナノ粒子作成：溶融塩の効果」
染川 智弘「水中レーザーリモートセンシングに向けた海水溶存ガスのラマン分光」
3月24日（火）〜26日（木）電気学会全国大会 （東京都市大学世田谷キャンパス）島田 義則「レーザーによるトンネル履工コンクリートの健全性評価技術」
倉橋 慎理「レーザーを用いた環境振動下にある高架橋床版内部欠陥遠隔検出技術の開発」
3月26日（木）〜29日（日）日本化学会第95春季年会 （日本大学理工学部船橋キャンパス／薬学部）
谷口 誠治「D-アミノ酸酸化酵素の蛍光ダイナミクス：機能阻害効果の検討」
Laser Cross No.323 2015, Feb.

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