初めてのダメージフリー
オプティックス：
オゾンを利用した高性能ガス光学素子
電気通信大学レーザー新世代研究センター
特任助教 道根 百合奈
2021年5月13日

従来技術とその問題点
レーザーによる光学素子の破壊・損傷大丈夫だと思って使っていても、必ず壊れてしまう。

• 高繰り返しレーザーを考えると、• 大面積光学素子

光学ダメージは”確率”

これからはダメージをマネージメントする時代
Damage threshold vs pulse duration
100

Damage probablility [%]100

2Damage [J/cm ]1010.1

0.01

8060

40

ダメージ
レス？

200-1510-13

10-11

10-9

10-7

10-5

100.001 0.1

Pulse duration [s]1001000

2000

3000

4000
2Pulse power density [MW/cm ]5000

新技術の特徴・従来技術との比較
固体（ガラス）素子から“気体”素子へ• 光学素子の破壊を気にする必要がなくなりました。
• 従来の１００倍のレーザー強度を扱えます。

気体で光学素子を作るためにはガスの中に大きな密度変調構造（= 屈折率変調Δn）を作れれば、光を操作できる（回折格子、レンズ）

Δn

難しいところは要求される能力はガスは屈折率が小さい（n=1.0003）• 高耐力• 高回折効率• 安定性• 高回折波面品質

光を回折させるには、４桁目を動かさないといけない。

（０～２気圧分の差！）

新技術の特徴
オゾンと紫外レーザーを利用した新しいガス光学素子を開発（回折格子・レンズ）
0th
1th

オゾンガス
オプティクス

回折光

紫外レーザー
266nm, 6ns pulse
+1st

0th

被制御レーザー
Yurina Michine & Hitoki Yoneda, Communications Physics 3, Article number: 24 (2020)実際の光学系
干渉計部

像転送光学系部

紫外光源部
UV laser（ns pulse）

被制御レーザー（例）532nm Nd:YAG
6ns pulse laser

Ozone 領域
０次光

１次光

オゾン生成装置

O2ガス光学素子の瞬間生成
紫外レーザーパルス照射時間-3Ozone density [cm ]5 10174 1017

0 ns
3 10172 1017

縞暗部

35 ns
1 1017

縞明部

004080

120

160

200

240

280

probe time after UV laser pulse [ns]55 ns

時間発展に伴うオゾンガス中での密度変調構造生成オゾン回折格子の性能①高強度レーザー耐力

ガスの光学破壊強度で決定される
airozoneozone+UV light

air, ozone

UV light

Diffraction
beam
532 nm, 6 ns～～

air, o2

損傷確率[%] [%]
degreeIonization

100通常の光学素子

806040Air(O2+O3)gas(O2+O3)gas + UV laser

c20RF

1.6 kJ/cm200.001

0.010.1

1102] 2
入射レーザー強度[kJ/cmInput energy [kJ/cm]

ナノ秒レーザーに対して1.6 kJ/cm2 まで使用可能

オゾン回折格子の性能②平均回折効率

回折効率 efficiency[%][%]
Diffraction

平均回折効率:

回折前

96%！

100

回折後（紫外レーザー照射後1th 60ns）
0th

80

600.4×0.6 cm240

紫外レーザー照射領域

20002040

6010080

紫外レーザー強度[mJ/cm2]

1th

0th

1th

0th1202

UV laser energy [mJ/cm ]2th-1thオゾン回折格子の性能③回折効率マップ

水平方向1.00.80.60.40.2

Diffraction efficiency

10.80.60.40.200.0012345656X [mm]

垂直方向
Y1mm
X

紫外レーザー照射範囲で均一な回折効率を実現

Diffraction efficiency

10.80.60.40.200123Y [mm]4

オゾン回折格子の性能④回折波面 ①０次透過光②１次回折光等高線：
１目盛りλ/20

水平方向断面（ガスフロー方向）

垂直方向断面（ガスフローに垂直方向）

λ/10の範囲内

12オゾン回折格子の性能⑤高強度レーザー照射化での回折波面③１次回折光波面(I=1.6 kJ/cm2、損傷閾値とイコールの場合）

Fringe images③1st (I=1.6 kJ/cm2)

waves④1st (I=2 kJ/cm2)

λ/10の範囲内

新技術の特徴②
オゾンガスレンズ干渉パターンオゾン生成器
O3+O2 gas

UV1
加工用レーザー紫外レーザー

UV2

オゾンレンズ
生成光学系
pump

オゾンレンズの性能

被制御レーザー光の集光径
beam [ m]of the diffracted[m]Diameter

1064nm,300mJ,3ns レーザーのエアブレークダウン
理想集光条件M2 = 1.1を達成

350
300

25.4 m

250

69.5 m

200
150
100
50
0
200

220

240

260

280

300

オゾン混合ガスレンズからの距離[mm]Distance from the ozone gas lens [mm]

想定される用途
パルスレーザー加工におけるデブリ問題の解決
レーザー照射部で融解したデブリが光学素子に付着、損傷の原因に••••デブリシールドガラスをおく
低圧のガスを流す
加工物とレンズの間に液体を置く
磁場を印加する

完全メンテナンスフリーで動作可能に

想定される用途
レーザーイオン加速でのデブリシールド

想定される用途
パルスレーザーの新方式
オゾンスイッチ

オゾンレンズ
超高速瞬間イメージング
発光紫外レーザー(平面波)紫外レーザー(球面波)

オゾンスイッチ

ガスの超低損失性を利用
ロス：O2+O3 : 11ppm

時間発展撮像イメージ（間隔は~ns）

実用化に向けた課題
実用化（具体的な製品化）のために企業の皆様方と以下のような課題を解決していきたいです。

1. オゾン生成部・ガス素子部、紫外レーザー光源・紫外レーザー干渉計部をひとまとめにコンパクト化

2. オゾンガスは人体に有害。ガス素子部（オープンウィンドウ）の十分な安全性の確立
3. オートアライメントシステムの構築。回折効率の最大化（干渉縞や被制御レーザー光入射タイミング・入射角度の制御）、ビームスキャンなど

企業様への期待
以下のような技術的なシーズをもつ企業様からの協力をお願いします。

• 希ガス中の高密度オゾン生成• 高圧・高濃度オゾンガス生成• 超高速パルスバルブ• オゾン混合ガスの層流保持技術

企業様への期待• レーザー関連、光学素子関連企業、光学系の自動制御が得意な企業、オゾンを扱う企業などの技術力で、製品化していくことを期待します。
• 高強度・高出力レーザーや高繰り返しレーザー関連製品を扱う企業で、システムへのガス光学素子の試験導入の御要望があれば、なんでもお寄せ下さい。

• その他、レーザーのデブリでお困りの方、デモンストレーションをご希望の方なども、是非ご相談ください。

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：レーザー光の回折方法及び回折光学素子装置• 特許番号 ：5936110• 出願人：国立大学法人電気通信大学
• 発明者
：米田仁紀

• 発明の名称 ：レーザー光の回折集光方法及び回折集光光学素子装置• 出願番号 ：特願2019-237955• 出願人：国立大学法人電気通信大学• 発明者：米田仁紀、道根百合奈

産学連携の経歴• 2016年ー2017年 （株）オハラと共同研究実施• 2018年ー現在

JST未来社会創造事業（レーザー加速）を開始• 2020年ー現在

大興製作所と共同研究実施

お問い合わせ先
国立大学法人電気通信大学 産学官連携センター
産学官連携ワンストップサービス

ＴＥＬ 042-443-5871
ＦＡＸ 042-443-5725
e-mail onestop@sangaku.uec.ac.jp