2020, Dec.
No.

393

CONTENTS
大型パワーレーザーとその応用に関する
日本学術会議の提言について
可変形鏡を用いた補償光学システムの開発

ISSN 0914-9805【表紙図】ハイパワーレーザーの3つの特性（平均出力、ピーク出力、パルスエネルギー）と多様な関連科学技術分野（参考１．日本学術会議提言より）

大型パワーレーザーとその応用に関する
日本学術会議の提言について
大阪大学名誉教授

三間 圀興■はじめにや韓国、中国、ロシアなどが開発しているフェムト秒

これまで、高出力レーザー技術、レーザー核融合、10 PWから200 PWを目指す超高強度のパワーレーザー

レーザー粒子加速、高エネルギー密度の物質科学、地など、様々なパルス幅、出力エネルギー、ピークパワー

球惑星科学と宇宙デブリ除去への応用、真空破壊などの高出力レーザーがあり、各々の施設において、レーの超高強度場の物理、並びにレーザー加工などのパ

ザー核融合、実験室宇宙物理、超高圧物性、レーザーワーレーザーの産業利用分野の研究開発において、大プラズマ粒子加速、真空の非線形物理から物質生成に阪大学、量子科学技術研究開発機構、レーザー技術総至る光による高エネルギー物理学まで、他の方法では合研究所や理化学研究所などの我が国の取り組みが世実現できない実にさまざまな研究が展開している。

界をリードしてきた。特に、パワーレーザーの産業、2018年には、ノーベル物理学賞に輝いたG. Mourou,

医療への利用・普及は、レーザー技術総合研究所がD. Strickland ら に よ るCPA（Chirped Pulse Ampliﬁ-

1987年の発足以来目指しているところである。

cation）による極短パルス超高強度レーザー技術とそ一方、大型パワーレーザー施設の整備が海外で急速の 利 用 に よ っ て、LFEX（Laser for Fusion EXperiに進み、この分野の学術と産業利用が急速に進展して

ment: 大 阪 大 学）、ELI- BL（Extreme Light Infraいる。現在、世界のパワーレーザーは新しい質的変革

structure-Beam Line: チ ェ コ プ ラ ハ）、ELI- NPの時代を迎えつつある。表紙図で示すように、米国の（Nuclear Physics: ルーマニア ブダペスト）や中国 SULFNIF、フランスの LMJ に続き、ロシア、中国が開発（Super-intense Ultrafast Laser Facility: 上 海）の10しつつあるナノ秒メガジュールレーザー、大阪大学のPWレ ー ザ ー、さ ら に 韓 国 CoReLS（Center forLFEXやフランスの PETAL（Peta Watt Laser）などのRelativistic Laser Science: 光 州）の 4 PW+1 PW

高出力のピコ秒ペタワットレーザー、さらに欧州 ELI

レーザーなどでは、新しい科学への入口を開くとされ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大型パワーレーザーとその応用に関する日本学術会議の提言についてるレーザー強度である1023 W/cm2に手が届きそうなととが困難である。」と結論し、以下の目指すべき今後のころに来ている。世界各国は、そのレーザー強度を取り組みを整理し提言の骨子をまとめた。

100 PWレーザーにすることを目指して新しい装置建設段階に入っている。

目指すべき今後の取り組みでは、「我が国が築いてきた高エネルギー密度科学とパワーレーザー技術に関このような状況を踏まえ、日本学術会議第3部総合する多くのコア・コンピタンスを生かしてこの科学技

工学委員会「エネルギーと科学技術に関する分科会」

術の飛躍的発展を追求することは、国際競争力のあるは、今後我が国の産学官が連携して取り組むべき重要産業創成のために極めて重要」としている。

研究課題として「高出力パワーレーザーとその応用分■提言の背景と趣旨

野の研究開発」を取り上げ、提言した。以下、提言（参近年、パルスエネルギーやピーク強度を高める研究

考1）の作成の経緯と概要を紹介する。

開発により、表紙図で示すようにパワーレーザーによ■提言の経緯る高エネルギー密度科学とその産業利用の可能性は著

2015年9月に日本学術会議主催国際シンポジウム「大しく多様化している。また、パワーレーザーの繰り返型レーザーによる高エネルギー密度科学の新展開」を

し化技術の進歩により生まれるビッグデータとIoT・AI開催し、2016年8月に、総合工学委員会エネルギーとを結びつけることで可能となるパワーレーザーとその科学技術に関する分科会が、報告「大型レーザーによ照射システムのスマート化は、多様なステークホルダーる高エネルギー密度科学の新展開」を公表した。2019の間で効率的・効果的な共創を生み出している。産業

年1月には、米国ワシントンD.C.において、日本学術会

界はスマートレーザー加工の技術基盤として、高エネ議主催国際シンポジウム「ハイパワーレーザーによるルギー密度科学における知の重要性に注目している。

高エネルギー密度科学技術の展望」を開催した。その以上のことから、パワーレーザーと高エネルギー密際、日米両政府により「高エネルギー密度科学に関す度科学分野において、これまで培われてきた我が国のる日米協力事業取り決め」が調印され、日米の新たな科学技術を結集し、産学官界に活動の輪を広げ、持続研究協力事業が立ち上がることになった。ま た、2019的な研究開発と人材育成を可能にすることが重要であ

年3月、大阪大学ならびに量子科学技術研究開発機構

ると認識し、関係する研究者コミュニティの提案「高は、大型パワーレーザーとその学術・産業利用を目指出力の次期大型パワーレーザー施設による高エネルした「学術の大型研究計画」を日本学術会議ならびに文ギー密度科学の推進」を評価して提言を作成すること部科学省に提案している。この計画では、パワーレーになった。

ザーと高エネルギー密度科学の研究者コミュニティが■提言

連携して、「高出力の次期大型パワーレーザー施設に以下の提言「パワーレーザー技術と高エネルギー密よる高エネルギー密度科学の推進と新産業創成」を目

度科学の量子飛躍と産業創成」
が、上記の背景と経緯な指している。

らびに課題の認識に基づき、2020年6月に公表された。

このような状況を踏まえ、エネルギーと科学技術に「我が国において、大学と国立研究機関は、高エネ関する分科会は「ハイパワーレーザーによる高エネルルギー密度科学とパワーレーザー技術に関する研究開ギー密度科学小委員会」（委員長:東京大学名誉教授 近藤発を産業界とも連携協力して推進し、多くの人材を育駿介）を設置し、我が国におけるハイパワーレーザーに成し、先導的技術を生み出し、この分野におけるコア・よる高エネルギー密度科学の在り方を評価・検討した。

コンピタンスを築いてきた。こうした人材育成と先導

なお、本小委員会の開催にあたりレーザー技術総合研的技術開発への挑戦の取り組みを産業界の協力も得て究所所掌のIFEフォーラムの支援を受けた。

一層強化してこの科学技術の更なる飛躍的発展を追求

上記小委員会は、「我が国のパワーレーザー研究は、することは、我が国における次の時代を担う国際競争

これまで大学附置研究所が大きな牽引力となり、独立力のある産業創成に極めて有効であり、鮮烈な国際競行政法人の研究機関や大学共同利用・共同研究拠点な争の動向に鑑みれば急務である。

ど、さまざまな研究拠点で推進されてきた。しかし、

よって、これまで高エネルギー密度科学とパワーこうした分散した研究拠点で開発研究を進める現状のレーザー技術に関する研究開発を先導してきた大学とままでは、研究開発において諸外国をリードし、若者国立研究機関は、産業界と連携して知と技術を集約し、を引きつけ夢のある幅広い人材育成の場を提供するこ

組織改編で世界最高レベルの繰り返し・高出力の大型2

パワーレーザー施設を高エネルギー密度科学推進の中連産業界の意見を取りまとめるアクションプランの検核拠点として世界に先駆けて設置し、機械学習技術も討が進んでいる。今後の進展に注目したい。

活用して大型パワーレーザー技術と高エネルギー密度

参考 1.

科学の量子的飛躍 を実現し、新たな学術の開拓や産業提言 URL ：http://www.scj.go.jp/ja/info/kohyo/pdf/-

創成に繋がる価値創造・人材育成を行う切磋琢磨・共kohyo-24-t291-2.pdf

創の道場とするべきである。」（参考1.より）パワーレーザー技術と高エネルギー密度科学の量子的飛■最後に躍と産業創成上記提言の実現に向けて、関係大学・研究機関、関TOPICS

可変形鏡を用いた補償光学システムの開発
レーザープロセス研究チーム

ハイク コスロービアン、稲田順史
レーザー計測研究チーム 谷口誠治

らの情報に基づき可変形鏡を制御する信号を作り出す■はじめに光波が大気などの不均一な媒質を伝搬するとき、伝制御装置によって構成される（図1）。可変形鏡の基本

搬経路に沿った屈折率の違いが波面の歪みを引き起こ

構造は、薄い鏡の裏面に鏡平面の法線方向（z方向）にす。このような波面収差を補正するためによく用いら伸縮する複数のPAを接着したものであり、センサーれる技術が補償光学である。補償光学には多くの場合、により観測した波面歪みに対し、逆向きの歪み（逆位波面歪みを補正するため可変形鏡などのアクティブな相）を鏡面に与えることで波面補正を行う。この時の光学素子が用いられる。補償光学は天文学にルーツを鏡の表面形状は、基本的に個々のPAの変位によって持つが[1]、現在では眼底検査やレーザーのビーム整形形成される形状の組み合わせとなるため、可変形鏡のなど、さまざまな産業に利用されている[2]。当研究所

制御にはPAを単一で駆動した際の鏡全体の表面形状

では、大気中における高出力レーザー遠距離伝送シスにおよぼす影響を実験的、あるいは理論的に取得してテムを開発するため、要素技術の一つである高速・高おくことが重要となる。この時の鏡全体の形状を表す光耐性可変形鏡の開発を進めている。ピエゾアクチュ（Inﬂuence Function, IF）と呼ばれる。
関数は影響関数[3]エーター（PA）を駆動素子に用いた可変形鏡について

図2に、可変形鏡（10cmφ）における61個のPAの配置はすでに報告したが、これと並行して可変形鏡の制御モデルを示す。PAはx-y平面上に六角形配置されてお法についても検討を進めている。本稿では、61個のり、中央かららせん状に番号（PA , =0〜60）を付してPAを用いた可変形鏡の制御について、影響関数およある。各PAのx-y座標はPAの間隔（ =1 cm）を用いてびPA間のクロストークを導入した制御モデルにより決定される。IFは、対象となるPAのみに電圧を印可検討した結果を述べる。

してz方向に最大変位させ、この時の鏡面の全体形状■影響関数とPA間のクロストークを干渉計などにより観測して取得する。PAが61個で可変形鏡を用いた補償光学系は通常、光の波面歪みを計測する波面センサーと可変形鏡、波面センサーかある場合、61のIFを決定する必要がある。可変形鏡のあるx-y座標上のz方向の変位を時の影響関数
こ こ で、,,で表すと、このは下式で表される。

[μm/V]はPAiの 応 答 定 数、の印加電圧、,[V]はPA へ

はPA の規格化影響関数である。

波面センサーにより得られる変位
め取得してある および,,と、あらかじを用いると、波面補正に必要なPAへの印加電圧 を算出できる。
しかしながら実際の可変形鏡は1枚の鏡面に複数のPAを接着しているため、あるPAを単一で駆動した際、【図1】補償光学系の例【図2】ピ エ ゾ ア ク チ ュ 周囲のPAが 電圧を印加しなくとも z方向に変位を示エーター（61個）の配置 す場合が多い。この効果をクロストークと呼び、可変3形鏡の制御にはこの寄与を考慮した手法を用いる必要

中 赤 線）が、εが 大 き く な る と 鏡 面 は 隣 接 し たPA（がある。クロストークが発生する場合、例えばクロス=±1 cm）の位置にz方向の変位を持ち、クロストークトークが可変形鏡中央のPA（図2）と隣接した6個のPAが発生する（図中青線）。PAの応答定数は、変位-電圧（PA 〜PA ）との間でそれぞれ発生するとした場合、の関係を線形近似して決定した。また本来波面セン

PA の変位はそれぞれのPAの影響関数を用いた線形方サーの観測値の逆位相から得られる補正波面情報は、程式となる（下式）。

ここでは擬似的にゼルニケ多項式の0〜14項の係数をランダムに設定して算出した。算出した波面を可変形鏡で再現できるかどうかを検証することにより、この制御モデルの有用性が評価できる。図4に、算出した他のPA(PA 〜PA )についても同様に数式化が可能で波面（図4A）と、クロストークが10%発生する（ε= 0.1）ある。全てのPAの線形方程式系をまとめ行列形式でとして計算した可変形鏡の表面形状（図4B）を比較した記述すると下式となる。

ものを示す。可変形鏡の表面形状は波面の歪みをよくZ=M×V再現していることがわかる。この結果から、クロス

ここでZは変位ベクトル、Vは電圧ベクトルであり、トークの効果を取り入れたモデルが可変形鏡の制御にPAがN個ある場合は（ ×1）型行列となる。Mは（ × ）有効であることが示された。

型の係数行列で、各要素はPAの配置や応答定数およ■まとめと今後び影響関数を用いて決定される。波面補正に必要な各PAへの印加電圧は、Mの逆行列M を用いて下式-1

V =M ×Z-1

本研究では、ピエゾアクチュエーターを駆動素子に用いた可変形鏡の制御手法として、影響関数およびクロストークを導入した制御モデルを構築し波面補正シにより計算できる。

ミュレーションを行った。その結果、この制御モデル■波面補正シミュレーションが可変形鏡の正確な制御に有効であることがわかっIFおよびクロストークを取り入れた制御モデルを用た。今後はこの制御モデルを実際の可変形鏡へと適用

い、61ピエゾ可変形鏡の波面補正シミュレーションをし、その有用性を実験的に明らかにしていく。

行った。まず制御信号の計算に必要な係数行列（M）を決

謝辞：定するため、IFを下式の円対称ガウス分布で近似した。

本研究は、防衛装備庁安全保障技術研究推進制度
JPJ004596（研究課題「高速移動物体への遠距離・高強度光伝送のための予測的波面制御の研究」）の支援の下こ こ で（ ,）はi番 目 のPAの 位 置 座 標、εは 隣 接 す る行われた。

PA間の影響（カップリング）比で、0 <ε<1内で設定す参考文献る。 はPA間距離、σ(> 0)はガウス指数で、鏡面の形[1] P. W. Milonni, Am. Journal of Physics, 67 (6), 476 –状、厚み、硬度やPA間距離などにより変化する。図3485, 1999.に、 =0の位置に配置されているPAのみを駆動した際[2] A. Greenaway et al., IoP Publishing Ltd., Bristol, 2004.のIFの計算例を示す。使用したパラメーターは図中に[3] M. B. Roopashree et al., ACEEE Int. J. on Control示した。クロストークに影響する因子は主にεで、εSystem and Instrumentation, 03 (02), 10 – 14, 2012.

が小さい場合にはクロストークはほぼ発生しない（図【図4】(A)ゼルニケ多項式を用いて算出した波面、(B) クロストークを考（x-zプロファイル）【図3】影響関数の計算例(x-zプロファイル）慮して計算した可変形鏡の表面形状、(C) AとBの比較
Laser Cross No.393 2020, Dec.

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