2017, Mar.
No.

348
CONTENTS
レーザーによるトンネル覆工コンクリートの高速診断技術
ロッド型フォトニック結晶ファイバーのモード不安定性の観測
山中千代衛名誉所長逝去
主な学会等報告予定【表紙図】50Hz駆動レーザー打音検査結果

レーザーによるトンネル覆工コンクリートの高速診断技術
島田義則、倉橋慎理
レーザープロセス研究チーム 北村俊幸

レーザー計測研究チーム■はじめに■レーザーによる保守点検作業

日本国内の道路および鉄道トンネルの総延長は平成26年度から進められている内閣府総合科学技8,000k mにおよび、東京―サンフランシスコ間の距離術・イノベーション会議「S I P インフラ維持管理・更に匹敵する が、その中で高度経済成長期に建設された新・マネジメント技術」（管理法人: 国立研究開発法人

ものは 50年以上を経て老朽化しつつあり、修繕が必要科学技術振興機構（JST））の支援により、当研究所と理な個所が増加している。現在トンネルインフラの点検

化学研究所（理研）、量子科学技術研究開発機構（量研機には、主として目視検査や打音検査といった、個々の作構）、および日本原子力研究開発機構（原子力機構）の共業員が持つ技術や経験に基づく直接的な手法が用いら同研究グループは、レーザー技術を用いて老朽化したれているが、老朽化するトンネルがますます増加してインフラ、特にトンネル覆工コンクリートの保守点検いくことを考慮すると、これまで通りの作業員による作業の効率化、自動化をめざす研究に取り組んでいる。

点検だけでは今後深刻な人手不足を招くことが懸念さ

図1にその概要を示す 2）。レーザーによるコンクリーれる。この問題を解決するためには、保守点検の手法

ト表面の形状計測（理研）後に、レーザー打音検査で内の効率化、自動化が重要な鍵となる。

部欠陥を検出（量研機構と当研究所）し、脆弱部をレー1）ザーで除去（原子力機構）する、という方式である。理研

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はトンネル覆工コンクリート表面のひび割れや凹凸等■高速レーザー打音検査の検査のために「遠隔的散乱光検出・干渉計測・分光

レーザー打音法の実用化には、高速化とあわせて、環計測」の 3つの方法を融合して、幅0.15 m mのひび割れ

境条件の異なる現場での安定性が重要である。今年度

および 0.1 m mの凹凸の検出が可能な高空間分解3次元は、レーザー装置ならびに計測光学系に気温や湿度変計測技術を開発した。原子力機構はレーザーを用いて動に対する対策を施し、その効果を確認するため、屋外コンクリートの脆弱部を溶断（切断）して除去するレーにおいて模擬欠陥を 50 H zの高速で検出する実験を実ザーコンクリート切断技術の原理実証と高速・省力化施した。トンネルを模擬した大型テント内に装置を持のためのデータベースの構築を行った。

ち込み、6 m離れた位置に供試体を設置した。

レーザー打音技術については、当研究所はこれまで、横400 mm、縦200 mmの供試体表面を30 mm間隔で、西日本旅客鉄道株式会社との研究により原理実証およ横方向9点、縦方向6点、合計54点の位置にレーザーパルび現場での検証試験を通じてその有用性を証明しておスをラスタースキャンして照射した。得られた結果をり、この技術をベースとして、量研機構と当研究所の共表紙図に示す。同図（a）は検査領域と欠陥の状況を色

同開発ではレーザー打音法の高速化に必要な技術開発分けして表示したもので、緑色は健全部、赤色は内部空を実施してきた。昨年度は、繰り返し周波数25 Hzでの洞のある欠陥部であることを示している。欠陥部では欠陥検出に成功した 。今年度は 50 Hzまでの高速化を同図（c）に示すように 1 kHz付近に大きな振動が観測さめざして、打音用レーザーおよびガルバノミラー駆動系れるが、健全部ではほとんど振動が観測されない。

3)の高速動作化と欠陥検出アルゴリズムの改良を行った。

繰り返し 50 Hzでレーザーを照射しているため、コンクリート表面の照射に必要な時間は約1秒、検査データの取り込み、欠陥かどうかの判別と結果の表示に 1 ～ 2秒、合計2 ～ 3 秒で 240 mm×150 mmの領域の健全性を評価することができた。今後はトンネルでの実験を予定している。
参考文献：
1） 国土交通省

道路統計年報2015および同省

鉄道

統計年報［平成25年度］
2） レーザークロス No.325、2015年 4月号【図1】レーザーを使った遠隔・非接触の保守・点検のイメージ図

3) レーザークロス No.337、2016年 4月号

TOPICS

ロッド型フォトニック結晶ファイバーのモード不安定性の観測
レーザープロセス研究チーム■はじめに
近年、ファイバーレーザー技術の進歩により、平均出北村俊幸て、モード不安定性 (Mode-Instability, MI) によるビーム品質の劣化が報告されている 1 )。

力が 100k W級のC Wファイバーレーザーや、100W超モード不安定性が生じる主要因の一つに、ファイのパルスファイバーレーザーが出現している。一方で、バー内に蓄積された熱による屈折率変化に起因する、ファイバーレーザーの高出力化に伴う新たな問題とし基本伝播モード（F u n d a m e n t a l M o d e）から高次伝播 モ ー ド（H i g h O r d e rMode, HOM）へのエネルギー移譲現象が挙げられる。その結果として、ファイバー中の伝播モードが基本モードから高次モードへ周期的に、もしくはランダムに変化することがわかっている。空間モードの不安定性は最小ス
ポット径の増大やポインティングの不安定性にも直結し、レーザー加工等への応用に際しては、加工品 【図1】モード不安定性観測実験構成図
質の悪化等の問題が発生する要因となる。また以前報告した、高平均出力・高増幅器で増幅したものを用い（図中Seed）、2段（前置増輝度ナノ秒パルスレーザーを光源に用いたコヒーレン幅器および主増幅器）のY b 3 +をコアにドープしたロットビーム結合（Coherent Beam Combining, CBC）実ド型フォトニッククリスタルファイバーに入射した験2 )では、結合前のレーザー増幅器の平均出力の限界を（図中DMF-PCF）。励起光源には波長975 nmのファイ決める一因ともなっていた。そこで、増幅用ファイバー

バーカップル半導体レーザーを用いた（図中L D）。図2への励起パワーを変化させて意図的にM Iをひきおこに励起パワーに対する増幅器パワーを示す。主増幅器

し、MI発生閾値付近におけるレーザー出力のモード変への励起パワーが 356 Wまでは基本モードでの出力が化を詳細に観測した。

得られるが、それ以上励起パワーを上げるとMIが生じ、■CCDによるモード不安定性の観測出力も低下する。またシードの繰り返し周波数を 700

図1に実験の概要を示す。シード光には、狭線幅半導kHz、800 kHzと増加させると、出力低下（MI）が起こ

体レーザー発振器から出力されたパルス幅10 ns、繰りる励起パワーもそれぞれ 375 W、405 Wへと増加した返し600 kHzのレーザーを2段のYb3+ドープファイバー

ことから、MI閾値はシード光のピークパワーとの相関

CONDOLENCE

山中千代衛名誉所長逝去
当財団の創立者、山中千代衛名誉所長には平成29年２月15日逝去されました。
享年93歳でした。ご冥福をお祈りいたします。
山中名誉所長は大阪大学にレーザー核融合研究センター（現レーザーエネルギー学研究センター）を設立され、大出力レーザーの開発とレーザー核融合の研究を強力に推進されました。大学ご退官後は、レーザー技術の開発と応用研究を通じた学界と産業界の連携強化を旗印に、昭和62年10月当財団を創立され、初代所長を務められました。産学連携による研究開発が活発化している現在、名誉所長は 30年前からすでに今日の状況を見通されておられたようです。当財団では、産学連携時代の先駆けとして、今後もその推進に努めて参る所存です。
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があることがわかった。

行ったものの、現状では明確ではない。今後はシード

撮像速度3000フレーム/秒の高速度CCDカメラを用

光のファイバーへの入射角度（結合方向）やポインティい、増幅出力のビームプロファイルを観測することによング、光学系の物理的な振動などの要素も考慮しつつ、りMIの挙動を検討した。励起パワーが低い場合には基より詳細な実験や、シミュレーションによる増幅光の本モードでの出力が見られるが、MI閾値付近まで励起モード解析等を行うことでM Iの要因について具体的にを上げると高次モードへの変化が起こり、またモード明らかにしていく。の安定性を維持できなくなる。図3に示すように、出力■まとめのモードは 1フレームごとに大きく変化し、分裂と結合高速度C C Dカメラを用いてファイバーレーザーの高を繰り返しながら周期的に回転するような挙動を示す

出力化に伴い発生するモード不安定性（M I）の観測を行ことが明らかとなった。回転の周期は約300 Hz（～ 9フい、M Iによるビーム品質の低下を確認するとともに、レーム）であった。また、励起パワーを徐々に上げていそのモード変化が周期性を持つことを明らかとした。

くとその周期もそれに対応して遅くなり、励起400Wでレーザー加工等、単純な出力パワーだけでなく、ビーム約250Hz（～12フレーム）まで低下した。この結果は、
モー品質が重要となる応用や、コヒーレントビームビーム

ド変化の周期が励起パワーに依存することを示してい結合によるレーザーの高出力化においてもM Iの発生はる。

重大な問題である。今後は実験やシミュレーションをこれらの周期的なモード変化は、破壊限界や誘導ラ通じてこのM Iの要因を明らかにし、不安定性の低減等

マン散乱等従来考えられているファイバーの出力限が行えるよう研究を続けていく。

界よりも低い出力で観測されていることから、M Iが謝辞：本研究の実施にあたり、大阪大学レーザーエネル

ビーム品質低下の要因の一つとなることが確かめられギー学研究センターコヒーレンス制御グループの多大た。一方M Iの発生要因については、M Iとシード光のな協力を得た。また本研究の一部は国立研究開発法人

周波数および励起パワーとの相関について一部検討を新エネルギー・産業技術総合開発機構（N E D O）の支援の下行われた。ご協力頂いた方々に深く感謝致します。
参考文献：
1) C. Jauregui, J. Limpert, and A. Tünnermann:
Nature. Photonics. 7 (2013) 861
2) レーザークロス No.336、2016年 3月号【図2】励起パワーに対する増幅出力【図3】C C Dカメラにより観測した増幅光のビームプロファイルの変化（左）撮影速度60フレーム/ 秒、（ 右）3000フレーム/秒

主な学会等報告予定
4月18日（火）～ 21日（金）The 6 th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS'17)（パシフィコ横浜）
ハイク コスロービアン 「Quantitative analysis of CW-regime, multi-pass amplifier outputcharacteristics including optical losses」
本越 伸二「Laser-induced damage in silica glasses with double pulses irradiation」
Laser Cross No.348 2017, Mar.

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