目 次
あいさつ
創立 30 周年記念誌発刊にあたって理事長

創立 30 周年を迎えて所長- ----------------- 1- --------------------- 2

研究成果
レーザー計測レーザー超音波計測年表

島田義則-------------- 4

Development of laser-based system for remote inspection of
unstable structures like highway bridges

オレグ・コチャエフ ----- 5

レーザーを用いた水中コンクリート構造物欠陥探査現地試験

倉橋真理----------- 1 3

レーザーリモートセンシングの研究展開

染川智弘----------- 1 6

テラヘルツ波の非破壊検査応用

李大治----------- 1 9

レーザーブレークダウン分光法による碍子表面塩分計測技術の開発

島田義則----------- 2 5

時間分解レーザー計測による蛋白質の光励起メカニズム谷口誠治----------- 2 7

次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト

藤田雅之----------- 3 2

高出力クライオジェニックレーザーの開発

谷口誠治----------- 3 7

Frontiers of High Power Lasers: Coherent Beam Combining

ハイク・コスロービアン---- 4 0

メタマテリアルによる電磁波放射源開発基礎研究 」

李レーザー開発大治----------- 4 4

パルスレーザー加工の研究展開

藤田雅之----------- 5 1

液中レーザーアブレーションによるナノ粒子生成技術

谷口誠治----------- 5 8

光学素子のレーザー損傷

本越伸二----------- 6 2

古河裕之----------- 6 5

レーザープロセス～その機構とデータベース～

レーザーピーニング、核融合炉シミュレーション
資料編
1. 財団組織図---------------------------- 6 8

2. 発起人名簿---------------------------- 6 9

3 . 歴代理事・監事、評議委員、技術企画委員、総務企画委員、企画委員---------------------------- 7 0

4. 賛助会員名簿---------------------------- 8 4

5. 受賞一覧---------------------------- 8 5

6. 泰山賞の贈呈---------------------------- 8 7

7. 特許一覧---------------------------- 8 8

8. 刊行物---------------------------- 8 9

9 . 役 職 員・ 共 同 研 究 名 簿---------------------------- 9 1

1 0 . O B 研 究 者・ 職 員 の 推 移---------------------------- 9 2

11.研究所 30年の歴史と実績---------------------------- 9 3

12.メディア掲載---------------------------- 9 5

創立 30 周年記念誌発刊にあたり
理事長

大石富彦

レーザー技術総合研究所創立 30 周年記念誌の発行にあたりまして、一言ご挨拶申し上げます。
当レーザー技術総合研究所は、1987 年（当時）文部省、通商産業省、科学技術庁の 3 省
庁共管により、大学等での光科学技術の基礎研究を踏まえ、それを産業界に結びつける研究開発を積極的に推進することを使命とし、設立されました。その後公益法人制度改革に伴い
平成 24 年 4 月 1 日に公益財団法人へと改組されたことに伴い主務官庁は内閣府へと変わりましたが、おかげさまで本年 10 月 31 日で創立 30 周年を迎えることができました。これもひとえに関係省庁、企業、大学等研究機関の皆様のご指導、ご協力の賜物と厚く御礼申し上げます。
現在私たちを取り巻く環境においては、第 5 期科学技術基本計画にもあります通り、これから来るであろう大変革時代を前に、地球温暖化、エネルギー、資源問題等地球規模の課題が多々発生しており、その解決には科学技術の果たす役割がますます重要となっております。
中でも、これらすべての課題に横断的に対応可能な光科学技術は日々進歩・拡大し、その役割もますます重要になって参りました。これに伴い、我々が光科学技術の専門家集団として社会に貢献する機会も日々増えているのではないかと感じている次第です。
我々は設立当初より、産業への応用を念頭に置いた技術研究開発を考えて参りましたが、創立 30 周年を迎え、我々の研究開発の中でも、実用化したもの、あるいは実用化に向け射程距離に入ってきたものも出て参りました。本記念誌ではそういった応用研究から、より基礎研究に近い分野の研究まで、ここ 10 年程度の歩みを中心に、過去の歴史をまとめております。ご一読頂き、ご指導簿鞭撻を頂ければ幸甚でございます。
当研究所はこれからも、基礎研究ならびに開発研究について牽引的役割を果たすべく、先端的な研究活動を推進し、新技術の確立と産業の発展に貢献していく所存でございます。みなさまの益々のご支援、ご協力をお願い申し上げます。

1

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

創立 30 周年を迎えて
所長

井澤靖和

レーザー技術総合研究所は昭和 62 年（1987 年）に創立され、本年創立 30 周年を迎えることになりました。レーザーウラン濃縮研究からスタートし、レーザーによる微量分析、レーザー光化学、
レーザー加工、レーザーレーダー、非破壊検査などへ、研究分野も原子力から電力、環境、宇宙、材料、バイオなどへと広がりました。レーザー誘雷、コンプトン散乱ガンマ線と核変換、太陽光励起レー
ザー、レーザー超音波など、当研究所の特長となる研究でも成果を上げることができました。
「（研究所）設立の目的は、大学において研究開発した光科学技術を踏まえ、レーザーに関する研究
実績と工学の知見を産業界にスピンオフし、ニューテクノロジーを生み出し、科学技術立国の国是にいささかなりとも貢献したいという次第である。
」これは当研究所の創設者山中千代衛先生の言葉です。当研究所では、産業界との連携・協力を最も重要なキーワードとして研究開発活動を進めてきました。科学研究費補助金などによる個人的研究を除き、競争的資金による研究を含めてほとんど全ての研究が産業界との共同研究になっています。山中先生は 30 周年を待つことなく、本年 2 月に逝去されましたが、その精神は受け継がれています。
本年 4 月、当研究所の「光学素子のレーザー損傷しきい値のデータベース」がレーザー学会産業賞（貢献賞）を受賞しました。この賞は、「レーザーに関する製品や技術、実用化、普及などで国内の関連産業の発展に貢献しうる優秀なものに贈呈する」ものとされています。当研究所では創立以来、多くの学協会から、当研究所の研究成果に対して、論文賞、進歩賞、奨励賞など様々な賞をいただきました。
その数は 30 に達しようとしています。これらの賞の受賞者は全て研究者個人でしたが、このたびのレーザー学会産業賞の受賞者は研究所になっています。データベース構築に向けての研究者個人の地
道な努力とこれに賛同して頂いた産業界の皆様のご協力がこの受賞につながったのでありますが、創立 30 周年という記念すべきときにあたり、当研究所が産業界への貢献で評価されたことを大変喜んでいます。
レーザーの発明以来半世紀を越え、レーザー技術は先進的な産業や科学の発展を支える必要不可欠な基盤技術に成長しました。本格的な光の時代を迎え、当研究所の役割はますます重要になるものと認識しています。所員一同初心に返り、未知・未踏へ挑戦する心を忘れず、大学や産業界と連携しながら積極的に研究に取り組むとともに、成果の普及・情報発信に努め、レーザー産業の振興・発展に貢献したいと考えます。長年にわたり皆様方から頂いた暖かいご支援、ご協力に対し心より感謝申し上げますとともに、今後とも、引き続きご指導、ご鞭撻賜りますようお願い申し上げます。

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

2レーザー計測3

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

4

2003
H15

2004
H16

公的助成金

2005

無レンズ結像
加工技術

ホログラム
干渉計

2005
H17

干渉縞
安定化

2007
H19

2008
H20

2009
H21

JRTT基礎的研究助成

2008

2010
H22

2010

制御室
レーザー
室

2011
H23

レーザー2011

2011

ひび割れ深さ等の評価

最初に新幹線トンネルへ入った時の写真

2005

2006
H18

2005

2008

検出感度
の向上

レーザー打音技術（可聴音波）

金属疲労劣化検出レーザー超音波技術

2012
H24

A-STEP
(FS)

2014
H26

2016

2015
H27

2016
H28

2017
H29

A-STEP （ﾊｲﾘｽｸ挑戦ﾀｲﾌﾟ）

2018
H30

ビル等外壁検査技術

化

用

2020
H32

装置構築

2021
H33

高速化用途拡大2016

50Hz高速化 １秒で検査

2019
H31

実
高速検査技術新幹線トンネル実験

2022
H34

2016

実トンネル内での検査結果

高架鋼板接着床版検査検出

SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）

2014

水中コンクリート検査技術

2013
H25

2015

高速レーザー打音によるコンクリート検査技術

高架鋼板接着床版検査検出

2012

新幹線トンネル実験

トンネル付帯
物検査

2013

2013

鋼板厚み計測Development of laser-based system
for remote inspection of unstablestructures like highway bridges
O. Kotyaev, Y. Shimada, S. Kurahashi
Laser measurement team

1. Introduction

2. Preliminary tests
2.1. Verification of the basic idea

Laser-based inspection of civil structures is one of themain research directions of the Laser Measurement Team[1, 2]. Initially, the main research interest was attracted

to the development of a laser system for inspectionof transportation tunnels. The use of photorefractive
laser interferometry has demonstrated very promising

performance in this filed [3]. In 2011, our team opened
another direction – inspection of highway bridges. It

turned out that reliable inspection of bouncing structures

like bridges with the use of conventional homodyne
or photorefractive laser interferometry was hardly

possible. In this case, interferometry is strongly affected

Fig. 1. Interferometer setup for verification of the two-beamby instability of interference pattern, which is caused byprobing idea. HWP and QWP are half- and quarter-wave

irregular bouncing of the inspected bridge, especiallyplates. Dotted corner cube is on the interferometer table.

under heavy traffic conditions.

Possible decision of the instability problem is switching

To verify the main idea, a simple interferometer withfrom homodyne interferometry to heterodyning. However,two corner cubes was used (Figure 1). The cubes werelaser beams and necessity of demodulation of resulted

under heavy traffic. To compare with a conventional

this decision is complicated by using frequency-shifted

set on a moving stage simulating bridge span bouncing

signals.

single-probe-beam interferometer, one of the cubes could

Another way to get more stable signal is employing the

be installed on the interferometer table and produce

idea of two-beam probing [4]. Two closely (about 5-10

conventional reference beam.

cm) distanced probing points on a bouncing bridge span

In Figure 2, two detected signals (intensity fluctuation

are moving almost synchronously. As a result, interference

in moving interference pattern due to phase changing)

more stable than in case of conventional single-probe-

interferometry are presented. In both cases, the moving

between two signals from the probing points should beo b t a i n e d w i t h t h e u s e o f o n e - a n d t wo - p ro b i n g

beam sensing. In this case, interferometry is homodyne,

stage was bouncing with 10-Hz frequency and 0.1-mm

nether frequency shift no further demodulation is needed.

amplitude. Significant decrease of interference pattern

The present report describes 5-year progress in the

instability is clearly visible. With one-beam probing,development of laser-based inspection system with the

maximum rate of phase changing is more than 10 kHz.

use of the two-beam probing idea.

Time windows with comparatively low phase change rate
are too short (less than 5 ms) for reliable inspection.
5

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

Signal amplitude, V

Fig.2. Phase change rate signals obtained with one-beam (top)and two-beam probing (bottom).

Spectralamplitude, lin.un.

Fig.3. Detection of piezo-oscillator vibration (see text).

In contract, in two-beam probing interferometry, maximum

So, possibility of vibration detection under unstablephase change rate is about 200 Hz. It is not perfectly stable;

conditions has been verified in these tests.

low phase change rate where reliable inspection is possible.

2.3. Field tests under real highway bridge – detection of

however there exist long time windows (about 20 ms) withvibration over defect area.

With these results, the basic idea of interference pattern

As the next step of the research, we delivered our

stabilization via two-beam probing has been verified.

two-beam probing interferometer under real highway

2.2. Detection of vibration – simulation of inspection

bridge (Figure 4). The corner cubes were fixed on theprocedure.

bridge span.

It should be reminded that laser-based inspection is basedon laser initiation and laser detection of vibration in theinspected area. Defect recognition is based on big differencein vibration spectra obtained in healthy and defected cases.
So, vibration detection is crucial.

To verify possibility of vibration detection, one of thecorner cubes was replaced with a piezo-oscillator withmetal membrane whose vibration simulated laser-initiatedvibration over defect area. The second corner cube was

replaced with a piece of metal. In these experiments, bothprobes were not reflected but scattered by rough surfaces.

Resulting speckled signals were “cleaned” by a spatial
filter.

In Figure 3, three records of detected piezo-oscillator

vibration are demonstrated. Pre-set vibration frequency is
2 kHz.

Top: conventional one-probe interferometry; piezo-

Fig.4. First field tests under real highway bridge.

oscillator is not moving; 2-kHz vibration is clearly
detected.

The bridge has known defects in metal/concrete

Middle: conventional one-probe interferometry; piezo-

interface where metal plate, usually fixed with epoxy on

Bottom: two-probe interferometry; piezo-oscillator isexperiments, two corner cubes simulating probing points

oscillator is moving; 2-kHz vibration is not detected.

moving; despite of this 2-kHz vibration is clearly detected.

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

bridge span bottom, is detached from concrete. In these6

were used in various configurations with defect area; alight hammer was used as a source of impact. Following

impact (Figures 6 and 7).

pattern. The defect area boundary is indicated by chalk

After that, we started the system prototype development.

indicates place and time of the hammer impact.

3. Development of the system prototype

figures present results of detection of moving interferenceThis step of the research has finalized preliminary study.

line with shading over defect situation. Red four-beam star

3.1. System layout.

If two probe points are located in no-defect area, thenno vibration will be initiated and detected. Interference
pattern behavior is not changed (Figure 5). However, if at

least one of the probe and impact point are located overdefect, then significant change of interference pattern

movement character will be observed after moment of

Signal amplitude, V

Fig.8. Optical setup of the system prototype. Detection unit.

In Figure 8, optical layout of the detection part isTime, mspresented. CW Nd:YVO4-laser with output power up

Fig.5. Both corner cubes are set in no-defect area.

to 2 W is used as a probe/detection laser. Its radiationis split into two beams producing the Probes: Probe-1

will be used as a source of “reference beam”, Probe-2 ispositioned close to impact point and is used as a sourceof the working signal. Scattered radiation of the probes iscollected and two corresponding signals are formed. The

Signal amplitude, V

signals interfere and interference result is detectied by

two photodetectors. One of the interferometer mirrors will
be mounted on piezo-actuator for stabilization of optimum
phase shift (± π/2) in interference patterns.

Time, ms

Fig.6.

Corner cube CC1 and impact position area over defectarea. Corner cube CC2 – in no-defect area.

Signal amplitude, V

Time, ms

Fig.7. Both corner cubes are set over defect area.

Fig. 9. Laboratory setup. Interferometer and concrete sample.

7

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

Fig.10. Impact laser unit.

Fig. 11. Laboratory sample under inspection. Two green

In Figure 9, laboratory system is shown. The two-beam

points are probe beams. Small red point is impact beam
position. Four black points are corners of inner defect.

probing interferometer is set on a vibration-proof table.
A laboratory sample representing typical defect situationin highway bridges is located 7 meters away. Alltec CO2laser (Figure 10) generating 5-J pulses (duration is 100 ns)
is used as a source of laser impact. Actually, various lasers

have been tested. However, only the CO2-laser produces
effective but non-destructive impact. The other lasers

Fig. 12. Typical waveform and its spectrum detected in thelaboratory sample center.

(Ho:YAG and Na:YAG laser) damage protection paint, thatis not acceptable.

If positions of the probe and impact beams are changed

Output beam of the CO2 laser has very poor divergence.

over the inspected area, various modes of vibration can bebeam path used an image relay to realize compact impact

impact beams from the sample center to no-defect area.

So, in the first version of the system prototype, the impact

initiated. Figure 13 presents result of moving probe andbeam.

Impact beam and two probes are combined; anddirection of all three beams is controlled by a speciallydesigned scanner simultaneously.
3.2. Laboratory tests.

In laboratory, the system prototype was tested with theuse of concrete/metal samples provided by KomaiHaltec
company within A-step project. The samples are 450 ×

450 × 150 mm concrete blocks with 5-mm thick steel platefixed on concrete by epoxy (Figure 11). The samples havedefects of metal/concrete interface. These defects are

Fig.13. Initiation and detection of different modes over defectsupposed to be detected by the laser-based system.

area in the laboratory sample.

CO2 laser beam initiated vibration in the defect area andthe two-beam probing system detected initiated vibration.

The most important fact is that all the vibration modes

Result of detection is shown in Figure 12.

are detected over defect area only. Beyond the defect edge,
no vibration is detected. This fact provides criterion of

defect recognition in the inspection procedure: presence
レーザー技術総合研究所30周年記念誌

8of detectable vibration initiated by laser impact indicatespossible defect situation.
3.3. Field tests under real highway bridge.
The first version of the system prototype was deliveredSpectral amplitude, lin.un.

for field tests under real highway bridge [4]. It was thesame bridge mentioned in chapter 2.3. Several small
locations over the big defect area were used for the tests.

Following figures present various modes of vibration
Fig.15-c) Vibration in chalk square number 5.

Fig.15 Laser initiated and detected vibration in the real
highway bridge defect.

initiated and detected in the selected locations over thereal bridge defect.

3.4. Algorithm of real-time data processing
Using the criterion of defect recognition, a special

Fig. 14. Big defect area in the highway bridge span (within

algorithm of real-time data processing has been developed

light-grey boundaries). Dotted chalk oval and small squares withand put into operation [5]. Th e algorithm software wasnumbers – chosen locations for the system tests.

designed by Tecall company.

Fig.15-a) Vibration in the center of the dotted oval area.

Fig.17-a) 2D map of scanned area.

Fig.15-b) Vibration in chalk square number 1.

9Fig.17-b) Spectrum of waveform of vibration in no-defect case.

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

beam. It is multimode, not homocentric and cannot be
focused or collimated. Only imaging of output aperture canprovide as compact as possible impact beam size. However,in this case, overall dimensions of the system become toobig. Usual distance between laser-based inspection system

and inspected bridge span is about 10 meters. That means,the shortest possible image relay (with 1:1 scale) will be

20 meters long. It is necessary to use imaging 5-meter-

focus mirror or lens installed on the ground level in 10

meters after laser output. To realize all of this, the first
mobile system prototype used two vehicles (Figure 18)

Fig.17-c) Spectrum of waveform of vibration over defect area.
Fig.17. The main window of the scan/processing algorithm.

With the use of the algorithm, it is possible to set theinspected area coordinates, start automatic scanning of

the inspected area, and produce a 2-dimensional mapof the inspected defect situation in real time with thescanning procedure. Figure 17 shows main windows of thealgorithm software. This is the result of 9-point scanning (3x 3 points, 10-cm steps) of the laboratory sample. Red area

indicates defect situation. Green area is produced in no-Fig.18. Two-carrier mobile system prototype.

defect case.

This setup was not attractive for possible system users

Spectra of waveforms before and after impact are(like KomaiHaltec company). Fortunately, it was foundanalyzed. Comparison between resulting spectralthat CO2 laser impact can be used without image relay

amplitudes (both averaged and maximum) giveswith practically similar efficiency. So, the image relay was

information of the defect presence. In Figure 17-b theremoved and all the system could be loaded on a single

signal obtained in no-defect area is displayed. The signal

truck (Figure 19). The interferometer table is protected

waveform amplitude is near noise level and corresponding

by a specially designed cover against sunlight, wind andspectral amplitude is practically zero. In contrast, Figure

acoustic noise.

17-c presents waveform and its spectrum of vibration
initiated in the defect area. In this case, vibration signal isclearly seen after moment of impact (vertical yellow line),
and its spectrum has high spectral amplitude.

Produced 2-D map and waveforms obtained in each map

nod can be saved for further analysis.

4. System tests on KomaiHaltec site
4.1. Impact system modification
In the first version of the system prototype, the impact

beam path was equipped with an image relay producing
image of the CO2 laser output aperture to the inspectedarea surface. As it was mentioned in chapter 3.2, the CO2
laser used as an impact laser has poor quality of output

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

Fig.19. One-carrier mobile system prototype.

10

4.2. Test with a bridge sample
The mobile system prototype was delivered to KomaiHaltec

site for field tests. A huge piece of an old deconstructed bridge(Figure 20) was used for the experiments. In Figure 21, twobeam probing system is inspecting the bridge sample.

Fig.20. Bridge sample on the KomaiHaltec site.
Fig.22 One of the bridge sample defect and vibration detectedin this area.

Fig.23. 2-D map of one of the bridge sample defects. Black

Fig.21. Two-beam probing system inspecting the bridge sample
on the KomaiHaltec site.

arrows indicate direction of scanning.

It was found that defects in this bridge sample werequite difficult to recognize. In these experiments,

amplitude of laser initiated vibration in the bridge sample

defects is lower and vibration life-time is shorter than inexperiments with the laboratory sample. However, it waspossible to recognize defect situations with the use of oursystem in most cases.

In Figure 22, the bridge sample defect vibration with thelongest life-time is presented. Life-time of laser initiatedvibration here is about 6 ms. In the other defects, vibration
life-time is even shorter. In contrast, vibration in thelaboratory sample lives about 200 ms.

Fig.24. The defect area and its 2-D map.

11

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

of interference pattern for keeping high sensitivity

With the use of the real-time data processing algorithm

conditions.

it was possible to produce 2-dimenstional map of one ofReferences

the defects (Figure 23). Overlapping the defect location

1) O. Kotyaev, Y. Shimada. ILT Annual Progress Report,by the generated map shows quite good correspondence

2013.

between the defect and its map (Figure 24).

2) O. Kotyaev, Y. Shimada, K. Hashimoto. Laser-Based

The field tests have demonstrated principle capability of

Non-Destructive Detection of Inner Flaws in Concrete

the two-beam probing system with modified impact unit

with the Use of Lamb Waves, Proceedings of the 9-th

to inspect old highway bridges having very rusty metal

European Conference on Non-Destructive Testing.

plates. Inspection of actually operating higher-quality

Berlin, Germany, 2006, p.23,

bridges should be less complicated and more reliable.

3) Y. Shimada, O. Kotyaev, N. Misaki et al. Developmentof Laset-based Remote Sensing System for Detecting

5. Brief conclusions.

Concrete Defects. Journal of the Japan Society for

During the last 5 years, the promising laser-based system

Non-destructive Inspection, vol. 61, 2012, p. 519 (infor remote non-destructive inspection of civil structures

Japanese).

was proposed, developed and tested. Its mobile prototype

4) O. Kotyaev, Y. Shimada. ILT Annual Progress Report,

has been assembled and tested in the field conditions.The

2014.

system uses two-beam probing homodyne interferometry.

5) O. Kotyaev, Y. Shimada. ILT Annual Progress Report,

The technique has demonstrated promising results in2016.

inspection of bouncing structures like highway bridges.
It may be a good alternative to much more complicatedheterodyne interferometry.

The next step of the research is active stabilization

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

12レーザーを用いた
水中コンクリート構造物欠陥探査現地試験
倉橋慎理

レーザー技術総合研究所
１．はじめにる。振動検出用レーザー、検査面観測用 CCD カメラは当研究所では鉄道トンネルや高架橋などコンクリー

防水・防圧チャンバー内に格納した。ソレノイドコイル

ト構造物の欠陥をレーザーで遠隔探傷する技術の開発をでガイドされるピストンと振動計測用レーザー光軸が検すすめてきた。また、検査の対象をダムや水力発電所の査面にほぼ垂直になるように、検査面との接触箇所にはサージタンク（流量の平準化を目的として備えられた貯

ガイドローラーを取り付けた。シャックルに通したワイ槽類）、河川護岸など、常時滞水した状態で使用される

ヤーを用いて電動ホイストで装置を吊るし、水中での上コンクリート構造物にまで拡げることをめざして研究開

昇・下降を行う。構築した水中レーザー探傷装置を図 1

発を進め、屋外でも実験可能な装置を試作し、稼働中のに示す。

実設備において試験を行った。

まず装置の水密試験、動作確認試験を行った。図 2 に

本稿では、水中コンクリートのレーザー探傷試験装試験の様子を示す。試験用に購入した水槽は、底面がアー置の開発と稼働中実設備における屋外試験について紹介

チ状に盛り上がっていたり、側面が角度を持っていたりする。

でコンクリートサンプルの設置に手間取った。また、浮力の影響が思った以上に大きく、打撃でサンプルがずれ

２．屋外試験

るなど、大気中では見られなかった現象が次々起こった。

2.1 水中レーザー探傷装置の開発

水中での試験の難しさを切実に感じた。

室内実験では、振動励起用レーザーで水中のコンクリー
ト表面を振動させ、振動計測用レーザーで水中の表面振2.2

実設備屋外試験１日目

動を検出することに成功しているが、屋外での実験を想平成 27 年 3 月 2 日、寒さの残る中、関西電力が保有す

定して、試作第 1 号機では水中コンクリート表面の励る山中の水槽において、構築した水中レーザー探傷装置

振にソレノイドコイルを利用することとした。装置は、を用いてコンクリート壁の健全性評価試験を行った。水振動励起用ソレノイドコイル（LE-73-11 耐水ソレノイ

槽は水力発電施設の一部であるため、発電設備との高低

ドロック、タキゲン製造株式会社）、振動検出用レーザー

差が 100m 程度あって、傾斜のきつい高所に建設され（PDV-100 ポータブルデジタル振動計、Polytec 社）、なている（図 3）。このような条件の中、実験装置等の運らびに検査面の観測、姿勢の確認用の CCD カメラと、搬は人力で行われた（図 4）。搬入には専門家の力をおこれらを保持するためのアルミフレームからなってい借りした。

図 2 水中レーザー探傷装置動作確認試験の様子

図 1 水中レーザー探傷装置
13

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

実験初日の午前中は物資の運搬と、電動ホイストを取り付けるための櫓の敷設で終了し、昼食を挟み、午後から計測試験を行った。電動ホイストに装置を取り付け、いざ水中へ（図 5）。コンクリート壁は底に行くほど厚くなるテーパー状になっており、ホイストでまっすぐ下ろしただけでは、当然装置はコンクリート壁と正対しない。スラスターによる姿勢制御など、ハイテクノロジーを駆使した計測装置を構築したいものではあるが、諸般の事情により姿勢制御は人力で行うこととなった（図6）。装置にロープを結び外壁に立った人が引っ張る。
単純だが、効果は大きかった。

図 5 潜水する装置の様子

計測を始めると、レーザー振動計からの出力信号にノイズが多く、振動の計測が困難であった。検査面を撮影している CCD カメラからの取得画像には、コンクリート
表面付近に藻のようなものがふわふわと漂う様子が写っており、それによる散乱光がノイズの原因ではないかと予測された。

図 6 装置の姿勢制御を行う研究員ら
日も沈みかけ、頭の半分以上が「寒い」としか考えられなくなったため、1 日目の実験は終了となった。翌

図 3 水槽施設の外観図

日対策を施すことを確認、内容はシンプルに “ 壁面をき
れいにしよう ” だ。

図 7 コンクリート壁面の様子．赤く見えるのがレーザー振動計の照射位置

図 4 試験用物資運搬の様子

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

14

2.3

実設備屋外試験 2 日目

二日目にして最終日である。昨日の検討を受け、用意してもらったデッキブラシを計測装置にくくりつけた、水中レーザー探傷装置改を用いて壁面のクリーニン
グを行った（図 8）。CCD 画像から受ける印象以上に壁面は汚れていたようで（図 9）、検査面の状態が計測に与える影響も考慮しておく必要があると思い知らされた。
苦労の甲斐もあり、水中において、抜水時に予め打音検査により確認された健全部と欠陥部（浮き）の判定を行

図 8 デッキブラシを装着した装置．装置から飛び出た白い棒がブラシの柄．

うことが出来た（弊所平成 26 年度年間報告書にて詳細を報告）。
午前中には計測を終えることができ、午後には設備を撤収し、下山することが出来た。
３．おわりに入所後初めての野外実験だったので、思い入れの強い
屋外試験となった。
九月の終わりごろに話が回ってきて、三月頭には装置を持って外で試験をするという話を聞いた当初は、いえ今でも、何を言ってるんだろうという気持ちであったが、屋外試験を実施してとりあえず結果を出す所まで出来たことは自分の中で大きい経験だったと

図 9 クリーニング後のコンクリート壁面．壁面が露出し、レーザーの散乱が抑えられている．

思う。ここで得た経験をもとに、少しでも実現場に近い技術開発を行えるよう心掛けていきたい。
謝辞
寒い中実験の補助をしていただいたレーザー技術推進センター岸田知門氏、弊所総務部藤本勲氏に感謝いたします。本研究の遂行にご尽力いただき、また、その後の方針を示していただいた関西電力株式会社大坪祐介
氏、安藤明宏氏、島原直樹氏に深く感謝申し上げます。
本研究に関わり頂いた全ての方に謝意を示します。

図 10 左から著者、藤本、島田、岸田、本越15

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

レーザーリモートセンシングの研究展開

染川智弘

レーザープロセス研究チーム
１．白色光ライダー

白色光ライダーのシードレーザーであったフェムト秒

白色光ライダーの開発は、千葉大の久世研究室との共レーザーが H28 年度に新しくなり、今後は容易に TW同研究として、白色光長光路差分吸収分光法による大レーザーが起動できそうである。白色光ライダーとして

気中 CO2 の計測

は DIAL 法の開発を進めるとともに、リモート LIBS の

1)ー（DIAL）の開発

や、水蒸気、酸素の差分吸収ライダ
2)に発展してきた。千葉大学環境リモートセンシング研究センター共同利用研究費で H22
年度から現在まで旅費等の支援をいただいている。その研究を実施したいと考えている。
２．海洋計測に向けて共同研究の中で、久世教授から「白色光ライダーに関し

日本の領海・排他的経済水域は国土面積に比べて 12てセミナーを開いてもらいたい」との依頼を受けて、千倍も広く、世界第 6 位の面積であり、有益な海底開発

葉大で IHI の方にセミナーを行う機会があった。弊所のが検討されている。海底開発として大きくメディアでも白色光ライダーシステムや、学生のころに見学したヨ取り上げられているのが、海底熱水鉱床等の鉱物資源やーロッパの TW レーザーを用いた環境計測プロジェク

メタンハイドレート等のエネルギー資源である。さらに、

ト「Teramobile」の紹介を行った。Teramobile は、ド温室効果ガスである CO2 を分離・回収して海底下に貯イツのミュンヘンで開催された CLEO Europe に参加し留 す る CCS（Carbon dioxide Capture and Storage） もた際、Teramobile グループの一つであるベルリン自由

北海道の苫小牧沖にて実証試験がスタートしている。こ大学に見学を依頼した。見学話が進んだ最後のころに、のような海底開発における資源探査や開発に伴う環境影「ところで、今、Teramobile はベルリンにはなくて、リ

響評価をレーザーで効率よく実施できないかということヨンだよ」とのこと。何のためにこれまでのやり取りがで、水中のガスのラマン信号を指標とした、海中マッピあったのだと憤慨したが、リヨンとも連絡が取れ、無事

ング技術の開発を行っている。

に見学をさせてもらえた。ただ、「励起レーザーが壊れ

本研究は関西電力の支援を受けてスタートした。火ているために、今は動かないよ」とのこと…。弊所のシ力発電所を持つ電力会社にとって CCS 事業実施時の環ステムもシードのフェムト秒レーザー、励起の YAG レ

境影響評価は必須検討項目であるため、まず水中の CO2

ーザー 2 台のどれか 1 台でも調子が悪いと TW レーザ

ガスをターゲットとして研究を開始した。研究開始当初

ーは動かなくなる。TW レーザーシステムはあまり環境は、CO2 ガスを水に定量的に溶存させるチャンバーもな

計測に向かないと紹介したところ、最後の質疑応答で、く、市販の炭酸水を計測した。PET 容器にレーザーを打「実は日本版の Teramobile を作っています」との報告をちこむのは破損などが起こり危険に思われたので、ガラ受けた。今思えば、Teramobile は使えないと少々失礼

ス瓶に入った炭酸水を複数本購入したのを覚えている。

なプレゼンをしてしまったが、千葉大・IHI との日本版

炭酸水は空けると炭酸濃度が変化するので、栓を開けてTeramobile を活躍させるための共同研究がスタートしいないものや、開けて放置したものなど、今思えば大変た。
リボフラビンなどの生物由来タンパク質を噴霧して、雑な実験ではあったが、その実験により研究が発展して多光子吸収計測や、レーザー誘起ブレークダウン分光法

いったと思うと感慨深い。水の透過が良い波長 532 nm（LIBS）による遠隔識別手法の開発を実施した 。年にのレーザーを炭酸水に照射し、水に溶存している CO2

1 ～ 2 回の 1 週間、観測機器を関東からトラックで輸のラマン散乱を計測し、その瓶を 20 m 離れた位置に設送してきて関西にて実験をする定例行事となった。H23

置することで、リモート識別にも成功した 4)。その後は、～ H26 年の 4 年間にわたり新しい白色光ライダーの応

科研費若手 B の支援を受けて、CO2 気泡の測定や、海水用研究が実施でき、ご尽力いただいた皆様に感謝したい。

の影響評価を実施し、基礎的な検討を終えた 5-7)。

3)

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

16

は、内部のコイル等が絶縁油で満たされた容器に入っている「油入り変圧器」が一般的に使用されている。油入り変圧器が加熱・放電等の異常を起こした際に、この絶縁油が分解され特有のガス成分が発生する。そのため、容器内の絶縁油を採取して、油に溶存しているガス成分を調べることで異常診断が行われている。油に溶存しているガス成分の検出は、2 章で紹介した水に溶存しているガス成分と同じ検出原理で評価できそうである。どちらかというと基礎科学であった水溶存ラマンの研究が産業にも応用できるとのことで、筆者としては産業界にア
ピールしやすい研究がスタートした。
研究当初は絶縁油にアセチレンガスを溶かしたサンプ
ルを持参してもらっていたのだが、アセチレンのラマン
信号がなかなか検出できない。結局は微量成分なので検出が難しかっただけなのだが、「サンプルにアセチレン
が溶けていないのでは？」と何度も作成し直していただ
いたことを覚えている。密閉容器の蓋が内圧ではずれるくらい、油にアセチレンを溶存してもらったこともあった。油に溶存しているアセチレンはラマン法を用いることで定量評価が可能であることがわかり、従来の複雑な図 1 海上ラマンライダーシステム

前処理を必要とする手法よりも優位性を示せた 10)。
油入り変圧器の異常には、油が分解した際のアセチレ

現在は科研費若手 A の支援を受けて、実際に竹富島

ン等のガスだけでなく、コイルに巻かれた絶縁紙が分解

海底温泉で海上ライダー観測を行うべく準備を行っていする場合の 2 パターンがある。紙では、主成分のセルる。竹富島海底温泉は、水深 20 m の位置からメタンガ

ロースが分解して「フルフラール」という物質が生じる。

スを含む気泡の湧き出しがあり、海上からも気泡が確認できる。その海中から湧き出してくるメタン気泡にレーザーを照射することで海中モニタリングの実施可能性を検討している 8,9)。図１に現在開発している海上ラマン
ライダーシステムを示す。漁船にシステムを載せ、望遠鏡部が船外に出る配置で、レーザー光を下向きに海水中へ送出する。システムの中には計測機器、電源等が密閉容器に収められている。竹富島での海上観測では、相談に乗っていただいた環境総合テクノスの播本様、福原様、渡辺様に感謝したい。また、石垣島での観測コーディネートにご尽力いただいた屋良部様にも感謝したい。H29
年度には皆様のご尽力のおかげで、実際に竹富島海底温泉にて海上ラマンライダー試験を実施する予定である。
３．変圧器の健康診断
リモートセンシングではないが、変圧器の健康診断手

図 2 現場携帯型油種識別測定装置法の開発も紹介したい。関西の変圧器のほとんどを管理しているかんでんエンジニアリングから、変圧器の診断

これもラマン法で検出が可能であり 11)、本手法は油・をレーザーで簡易にできないかと相談を受けた。変圧器

紙由来の異常の診断も可能であった。さらに、紙由来の
17

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

異常診断溶存ガスである CO の検出も可能であり 12)、1

参考文献

台のシステムで複数の診断ガスを同時に検出できるラマ

1) T. Somekawa, N. Manago, H. Kuze, and M. Fujita: Opt.

ン法の有効性も示すことができた。

Lett., 36, 4782-4784, 2011.

油にレーザーを照射すると、アセチレンのような微量

2) T. Somekwa, N. Manago, H. Kuze, and M. Fujita: Proc. of

成分だけでなく、油自身の構造に由来するラマン信号もSPIE, 10006, 1000605, 2014.

検出される。鉱物油、植物油など、油の種類によりラマンスペクトルの形状も異なるので、油種の識別も可能である。変圧器の配管の破損等の外部異常が生じた際の、絶縁油の漏油検出につながるのではないかと油種識別の研究もスタートした

3）J. Izawa, T. Yokozawa, T. Kurata, A. Yoshida, T.
Somekawa, S. Eto, N. Manago, H. Horisawa, S.

Yamaguchi, T. Fujii, and H. Kuze: Proc. of SPIE, 9253,
92530C-1, 2014.

。

13)4) T. Somekawa, A. Tani, and M. Fujita: Appl. Phys.

変圧器の漏油の際は、生活環境にある他の油との識別がExpress, 4, 112401, 2011.

必要になる。さらに、現場での識別が望ましいとのこと

5) T. Somekawa, and M. Fujita: Proc. of ILRC26, S10-06,

で小型・可搬型のシステムを作製した。図 2 に現場携

2012.

帯型油種識別測定装置の写真を示す。30 cm 四方の大6) T. Somekawa, T. Takeuchi, C. Yamanaka, and M. Fujita:

きさであり、光学部品の市販品を用いたため 14 kg と少し重いが、十分に一人で持ち運べる可搬型のシステムである。本システムは鉱物系絶縁油と植物系絶縁油や、鉱物系潤滑油、灯油等との識別が可能であり、さらに、水に浮かんだ油や土壌にしみ込んだ油の識別手法の検討

Proc. of SPIE, 9240, 92400J, 2014.

7) T. Somekawa and M. Fujtia: EPJ Web of Conference,
119, 25017, 20168) T. Somekawa, M. Fujita: to be published in Proc.
ILRC28, 2017.

も行った。
異常が発生すれば、
このシステムを現場に持っ

9) T. Somekawa, T. Kitamura, and M. Fujita: to beて行き、測定しようと待っていたのだが、こういうとき

published in Proc. ICO-24, 2017.

は異常が起きないものである。現在も異常に備えて待機

10) T. Somekawa, M. Kasaoka, F. Kawachi, Y. Nagano, M.

中である。

Fujita, and Y. Izawa: Opt. Lett., 38, 1086-1088, 2013.

11) T. Somekawa, M. Fujita, Y. Izawa, M. Kasaoka, and Y.

Nagano: IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 22, 229231, 2014.

12) T. Somekawa, M. Kasaoka, Y. Nagano, M. Fujita, and Y.

Izawa: Springer Proceedings in Physics, 177, 31-38,
2016.

13) 染川智弘、笠岡誠、中井政明、藤田雅之、井澤靖和 :レーザー学会、44 巻、pp272-275、2016 年 .

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

18

テラヘルツ波の非破壊検査応用

李1
2

大治 1、本越伸二 2

レーザーエネルギー研究チーム
レーザー技術開発室

１．はじめに

２．テラヘルツ波透過測定系

テラヘルツ波は周波数でいうと 0.1 〜 10 THz、波長に実験装置としてテラヘルツ時間領域分光法を基にした換算すると 3 mm 〜 30 μ m 程度で、電波と可視光・

図 2 に示すような計測装置を構築した。光源にはフェ

赤外光の間に当たる領域の電磁波であり ( 図 1)、光と電

ムト秒レーザーを用い、光伝導アンテナを利用してテラ波の両方の長所を兼ね備えている。プラスチックや紙等

ヘルツ波の発生と検出を行っている。チタンサファイア

に対する透過率が高く、生体に害を与えないという特長

レーザー装置からのレーザー光は、半透鏡により励起光もあり、材料物性を調べるのに有用である。しかし、光とプローブ光に分けられる。励起光を放射用光伝導アン
テナに集光する。アンテナへのバイアス電圧を印加することにより、テラヘルツ帯の電磁波を発生させる。放射されたテラヘルツ波は、放物面鏡により、平行光に変換して検出系に伝送する。集光レンズ 2 枚を設置してビームスポットを作り、ビームスポットにサンプルホル
ダーを設置した。サンプルホルダーは 2 軸の移動ステー
ジにより走査できるようになっている。一方、プローブ

図 1 電磁波周波数領域と応用技術

光は時間遅延ラインを通過して検出用光伝導アンテナの源や検出器に適切なものがなかったため、電磁波利用にギャップ上に集光される。サンプルを透過したテラヘル

おける谷間とも呼ばれてきた。近年、様々なテラヘルツ

ツ波も検出用光伝導アンテナに集光され、プローブ光と波の発生方法が提案されている。大型のシンクロトロン放射設備により、数百 W のテラヘルツ波の発生に成功しているし、研究用としては、短パルスレーザー装置と光伝導アンテナを用いた装置が広く使用されるようになっている。また、より小型のものとして、
量子カスケード半導体素子や、非線形光学結晶を用いた差周波テラヘ
ルツ波発生技術などが、積極的に研究されている。テラヘルツ光源開発と同時に、応用研究も活発に進められ、様々な分野への応用が開拓されている。
我々は、関西電力からの受託研究をきっかけとして、電力分野で幅広く適用できる可能性があるテラヘルツ波を

図 2 テラヘルツ波発生・計測装置概念図

利用した設備診断技術に着目し、種々の検討を進めてきた。ここではこれまでに検討してきた研究例 1-7) を紹介する。阪大レーザー研の中嶋誠准教授、高野惠介助教、

時間的に一致した時刻のテラヘルツ波電場に応じた微弱加藤康作研究員、福井大学の北原英明研究員に、実験装電流を発生する。プローブ光の遅延時間を変えながら電置の構築、計測精度の改善、データ解析技術などでご教流を検出することにより、テラヘルツ波電場の時間依存示、ご協力を頂きながら研究を進めている。

データを得る。開発したデータ収集・処理・制御用ソフトを用いて、テラヘルツ波電場の時間波形を自動的に解析し、その波形をフーリエ変換することにより周波数ス
19

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

ペクトルを得る。サンプル移動ステージを走査することた。図 5(a) はエポキシサンプルの走査図である。金属により、サンプル内部の欠陥や劣化等をイメージ化するの針はテラヘルツ波を透過しないため、きれいな影が見ことが可能となる。図 3 に実験装置のテラヘルツ波のえている。図 5(b) はポリエチレンサンプルの走査図で発生部、検出部、集光レンズ、サンプルステージ、時間ある。屈折散乱等による透過率の違いから針の挿入痕が遅延ライン、イメージングソフトの画面などを示す。

確認できる。

図 3 実験装置写真
電力設備の電気絶縁には、固体、気体、液体など多くの材料が使用されている。本研究では、代表的な 5 種類の固体材料 ( シリコーンゴム、FRP、PVC、ポリエチレン、
エポキシ ) についてテラヘルツ波透過特性を評価した。
測定した透過率スペクトルを図 4 に示す。ポリエチレ

図 5 イメージングにより欠陥検出
３．テラヘルツ波反射測定系

ンの透過率は全帯域で 1 に近いが、FRP の透過性は周

電力ケーブルの欠陥検査をめざして、図 6 に示すような反射光を利用する測定系を構築した。テラヘルツ
波を放物面鏡により平行波にした後、レンズ ( 焦点距離
362 mm) と 2 枚のミラーによって、入射角 8°でサンプ
ルの表面に集光した。サンプルから反射されたテラヘル
ツ波をミラーとレンズ ( 焦点距離 200 mm) により検出
用光伝導アンテナに伝送した。
電力用ケーブルには、架設場所、送電電力量などに応じて多くの種類が存在する。中でも、導線の周りをポリエチレン、架橋ポリエチレン樹脂で絶縁した OE、OCケーブルや、ポリエチレン層の外側を塩化ビニルで被覆し耐環境性を向上させた CV ケーブルが広く利用されて

図 4 絶縁材料透過特性評価いる。これら絶縁層は、温度により膨張収縮を繰り返し吸湿する。その結果、ポリエチレン内で水トリーの進展、波数に敏感で、0.2 THz で 0.5 の透過率が周波数ととも絶縁破壊などの影響が現れる恐れがある。我々は、銅線に急激に減少する。その他の材料も FRP によく似た特と絶縁層の間に水が浸透した場合を想定し、模擬ケーブ性を示した。材料の透過性を把握することにより、個々

ル浸水サンプルを作り、テラヘルツ波による検出を行っの材料に対して適切な測定周波数を選ぶことが診断応用た。図 7 に製作した模擬サンプルを示す。厚さ 0.4 mmには重要である。模擬欠陥のあるサンプルを用いて透過のアルミニウム平板に直径 8 mm の穴を 3 つ開けた。

2 次元像を取得した。金属針を挿入したエポキシと内部

アルミニウム板の前面に厚さ 2 mm の塩化ビニル板をに針の挿入痕を付けたポリエチレンとをサンプルに用い密着し、後面の 2 つの開口部をテープで封じ、そのう

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

20確認できた 38 ps 付近の信号は確認できなかった。また、
33 ps 付近に存在した塩化ビニル裏面からの反射も減少した。これは、塩化ビニルと水との屈折率が近いために反射が減少したことによるものと考えられる。
４．テラヘルツ波反射測定系改良
空間分解能を改善するために、テラヘルツ波集光用レンズを焦点距離の短いものに代え、光学系を図 9 に示すように改良した。放物面鏡の後に、テラヘルツ帯半透
過鏡 )、レンズ ( 焦点距離 30 mm) をおき、サンプルの表面にテラヘルツ波を集光した。サンプルから反射した
図6

テラヘルツ波はテラヘルツ帯半透過鏡を通過し、放物面

THz 発生・計測装置概念図

鏡により検出用光伝導アンテナに入射させた。

ち 1 つには水を封入した。テープの後ろには銅板を接近年、外被材にシリコーンゴムを用いたポリマー碍子を着した。このように、(a) 塩化ビニル板のみ（上開口部）、(b)

適用した電力機器の使用が開始されているが、有機材か塩化ビニル板とアルミニウム板（開口部以外）、(c) 模擬らなるポリマー碍子の外部絶縁性能の経年変化について

剥離欠陥（下開口部空気層）と (d) 模擬浸水欠陥（下開はまだ十分な情報が得られていない。特に、ポリマー

口部水層）の 4 つの異なったサンプルとした。それぞブッシングの FRP コアとシリコーンゴム外皮の剥離やれの部分の反射特性の結果を図 8 に示した。図 8(a) は、水分の侵入については、外観の調査では確認できないこ

塩化ビニル板のみの信号で、塩化ビニル板の表面（10とから、非破壊で内部の剥離等を検出する手法の開発がps 付近）と裏面（33 ps 付近）からの反射ピークが確認され、裏面の信号は塩化ビニルの吸収により減少する
図7

ケーブル被覆模擬サンプル概念図

図9
図8

サンプルに反射された時間信号

テラヘルツ波発生・計測装置概念図

望まれている。我々は、テラヘルツ波によるポリマー碍

ことも分かる。塩化ビニル板とアルミニウム板が密着し子の内部欠陥検出を想定し、模擬欠陥検出の測定を行った図 8(b) では、塩化ビニル板裏面の信号とアルミニウ

た。シリコーンゴムと FRP の間に剥離や水の浸透した

ム表面の強い反射が重なっている。図 8(c) は塩化ビニ場合を想定し、模擬サンプルを作り、テラヘルツ波にル板と銅板との間に空気層を含む模擬剥離欠陥部の信号よる検出を行った。図 10 に製作した模擬サンプルを示で、塩化ビニル板の裏面反射（33 ps 付近）と銅板の表す。厚さ約 1 mm のアルミニウム平板に直径 10 mm の面反射（38 ps 付近）が完全に分離して確認できる。更穴を一つ空けた。アルミニウム板の前面に厚さ約 4 mmに、水を封入した模擬欠陥部では、図 8(d) に示すように、のシリコーンゴム板を密着し、後面の開口部を FRP 樹

銅板表面からの反射は水に吸収されるため、図 8(c) で脂で封じ、剥離欠陥を模擬した。また、穴の中に水を封21

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

示す。シリコーンゴムの裏面反射（48 ps 付近）と FRP
樹脂の表面反射（55 ps 付近）が完全に分離して確認できる。2 つピークの時間差より 1.0 mm の隙間であることが求まり、アルミニウム板に空けた穴の肉厚約 1 mmと一致することから反射波ピークの時間差よる隙間の算
出が正しいことがわかる。さらに、隙間に水を封入した
模擬欠陥では、図 11 (c) に示すように、シリコーンゴ
ムと水の境界面からの反射信号の位相が反転することが確認できた。また、水と FRP 樹脂の境界面からの反射
信号は、テラヘルツ波が水に吸収されるため現れない。
以上の結果より、シリコーンゴムと FRP 樹脂が完全に密着している場合に比べて、隙間がある場合、水が浸入した場合では、反射波信号に違いがあり、この信号を確

図 10 ポリマー碍管剥離、浸水（水を封入した場合）
欠陥模擬サンプル。
(a) サンプル構造(b) サンプル写真

認することにより欠陥検出が可能である。
５．低周波数帯テラヘルツ波反射測定系
これまでの研究結果より、テラヘルツ波の反射波とノイ入することにより、浸水欠陥を模擬した。図 10 (b) は、ズを明確に判別するためには、低周波数帯テラヘルツ波

前後を貼り合わせた模擬サンプルの外観である。図 11の利用が有効であることがわかった。そのため、我々は(a) は FRP 樹脂で封じない場合の反射時間波形の結果で低周波数領域に特化した光伝導アンテナを採用した実験あり、シリコーンゴム板の表面（5 ps 付近）と裏面（50装置を構築した。テラヘルツ波の発生・検出試験を行い、ps 付近）からの反射ピークが見られる。裏面からの信入れ替えた発生器のテラヘルツ波の電場波形と周波数の特性を評価した。発生したテラヘルツ波の波形を図 12に示した。比較のために、従来の発生器により発生されたテラヘルツ波の波形も同図に示した。発生周波数帯域
が低周波数域に限定されるために、図の 10 ps の時間

図 11 ポリマー碍管剥離模擬サンプルの反射波時間波形。
(a) シリコーンゴムのみ、(b) 1mm の隙間（大気）、(c)
隙間 1mm に水を封じた場合

図 12 発生したテラヘルツ波の電場波形

号はシリコーンゴムの吸収により減少することも確認で位置にある信号の半値全幅は、従来の発生器では 0.7 ps

きた。また、2 つの反射波の時間差より、シリコーンゴであったのに対して、低周波数発生器では 3.6 ps に広ムの厚さが 4.1 mm であることが算出できた（シリコー

がった。

ンゴムの屈折率を 1.61 とした）
。次に、FRP 樹脂で封実際のポリマー碍管は図 13(a) に示すように約 4 mm

じ 1 mm の隙間（空気）がある場合の結果を図 11(b) に厚みのシリコーンゴム外皮と FRP コアで構成される。

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

22現在の実験装置では、ポリマー碍管そのままで計測する

そして欠陥部に水を浸透させた場合にテラヘルツ波照射のが不可能であるため、サイズがサンプルステージに実験を行い、表面や界面から反射された波形を計測す合うよう図 13(b) に示すようにポリマー碍管の一部を切る。欠陥なし部の実験では、テラヘルツ波を入射すると、り出した。その上、模擬欠陥を作るために、シリコー

シリコーンゴム表面で一部を反射した後、吸収により減衰しながらシリコーンゴム内を伝搬する。そのあと、シリコーンゴムと FRP との境界面に反射され、更に吸収、減衰しながらシリコーンゴム表面から反射信号として検出される。その結果を図 14(b) の黒線で示す。表面反射から約 65 ps 遅れてシリコーンゴム／ FRP 樹脂境界の反射信号が検出された。空気層のある欠陥部照射の場合
は、シリコーンゴムを伝搬したテラヘルツ波は、シリコー
ンゴムと空気層との境界面、および空気層と FRP との図 13 ポリマー碍子サンプル製作 (a) ポリマー碍管
(b) ナイフで切り込みにより空気層欠陥作成

境界面でそれぞれ反射され表面へ戻る。検出された信号を図 14 (b) の赤線で示す。内部境界面からの反射信号を比べると、欠陥部からの反射信号は僅かな空気層（隙ンゴムと FRP 樹脂境界面に沿って、ナイフ（厚さ 0.5間）の存在で境界反射率が増大し、欠陥なしの場合の約mm）で切り込みを入れ、空気層を持つ内部欠陥を製作

2 倍の大きさの反射光が見られる。この現象により、ポした。シリコーンゴムの収縮性により、実際の空気層隙

リマー碍管内部の隙間欠陥を識別できると言える。但し、間のサイズは確認できないが、切り込みによる欠陥部

低周波数域テラヘルツ波の時間信号の幅は広いため、シは、10 mm × 10 mm × 0.1 mm 以下と見積もられる。

リコーンゴム裏面／空気、空気／ FRP 樹脂の 2 つの反図 14(a) に示すように、サンプルの欠陥なし部と欠陥部、射信号の分離はできず、隙間の厚さ測定はできない。また隙間に水を浸透させた場合の反射信号波形は図 14(b)の青線で、水が無い場合に比べて、僅かに反射信号が小さくなっている。これは、低周波数テラヘルツ波になったことにより水の吸収が減少したこと、また隙間が 0.1
mm と狭く完全に水で満たされていないためである。
６．まとめ
テラヘルツ波は新しい計測、分析手法を生み出している。
その一つとして、我々は電力設備の絶縁材料内部の劣化診断について検討を行って生きた。これまでの実験成果
は、全て環境の整った実験室内で、かつ光学定盤上での結果である。実際の電力設備設置現場は、屋外も多く、室内であっても粉塵、騒音に晒されるところも少なくない。そのような環境下においても、安定に、かつ正確に診断できる装置が要求される。今後、現場での適用を考え、装置の小型化、計測の高速化、耐環境性などの課題を検討し、多くの種類の絶縁材料に対して、計測・診断研究を展開する。

図 14 模擬欠陥検出実験。(a) 実験配置図 (b) 検出
したテラヘルツ波時間波形
23

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

参考文献
1) D. Li, S. Motokoshi: Int. J. Magnetics Electromagnetism
2, 006 (2016)2) 李大治、本越伸二テラヘルツ波によるポリマー碍子内部欠陥診断」応用物理秋季講演会 , 2016 年 9 月

3) 本越伸二、李大治、委託研究報告書「テラヘルツ波による電力設備診断技術に関する調査研究」平成 25 年 2 月

4) 本越伸二、李大治、委託研究報告書「テラヘルツ波による電力設備診断技術に関する研究」平成 25 年 9 月

5) 本越伸二、李大治、委託研究報告書「テラヘルツ波による電力設備診断技術に関する研究」平成 27 年 2 月

6) 本越伸二、李大治、委託研究報告書「テラヘルツ波による電力設備診断技術に関する研究」平成 28 年 2 月

7) 本越伸二、李大治、委託研究報告書「テラヘルツ波による電力設備診断技術に関する研究」平成 29 年 2 月

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

24レーザーブレークダウン分光法による
碍子表面塩分計測技術の開発
島田義則

レーザー計測研究チーム
１．レーザーを用いた塩分計測を開始

２．ダブルパルスを用いた計測方法

弊所では平成 21 年度から変電所、送電線、配電線にこの計測方法では、2 種類のパルスレーザーを組み合使用される碍子表面に付着する塩分をレーザーで計測す

わせた（ダブルパルス方式）。開発当初は大きなプレパる技術開発を行った。

ルスレーザーを手で持つタイプとしたため図 1 に示すよ塩分は碍子の絶縁不良の主要因であるため、定期的にうな大きな装置となったが、最終的には光ファイバーを

その付着量を計測し、一定量を越えた場合には洗浄を行用いることによりハンディ型装置とした。（図 2）。

う必要がある。従来の計測手法には筆洗（ふであらい）

ハンディ型装置の概念図を図 3(a) に示す。自作した法などがあるが、この手法は蒸留水で付着塩分を完全に炭酸ガスレーザーをプレパルスレーザーに、マイクロチッ

洗い流すのに熟練が必要で、時間も必要である等の課題

プレーザーをメインパルスレーザーに用いた。プレパルスがある。このため、レーザーブレークダウン分光法を用

レーザーを碍子表面に垂直に入射して付着塩分を飛翔さいて碍子を損傷させずに付着塩分量を計測する新手法のせた後、発振タイミングを制御したメインパルスレーザー開発を行った。

を碍子表面の手前に焦点がくるように斜め方向から集光入射し、塩分中のナトリウムの D 線（589nm）を発光させてそのピーク強度を小型分光器で計測した。プレパル
スレーザー光をファイバー伝送することにより手で持つことが可能となった（ハンディ型装置（図 3(b)））。これにより操作性は大きく向上し、計測点 1 点あたりに

図 1

初期の塩分密度計測装置

図3
図 2 ハンディ型計測装置による碍子付着塩分計測の様子(a) ハンディ型レーザー塩分密度計測装置構成、(b) 自作した計測ヘッド部の写真

要する時間を数秒にまで短縮できた。また、レーザー本
体および電源部等の制御系をキャリーケース内に納めることで装置の運搬が容易となり、AC100V の電源が確保できれば屋外での計測も基本的に可能である。
25

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

３．曝露碍子の塩分密度計測

よる結果と比較した。曝露碍子には塩分だけでなくさま

ハンドホールド型装置を用いて屋外で曝露した碍子

ざまな塩類が付着しているが、濃度計測には Na イオン（曝露碍子）の塩分密度計測を行い、その性能評価を行っメーターを用いており、碍子上に付着したナトリウム塩た。サンプルには曝露時期、期間がそれぞれ異なり、塩濃度と D 線のピーク強度を直接比較した。両計測値を分付着量も異なる 3 つの曝露碍子を用いた。レーザー

比較した結果を図 4 に示す。両計測値はほぼ比例関係

計測の場合、1 度の測定で得られる密度は碍子上のあるにあるため、検量線を作成することにより付着塩分の計

1 点（1mm 程度）に限られることから、曝露碍子全体測が可能である。レーザー法では、密度約 0.002 mg/の塩分密度を平均的に計測するため、碍子の裏面（ひcm2 までの付着塩分が検出できる。碍子洗浄が必要な密だ）部分を 6 つの領域に分け、各領域で 24 点を選択し度は 0.03 mg/cm2 であるため、本装置を用いれば少な

計 144 点の計測データを取得した。得られたデータはくともその 10 分の 1 以下の低密度計測が可能である。

碍子の表面積を考慮した上で平均化し、碍子全体の塩分

本装置は計測に必要な面積が微小であるため、検査後密度を示す値とした。計測点によってはナトリウムＤ線

も塩分付着の履歴がリセットされずトレンド管理が可能のピークが得られない場合もみられたが、塩分は碍子上である、碍子の部位別の塩分密度や付着塩分の分布が計に不均一に（まばらに）付着していると考えられるため、測できる等、従来法にない利点も持ち合わせている。

φ

それらの結果は計測点に塩分付着がないものとして平均値に含めた。曝露碍子全体の付着塩分密度は、レーザー

本研究は関西電力からの受託研究により実施した。

計測後の碍子を用いて筆洗法により求め、レーザー法に参考文献
1) 島田義則、谷口誠治、本越伸二、加藤宏太、渡辺英世、河崎晋也、赤松浩和、中山勇、“ レーザーを用いた碍子表面塩分計測 ”、レーザー学会学術講演会、(2012).

2) 島田義則、谷口誠治、本越伸二、“ レーザーを用いた碍子表面塩分計測 ”、レーザー学会学術講演会、(2014).

3) 島田義則、谷口誠治、本越伸二、岸田知門、“ レー

図 4 レーザー計測による曝露碍子の Na D 線ピーク強度の平均値と筆洗法により求めた付着塩分密度の比較

ザーを用いた碍子表面塩分計測 ”、電気学会 C 部門
大会、(2014).

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

26時間分解レーザー計測による蛋白質の光励起メカニズム〜創薬分野への応用を目指して〜

谷口誠治

レーザーバイオ化学研究チーム
１. はじめに

これらの結果は、p- クマル酸の異性化が光励起により生体内には多種多様の蛋白質や酵素が存在し、各々が生じる芳香環の歪みを起因として起こることを示しておそれ特有の高い機能を示す。これらの機能性の要因を明り、これまでに得られなかった新たな知見を報告する

らかにすることは、医療や創薬、化学、電子産業などさことができた 1)。この研究は大阪大学レーザーエネル

まざまな分野への応用への大きな足がかりとなる。当研

ギー学研究センターおよび電気通信大学大学院先端超高究チームでは、超短パルスレーザーを光源とする時間分速レーザー研究センター（レーザー計測システム）、京

解計測法を用いて種々の蛋白質、酵素群の光励起ダイナ

都大学大学院理学研究科（蛋白試料の精製）との共同でミクスを観測することにより、それらの機能メカニズム

行われたもので、当時は多くの関係者の方々にお世話にを明らかとする研究を行ってきた。また最近、時間分解なった。この場を借りて感謝したい。

計測法の創薬への応用を目指して蛋白質の薬剤による機能抑制効果（機能阻害効果）に関する研究を展開している。レーザー総研創立 30 周年にあたり、本稿において過去 5 年間の主な研究成果をまとめる。
２．sub-10fs レーザーによる光活性蛋白質 PYP の光
初期過程の観測

光活性黄色蛋白質 PYP（photoactive yellow protein,
図 1(a)）は青色光（~ 400nm）から逃げる性質（光負図 1 (a) PYP の立体構造、(b) p- クマル酸の光異性化反応走光性）をもつ好塩菌中に含まれ、青色光を吸収する分子（p- クマル酸）を内包する。PYP は p- クマル酸の光吸収による trans-cis 異性化反応（図 1(b)）がトリガーとなり、蛋白質の構造変化を伴う中間体を経て元の状態に戻る（光サイクル反応）ことから、バクテリアの “ 目 ”の機能を果たす蛋白質と考えられている。
このことから、PYP の機能メカニズムを明らかとすれば、高感度受光素子の開発などに有益な情報をもたらすものと期待される。本研究では、PYP の光反応のごく初期の過程をパ
ルス幅約 7.5fs という超短レーザーパルスを用いた過渡吸収法により観測し、p- クマル酸の分子振動、つまり光励起直後に蛋白質内で分子が動く様子を直接的に捉えることを試みた。その結果、過渡吸収データにこれまで観測できなかった振動成分が確認され、モード解析に

図 2  PYP に内包された p- クマル酸の光励起直後の分子よりこの振動が p- クマル酸内の芳香環の面内伸縮振動

振動モード (v25)(v25) モードにあたることがわかった（図 2）。また光励
起時のこの振動モードの振動数は、暗条件のものと比較して低波数側にシフトしていることが明らかとなった。
27

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

３．フラビン蛋白質の超高速電子移動メカニズム

キシン（図 4 (a)）のフェムト秒蛍光データを示す（図 5）。

我々が継続して行ってきた研究テーマに、蛋白質内で観測波長は 530nm、500nm である。蛍光はともに光起こる特異的な光誘起超高速電子移動過程の解明があ

励起直後から超高速電子移動反応に起因する急速な減衰る。この反応の代表的なものが光合成初期過程であり、を示し、蛋白質の立体構造との比較から電子移動反応は実際の蛋白質（光合成反応中心複合体）を対象とした研

(a)

(b)

ボフラビン誘導体を内包する蛋白質の総称である。生体

図4(a) ピロリ菌フラボドキシンの立体構造、内には多種多様のフラビン蛋白質が存在しており、主に(b) 補因子 FMN、アミノ酸残基（Tyr 92）の 立体配置

体内物質の酸化還元反応を触媒する機能を担うが、その図 5 ピロリ菌フラボドキシンのフェムト秒蛍光データ。

究は現在でも世界中で盛んである。これに対し我々は、
主にフラビン蛋白質を対象とした研究を行ってきた。
フラビン蛋白質とは、補因子（蛋白質内で実際に機能する分子）としてフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）やフラビンモノヌクレオチド（FNM）などのリ

一方で FAD や FMN は青色光を吸収し、蛋白質を構成す
る周囲のアミノ酸残基の一部（チロシン、トリプトファ
ンなど）から電子を引き抜く（電子移動反応）性質を持っている。またその速度は一般的な溶液中反応でのそれに比べ非常に大きい。このことは、蛋白質内で起こる高効率の電子移動反応が生命維持の重要な要因となっていることを端的に示しており、またフラビン蛋白質が光合成
反応中心と同様、生体内高効率電子移動のメカニズムを解き明かすためのモデル蛋白質として用いることが可能であることを示している。この観点から我々は、種々のフラビン蛋白質を用いてそれらの光誘起電子移動反応
を、主に自作したフェムト秒時間分解蛍光計測法（蛍光観測波長（上）500nm、（下）530nm

アップコンバージョン法）システム（図 3）2) を用いて観測するとともに、実験データの理論的分析を行って主として FMN と FMN に最も距離が近いチロシン（Tyr92、きた。最近 5 年間に研究したフラビン蛋白質は、胃腸図 4 (b)）との間で起こることがわかる。

炎の要因となるピロリ菌（Helicobacter Pylori）内に含

さらに我々は、このようにして得られた実験データ

まれるピロリ菌フラボドキシン 3)、光合成細菌の一種を元に、蛋白質内電子移動速度の理論的な解析を進めである硫酸還元菌中に存在する FMN 結合蛋白質 4)、腐ている。解析には、溶液中反応の解析によく用いられ朽菌（Trametes multicolor）に含まれる 2- ピラノース

る Kakitani-Mataga の理論式を拡張したものを用いてい酸化酵素 5, 6) などである。例としてピロリ菌フラボドる。この式を用いて溶液中反応との比較を行うことにより、蛋白質内電子移動の優位性の要因となるパラメータを決定することができると考えている。一方、電子移動速度を理論的に解析する際には、蛋白質の詳細な構造や、
補因子およびアミノ酸残基の電子分布などの情報が必要となる。これに関して我々は、分子動力学（MD）計算、
電子軌道（MO）計算により得られた情報を取り入れた解析を行ってきた。これまでに、FMN 結合蛋白質とその変異体（ミュータント）における理論解析結果について報告した 7, 8) が、今後他の蛋白質の反応を含めた体

図3

フェムト秒蛍光計測（アップコンバージョン）
システムの写真

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

系的な電子移動理論モデルの構築に向け、さらに研究を進めていく。
28

４. 時間分解蛍光計測による蛋白質の機能阻害効果の研究

26410029）の支援の下、平成 26 年度から本研究を開前項で述べた研究は、蛋白質反応のメカニズムに関す始した。例として、図 8 に阻害剤に 4- アミノ安息香酸

る学術的、基礎的なテーマであるが、一方で我々は、時ナトリウムを用いた際のブタ腎臓由来 DAAO のフェム間分解レーザー計測技術のより実用的な利用法について

ト秒蛍光データを示す（観測波長 525nm）。DAAO のみも探索を行ってきた。応用へのヒントとなったのは、徳の試料（図中赤線）の場合、蛍光は 2 成分指数関数で島大の福井清教授らによる、統合失調症患者の薬剤治療

減衰し、寿命はそれぞれ 3.7、37.8ps であるが、阻害剤に関する報告である。彼らは統合失調症患者の脳内 D-を添加すると、FAD との錯体形成により DAAO の蛍光アミノ酸の濃度が通常よりも低下しており、その要因

成分が低下し、約 300fs の速い減衰を示す錯体の蛍光が脳内で D- アミノ酸を分解（酸化）する機能を持つ D-が添加濃度に応じて強く表れる様子が観測される（図中アミノ酸酸化酵素（D-amino acid oxidase (DAAO)、図緑、青線）。これらの実験データを解析することにより、6）の異常活性によるものであることをつきとめた。さDAAO と阻害剤の錯体化の効率、つまり機能阻害効果をらに彼らは、DAAO の反応を抑制する薬剤（機能阻害定量的に見積もるこことができる。さらに特筆すべきは、剤）の投与が脳疾患の治療に有効である、と指摘した。

DAAO の 2 種の寿命成分が蛋白質の構造異性体に由来

DAAO の反応およびその機能阻害効果を図示したもの

するものであり、それぞれの阻害効果も異なることを明を図 7(a)、(b) にそれぞれ示す。DAAO は通常 D- アミノ

らかにしたことである 9, 10)。この結果は、阻害剤開発

酸を D- イミノ酸へと分解するが、阻害剤を投与するとには蛋白質の構造因子を考慮することが重要であること

DAAO 内の FAD と阻害分子が結合して錯体化し、アミを示すとともに、時間分解レーザー計測技術が、従来にノ酸の分解が抑制されることがわかる。一方、DAAO はない詳細な情報もたらす新手法として創薬の分野に応用

補因子に FAD を有していることから、前項で述べたフェ可能であることを示している。我々はすでに、ヒト由来

ムト秒蛍光計測法を用いれば、その反応を観測すること

DAAO やマラリアを媒介するマラリア原虫由来のアミノ可能である。このことから我々は、DAAO に種々の阻害酸代謝酵素（SHMT）など、実用に近い試料の研究を進

剤を添加してそれぞれの光励起過程を比較することによめており、本手法の実用化を目指した研究を展開していり、薬剤として最も適した阻害剤の探索が可能であるとく。

( a )    (b)図 6  (a) ヒト由来 D- アミノ酸酸化酵素（human DAAO）
      の結晶構造、(b) 補因子 FAD の分子図
(a)

(b)

図8

DAAO のみ（赤線）、阻害剤（18mM）添加時（緑線）、阻害剤（71mM）添加時（緑線）のフェム
ト秒蛍光データと蛍光寿命フィッティング曲線

５．学術分野を跨いだ研究コラボレーション

図 7 (a)DAAO の反応スキーム、(b) 阻害剤による       機能阻害効果

蛋白質を対象とした我々の研究には、希少な蛋白質試
料の作成技術を持つ研究グループの協力が必要である。

考えた。蛋白質に薬剤を加え、その生理活性を計測する

ここでまとめた研究も、大阪市立大学大学院工学研究科

手法は実際の薬剤開発にもよく用いられるが、レーザー

北村研究室（フラビン蛋白質）をはじめ、北里大学薬学法を導入することにより、機能阻害効果についてのより部生体分子解析学教室（DAAO）、京都大学大学院理学

有益な情報を得られる可能性もある。この観点から我々

研究科生物物理学教室（PYP）など多くの研究室の協力

は、科学研究費補助金（基盤研究 (C) ( 一般 )、課題番号を得て行われた。また最近、新たにタイの計算化学の研29

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

究チーム（Chulalongkorn 大、Mahasarakham 大）との国際共同研究を開始し、MD、MO 計算法を用いた計測
データの分析を進めている。学術分野を跨いだこのようなコラボレーション研究は、新技術の開発や学術的な発見には不可欠である。ご協力頂いた方々に深く感謝するとともに、今後も協力体制のさらなる発展に努めたい。

発表論文
1) J. Liu, A. Yabushita, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, Y.
Imamoto, K. Sueda, N. Miyanaga, T. Kobayashi, J. Phys.
Chem. B, 117, 4818–4826, 2013.

2) H. Chosrowjan, S. Taniguchi, F. Tanaka, FEBS Journal,
282, 3003-3015, 2015.

3) K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, A. Nueangaudom, S.
Kokpol, F. Tanaka, N. Nunthaboot, K. Ogino, R. Takagi,

T. Nakanishi, M. Kitamura, S. Taniguchi, H. Chosrowjan,
J. of Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 268, 58–66,
2013.

4) S. Taniguchi, H. Chosrowjan, F. Tanaka, T. Nakanishi, S.

Sato, Y. Haruyama, M. Kitamura, Bull. Chem. Soc. Jpn.,
86, 339-350, 2013.

5) H. Chosrowjan,, S. Taniguchi, T. Wongnate, J. Sucharitakul, P. Chaiyen, F.Tanaka, J. of Photochem. Photobiol. A:
Chemistry, 234, 44-48, 2012.

6) S. Taniguchi, H. Chosrowjan, T. Wongnate, J. Sucharitakul, P. Chaiyen, F.Tanaka, J. of Photochem. Photobiol. A:
Chemistry, 245, 33–42, 2012.

7) N. Nunthaboot, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S.
Kokpol, F. Tanaka, S. Taniguchi, H. Chosrowjan,

T. Nakanishi, M. Kitamura, Computational andTheoretical Chemistry, 1030, 9-16, 2014.

8) N. Nunthaboot, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S.
Kokpol, F. Tanaka, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, T.

Nakanishi, M. Kitamura, J. of Photochem. Photobiol. A:
Chemistry, 326, 60-68, 2016.

9) F. Tanaka, K. Lugsanangarm, N. Nunthaboot, A.

Nueangaudom, S. Pianwanit, S. Kokpol, S. Taniguchi, H.

Chosrowjan, Physical Chemistry Chemical Physics, 17,16813-16825, 2015.

10) A. Nueangaudom, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit,,

S. Kokpol, N. Nunthaboot, F. Tanaka, S. Taniguchi, H.
Chosrowjan, RSC Advances, ,10, 54096-54108, 2014.

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

30レーザー開発

31

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト

藤田雅之
レーザープロセス研究チーム◆次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト

ザーができあがるまでは、レーザー総研はスラブ型レー2010 年 8 月から NEDO「高出力多波長複合レーザー

ザー媒質の熱解析やビーム伝搬のシミュレーションを担加工基盤技術開発プロジェクト（プロジェクトリーダー：

当し、レーザーが立ち上がった後は増幅ビームの波面測尾形仁士）」が 5 カ年計画でスタートした。研究開発項

定・解析や波長変換結晶の反射防止膜の耐力試験などを目として、「①半導体レーザーの高出力化技術の開発」、

分担し、レーザー研の研究支援（ある意味、裏方的な業「②レーザー高品位化技術の研究開発」、「③多波長複合務）を行った 1-4)。

加工技術の開発」の 3 つが設定された。レーザー加工

レーザー媒質の熱解析やビーム伝搬のシミュレーショ

用の光源開発と加工技術開発を同時並行して進めるプロンは主に古河研究員が担当した。市販の熱解析コード

ジェクトであった。レーザー総研は、技術研究組合・次（ANSYS、Solid Works 等）を用いて励起されたレーザー世代レーザー加工技術研究所（ALPROT、理事長：中井

媒質内に発生する熱応力の計算を行い、その計算結果

貞雄）の一員として「②レーザー高品位化技術の研究開を独自に開発したコード THESLAC に導入し光線追跡を発」に参画し、阪大レーザー研と協力してレーザー開発行った。一例として 2012 年 2 月 9 日の技術開発会議を進めることとなった。

で報告したレーザー媒質内を伝搬させた光の波面歪み計

技術研究組合員としてのプロジェクト参加は今回が始算結果を図 1 に示す。

めてであった。NEDO からの研究費は組合の事務方において組合のルールに従って全て処理され、間接経費は組合の取り分となる。出張旅費の精算も組合の旅費規程で支払われる（レーザー総研よりも待遇が少し良かった）。
大型物品の購入においては、入札の是非の判断は組合の規定に従い、手続きは組合事務で処理されるので研究者の負担が軽減されることになる。場合によっては国際入札を回避できることになる。備品は組合の資産となり、プロジェクト終了後に組合が解散した場合は大学又は国研に移管される。
ある意味、
美味しい仕組みである。一方、実験の都合でミラー 1 枚、ネジ 1 本が早急に必要となった場合でも組合事務方を通してしか入手できないので、臨機応変に試行錯誤を積み重ねる研究においては一抹の図 1 励起されたレーザー媒質内を伝搬したレーザー光波面の計算結果

もどかしさを感じることとなる。

シミュレーションは様々な物理効果を同時に計算する

研究開発項目「②レーザー高品位化技術の研究開発」

ものであるが、一方で人為的に特定の物理現象による効は幾つかのサブテーマから構成され、「（２）パルスレー

果だけを計算することもできる。波面歪みを引き起こす

ザー増幅（ブースター）技術の開発」の中の「１）kW要因としては、熱応力に伴う屈折率の変化と変形した媒級ブースター増幅器の開発」及び「（３）高出力波長変質境界面での反射の二つが考えられる。図 1 の左上は換技術の開発」の中の「２）波長変換の高効率化技術の全ての効果を考慮した場合の波面歪みを示す。残りの 3開発」にレーザー総研が参画した。

つは反射面の変形効果のみ、Non-doped YAG 中の屈折

阪 大 レ ー ザ ー 研 を 中 心 と し て Zig-Zag ス ラ ブ 型

率分布の効果のみ、励起光が吸収される Nd:YAG 中の屈Nd:YAG レーザーの開発が進められた。実際のスラブレー
レーザー技術総合研究所30周年記念誌

32

折率分布の効果のみを考慮した結果である。これらの計算から、媒質の変形による効果が波面歪みに与える影響として最も大きなものであることが推定された。
2012 年 4 月からプロジェクト名称が「次世代素材等
レーザー加工技術開発プロジェクト」に変更（財源（勘定）も一般会計から特別会計に変更）となり、2012 年
8 月に中間評価が行われた。7 名の評価委員から下された評点は 3 点満点に対して、「事業の位置付け・必要性に対して」=2.3、「研究開発マネジメント」=1.1、「研究開発成果」=1.7、「実用化の見通し」=1.6 とやや辛口の結果であった。この中間評価を受けて、プロジェクト後半の研究計画を、より出口イメージを意識し、光源開発と加工技術開発が連携したものとなるように見直すこと

図2

温度制御分割数に対する波長変換効率

図32 温度制御における SHG 変換効率および結晶内となった。
平成 25-26 年度（2013-2014）の研究に対して実施計画書が変更され、研究開発項目は「１. CFRP 切断加工技術の開発」、「２. 大面積処理技術の開発」、「３. 粉末成形技術の開発」となった。レーザー総研は、「１.
CFRP 切断加工技術の開発」のサブテーマである「(1)高品位・高出力パルスレーザーの開発」の「①パルスレー
ザー高品位・高出力化技術の開発」の中の「1) ファイ
バーレーザーのパルス制御・高性能化技術の開発」において「ナノ秒パルスの固体ブースター増幅器への供給及び CFRP 加工実験へのビーム供給」を、「2) パルスレー
ザー増幅（ブースター）技術の開発」において「固体ブー

温度分布の計算結果（単一温度制御との比較）

スター増幅器の開発（H25 のみ）」と「ビーム結合ファ
イバーブースター増幅器の開発」と「波長変換の高効率軸に沿った温度分布が生じる。結晶の出口に近くなるほ化技術の開発」に参画した。

ど温度が上がり、変換効率が低下する。これを補償す

プロジェクト後半の主な研究開発は、4 本のフォトるために、結晶の入り口から出口に向かって制御温度にニック結晶ファイバー（PCF）出力をコヒーレント結合

勾配をもたせることを考えたわけであるが、制御温度をするモジュールを 3 セット作製し、それぞれのモジュー

42 分割と緻密に制御しても、2 分割としても結果に大ルを異なる波長（1040nm, 1050nm, 1060nm）で動作

きな違いがないことが見いだされた（図 2）。結晶内温させて 3 ビームを波長結合し 1.5kW の出力を実現し、度が定常状態に達するまで 2 秒ほどかかり、単一温度

さらに波長変換して 600W のグリーン、200W の UVで制御した場合に比べて 20％ほど変換効率が改善するのパルス出力を得るというものであった 5-7)。ここでは、ことが示された。2 温度制御をかけた時の結晶内温度分

かねてからコスロービアン副主任研究員と谷口副主任研

布は図 3 右上に示す様に光軸に沿って均一となる。

究員が研究を進めていたコヒーレントビーム結合の経験

2015 年に入り、基本波出力 1.5kW の目標値を達成が役に立った。また、波長変換においては結晶中の温度すべくレーザー研、レーザー総研が一体となって実験を分布を解析し、光軸方向に生じる温度勾配を補償する手進めた。3 台のモジュールを同時に動かして出力光を結法が李研究員と本越主任研究員により提案された。

合していくのであるが、実験室の都合上 1 つのモジュー2014 年 5 月 15 日に開催された技術開発会議で報告

ルが離れた所に設置された。レーザー研の吉田氏、椿本

された内容を図 2 と図 3 に抜粋して示す。波長変換結氏の指示の下、レーザー総研のコスロービアンと北村両

晶内ではレーザー光の吸収により温度上昇が生じ、外部研究員が離れた 1 台を担当した。各モジュールに最低から単純に温度制御をかけても図 3 右下に示す様な光

一人は付きっきりとなり、且つそれぞれで 500W 超の33

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

平均パワーを絞り出していく作業が続いた。全部で 12励起パワーの増大に伴い、液体窒素の急激な沸騰（膜沸本の PCF 増幅器を動作させるのだが、いかんせん 12 本

騰）が問題となり冷却手法の改善を迫られることとなっの PCF それぞれが個性を持っていることが分かってきた。クライオスタット内で液体窒素の撹拌を試みたが上た。各 PCF の出力を合計すると 1.8kW であったが、コ

手くいかず、最終的に噴流冷却を採用することとなった。

ヒーレント結合すると 1.4kW にしかならない。システ2015 年に液体窒素噴流冷却システムを三菱重工が開ムを一部組み替えて PCF をなだめすかしながら調整し、発し、励起パワー 2.4kW に対して 1kW 以上の発振出

最終的に出力 1.52kW が達成された。

力を 2 分以上にわたって安定的に得ることに成功した。

プロジェクトは 2015 年 3 月末で終了し、8 月 20 日

さらに冷却システムを改良し、5kW 以上の励起パワーに実施される事後評価への対応作業が進められた。また、に対して 1kW 以上の増幅出力を 20 分以上にわたって

ALPROT は 3 月末をもって解散し、4 月 30 日に清算運

安定的に得ることにも成功している 16)。また、この頃

営委員会、5 月 12 日に最後の総会が開催された。

から室温水冷の可能性を検討し、予備実験を開始した。

事後評価の評点は 3 点満点に対して、「事業の位置付け・必要性に対して」=2.6、「研究開発マネジメント」◆新たなプロジェクトの試み=2.4、「研究開発成果」=2.3、「実用化の見通し」=1.9 と、NEDO プロで得た知見、三菱重工からの委託研究の実中間評価に対応してプロジェクトを組み直したことで高績を元に、2016 年 5 月に安全保障技術研究推進制度へ

評価につながったと言えるのではなかろうか。

「ゼロフォノンライン励起新型高出力 Yb:YAG セラミッ研究支援という立場での参画であったが、プロジェク

クレーザ」と題した研究提案を申請した。ヒアリングをト中にレーザー研と一緒に進めたビーム計測やコヒーレ

経て、7 月 28 日付けで採択通知が送られてきた。平成

ント結合実験、波長変換の解析、レーザー媒質の熱解析

28 〜 30 年度（2016 〜 2018 年度）の 3 年間のプロジェ

等、以後の研究に大いに役立つ知見が蓄積された。

クトが始まった。
これまでの研究との相違点は、（１）液体窒素冷却では◆ kW 級低温冷却 Yb:YAG レーザー開発

無く、水冷方式を採用して kW 級のレーザー発振出力

レーザー総研は 2007 年から三菱重工業（株）の委託を目指す、（２）励起波長 940nm では無く、969nm のを受けて大出力レーザーの開発を続けてきている。前記

光で励起（ゼロフォノンライン励起）する、といった 2

NEDO プロでは研究支援という立場でレーザー開発に携点である。将来的な産業応用を考えると水冷方式への移わったが、それと並行して、別財源で kW 級低温冷却

行は自然な流れであるが、Yb:YAG を常温で動作させる

Yb:YAG レーザー開発とコヒーレントビーム結合技術開と発振効率が低下し熱負荷が増大する。そこで、発振波発を行っていた。
活動の詳細は本誌の谷口副主任研究員、長に近い 969nm で励起することで発熱損失を約 30％

コスロービアン副主任研究員の寄稿に記述されているの低減しようという試みである。

で、ここでは大まかな流れを紹介する。

Yb:YAG には大きな吸収ラインが 940nm と 969nm に2000 年代後半から阪大レーザー研の宮永憲明教授、河あ る が、969nm の 吸 収 線 幅 が 狭 く て LD 励 起 に は 不仲準二准教授のご指導の下、古瀬裕章研究員を中心と向きであるとされてきた。近年、VBG (Volume Bragg

して液体窒素冷却 Yb:YAG レーザーの研究開発を進め、

Grating) を内蔵した線幅が狭い LD 光源が開発されゼロレーザー発振のダイナミクスや発振出力の温度依存性

フォノンライン励起が可能となった。

が明らかとなっていった 8-10)。励起用 LD の出力が限2016 年 8 月下旬に PO（プログラムオフィサー）のサられていたため（業界で言うところの ”pump limited”）、

イトビジットがあり、さぁやるぞ、と気合いを入れた

当初は数 100W レベルの発振実験が主であった。

が、防衛装備庁との実施計画書のやり取りに約 3 ヶ月

2012 年にシード光となるファイバーレーザーや数 kWを要して、契約の締結は 10 月 17 日までずれ込んだ。

出力の励起用 LD を導入し、研究は増幅試験へとシフト

NEDO とも JST とも違う独特の書類のやり取りがあっしていった。古瀬研究員が 2013 年 4 月に北見工業大た。初年度は実質 5 ヶ月の研究期間となってしまったが、学へ転出した後は、櫻井俊光研究員、谷口副主任研究員、実験設備を関西電力技術研究所内に移設し、レーザー発

コスロービアン副主任研究員が協力して kW 級出力の実振実験をスタートさせた。

験を進めた。（櫻井研究員は 2014 年 7 月に国立極地研

本制度による研究に関して世間では色々と誤解や矛盾が究所へ転出、2016 年 7 月から寒地土木研究所研究員。
）

取りざたされているが、内容は基礎研究であり成果は公

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

34

開されるものである。残り 2 年間のプロジェクトを粛々Advance Lasers and Photon Sources, 17-20 May 2016,と進め、成果をきちんと発信していきたい。

Pacifico Yokohama, Yokohama.

7) H. Chosrowjan, T. Kitamura, M. Fujita, S.Taniguchi,

文中、一部敬称を略しています。

Y. Izawa, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga,“ C o h e re n t c o m b i n i n g o f h i gh ave ra g e p owe r

発表論文
1)

nanosecond pulse laser beams ”, ThR2-p04, The 17th

K. Iyama, R. Bhushan, H. Furukawa, K. Tsubakimoto, H.

International Conference Laser Optics, 27 June-1 July

Yoshida, H. Fujita, M. Fujita, N. Miyanaga, Y. Tamaoki,

2016, Holiday Inn St. Petersburg Moskovskye Vorota,

Y. Kato, T. Kawashima, “Development of kW class

St. Petersburg.

Nd:YAG composite ceramic thin disc laser”, Photonics

8) H. Furuse, J. Kawanaka, H. Chosrowjan, N. Miyanaga,

859928, 2-7 February 2013, Moscone Center, San“Study of wave-front distortion in cryogenic Yb:YAG

West, Solid State Lasers XXII: Technology and Devices,

T. Sakurai, M. Fujita, S. Ishii, K. Takeshita, Y. Izawa,

Francisco, USA.

TRAM laser and a novel Coherent Beam Combining

2) H. Fujita, K. Iyama, R. Bhushan, K. Tsubakimoto, H.

(CBC) technique for ultra-high power laser systems”,

Yoshida, M. Fujita, N. Miyanaga, and T. Kawashima,

AT4A.20, Advanced Solid State Photonics 2012, 29“Development of a kW class Nd:YAG ceramic thin disc

January - 1 February 2012, Rancho Bernardo Inn, San

laser for advanced laser machining”, ALPSp6-18, The

Diego, California, U.S.A..

2nd Advance Lasers and Photon Sources, 23-25 April

9) H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, H. Chosrowjan,

3) K. Iyama, H. Furukawa, H. Chosrowjan, T. Sakurai,

characteristics of high power cryogenic Yb:YAG TRAM

2013, Pacifico Yokohama, Yokohama.

M. Fujita, K. Takeshita and Y. Izawa, “Output

K. Tsubakimoto, H. Yoshida, H. Fujita, M. Fujita, N.

laser oscillator,” Optics Express, 20(19), 21739-21748

Miyanaga, Y. Tamaoki, Y. Kato, T. Kawashima, “400W(2012).

Nd:YAG composite ceramic thin-disc laser in 10ns

10) H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, H. Chosrowjan,

XXIII: Technology and Devices, 8959-27, 1-6 February

10 kW-class laser system based on multiple-TRAM

pulse at 167kHz”, Photonics West, Solid State Lasers

M. Fujita, S. Ishii, K. Takeshita, Y. Izawa, “Design of2014, Moscone Center, San Francisco, USA.

configuration with cryogenic Yb:YAG ceramics”,

4) H. Fujita, K. Iyama, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, M.

ALPS4-10, Advanced Lasers and Photon Sources

Fujita, N. Miyanagaa, and T. Kawashima, “High Power

Conference 2012, 26 - 27 April 2012, Pacifico

Nd:YAG Ceramic Thin Disc Laser for Advanced Laser

Yokohama, Yokohama.

Machining”, ALPS8-6, The 3rd Advance Lasers and11) H. Chosrowjan, H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga,

Photon Sources, 22-25 April 2014, Pacifico Yokohama,

M. Fujita, K. Hamamoto, T. Yamada, and Y. Izawa,

Yokohama.

“A Novel Concept of Coherent Beam Combining5) H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita, N. Miyanaga, T.

(CBC) Technique for Applications in High Power

Yamamura, T. Sakagawa, M. Tsukamoto, H. Chosrowjan,

Multichannel Laser Amplifier Systems”, ALPS4-4,

T. Kitamura, M. Fujita, Y. Izawa, “Nanosecond Pulsed

Advanced Lasers and Photon Sources Conference

1.5 kW Average-Output-Power Fiber Laser System2012, 26 - 27 April 2012, Pacifico Yokohama,

Based on Yb-doped Rod PCFs for Filled-aperture

Yokohama.

Coherent and Spectral Combinations”, ALPS15-3, The

12) T. Sakurai, H. Furuse, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N.

4th Advance Lasers and Photon Sources, 22-24 April

Miyanaga, K. Hamamoto, T. Yamada, M. Fujita and Y.

2015, Pacifico Yokohama, Yokohama.

Izawa, “Temperature distribution characteristics in a6) H. Chosrowjan, T. Kitamura, S.Taniguchi, M. Fujita, K.

cryogenic Yb:YAG TRAM laser medium”, ALPSp6-18,

Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga, Y. Izawa, “High-The 2nd Advance Lasers and Photon Sources, 23-25

power coherent beam combining (CBC): Beam quality
and coupling efficiency in CBC”, ALPS18-4, The 5th

April 2013, Pacifico Yokohama, Yokohama.

3513) H. Chosrowjan, H. Furuse, M. Fujita, Y. Izawa, J.

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

Kawanaka, N. Miyanaga, K. Hamamoto, T. Yamada,“Interferometric phase shift compensation techniquefor high-power, tiled-aperture coherent beamcombination”, Opt. Lett., vol.38, No.8, pp. 1277-1279(2013).

14) H. Furuse, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N. Miyanaga,

M. Fujita, and Y. Izawa, “ASE and parasitic lasing in thindisk laser with anti-ASE cap”, Optics Express, vol.21,
No.11, 13118 (2013).

15) H. Furuse, T. Sakurai, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N.

Miyanaga, M. Fujita, S. Ishii, and Y. Izawa, “Amplification
characteristics of a cryogenic Yb3+:YAG total-reflection active-mirror laser”, Applied Optics, vol.53,
No.9, pp.1964-1969 (2014).

16) K. Hamamoto, T. Morioka, S. Nishikata, N. Inoue, J.

Nakatani, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, Y. Izawa, “kWclass Zig-Zag Active-Mirror Laser Amplifier with Jet
Impingement Cooling”, ATu2A-41, Advanced Solid

State Laser Conference 2015, 4-9 October 2015,
WISTA-Technology Park, Adlershof-Berlin, Germany.

17) T. Sakurai, H. Chosrowjan, H. Furuse, S. Taniguchi, T.

Kitamura, M. Fujita, S. Ishi, Y. Izawa, “Boiling effectin liquid nitrogen directly cooled Yb3+:YAG laser”,
Applied Optics, vol.55, No.6, pp.1351-1355 (2016).

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

36高出力クライオジェニックレーザーの開発

谷口誠治
レーザーバイオ化学研究チーム

当研究所（以下 ILT）では 2007 年度から、三菱重工
業株式会社（以下 MHI）の委託により高出力レーザーの開発を行っている。最終的な目標は、CW で 10kW以上の安定出力を得ることにある。この要件を満たす
ため ILT では、大阪大学レーザーエネルギー学研究セン
ター（現：レーザー科学研究所）宮永憲明教授、河仲準二准教授らの提案による、全反射型アクティブミラー
方式（Total-Reflection Active-Mirror : TRAM、図 1）を用いた低温冷却（クライオジェニック）Yb:YAG レーザーの開発を進めてきた。低温で優れた動作特性を示
す Yb:YAG と、従来のアクティブミラー方式で施されていた高反射膜を必要とせず発熱を抑制できる TRAM 方

図1

式を組み合わせることにより、より高出力、高品質のYb:YAG TRAM の外観

レーザー開発が可能であると期待される。2012 年度まが膜状となり表面を覆ってしまい冷却能力が一気に低下

でには、TRAM により 200W 級の出力を得るとともに、し、TRAM の温度も瞬時に上昇する。この現象を膜沸騰

10kW 級レーザーの設計

やビーム結合試験 、レーとよぶ。筆者は元々化学の出身であるため、当たり前とザー増幅試験 などを実施し、着実に成果を上げてきた。

言えば当たり前の見解なのだが、これは他分野の知識も筆者が本研究に参加したのは、2013 年度からである。

時には役に立つことの良い例である。

1)

2)

3)

ILT のメンバーは、井澤靖和所長、藤田雅之主席研究員、TRAM の温度ジャンプの原因は明らかとなったものの、

ハイク・コスロービアン副主任研究員と、2007 年度か

本当の課題はこの先にある。つまりこの現象は、単に液らレーザー実験の主要メンバーであった古瀬裕章研究員

体窒素で TRAM を冷却する（この手法をプール冷却と（現：北見工業大学助教）の後任として入所した櫻井俊よぶ）のみでは、レーザー動作時に TRAM の温度が一気

光研究員（現：寒地土木研究所研究員）で、当時は主に、に上昇する瞬間があり、出力の不安定化や破損に繋がる

励起光による TRAM の発熱（温度変化）に関する研究可能性があることを示している。この問題を解決する

を計算、実験の両面から行っていた。この時問題となっ方法の一つに冷却手法の改良がある。膜沸騰を抑えるにていたのは、増幅試験を行っている際、液体窒素で冷却は、①液体窒素の温度を 77K よりさらに低温まで冷却しているはずの TRAM の温度が、励起光を入射してしし、加熱表面で生成した気泡を液体により冷却して消滅ばらくすると窒素温度から急激に上昇（ジャンプ）する、させる（サブクール）、②液体窒素を流動させ、気泡をという現象である。
温度上昇は通常、加熱時間に従い徐々

物理的に取り除く（強制対流）、という大まかにいってに起こるものであるから、この現象を説明するには別の

2 つの方法がある。このとき MHI から提案があったの過程の関与を考慮する必要がある。この時筆者はこの研が噴流による冷却法である（衝突噴流冷却法）。ノズル

究に直接関与はしていなかったのだが、観測データを見から冷媒を噴出し冷却面に衝突させるこの手法は、上記てこの要因が液体窒素の膜沸騰によるものであると気づの②にあたるが、加えて冷媒が常に入れ替わることによいた。TRAM を加熱すると冷却面の液体窒素が沸騰（気り熱の伝達が促進され、より高い冷却効果が期待できる。

化）を始め小さな気泡が生成するが、さらに温度上昇

扇風機やパソコンの空冷ファンなどは空気を冷媒に用いが進むと気泡は大きく成長する。ついには気化した窒素

た一般的な例である。しかしながら、77K 以下でしか37

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

存在しない液体窒素を噴流に用いるには非常に大掛かりはそれに応じた数 kW 級の励起光源を使用するため、大学の施設内で試験を行うことは事実上不可能であった。
このため噴流冷却を用いた試験は MHI 側で行うこととなり、装置設計および試験準備に入った。この間に我々

Output Power / W

1,500

な装置が必要となり、また kW のレーザー出力を得るに

1,000
500

は、
TRAM の熱計算 4) や沸騰現象の熱解析 5) などを行っ0た。2014 年度からは、櫻井研究員の退職にともない北村俊幸研究員（現：量子科学研究所研究機構研究員）がチームに加わり、高出力化への布石として（多重パス）

0

1
2
3
4
5
Total LD Pump Power / kW

6 3
6x10

図 4  液体窒素噴流冷却を用いた増幅試験結果 6)

CW 増幅における小信号利得の詳細な計測、TRAM 増幅

行い、CW 増幅出力 1.2kW（100W シード）、30 分のレーザーをシード光に用いた 2 段 TRAM 増幅（図 2）、

安定出力を達成した（図 4）6)。この記録は、低温冷却

50W クラスの強シード光を用いた増幅試験などを実施

型の固体レーザーでは世界最高値である。これらの試験し、レーザー増幅特性に関する基礎的な知見を蓄積してには企業側からの参加者が多く、皆が団結して試験に取いった。

り組んだ。得られた成果はその賜物である。
一方、ここでやはり問題となるのは装置の大型化である。液体窒素噴流装置は非常に大がかりなもので、このまま順調に高出力化が進んでも、レーザーシステム自体が大型化してしまう懸念もある。このことから我々は2015 年度から、冷媒を水に切り替えた噴流冷却による常温動作 Yb:YAG レーザーの開発に着手している。水は液体窒素に比べ熱伝達率や気化熱が大きいため、より高い除熱作用が期待でき、また噴流装置もかなり簡略化・小型化できる。常温での Yb:YAG の動作特性は低温より劣るものの、噴流冷却により温度を安定化できればレー
図2

ザーの高出力化も夢ではない。これまでに、水冷時の2 段 TRAM 増幅試験時の写真

TRAM の出力特性やその温度効果、高出力化に向けたス

噴流冷却法による試験が始まったのは 2013 年度から

ケーリングの検討、水冷時の TRAM の熱計算、水噴流である。民間施設での試験ということで、我々は実験支を用いた予備実験などを行ってきた。2016 年度からは援という形で参加した。当然のことではあるが、試験開

防衛省安全保障制度の支援を受け、本格的に研究を進め

始当初はさまざまなトラブルが起こり、その対処にも追ているところである。今後の 2 年間、常温動作での kW

われたが、徐々に装置も安定化し、最終的には TRAM

級のレーザー出力を目標に、その道筋を付けられるようによる 1kW の CW 発振出力を得ることに成功した。さらな研究成果を上げていきたいと考えている。

に次年度には、TRAM を 3 つ組み合わせた形状の ZiZa-

発表論文

AM（ZigZag Active-Mirror、図 3）を用いた増幅試験を

1) H. Furuse, T. Sakurai, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N.

Miyanaga, M. Fujita, S. Ishii, Y. Izawa, in "The EighthInternaional Conference on Inertial Fusion Sciences

and Applications (IFSA)" Technical Digest, paper P.Mo-50, 2013.

2) H. Chosrowjan, H. Furuse, M. Fujita, Y. Izawa, J.
Kawanaka, N. Miyanaga, K. Hamamoto, T. Yamada,
Opt. Lett., 38, 1277-1279, 2013.

図 3  ZiZa-AM（ZigZag Active-Mirror）の外観

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

383) H. Furuse, T. Sakurai, H. Chosrowjan, J. Kawanaka,
N. Miyanaga, M. Fujita, S. Ishii, and Y. Izawa, Applied
Optics, 53, 1964-1969, 2014.

4) T. Sakurai, H. Furuse, H. Chosrowjan, J. kawanaka,

N. Miyanaga, S. Ishii, M. Fujita, Y. Izawa, in “The 2st
Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS '13)”
Technical Digest, paper-ALPSp6-18, 107 – 108, 2013.

5) T. Sakurai, H. Chosrowjan, H. Furuse, S. Taniguchi, T.

Kitamura, M. Fujita, S. Ishi, Y. Izawa, Applied Optics,
55, 1351-1355, 2016.

6) K. Hamamoto, T. Morioka, S. Nishikata, N. Inoue, J.
Nakatani, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, Y. Izawa, in“Advanced Solid State Lasers (ASSL ’15)” Technical
Digest, paper-ATu2A.41, 2015.

39

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

Frontiers of High Power Lasers:
Coherent Beam Combining
Haik Chosrowjan
Laser Process Research TeamI have joined the high power laser development researchgroup about six years ago, and the 30th anniversary of
ILT’s establishment is a good opportunity to rethink andreevaluate our groups and also my individual results andachievements during that period.

Powerful lasers with high brightness and good beam

quality are increasingly required for many real world
applications. To reach higher intensities, one needs toincrease the output power of the laser beam and at thesame time keep or improve the beam quality. There areor (iii) construct a multi-pass master oscillator power

Fig. 1 A snapshot of the apparatus setup for “Interferometric
Phase Shift Compensation” technique demonstration;
Two channels and the reference beam paths areshown respectively by red, yellow and blue dottedlines for clarity.

we have pursued all three of these possibilities. We have

As a proof of the principle, using a photodiode pair

several possibilities to obtain high power, single-modelaser irradiation: (i) build a single source high power laser,(ii) coherently combine multiple low power laser beams
amplifier (MOPA) amplification system. In recent years
studied temperature distribution, amplification and lasing

coupled piezo-actuator mirrors we demonstrated robust

medium and demonstrated more than 1 kW continuousλ/25) for two beam channels. We estimated that thecharacteristics of cryogenically cooled Yb:YAG laser active

wave (CW) regime laser performance as well as 1.2 kW single
pass amplification performance in 2015.

1-6)

Back in 2012 we have suggested a novel coherent beamcombining (CBC) technique for tiled-aperture beams calledinterferometric phase shift compensation (IPSC) technique(Fig. 1). On January 20th of 2012 a patent application was

submitted7) and on April 26th of the same year it waspresented at a prestigious international conference held in
8)

Yokohama . In April 2013 the details of the IPSC technique9)

have been published in an international academic journal.

beam locking bandwidth (~ 1 kHz) and accuracy (~performance of the technique can be further enhanced

in terms of operation bandwidth and rms (~ λ/100)
phase locking accuracy. This technique is not limitedby single beam power or channel number restrictions,can be integrated into various MOPA architectures andperform with high speed and accuracy. It does not require

frequency shifter (AOM) and explicit phase knowledge(phase retrieval algorithms are obsolete), hence is quite
simple in implementation.

Another CBC technique based on a spatial filter, single

In the IPSC technique, we had set a goal toward scaling

detector and stochastic parallel gradient descent (SPGD)

the limitations of any single source technology – develop

On June 19th of 2013 a patent application was submitted10)

peak and average brightness of the laser beam beyond
a method for coherent combination of multiple kilowatt
class laser beams in parallel (tiled-aperture design) using

a simple, effective approach without complicated phaseretrieval algorithms and control electronics.

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

algorithm was suggested in 2013 (Fig. 2).

and in January of 2014 the technique was presented at
34th biannual meeting of the Laser Society of Japan.11)
40

AMP VAMP IVCCD2

AMP III

出力 on/off

50/50

50/50

MasterOscillator(1040 nm ~ 1060 nm) high average power (~ 150 W) 12

Pinholelaser amplifier units based on ytterbium (Yb) doped, large

PD

50/50
20/80

Spatial modulator

PM4

PM3

PM2

AMP II

AMP I

PM1

mode area (LMA) photonic crystal fibers (PCF).

In the final design of the laser system with kilowatts

Controlsystemclass average power, beam combining concept has been

CCD1

Laser output

introduced as a practical mean to increase the output

PM1 PM2 PM3 PM4power and brightness of the laser system. We were
SPGD algorithm

Pre-amp.
Main Amp.
(PCF - 55 µ m) (PCF - 85 µ m)

300 ps-70 ns
150 kHz-5 MHz

LD
pulse
OSC

3W

PA

FPGA board~ 165W

PD

80 W

Front-end unitBS

~ 144WBS~ 420W

BS

SMF

BS

LMA

~ 130W
80 W

1045 nm3W

Fig. 2 S c he m a t ic d i a g r a m of t he mu l t i- c h a n ne l C B Ctechnique based on spatial filter, single detector andstochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm(top); snapshot of the apparatus setup (bottom). Fourchannels and the reference beam paths are shown bycolor lines for clarity.

PAPA~ 110W

Fig. 3. Laser system design and basic architecture for four nspulse beam, single detector, filled aperture coherent
beam combining

Details of this CBC technique with some application

entrusted with the third unit of the four amplifier beams

examples have been described in ILT’s 2013 annual

working at 1045 nm wavelength (Fig. 3).

progress report and in other academic publications.12,13)

Our goal within the project was coherently combining

In the second technique, our goal was employing just a

these four beams and delivering it to the neighboring room

single photo-detector (PD) for all channels together with afor further wavelength combining with other two units

simple phase control algorithm, because in some specificemitting at 1035 nm and 1040 nm, respectively.

applications like in coherent LIDAR, employing just a

From the very beginning of the project several problems

single photo-detector (PD) for all channels together withemerged: First, our original CBC techniques were

We proposed a simple solution to this problem byproject, due to required second- and third- harmonics

simple phase control algorithm is desirable.

developed for tiled aperture design, while in the NEDO

introducing a spatial modulator between the beam splitter

generation, filled aperture (FA) CBC was mandatory.

and collimating optics in the path to the single detector.

Moreover, our techniques were intended for CW mode

The idea was simple: dividing the N number of beams into

applications while in the NEDO project high repetition

clusters and doing CBC in sequence, with as small number

rate pulsed beams combination was required. Forof beams as possible. As a proof of a principle experiment,

compactness of the system, single detector based feedback

we constructed and demonstrated the new technique forcontrol was required, and finally, it should have at least

5 beams. The sensitivity for the constructed experimental

1 kHz bandwidth for fast and effective phase locking

set-up was estimated to be λ/30.

performance.

Although these techniques were intended for high-power

We carried out detailed quantitative analysis of pulsed

laser CBC, there were only proof-of-principle experiments

beams interference visibility and coherence length

project “High-power laser development for efficientstability and required phase-lock bandwidth tests haveand no real applications could be done until the NEDO

influence on beam combining efficiency. The system

material processing applications” started. The goal was

been performed as well. We modified the CW mode CBC

to develop single mode, 400 ps ~ 10 ns adjustable pulse

duration, high repetition rate (500 kHz – 1 MHz), tunable

technique into the pulsed mode CBC by simply employing
41

a narrow bandwidth (low speed) photo-diode detector.

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

We consequently and persistently addressed all thosesystem. To do that, we had to transfer the beam about 25

tree diffractive optical elements (in our case beamhandling the high-power (~ 500 W average power) laser

challenges and a prototype CBC system based on binary-meters to the main experimental room. All precautions

splitters) configuration was built. An algorithm based

beam were met but… a curiosity was in the play. Namely,on the Bernoulli discrete probability distribution was

the combined beam power measured in the main roomdeveloped, and proof of the principle experiments were

was always significantly lower than the beam power

successfully performed and demonstrated.14)

measured immediately after the CBC unit. We checked

The final problem was still unsolved: Although thethe mirrors used for beam propagation, measured theapplied piezo-actuators had ~ 6 kHz bandwidths, thebeam scattering losses in the air, etc. but during the

SPGD algorithm was running on a PC, and PCs havewhole day could not find the main reason for the ~ 100

inherently slow latency time. After some consultations, we

W power loss. Clueless, desperate and tired, we didfound a simple solution to this problem by introducing a

not know what to do and how to proceed, when a co-field-programmable gate array (FPGA) unit with several

researcher discovered that the day before a new dichroic

kHz bandwidth resolution. First high-power (~ 50 W)

mirror at a different wavelength, just before the power-

CBC demonstration was successful.15, 16) Afterwards,

meter, was tested… well, eventually the problem was

we carefully studied all FA CBC degradation sources anddiscovered and solved.

optimized the system performance where possible.17, 18)

The NEDO project was successfully completed. MoreHigh combining efficiency (~ 76 %) acceptable for thethan 1.5 kW, ~ MHz repetition rate, ~ ns pulse infrared

four laser amplifiers built by the ILE researchers.

as cutting of thick carbon fiber reinforced plastics (CFRP)

project was achieved. Finally, we got permission to use

beam for advanced material processing applications such

The final system, shown in Fig. 4, was built and readysheets, was obtained.19-21) Moreover, second harmonics

for integration into the wavelength beam combining(green) and third harmonics (blue) were also successfully

MOPA Pre-amplifier Unit

MOPA Main Amplifier Unit

M2 ~ 1.1 - 1.4

CBC Unit
Fig. 4. Snapshots of high-power MOPA and CBC system: (clockwise from the top) MOPA pre-amplifier unit, main amplifier
unit, CBC unit and the resulting beam’s M2 beam quality parameter measurement example.

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

42

会報告、471 (5), 1-5, 2014.

generated and applied in material processing field.

In summary, the NEDO project was an example of12) T. Kitamura, H. Chosrowjan, T. Somekawa, M. Musha,

it was a challenge, a challenge never to give up! The

Brightness Laser Using Beam Combining Technique,cooperation between ILT and ILE. For me personallyand Y. Izawa: Special Issue on High Stability and Highaccumulated knowledge and learned lessons will always

The Rev. of Laser Engineering, 44 (6), 390-394, 2016.

accompany and help me in my future work.

13) H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, K. Tsubakimoto,

H. Yoshida, N. Miyanaga, and Y. Izawa: Proceedings ofReferences

the ALPS’14, 151-152, 2014.

1) T. Sakurai, H. Furuse, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N.

14) G. Khosrovian, S. Taniguchi, M. Fujita, Y. Izawa,

Miyanaga, S. Ishii, M. Fujita, and Y. Izawa: Proceedings

K. Tsubakimoto, H. Yoshida, and N. Miyanaga:of the ALPS’13, 107-108, 2013.

Proceedings of the Laser Optics’14, DOI: 10.1109/

2) H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, H. Chosrowjan, M.

LO.2014.6886323 IEEE Xplore Digital Library, 2014.

Fujita, K. Takeshita, and Y. Izawa: Opt. Express 20 (19),15) T. Kitamura, H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, K.

21739-21748, 2012.

Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga, and Y. Izawa:3) H. Furuse, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N. Miyanaga,

Proceedings of the ALPS’15, 179-180, 2015.

M. Fujita, and Y. Izawa: Opt. Express 21 (11), 13118-

16) H. Chosrowjan: Special Issue on High Stability and4) H. Furuse, T. Sakurai, H. Chosrowjan, J. Kawanaka,

Technique, The Review of Laser Engineering, 44 (6),13124, 2013.

High Brightness Laser Using Beam Combining

N. Miyanaga, M. Fujita, S. Ishii, and Y. Izawa: Applied

357-362, 2016.

Optics, 53 (9), 1964-1969, 2014.

17) H. Chosrowjan, T. Kitamura, S. Taniguchi, M. Fujita, K.

5) T. Sakurai, H. Chosrowjan, H. Furuse, S. Taniguchi,

Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga, and Y. Izawa:

T. Kitamura, M. Fujita, S. Ishii, and Y. Izawa: Applied

Proceedings of the ALPS’16, 268-269, 2016.

Optics, 55 (6), 1351-1355, 2016.

18) H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita, N. Miyanaga, T.

6) K. Hamamoto, T. Morioka, S. Nishikata, N. Inoue, J.

Yamamura, T. Sakagawa, M. Tsukamoto, H. Chosrowjan,

Nakatani, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, and Y. Izawa:

T. Kitamura, M. Fujita, and Y. Izawa: Proceedings of theProceedings of the ASSL’15, 1-3, 2015.

7) 国内特許、特願 2012−009972、( 特開 2013–148769)「複数ビーム結合装置」(2012), 濱本浩一、山田隆弘、
ハイクコスロービアン、古瀬裕章、藤田雅之、井澤靖

ALPS’15, 283-284, 2015.

19) H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita, N. Miyanaga,

H. Chosrowjan, T. Kitamura, T. Yamamura, and T.

Sakagawa: Special Issue on High Stability and High和、河仲準二、宮永憲明

Brightness Laser Using Beam Combining Technique,8) H. Chosrowjan, H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga,

The Rev. of Laser Engineering, 44 (6), 363-368, 2016.

M. Fujita, K. Hamamoto, T. Yamada, and Y. Izawa:20) G. Khosrovian, T. Kitamura, M. Fujita, Y. Izawa,9)H. Chosrowjan, H. Furuse, M. Fujita, Y. Izawa, J.

Proceedings of the Laser Optics’16, DOI: 10.1109/

Proceedings of the ALPS’12, 127-128, 2012.

K. Tsubakimoto, H. Yoshida, and N. Miyanaga:

Kawanaka, N. Miyanaga, K. Hamamoto, and T. Yamada:

LO.2016.7549703, IEEE Xplore Digital Library, 2016.

Opt. Lett. 38 (8), 1277-1279, 2013.

9) 国内特許、特願 2013 － 128814、( 特開 2015–005572)「ビーム結合装置、ビームの結合方法」(2013), 石井伸他、ハイクコスロービアン、古瀬裕章、藤田雅之、井澤靖和、染川智弘

10) H. Chosrowjan: 招待講演、レーザー学会第 34 回年次
大会 , 北九州国際会議場、1 月 20 日 ‐22 日、2014.

11) H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, H. Yoshida, N.
Miyanaga, and Y. Izawa: レーザー学会第４７１回研究43

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

メタマテリアルによる電磁波放射源開発基礎研究
李 大治
レーザーエネルギー研究チーム
１．はじめに計すれば、有効誘電率や有効透磁率を同時に負にするこ

光通信に代表されるように、電磁波は情報伝送におけとができる。このとき、屈折率は負となり、従来と異なる重要な担い手である。近い将来、超高度情報化社会をる相互作用が期待でき、新しい物理メカニズムによる新迎えるにあたり、その重要性はますます高くなると予想型電磁波放射源の開発が可能と考えられる。

される。ところが、電磁波と自然界に存在する物質との我々は、科学研究費と松尾学術振興財団の助成によ

基本的な相互作用はほぼ理解されており、その利用に関り、従来の電子ビーム放射を用いた電磁波放射の手法

しては限界も見え始めている。超高度情報化社会の実現に、新たに登場した左手系メタマテリアルを導入し、新へ向け、この限界を打開するために、新しい電磁的特徴

型光源を開発する研究を行ってきた 1-34)。兵庫県立大学を持つ人工物質（メタマテリアル）である左手系材料がの宮本修治教授、大阪大学の故萩行正憲教授、中嶋誠准

注目されている。通常の物質では屈折率は正であり、そ教授、京都大学の橋田昌樹准教授、関西大学の浅川誠教の中を伝播する電磁波は電場、磁場、波数ベクトル（伝授、大阪産業大学の綱脇恵章教授、UESTC（University

播方向）の方向が右手系の関係になるため右手系物質とof Electric Science and Technology of China）の Y. Wei呼ばれる。しかし、誘電率と透磁率が共に負の物質は、教授、Z. Yang 教授らと、主として理論面から共同研究

負の屈折率を有し、その中では電場、磁場、波数ベクトを行っている。

ルの方向が左手系の関係を持つため、左手系物質と呼ばれる。このような系は全く新しい光学材料として機能す

２．相互作用新理論

る可能性を秘め、特異な屈折効果（図 1）や逆ドップラ

表面電磁波を用いたコヒーレントな放射源（スミス・パー

ー効果、
逆チェレンコフ放射等の電磁波現象が予想され、セル型やチェレンコフ型など）では、電子ビームと電磁学術的基礎研究が活発に行われ、応用面の研究も展開さ

波との相互作用を効率よく生じさせる必要があり、そのれている。

放射機構を正しく物理的に表現し、正確な理論を導出す

務

入射光ることが不可欠である。我々は、電子ビームと周期構

入射光
空気

空気

造体との相互作用のメカニズムに対する物理的イメージ
が、従来の理論でのそれと大きく異なる新発想を提案し、媒質

媒質(屈折率 n＞0)

屈折光

屈折光

(屈折率 n＜0)

それを数学的に表現するために、新しい方程式を構築し、物理の本質を正しく反映した厳密な理論システムを確立した 5,8-10)。周期構造体グレーティング型放射源を例として新理論の発想を紹介する。

図1

正屈折率と負屈折率媒質の屈折特性

グレーティング表面電磁波の分散曲線とエネルギー流の伝播方式に関して従来の考えを説明する。表面電磁波の一方で、小型の電子ビームを用いた電磁波放射装置は分散カーブ（図 2）を中心点で分け、左の半分と右の半マイクロ波からテラヘルツ波までの広い帯域で重要な電分の領域で考える。左の半分の領域では、電磁波位相の磁波放射源として使われている。ところが、電子ビーム

伝搬方向が電磁波エネルギー流の方向と一致しており進と通常の誘電体や金属構造との相互作用を利用する電磁行波と呼ばれる。右の半分では方向が逆となるため、後波の放射では、発振のための最低限の電流強度や放射強進波と呼ばれる。電子ビームが後進波と相互作用する場度に限界がある。しかし、金属を電磁波の周期よりも十合は、電磁波エネルギーがグレーティングの末端から先分短い周期で加工した人工構造体では、構造をうまく設

端へ伝搬するため、自然にフィードバックがかかり、
キャ

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

44

向きのエネルギーよりも先端向きのエネルギーが多く、Direction of power flow
先
先

左半分の領域では、逆に先端向きエネルギーよりも末端末向きのエネルギーが多い。中心点では、先端向きのエネ
先末

ルギーと末端向きのエネルギーが等しい。このように考末えると、従来の理論の中に、位相伝搬方向がエネルギー
流伝搬方向と逆になることや、中心点でエネルギーが止まることなどの異常な概念がなくなる。さらに、左半分でも先端に向かうエネルギーがあるため、右半分と同様に自然なフィードバックがあり、キャビティを使わなくても発振できるため、シミュレーションにより観測され(a)

る結果と一致する。
この相互作用新理論はグレーティングをベースにして築くことにしているが、進行波管、後進波管、メタマテ
リアル新電磁材料などのあらゆる周期構造体と電子ビー

Direction of power flow
先先

末ムとの相互作用に応用できる。

末
先

３．負の屈折率媒質による電磁モード特性

末

真空と誘電体との境界面に沿って伝搬する表面電磁波
は、チェレンコフ型の電磁波放射源の開発に重要な役割を果たすことはよく知られていることである。一定の速度で誘電体表面を移動する電子ビームは、電子の速度と同期した位相速度を持つ表面電磁波と相互作用し、また、発振条件を満足させれば、電磁波が増幅されて空間に放(b)出される。そのため、表面電磁波の研究は小型の電磁波
放射源の開発に重要である。
我々は負の屈折率を有する媒質平板における電磁モード

図2

表面電磁波の分散特徴曲線とエネルギー流の伝搬方式の (a) 従来理論の考えと (b) 新理論の考えを研究した 1,2)。無限厚さ、有限厚さ、金属基板付きから構成された三つの媒質平板モデルを解析して、表面電磁モードの存在条件を導出した。その結果を図 3 に示す。

ビティを使わなくても発振が可能となる。ただし、共振器として末端に入力がないので、電磁場が末端に存在しないという境界条件が設定されている。一方、電子ビー
ムが進行波と相互作用する場合には、エネルギーが先端から末端に伝搬するため、後進波のような自然なフィードバックが起こらないので、キャビティを使わないと発振できない。しかし、シミュレーションの結果では、進行波の場合でも後進波と同様にキャビティを使わなくでも発振が可能となるため、理論結果と一致しない。さらに、中心点では、群速度がゼロになることで、エネルギー流がそこで止まるという怪異な考えになる。我々の新発
想は従来の理論と異なり、分散カーブ上のどの位置でも

図3

末端向きと先端向きの電磁波が同時に存在するとしてい平板モデルにおける電磁モード存在の誘電率と透磁率依存性る。
また、それぞれの電磁波の位相伝搬方向とエネルギー
流の伝搬方向は一致している。右半分の領域では、末端45

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

詳しい解説は参考文献 (2) に記述してあり、ここでは簡播する。これを活用すれば、外部の反射機構が不要で、略に述べる。無限厚さの平板においては、正の屈折率の効率の高いチェレンコフ型電磁波放射発振器を実現する

場合には表面電磁モードが存在しないが、負の屈折率のことが可能となる。図 5 に示したように、媒質の表面場合には、A と B の領域に存在する可能性がある。有限を放射装置の末端に向けて伝搬する進行波は、電子ビー

厚さと金属基板付きの平板においては、正の屈折率の場
合には表面電磁モードが E の領域に存在する可能性があり、負の屈折率の場合には、A、B、C、D の領域、つまり全区域に存在することが可能である。境界条件を考慮してマクスウェル方程式を解くと、具体的な電磁モードを解析できる。計算の一例として負の屈折率有限厚さ
平板において励起される二種類の電磁モードの磁場分布を図 4 に示す。モードの励起条件や電磁伝搬特性などの詳細は参考文献 (2）に記述した。

図 5 外部反射機構なしチェレンコフ型発振器
ムとの相互作用により増幅され、獲得したエネルギーは構造体内部の後進波を通じて先端（相互作用の開始点）に運ばれるため、外部の反射機構なしに自然なフィード
バックを達成できる。前述の相互作用新理論を用いて解析とシミュレーションにより、相互作用の基礎原理を解明し、この発想を検証した。計算の一例として、図 6 に指数増幅の発振様子を示した。

図4

負の屈折率平板に励起される二種類の電磁モードの磁場分布図4．新型電磁波放射発振器
従来のチェレンコフ型電磁波放射を利用した発振器では、電子ビームと誘電体表面を伝搬する進行波との相互作用を維持するために、外部の反射機構によるフィード
バックが不可欠である。一方、周期的な溝を持つ金属構
造体を用いた後進波管型の発振器では、構造体表面を伝搬する後進波を利用するため外部の反射機構が不要となるが、後進波は電子ビームと相互作用した進行波と同時
図 6 外部反射機構なしチェレンコフ型発振器の発振計算例に構造体の表面（構造体外部）を伝搬するためフィード
バックが弱く、これが装置の効率を低下させる要因となっている。我々は負の屈折率を持つ媒質表面に存在した、低エネルギーの電子ビームと相互作用できるような

５．負の屈折率光学素子設計

電磁波モードを発見した 。この電磁波モードは負の屈誘電率と透磁率は電磁波モードの属性を決めるため、実折率物質に対してのみ現れるモードで、正の屈折率物質際の応用には重要な研究項目である。前述の理論モデルに対しては存在しないものである。この電磁波モードのを解析した結果により、実際の応用で要求される負の屈特徴は、従来の誘電体や周期的な溝の構造体などの表面折率を実現できるような実際の人工材料をデザインしたに存在する電磁波モードと異なり、媒質の表面を進行波

35)のように伝播する一方、媒質内部では後進波のように伝料の研究は、現在も世界的に注目されているフロンティ

1)

レーザー技術総合研究所30周年記念誌。誘電率と透磁率をコントロールできるような人工材

46

アな課題である。これまでの研究結果では、金属分割リ

要な誘電率と透磁率をデザインできるため、従来の誘電ングで透磁率をコントロールして金属棒で誘電率をコン体では不可能な物理現象を生じさせることができる。本トロールする方法がある。分割リングと棒を周期的に配研究では、従来の電子ビーム放射を用いた電磁波放射の列することで放射機構用の平板形の構造体を作ることが手法に、新たに登場したメタマテリアルを導入し、従来できる。分割リングと棒のサイズは波長より 10 倍程度の限界を打ち破る新型光源（特にテラヘルツ放射源）を小さいことが要求され、その構造のパラメータにより誘開発する基礎研究を実施した。今までの研究結果による電率と透磁率が決まる。

と、負の屈折率グレーティングにより誘起されたスミス・

デザインの一例として、電場と磁場三次元成分を持つ

パーセル自然放射は正の屈折率、あるいは金属グレー

電磁波に対応できる負の屈折率を有する素子を図 7 にティングで誘起されるスミス・パーセル自然放射より強示した。金属は銅、基板材料は Rogers5880 を採用した。

く、それを電子放射装置に応用するとコヒーレントなテ
ラヘルツ放射の出力が高めることが可能と考えられる。
また、負の屈折率媒質については、表面波の存在条件とその電磁的性質、及びその物理メカニズムを明らかにした。その上に、従来の低エネルギー電子ビームによる電磁波発振器の原理と異なり、外部の反射機構を使わず、自然なフィードバックを用いた効率の高い電磁波発生用の共振器を提案した。これらの成果は、非線形光学効果

図7によるレーザー励起のテラヘルツ波発生にも応用可能と

金属分割リングと棒を構成した負の屈折率を有する光学素子なり、テラヘルツ波工学とその応用に大きな影響を与えると予想される。今後、メタマテリアルと他の新規光電構造のシミュレーション結果により、比誘電率と比透磁子材料（例えば、グラフェン）を結合し、性能の高い光率を導出し、その結果を図 8 に示した。図 8 によると、源を目指して新たな放射メカニズムを探求する。

25.6

GHz 付近で比誘電率と比透磁率が両方とも負になり、負の屈折率が得られている。このような素子を周参考文献

期的に配列してから負の屈折理材料を構成する。

1) D.Li, Y.Wang, M.Hangyo, Y.Wei, Z.Yang, S.Miyamoto.,
Appl. Phys. Lett. 104, 1940102 (2014)

2) Y.Wang, Y.Wei, D.Li, M.Hangyo, Y.Gong, J.Feng, Physics
Letters A 378, 2345 (2014)

3) Minghao Zhang, Yanyu Wei, Guo Guo, Lingna Yue,
Yuanyuan Wang, Xianbao Shi, Xianfeng Tang, Yubin
Gong, Wenxiang Wang, and Dazhi Li, Japanese Journalof Applied Physics 53, 036201 (2014)4) 橋本智、陳彩華、小林花綸、川田健二、李大治、天野壮、
宮本修治、電気学会論文誌

Ｃ、134、495 (2014)5) D.Li, M.Hangyo, Z.Yang,Y.Tsunawaki, Y.Wei, Y.Wang,
S.Miyamoto, M.R.Asakawa and K.Imasaki, Terahertz
science and technology 6, 189 (2013)

6) Xiaopin Tang, Zongjun Shi, Ziqiang Yang, Dazhi Li,

図 8 比誘電率と比透磁率の周波数依存性

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
A 703, 64 (2013)

６．まとめ

7) T.Fu, Z.Yang, Z.Shi, F.Lan, D.Li, X.Gao, PHYSICS OF

電磁人工材料メタマテリアルは、世界的に注目されてPLASMAS 20, 023109 (2013)

おり、小型で高出力電磁波を発生する装置を製作するた

8) D.Li, M.Hangyo, Y.Tsunawaki, Z.Yang, Y.Wei, SMiyamoto,

めの、重要な構成材料と期待される。人工材料では、必47

M.R.Asakawa, K.Imasaki, Appl. Phys. Lett. 100, 191001
レーザー技術総合研究所30周年記念誌

テラヘルツ波研究会、2015 年 2 月 27 日

(2012)

9) Dazhi Li, M.Hangyo, Y.Tsunawaki, Z.Yang, Y.Wei,21) Yuanyuan Wang、Yanyu Wei, Dazhi Li, Keisuke Takano,S.Miyamoto, M.R.Asakawa and K.Imasak, International

Makoto Nakajima, PHYSICS OF PLASMAS 22,083111,（2015）

Free-Electron Laser Conference Proceedings, 85(2012)

22) D. Li ,Y. Wang, Y. Wei, Z. Yang, S. Miyamoto, IEEE

10) D.Li, M.Hanygo, Y.Tsunawaki, S.Miyamoto, K.Imasak,

Xplore, DOI:10.1109/IRMMW-THz.2015.7327572

23) 李大治、高野恵介、中嶋誠、宮本修治「負の屈折率

International Symposium on Frontiers in THz

媒質を用いた Cherenkov 自由電子レーザー」第６３

Technology, 26-30 Nov. 2012, Nara, Japan11) 李大治、高野恵介、中嶋 誠、宮本修治、「負の屈折回応用物理学会春季学術講演会、2016 年 3 月 20 日、率媒質 による電子ビームからの電磁波放射」
、応用

東工大

物理学会春季学術講演会、2015 年 3 月

12) 李大治、萩行正憲、宮本修治、「負の屈折率平板表24) 李大治、中嶋誠、橋田昌樹「グラフェンによるテラヘ
ルツ波放射」マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波の技

面電磁モード研究」、応用物理学会春季学術講演会、2014 年 3 月

術とそのプラズマ加熱・計測への応用、2016 年 1 月
20 日、核融合科学研究所

13) 李大治、萩行正憲、宮本修治、今崎一夫、「グレーテ25) D. Li, Y.Wang, M.Nakajima, M.Hashida, Y.Wei,

ィングによるテラヘルツ電磁波放射の新理論」レーザ

S.Miyamoto, Physics Letters A 380, .2181 (2016)

ー学会第 454 回研究会、2013 年 12 月

26) Yuanyuan Wang,Yanyu Wei, Dazhi Li, Wanghe Wei,

14) 李大治、萩行正憲、宮本修治、今崎一夫、「グレーテGuo Guo, Luqi Zhang, Chong Ding, Yubin Gong, Jinjun

ィングによる放射の理論研究」、応用物理学会秋季講Feng, Gun-Sik Park, Journal of Infrared, Millimeter, and演会、2013 年 9 月

Terahertz Waves 37, 10552016）15) 李大治、萩行正憲、今崎一夫、「メタマテリアルによ27) Minahara Takemura,Fukuko Yabu, Yuji Kuboda, Dazhi

16) Luqi Zhang, Yanyu Wei, Minghao Zhang, Guo Guo,

28) D. Li,Y. Wang, M. Nakajima, M. Hashida, Y. Wei, S.

Gong , Wenxiang Wang , Dazhi Li, Proceddings ofConference Infrared, Millimeter and Terahertz waves,るテラヘルツ放射源の研究」、応用物理学会春季学術

Li, Soichiro Yamaguchi, Makoto R. Asakawa, J. Jpn. Soc.

講演会、2012 年 3 月

Infrared Science & Technology 26, 50（2016）

Yuanyuan Wan, Minghao Zhang, Zhigang Lu, Yubin

Miyamoto, M. Tani, Proceedings of International

International Conference on Infrared, Millimeter, and

DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2016.7758931

Terahertz waves, 934(2014)29) Yuanyuan Wang,Yanyu Wei, Wanghe wei, Xianbao17) Chong Ding、Yanyu Wei, Luqi Zhang, Guo Guo,

Shi, Xia Lei, Qian Li, Hairong Yin, Jin Xu, Luqi Zhang,

Yuanyuan Wang, Minghao Zhang, Zhigang Lu, Yubin

Chong Ding, Yubin Gong, Wenxiang Wang, Dazhi Li,

Gong, Wenxiang Wang, Dazhi Li, Proceedings ofIEEE International Vacuum Electronics Conference

International Conference on Infrared, Millimeter, andproceedings, DOI: 10.1109/IVEC.2016.7561872

Terahertz waves, 936 (2014)30) Wanghe Wei,Yanyu Wei, Lingna Yue, Zhigang Lu,18) Minghao Zhang、Yanyu Wei, Lingna Yue, Jin Xu,

Luqi Zhang, Minzhi Huang, Yubin Gong, Wenxiang

Zhigang Lu, Tao Tang, Dazhi Li, Proceedings of

Wa n g , D a z h i L i , I E E E I n t e r n a t i o n a l Va c u u m

International Conference on Infrared, Millimeter, andElectronics Conference proceedings, DOI: 10.1109/

Terahertz waves, 933(2014)

IVEC.2016.7561888

19) Yuanyuan Wang、Yanyu Wei, Dazhi Li , Zhaoyun31) Chong Ding,Yanyu Wei, Yuanyuan Wang, Qian Li,

Va c u u m E l e c t ro n i c s C o n fe re n c e p ro c e e d i n g ,IEEE International Vacuum Electronics Conference

Duan, Yubin Gong, Wenxiang Wang, IEEE International

Xia Lei, Wenxiang Wang, Dazhi Li, Yubin Gong,

465(2014)

20) 李大治、高野恵介、中嶋 誠、宮本修治「負の屈折率

媒質による電子ビームからの放射の基礎研究」ミリ波・レーザー技術総合研究所30周年記念誌

48

proceedings, DOI: 10.1109/IVEC.2016.7561870

32) 李大治、中嶋誠、橋田昌樹「グラフェン表面プラズ
モンポラリトンによる電磁波放射」応用物理学会春季学術講演会、2017 年 3 月 15 日

33) Dazhi Li, Masahiko Tani, Makoto Nakajima, Makoto
R. Asakawa, Masaki Hashida, The 6th International

Workshop on Far-Infrared Technologies，7-9 Mar.
2017,Fukui, Japan34) 李大治「基本波で放射するスミス・パーセル自由電子レーザー」GHz ～ THz 帯における高電力発振源の開発と応用研究会 , 2017 年 1 月 27 日

35) D. Li, Y. Wang, Y. Wei, Z. Yang, S. Miyamoto, IEEE
Xplore, DOI: 10.1109/IRMMW-THz 2015. 7327759

49

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

レーザー
プロセス

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

50

パルスレーザー加工の研究展開

藤田雅之
レーザープロセス研究チーム

１. レーザー転写の特性が異なり、サファイアと BST の間にある Pt 層の2006 年 6 月から 2009 年 3 月までの 3 年間、NEDO

厚みが全くモニターされていなかった。Pt 層はレーザー

プロ「高集積・複合 MEMS 製造技術開発事業」においが直接照射されるため、そこでのレーザー吸収と Pt 層て「多層ウェハレベル接合体の低ストレスダイシング技の挙動が鍵となると考えていたのだが。試料のバラツキ術」開発に携わったことで、MEMS の聖地とも言えるも含めて安定な剥離を実現する条件を見いだすことが求東北大学江刺研究室、ひいては MEMS 業界とつながりめられていると感じた。

を持つようになった。

東北大学との間で試料と照射・剥離結果をやり取りし2011 年〜 2012 年に江刺研の田中秀治先生から新たながら様々なレーザー照射を 2 年間試みた結果、波長なレーザー転写という研究開発でお声がけをいただいが短くパルス幅が長いほど剥離に要するレーザーパワー

た。内閣府最先端研究開発支援プログラム「マイクロシが低下し、ガウシアン分布よりもフラットトップの照射

ステム融合研究開発」（プロジェクトリーダー：江刺正喜）

強度分布の方がさらに低パワーで剥離 / 転写が可能であの「ヘテロ集積化初期試作：ヘテロ集積化プロセス技術

ることが確認できた。予算が限られ、互いに距離があっの研究開発」（サブテーマ責任者：田中秀治）でレーザーたためか、レーザー照射前後での BST の物性等に関し転写を MEMS ウェハに適用しようとするものであった。

て議論することもなく 2 年間の委託研究が終了した。

図１にレーザー転写の概念図を示す。具体的にはサファ

以後は東北大学で研究開発が続けられ、東北サイドでのイア基板上に形成された強誘電体である BST（チタン酸研究担当であった佐本哲雄さんは 2015 年に博士論文をバリウムストロンチウム : Barium Strontium Titanate）

まとめて学位を取得された。

をレーザーを用いて剥離し、別のウェハ基板に転写する

2013 年 3 月に開催された江刺正喜先生の最終講義とのであるが、まずは剥離（接着力の低下）を引き起こす

退職祝賀会に出席させていただいたが、学界はもとよりレーザー照射条件（波長、パルス幅、集光強度、掃引速

産業界からも海外からも多くの方々が参加されていた。

度等）
を調べることにした。試料は東北大学で作製され、先生のお人柄が偲ばれるエピソードが紹介され、MEMS

レーザー総研は様々な波長 / パルス幅（800nm/100fs,という新分野、一時代を築かれた偉大な先生であると感1064nm/10ns, 1064nm/200ns, 532nm/10ns,

じた次第である。

532nm/700ps, 355nm/20ns）のレーザーを用いて剥離の条件出しを行った。このうち 355nm/20ns は東北大学から貸与されたレーザーであった。

図２

波 長 / パ ル ス 幅 が 532nm/10ns の レ ー ザ ー で500 μ m 角の領域を照射した試料の顕微鏡写真
２.CFRP のレーザー加工
図1

CFRP のレーザー加工技術開発プロジェクトが NEDO

レーザー転写の概念図において 2010 年から 5 年間続けられた。2012 年 4 月

条件出しで一番困ったことは、試料の状態がばらついからはプロジェクト名称が「次世代素材等レーザー加工ていたことである。異なるチャンバーで製作された試料技術開発プロジェクト」に変更され、研究開発項目「１.
51

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

CFRP 切断加工技術の開発」のサブテーマ 「(2) CFRP

ザーの特徴を活かした CFRP の超精密加工を提案するこ加工技術の開発」と「(3) パルスレレーザー CFRP 用加ととなった。中身は、蒸着用メタルマスクを CFRP マス

工システムの開発」で産総研が中心となって研究開発がクで置き換えようとする技術開発である。これは三田さ進められた。当該プロジェクトでレーザー総研はレーんの発案によるもので、調査会社で活躍しておられた三ザー開発を担当したため、加工技術開発に携わることは田さんは様々な産業界におけるニーズ、シーズ、課題、なかった。

裏話等々、知識が豊富な方であった。

このプロジェクトは、2008 年度に（財）製造科学技

残念ながら、2010 年秋の提案は不採択となった。そ術センターで行われた調査研究、2009 年度の NEDO 省

こで、再度三田さんのアイデアを盛り込んだ研究を

エネ事前研究の流れを汲むもので、レーザー総研は当初

2011 年春に提案することとなった。当時、三田さんはから参画していたが、加工技術開発センターが技術研究

電子デバイスの配線や電極形成を印刷技術で行う「プリ組合傘下の産総研（つくば）に置かれた（人・モノ・金ンテッドエレクトロニクス」の将来性に惹かれ、阪大産の距離が懸念された）ことと、超短パルスレーザー加工研の菅沼先生の研究会に参加されていた。蒸着配線にしが含まれなかったことから分担を見送り、独自の路線でろ、印刷配線にしろ、どちらもマスクが必要となる。耐

CFRP のレーザー加工技術開発に取り組むこととした。

久性や軽量性に着目して 2 種類の CFRP マスク（蒸着マ2009 年度の事前研究では厚さ約 2mm の CFRP をレー

スクと印刷マスク）を開発する提案を 3 者（MCTR、
レー

ザー加工したが、超短パルスレーザーの平均出力が小さ
いために多大な時間を要してしまった。加工品質に非の打ち所が無いものの、“ 超短パルスレーザーは使えない ”という誤解が生じてしまった。確かに、厚さ数 mm の

図４ フェムト秒レーザーで厚さ 300 μ m のクロス CFRPに直径 400 μ m の穴加工を施してメッシュを形成
ザー総研、阪大産研）共同で行い、2011 年 7 月 15 日
図 ３ フ ェ ム ト 秒 レ ー ザ ー で 厚 さ 100 μ m の 一 方 向
CFRP に幅 250 μ m、長さ 30mm のスリットを形成

付けで採択通知が届いた。
MCTR が m 級大型マスクの構造解析や材料設計、レーザー総研で CFRP マスクを試作し、阪大産研が CFRP マ

CFRP 加工においては実用性が低いと判断されても仕方

スクで配線をスクリーン印刷した簡易ディスプレイのがなかったのであるが、その加工品質を何とか活かせな試作を担当した。100 μ m 厚の一方向 CFRP に幅 250

いかと考えた。そこで、2011 年度の NEDO 省エネ事前

μ m のスリットを加工したり（図３）、クロス CFRP に

研究では厚さ数 100 μ m の極薄 CFRP を対象とする研400 μ m 角や丸のメッシュを加工し（図４）、蒸着やス

究をスタートさせた。

クリーン印刷を試みた。また、産研では富士通テン社のこの 2011 年度のプロジェクトは、NEDO 省エネル

協力を得て 3cm 級の有機 EL 発光デバイスの試作を行

ギー革新技術開発事業／事前研究で、研究題目は「レーい、発光が確認された。

ザー精密加工を用いた次世代マスク製造技術の事前事前研究を無事に終了し、次の提案に向けた準備を進研究」、研究開発責任者は三菱化学テクノリサーチ社

めた。次のステップは実用化研究となる。大学や研究所（MCTR）の三田雅昭氏であった。2010 年春から提案書

は後ろに下がり、出口企業を前面に出して提案しないとの準備をし、2010 年秋の公募に対して、超短パルスレー

土俵に上がれない。三田さんを中心に、材料メーカー、

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

52

加工メーカー、蒸着メーカー、ディスプレイメーカーと大企業・中堅企業相手に交渉を重ねつつ、予備実験を行った。フェムト秒レーザーでは実用的な加工時間が達成できないのでピコ秒レーザーの可能性を探るべく、2012
年 7 月には浜松ホトニクス社の福満氏を頼り、浜ホト
製ピコ秒レーザー MOIL を使ったお試し加工を実施した

図７（図５、図６）。また、蒸着メーカーの協力の下、小型で炭素繊維表面に形成されたナノ周期構造の SEM像。白色光を照てると虹色に発色する。

はあるが実際に CFRP マスクを用いて有機 EL を蒸着し、発光や汚染度の確認実験を行った。

に挑戦してもらった。近畿大学・西籔和明先生の協力を結局、2012 年から 1 年かけて最大 7 機関と提案準備・

得て、ステンレス板上に形成したナノ周期構造を樹脂に交渉を進めたが、各社対応に温度差があり、話は立ち消転写できないか試してもらった。素人のやっつけ仕事でえとなってしまった。出口に近い企業ほど、もっと見通はあったが、かろうじて樹脂を虹色に光らせることに成しが立ってから持っておいで、というスタンスであった。

功した。CFRP の加工も手伝ってもらったが、真っ黒の川上から川下まで一気通貫で体制を立ち上げるには、そはずの CFRP が虹色に光っていることに気付いた。図７

れなりの技術の熟成が必要であることを痛感した。

に示す様に、炭素繊維の表面にナノ周期構造が形成され2013 年度に入り近畿大学・前田佳伸先生の学生 2 名がていたのである。

研究に参加してくれることとなった。大河弘志君と大塚

大河君には 2 年半みっちりと CFRP のレーザー加工に昌孝君である。卒論から修論までの 2 年半、大いに活取り組んでもらった。彼が撮った加工試料の SEM 像は躍してくれた。

3,000 枚を優に越える。手持ちのチタンサファイアレー

大塚君のレーザー加工研究は卒研だけであったが（修ザー（波長 800nm、パルス幅 100fs, 200ps）を使った

士では染川研究員の下でレーザー計測のテーマに取り組加工は染川副主任研究員の努力により、やり尽くした感

んでもらった）、微細周期構造形成とナノインプリントがあった。そこで、阪急茨木市駅前（当時）に開発拠点を置くスペクトロニクス社（SPNX 社）に頼み込んで、
ピコ秒レーザー（波長 266nm、パルス幅 35ps）を使わせてもらうことにした。SPNX 社に大河君を派遣し、岡田社長、営業の南さん、技術の折井さんの協力を得て、製品化前のバラック状態のレーザーを使って CFRP の切断実験を行った。波長、パルス幅共に短いため、条件を最適化すると熱影響が殆ど見られない加工が実現した

図５

浜松ホトニクス社製ピコ秒レーザー MOIL で厚さ（図８）。

約 100 μ m の一方向 Pitch 系 CFRP に幅 30 μ m、ピッチ 100 μ m のスリットを形成（浜ホト社提供）

図８ スペクトロ ニクス 社 製 ピ コ 秒レ ー ザ ー（ 波 長266nm）で厚さ約 100 μ m の一方向 CFRP を切断加工
レーザーによる過剰な加熱を避けるためには、超短パ
ルスと言えども、高速掃引が不可欠となる。通常は数100 万円するガルバノスキャナを使ってビームを掃引
図６

浜松ホトニクス社製ピコ秒レーザー MOIL で厚さするのであるが、SPNX 社は高速掃引の加工実験に図９25 μ m のポリイミドフィルムに 100 μ m 級のスロッに示す高速モーターを利用していた。これを使えば、高トを形成（浜ホト社提供）

価なガルバノスキャナは不要で、レーザー波長を変える
53

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

度にミラーを交換する必要も無い。ちょっとした実験テ（図 10）。レーザー出力を 60W に設定しても、PC 制御

クニックを学んだ。この簡易掃引システムは後日 SPNX

でレーザーの ON/OFF とガルバノ掃引を同期させることで必要最小限の入熱で加工が可能となった。結局、4日間で約 40 枚の加工試料（各試料に対して 4 〜 5 カ所
を加工）を作成することができた。解析すべき加工痕は
約 200、大河くんは SEM に付きっきりとなった。

図９

スペクトロニクス社で学んだ高速掃引の工夫。

次いで、2015 年 3 月 23 日の週にも Jim 氏が来日し第 2 回目の共同実験を行い、4 月 15 日にレーザーが撤社から購入することとなり、波長・パルス幅依存性の実収された。図 11 に 2 回目の実験で作成したスリットを験で大いに重宝した。

示す。条件を最適化すれば、超短パルスレーザーと遜色2014 年 4 月に国際会議 OPIC でスペクトラ・フィジッの無い微細加工ができることが分かってきた。

クス社（SP 社）の Raj Patel 氏から、CFRP の加工に SP
社のレーザーを使ってみないか、と共同研究の提案を受けた。我々が使っていた極薄 CFRP サンプルに興味を持った様であった。こちらが CFRP サンプルを持ってカ
リフォルニアの SP 社に行くか、SP 社がレーザーを持って大阪に来るか、どちらかである。“CFRP は戦略物資に指定されているから国外に持ち出すのは難しい ” と答えると、“ 分かった、じゃぁ、レーザーを送る ” と言うのである。メールと電話で NDA（秘密保持契約）や実験計画の文書を取り交わした。
2014 年 9 月、阪大のテクノアライアンス棟 8 階にカ

図 10

リフォルニアから大きな木箱が届いた。平均出力 60W

実験室にて。後ろ右が大河君、前が Jim 氏（当時最大）の UV レーザー（波長 355nm、パルス幅
2ns 〜 100ns）、QUASAR である。数日後には SP 社日本法人の技術者が来て、あっという間にレーザーが使える状態になった。早速、レンズを 1 枚置いて、SPNX 社
から購入した高速モーターにサンプルを装着して加工を試みた。手持ちのパワーメーターは 30W までしか測れないので、とりあえず 25W で実験を行ったのである
が、試料が燃えて部屋中が臭くなった。cm クラスの高速モーターでは対応できないハイパワーだったのである。15W で何とか実験できるようになったが、サンプルの大きさに対して入熱が大きく、思うような結果が得られなかった。
事の次第を電話会議で SP 社に伝えると、60W が測れるパワーメーター、ガルバノスキャナ光学系 1 式が追加で送られてきた。レーザーもガルバノスキャナも極めて高機能なものが揃ったのであるが、いずれも PC 制御であり、使い方を覚えるだけで一苦労である。業を煮

図 11 スペクトラ・フィジックス社製ナノ秒レーザー（波長 355nm）で厚さ約 100 μ m の一方向 CFRP にピッチ 500 μ m で形成したスリット。左から右へ徐々にス
リットの開口を広げている。上は全体、下は拡大写真。

やしたのか SP 社はとうとう人も派遣してきた。

SP 社 と の 共 同 研 究 成 果 は、ALPS2015、LiM2015、2014 年 12 月 15 日 か ら 1 週 間、SP 社 か ら Jim

ICALEO2015 と 3 回の国際会議で発表したが、「実験室

Bovatsek 氏が X’mas 前にはるばるカリフォルニアからを阪大から借り、学生を近大から借り、レーザーを SP

やってきて一緒に実験を手伝ってくれることとなった社から借りて・・・」と、借り物競走の自慢のようなイ

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

54

ントロで話を始めたものである。皆様のご協力の賜物でで評価した CFRP のレーザー加工効率のパルス幅，波長あった。データ解析は 2016 年半ばまで続いた。

依存性を示す。図 13 とは異なり、装置価格が手ごろな2014 年度には、公益財団法人天田財団から一般研究開ナノ秒レーザーが優位に立つのである。つまるところ、

発助成をいただいた。研究課題は「短パルスレーザー

CFRP 加工に適したレーザーとは、ニーズに対して加工を用いた炭素繊維強化複合材の微細加工技術の開発（AF2014218）」である。2008 年度以降、手持ちの（或いは、借りてきた）レーザーを総動員して CFRP を切り刻んできた成果をまとめることにした。
図 12 に横軸パルス幅、縦軸波長で該当する加工結果の SEM 像をまとめたチャートを示す。これを見ると、
パルスレーザーを用いた CFRP 加工のパルス幅・波長依存性の傾向が一目瞭然となる。
パルス幅と波長が短い程、
熱影響領域（ここでは、樹脂が蒸発して炭素繊維が露出した領域）が小さくなることが分かる。ただし、加工の善し悪しはパルス幅と波長だけではなく、集光強度も影

図 13mg/kJ の単位で評価した CFRP のレーザー加工

響してくるために、実は 3 軸目として集光強度も考慮

効率のパルス幅，波長依存性。それぞれの円の面積は加した三次元のチャートにすべきなのであるが、そこまで工効率（mg/kJ）に比例

は手が回らなかった。

図 14 g/ 円の単位で評価した CFRP のレーザー加工効率のパルス幅，波長依存性。それぞれの円の面積は加工効率（g/ 円）に比例

図 12 パルスレーザーを用いた CFRP 加工のパルス幅・
波長依存性
熱影響領域が小さいと言うことは、吸収されたレー
ザーエネルギーが効率よくつかわれていることに相当す

コスト、品質、加工速度等のトレードオフで決まること

るはずである。そこで、物理的に除去効率を評価してみになる。

た。照射エネルギー（吸収エネルギーではない）当たり

図 12 〜図 14 をまとめるに当たり、大河君の 2 年半除去された CFRP の質量を計算した結果が図 13 である。

に亘る卒業研究のデータが非常に役に立った。ウサギの加工効率（mg/kJ）を円の面積で表現した。短パルス、

ように目を真っ赤にしながら根気よく SEM 解析を続け

短波長ほど円が大きくなり、効率が良い事が分かる。

た大河君に感謝を申し上げる次第である。彼は 2016 年

一方で、“ 超短パルスレーザーは加工速度が遅く、実4 月、（株）アマダに就職した。

用性が低い ” という現実もある。産業界に目を向けた
レーザー総研の立場としては、実用性の観点から評価す

文中、一部敬称を略しています。

ることも重要となる。そこで、大胆にもレーザー装置の市場価格をエイヤで仮定して、経済的な加工効率をg/ 円の単位で評価してみた 35)。図 14 に g/ 円の単位
55

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

発表論文(2012).

1) S. Tanaka, M. Yoshida, H. Hirano, T. Somekawa, M.

11) M. Fujita, T. Somekawa, T. Ozaki, M. Yoshida, N.

Chip Transfer by Sticky Silicone Bonding and Laser

pulsed lasers”, Proceedings of ICALEO2012, 23-27

Fujita and M. Esashi, “Wafer-to-Wafer Selective Flip-

Miyanaga, “Dual Beam laser Grooving of CFRP by

Debonding for Rapid and Easy Integration Test”,

Sept. 2012, paper# M1202, Anaheim (2012).

12) 中井貞雄、井澤靖和、藤田雅之、近藤公伯、大道博行、Proceedings of IEEE 26th International Conference on

三間圀興、佐宗章弘 ,「レーザー核融合の産業波及

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2013, 20-

効果」、オプトロニクス , vol.369, No.9, (2012) pp.134-

24 Jan. 2013, pp.271-274.

2) T. Samoto, H. Hirano, T. Somekawa, K. Hikichi, M.

142.

13) 藤田雅之、染川智弘、「超短パルスレーザを用いた

Fujita, M. Esashi, S. Tanaka, “Wafer-to-wafer transfer

CFRP の微細加工」、第 78 回レーザ加工学会講演論

process of barium strontium titanate metal-insulator-

文集 , ISBN-978-4-947684-79-0, (2012) pp.95-97.

metal structures by laser pre-irradiation and gold-14) 藤田雅之、「CFRP の切断・穴あけ・トリミング

gold bonding for frequency tuning applications”,

3. ミ

クロ 加 工 」、 オプトロ ニクス , vol.373, No.1, (2013)

Proceedings of IEEE 26th International Conference on
Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2013, 20-

pp.104-106.

24 Jan. 2013, pp.171-174.

15) 藤田雅之、「超短パルスレーザによる複合材料の微細Hikichi, S. Tanaka, and M. Esashi, “Laser Selective16) M . F u j i t a , T. S o m e k a w a , a n d N . M i y a n a g a ,on a Sapphire Substrate”, Proceedings of ICALEO2013,

pulses”, Proceedings of Laser Processing for CFRP and加工」、光アライアンス , vol.24, No.1, (2013) pp.7-11.

3) M. Fujita, T. Somekawa, T. Samoto, H. Hirano, K.

Transfer Process of Barium Strontium Titanate (BST)“Micromachining of CFRP with ultra-short laser

7-10 Oct. 2013, paper# M503, Miami (2013).

Composite Materials 2013, 23 - 25 April 2013, LPCC3-

4) T. Samoto, H. Hirano, T. Somekawa, K. Hikichi, M. Fujita,

2, Yokohama (2013).

17) 藤田雅之、「技術シーズを活用した研究開発テーマのM. Esashi and S. Tanaka, “Wafer–to–wafer transfer

発掘

第7章

超微細加工を実現する技術シーズか

process of barium strontium titanate for frequency

らの研究開発テーマの発掘

Micromech. Microeng. 25 (2015) 035015.

情報協会

tuning applications using laser pre-irradiation”, J.

ザーを活用した研究開発テーマの発掘」、（株）技術

5) 藤田雅之、田中秀治、宮永憲明、「積層 MEMS のためのレーザー支援ダイシング技術」、レーザ加工学会
誌 Vol. 22, No. 2, pp.8-13 (2015).

6) 藤田雅之、「レーザ加工が得意な公設試

平成２５年７月 31 日 .

18) 藤田 雅之，染川智弘、「ハイパワーレーザを用いた
CFRP の微細加工」、レーザ加工学会誌、20 巻、1 号、総論」、オ

プトロニクス , vol.388, No.4, pp.144-145 (2014).

7) 藤田 雅之，染川 智弘，尾崎 巧，吉田 実，宮永 憲明、
中瀬拓也、小林

第 3 節 フェムト秒レー

隆、「フェムト秒レーザーを用いた

Al-Si 合金の低摩擦化加工」、レーザー研究、42 巻、4 号、pp.341-344 (2014).

8) 藤田雅之、「高輝度レーザーの産業利用」、放射線とpp.34-38 (2013).

19) M. Fujita, T. Somekawa, N. Miyanaga, “Micromachiningof CFRP with ultra-short laser pulses”, Physics
Procedia, vol.41, pp.629-632 (2013).

20) M. Fujita, H. Ohkawa, M. Otsuka, T. Somekawa, Y.

Maeda, Y. Orii, K. Inaba, G. Okada, and N. Miyanaga,“Micromachining of Thin CFRP with UV-ps Laser

産業 , 第 137 号（12 月 1 日）, pp.10-13 (2014).

Pulses”, Proceedings of The First Smart Laser9) 藤田雅之、「レーザーを用いたドライプロセス」、ケミ

Processing Conference, SLPC9-3, 22-24 April 2014,

カルエンジニヤリング、61（10）pp744-749 (2016).

Yokohama (2014).

10) M. Fujita, T. Somekawa, T. Ozaki, M. Yoshida, N.

21) M. Fujita, H. Ohkawa, M. Otsuka, T. Somekawa, Y.

pulsed lasers”, LPCC-5-1, Proceedings of International“Micromachining of Thin CFRP with Ultra-Short Pulse

Miyanaga, “Dual Beam laser Grooving of CFRP by

Maeda, Y. Orii, K. Inaba, G. Okada, and N. Miyanaga,

Symposium on Laser Processing for CFRP andComposites 2012, 26 - 27 April 2012, Yokohama

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

Lasers”, Stuttgart Laser Technology Forum 2014, 24 56

25 June 2014, Stuttgart.

22) M. Fujita, H. Ohkawa, M. Otsuka, T. Somekawa, Y.

29) J. Bovatsek, M. Fujita, R. Patel, “Carbon Fiber

Miyanaga, “Micromachining of thin CFRP with UV-ps

Speed and Quality using a High Power UV Laser”,

Maeda, T. Matsutani, Y. Orii, K. Inaba, G. Okada, N.

Reinforced Polymer Machining: Demonstrating

laser pulses”, Proceedings of ICALEO2014, 19-23 Oct.

Proceedings of ICALEO2015, paper# M303, 18-22 Oct.

2014, paper# M601, San Diego.

2015, Sheraton Atlanta, Atlanta.

23) K. Takahashi, M. Tsukamoto, S. Masuno, Y. Sato, H.

30) M. Fujita, H. Ohkawa, T. Somekawa, Y. Maeda, T.

M. Fujita, H. Ogata, “Influence of laser scanningof CFRP Laser Cutting with Ultra-Short Pulses”,

Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita, N. Miyanaga,

Matsutani, N. Miyanaga, “Evaluating Performance

conditions on CFRP processing with a pulsed fiber

ICALEO2015, paper# M301, 18-22 Oct. 2015, Sheraton

laser”, J. Materials Processing Technology, 222 (2015)

Atlanta, Atlanta.

pp.110–121.

31) M. Fujita, H. Ohkawa, T. Somekawa, M. Otsuka, Y.

24) M. Fujita, H. Ohkawa, T. Somekawa, T. Matsutani, Y.

Maeda, T. Matsutani and N. Miyanaga, “Wavelength

Maeda, J. Bovatsek, R. Patel, N. Miyanaga, “High Powerand Pulsewidth Dependences of Laser Processing

UV Laser Processing of CFRP with Various ns Pulse

of CFRP ”, SLPC8-2, The 2nd Smart Laser Processing

Waveforms”, Proceedings of The 4th Advance Lasers

Conference 2016, 17-19 May 2016, Pacifico Yokohama,and Photon Sources, ALPSp14-26, 22-24 April 2015,

Yokohama

Yokohama.

32) M. Fujita, H. Ohkawa, T. Somekawa, M. Otsuka, Y.

25) M. Fujita, H. Ohkawa, T. Somekawa, T. Matsutani, Y.

Maeda, T. Matsutani, N. Miyanaga, “Wavelength and

Maeda, J. Bovatsek, R. S. Patel, N.Miyanaga, “Highpulsewidth dependences of laser processing of CFRP”,

Power UV Laser Processing of CFRP with Short ns

Physics Procedia, 83, pp.1031-1036 (16-SEP-2016).

Pulses and Pulse Splitting”, Proceedings of Lasers in33) M. Fujita, H. Ohkawa, T. Somekawa, Y. Maeda, T.

Manufacturing 2015, Tu_A31_2-1, 22-25 June 2015,
Munich.

Matsutani, J. Bovatsek, R. Patel, N. Miyanaga, “HighPower UV Laser Processing of CFRP with Various ns

26) 藤田雅之、「適用拡大する CFRP の成形・加工・リサイクル技術最前線

第2編

ーザー微細加工技術

加工技術

Pulses”, Proceedings of ICALEO 2016, paper #M204,

第2章 レ

16-20 Oct. 2016, Sheraton San Diego.

第 2 節 ハイパワーレーザーに34) 藤田雅之、「レーザーを用いた多層・複合材料の加27) 藤田雅之、「高出力超短パルスレーザーを用いた炭素レーザが今後求められる」、第 87 回レーザ加工学会

よる CFRP 微細加工技術」、株式会社エヌ・ティー・エス ,工」、
オプトロニクス , vol.419, No.11, pp.95-100 (2016).

35) 藤田雅之、染川智弘、宮永憲明、「微細加工 こんな

繊維複合材加工技術（解説）」、光学、Vol.44, No.9,

講演論文集 , 2017 年 4 月 5 日 , pp.117-120 (2017).

pp.121-131 (2015 年 6 月 ).
pp.341-349 (2015).

28) 藤田雅之、「CFRP のレーザー加工 （特集：レーザー加工の最先端）」、光アライアンス、Vol.26, No.10,
pp.6-10 (2015).

57

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

液中レーザーアブレーション法によるナノ粒子作製技術
谷口誠治

レーザーバイオ化学研究チーム
１．レーザー還元金属ナノ粒子の作製とエネルギー生産への応用

筆者は 2010 年頃から、液中レーザーアブレーション法を用いて金属酸化物の還元・ナノ粒子化を簡便に行う技術について検討を行ってきた。その発端となったのは、当研究所において開発が行われた、地上太陽励起
レーザー装置を用いた応用研究である。当時太陽エネル
ギーの利用法として、
太陽熱により酸化鉄を直接還元し、得られた鉄を水と反応させて水素を発生させる手法や、レーザーにより酸化マグネシウムを直接還元する手法などが報告されていたが、それぞれの方法には一長一短が

図1

液中レーザーアブレーション法の原理図

あり、実用性にも課題があるように思われた。そこで筆年、本手法は簡便なナノ粒子作成法として注目されるよ

者は、液体中で金属酸化物を太陽励起レーザーによりアうになった。余談になるが、図 1 は筆者が作成したもブレートして還元、ナノ粒子化することで、太陽エネルのであるが、とある学会の研究発表で、面識のない他大

ギーを金属ナノ粒子という形で蓄積できるのではと考え学の学生がこの図をスライドに用いて原理説明を行ってた。鉄やマグネシウム、亜鉛といった金属は水と反応しいた。この図は研究報告やホームページなどで公開済みて水素を発生するが、バルクの状態では表面酸化のためであり、作成時はなるべく分かりやすいものを、と考え

水素発生効率が悪くなってしまう。これに対し、金属ナていたため、図を使用してもらい嬉しくもあったが、同ノ粒子は表面積が非常に大きく、反応の高効率化が期待時に一旦公開したものは当人の知らぬところで何かしらでき、水素発生源や空気電池などへの応用も可能となる。

の影響を与えている、ということも実感した。

本稿では、この 5 年間に実施した、出発物質に酸化鉄、酸化マグネシウム、および酸化亜鉛を用いた研究結果をまとめる。
２．液中レーザーアブレーション法

３．酸化鉄の還元・ナノ粒子化と水素生成 1,2)
本研究の最初のターゲットに選んだのは酸化第二鉄（Fe2O3）である。その理由は、第一に鉄（ナノ粒子）を用いた水素生成に関する研究例が多く報告されていたこ

液中レーザーアブレーション法とは、水などの溶媒中と、第二に鉄の場合、酸化状態の変化により色彩が変化にターゲットとなるバルク材料を配置し、その上にパルすること、による。研究を始めた当初は、レーザー装置

スレーザー光を照射する、というシンプルな手法である。

はあるものの生成物の物性分析に必要な機器がなく、と原理図を図 1 に示す。高い強度を持つパルスレーザー

もかくまず目で見て判断できる試料で実験を、と考えた

光は、原料物質を瞬時に加熱して気化あるいは原子化・上での選択であった。また実験に際しては、レーザー照プラズマ化（アブレート）するが、原子化された物質は射方法などにいくつかの改良を加える必要があった。金周囲の溶媒により拡散を抑制されるとともに、溶媒分子

属酸化物は通常粉体であるため、レーザー光を照射するへの熱伝達により冷却され凝集、ナノ粒子化する。生成には工夫が必要であり、また一旦還元された試料の空気したナノ粒子は溶媒中に分散し、安定化する。つまりこ中の酸素との再酸化を抑制するため、容器内を不活性ガの手法では、
溶媒が微小な反応チャンバー、
冷却剤といっスで置換することも重要である。これらの要件を満たす

た多くの役割を同時に果たしており、この特徴から近ため、本研究では反応槽に梨型フラスコを用いた方法

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

58

を考案した。図 2 に実験配置を示す。この方法では粒色の鉄（Fe）へと還元されたことを示している。さらに、径が大きな金属酸化物はフラスコの底部に沈殿するた

透過型電子顕微鏡（TEM）により生成物を観測すると、め、レーザーを下から打ち上げることにより、原料への粒子径が数 nm 〜 30 nm の球形のナノ粒子が多く生成

直接照射が可能である。またフラスコの底部はレンズとしており（図 4）、液中レーザーアブレーション法によ同様の役割を果たすため、レーザー光は試料内部で集光る金属酸化物の還元・ナノ粒子化が可能であることが明することから、高強度での照射も可能となる。この手法

らかとなった。さらに、レーザー照射後に回収した生成を用いてからは、ナノ粒子生成の時間効率や回収率も向物を用いて水上置換法による水素発生実験を行ったとこ上した。例として、図 3 に酸化第二鉄の液中レーザー

ろ、水素の生成を確認するとともに、気体発生量から作照射実験前後の写真を示す。光源には波長 1064 nm、成試料の組成はレーザー還元によって生じた鉄（Fe）ナ

出力 1 W、繰り返し周波数 10 Hz、パルス幅 8 ns のノ粒子が主成分である可能性が高いことがわかった。

Nd3+:YAG レーザーを用い、15 分間照射を行った。溶

本研究により、レーザーを用いて金属酸化物から水素

媒には有機溶媒（アセトン）を用いた。照射前の試料（図を発生させる一連の流れを実験的に示すことができた。

3 (a)）は、Fe2O3 の持つ赤色を呈しているが、レーザー

光源を太陽励起レーザーに置きかえ、出発物質には水素

照射後には黒色に変化（図 3 (b)）し、磁性を示すよう

生成後に残る酸化鉄を用いれば、太陽エネルギーを用いになった。さらに遠心分離を行うと、灰色を呈する生成

たクリーンな水素生産サイクルの構築も可能となる。実物が先に沈殿することがわかった（図 3 (c)）
。この結果用化への壁は高いが、そのための課題を一つ一つ克服しは、Fe2O3 が黒色の第一酸化鉄（Fe3O4）、あるいは銀白ていくことが今後重要となる。この研究を通じて改めて感じたのは、ナノ粒子の研究を進めるにはやはりその物性（粒子径、組成、結晶構造など）の詳細な分析が必要、ということである。物性分析には X 線回折などのさま
ざまな装置、とりわけ透過型電子顕微鏡（TEM）による分析は非常に重要である。研究当初は全くつてがなく観測をどうするか思案していたところ、幸いにも阪大の超高圧電子顕微鏡センターの TEM を使わせていただく

図2

機会を得た。また資金についても、H25 年度ひょうご

液中レーザーアブレーション実験配置

科学技術協会研究助成の支援を受け、研究を進めることができた。ご協力いただいた方々に感謝したい。
４．金属ナノ粒子の空気電池への応用 3~6)
クリーンなエネルギー供給源として期待されている燃料電池の一種で、最近注目されているものに金属空気電池がある。燃料電池は負極の活物質に水素を用いるが、
図 3  (a) レーザー照射前、(b)15 分照射後、(c) 遠心分離後の酸化第二鉄

空気電池は活物質に亜鉛やアルミニウム、マグネシウム
等の純金属を用いており、水素に比べ取り扱いが容易である。また正極の活物質には空気中の酸素を用いることから、正極の活物質を必要とせず、その分電池内に負極の活物質を多く充填できる。このため空気電池には、従来の電池に比べて放電容量を大きくできるという利点があり、リチウムイオン電池に代わる電源としての利用が期待される。補聴器用の亜鉛電池（図 5）や、災害時用のマグネシウム電池など、すでに実用化されているものもある。
一方、空気電池の問題は、使用後に金属が酸化（水酸

図 4 レーザー照射後の酸化第二鉄の明視野 TEM 画像化）するため、再利用するには金属を再還元する必要が59

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

あるという点にある。最近は充電可能な二次電池化を目

筆者らは、レーザー照射後の試料を用いて実際に負電指した研究も多いが、実用化には至っていない。そこで

極を作製し、空気電池への応用が可能かについても検討

筆者らは、液中レーザーアブレーション法を用いれば生してきた。負電極は、レーザー照射後乾燥した試料と成する金属ナノ粒子を負極の活物質に利用でき、さらにAg ペーストを混合してペースト化した後、Mg などのは使用後の電池を回収して金属酸化物を再還元・微細化

基板上に塗布し、ホットプレートで焼成したものである。

することで、電池のリサイクルも可能になるのではと考（図 7(a)）。この電極を用いて空気電池（図 7 (b)）を作え、研究を開始した。原料には、酸化マグネシウム（MgO）

製したところ、白色 LED を点灯させることができた（図3, 4)、酸化アルミ（Al O ）5）、および酸化亜鉛（ZnO）6)8）。またその起電力は、負極にバルクの金属板を用いを用い、酸化鉄と同様の手法でレーザー照射実験を行ったものに比べて 10% 以上高くなることがわかった。ナた。ここで問題となったのは、試料の変化を目視で確認

ノ粒子を焼成して作製した負電極は多孔質構造を持つたできない、ということである。MgO、Al2O3, ZnO の粉め反応表面積が大きく、また電解液も電極内に浸透しや体はいずれも白色であり、還元され金属となってもそれすいものと考え、当初の予測と一致した結果を得ること

らの色は銀白色で、酸化鉄のような明確な色彩の変化は

ができた。

2

3

見られないものと予想された。実際に MgO、Al2O3 を用いた際には、粉体の微細化は確認できたものの、色の変

(a)

(b)

化はほとんど見られなかったため、レーザー照射の条件を定めるのに大変苦労した。一方、ZnO では、エタノー
ルを溶媒に用いた際に試料が黒色に変化した。この結果は予想外でもあったが、照射後の試料を STEM で観測すると、粒径 30nm 付近の粒子が多数生成していた。
また EDX（エネルギー分散型 X 線回折）による組成分

図 7  (a) レーザー還元 Mg ナノ粒子を用いて作製した負電極の写真、(b) 空気電池の模式図

析で、生成粒子の組成は 96% が亜鉛で酸素は 3%、しかも粒子表面にのみ存在することが明らかとなり（図 6）、高純度の亜鉛（Zn）ナノ粒子の生成が確認された。亜鉛ナノ粒子の色についてはなかなか報告例が見つからなかったが、最近市販されるようになった Zn ナノ粒子粉体を調べてみると、黄色（American Elements 社）または黒色（US research Nanomaterial 社）との報告があり、実験結果と一致した。おそらく、粒径や 2 次粒子の影

図8

響などにより色彩が変化するものと考えられる。

作製した空気電池による LED 点灯実験

５．まとめ
本研究により、レーザーを用いて作製したナノ粒子が水素生成や空気電池といったエネルギー分野に応用可能であることを示すことができた。今後は、レーザーを用いた
液中イオン還元による核廃棄物処理 7) や、ナノ粒子のレーザー加工など、本手法を用いた応用の幅を広げていきたい

図 5 亜 鉛 空 気 電 池 の 構 造（ 電 池 工 業 会 HP（http://
www. baj.or.jp）より）と考えている。本稿で述べた一連の研究は、関西大学シ
ステム理工学部電気電子情報工学科佐伯准教授との共同研究として行われたもので、毎年研究室の学生を受け入れてきた。最初は学生が一人で実験を進められるように、と考えていたのだが、実験に使用したパルスレーザーは光強度が高く、安全面を考えるとレーザーの扱いに不慣れな学生を一人にする訳にもいかない。結局は毎回実験に付き添

図 6 レーザー照射後の酸化亜鉛の組成分析結果（左）明視野 STEM 画像、（中）酸素、（右）亜鉛
レーザー技術総合研究所30周年記念誌

うことになってしまったが、これもまたよい経験である。
60

発表論文
1) T. Okada, T. Saiki, S. Taniguchi, T. Ueda, K. Nakmura,
Y. Nishikawa, Y. Iida, ISRN Renewable Energy, 2013,827681-1-7, 2013.

2) 谷 口 誠 治、 月 刊 光 アライアン ス、8 月 号、20-23,
2013.

3) T. Saiki, S. Uchida, T. Karita, K. Nakamura, Y. Nishikawa,S. Taniguchi Y. Iida, Proceeding of The 3rd Advanced
Lasers and Photon Sources (ALPS’14), 161, 2014.

4) T. Saiki, S. Uchida, T. Karita, K. Nakamura, Y. Nishikawa,S. Taniguchi, Y. Iida, Int. J. of Sustainable and Green
Energy, 3, 143-149, 2014.

5) 佐伯 拓、谷口誠治、中村和広、飯田幸雄、電気学会論文誌 A, 135, 559-564, 2015.

6) 谷口誠治、月刊 OPTRONICS、419、2016.

7) N. Nakashima, K. Yamanaka, M. Saeki, H. Ohba, S.
Taniguchi, T. Yatsuhashi, J. of Photochem. Photobiol. A:
Chemistry, 319, 70-77, 2016.

61

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

光学素子のレーザー損傷～その機構とデータベース～
本越伸二

レーザー技術開発室
1．単一パルスから繰返しパルスへス照射の損傷しきい値は、パルス間隔が短くなるに従い従来の高繰返しレーザーパルスは、パルス幅が長い、低くなり、またその低下の割合は低純度の石英ガラスのまたはパルスエネルギーが小さいものであったが、レー方が大きくなることが判った。つまり、レーザーパルス

ザー材料、周辺素子の改良により、kHz 以上の繰返し周

照射の余韻は、数 ms 後まで残り、それが次のパルスに波数を持ちながら、短パルス、高エネルギー装置が開発

よる損傷の要因となることを示している。

され、応用が広がっている。

繰返し周波数や、照射パルス数の増加に従い、光学素子のレーザー損傷しきい値が低下することは、多く論文で報告されている。我々の過去の研究では、その原因について、繰返しパルス照射
による熱の蓄積であることを実験的、理論的に証明してきた。しかし、近年、超短パルスレーザー光による繰返
し照射においても、1 パルスの損傷しきい値に比べて低下することが報告された。超短パルスレーザー光は高い
ピーク強度を持つが、平均エネルギー、つまり熱エネル
ギーは小さい。そのため、上述した熱の蓄積以外の損傷
しきい値低下の要因を調べる必要が出てきた。
熱の蓄積でないとすると、連続 2 パルスでも損傷し

図 1 2 パルスレーザー損傷試験の様子（ガラス内部の輝点は、損傷による He-Ne レーザー光の散乱）

きい値に影響があらわれると考えた。そこで、繰返し周
波数（時間間隔）を変えた場合の連続 2 パルスのレー
ザー損傷しきい値の評価を始めた。できるだけ損傷過程を単純化したいと考え、合成石英ガラスの内部損傷を測定対象とした。合成石英ガラスは多くのグレードがあるが、その品質は安定している。またガラス表面と違い研
磨工程、研磨材、保管状態などによって損傷しきい値に影響がでない。また、照射レーザーには波長 193nm のArF エキシマレーザーを使用することにした。近赤外や可視域では石英ガラス吸収が小さく、損傷を起こすためには紫外に比べて大きなレーザーエネルギーが必要である。また 1064nm の光子エネルギーでは、石英ガラ

図 2 2 パルス時間間隔に対するレーザー損傷しきい値。
縦軸は 1 パルス損傷しきい値で規格化。

スのバンドギャップエネルギーを超えるためには 6 ～ 7

一方、紫外光照射による石英ガラス材料の透過率劣化

光子励起が必要とされるのに対して、波長 193nm ではについては、既に多くの論文、報告がある。これは、紫2 光子励起で可能となり、単純な損傷過程を考えること

外光のフォトンエネルギーにより、化学構造欠陥が生成ができる。

この研究は、共同研究をしている近畿大学されるためとして知られている。上述の 2 パルスによ

理工学部の吉田実教授の学生であった竹村有輝君（現：るレーザー損傷しきい値低下の要因を探るために、同じ

近畿大学大学院修士 2 年）が担当してくれた。この結果、石英ガラス試料に対して低エネルギー密度による長時間

1 パルス照射のレーザー損傷しきい値に比べて、2 パル照射を行い、その透過率変化を計測した。その結果、照レーザー技術総合研究所30周年記念誌

62

射開始初期の急激な透過率低下の傾きは、繰返しパルスについては、その都度レーザー損傷評価用に光学系を組

周波数の増加に従い大きくなり、またその変化は低純度んで対応している。

の試料の方が大きくなることが確認された。この変化のザー損傷しきい値データベース化試験」も 18 回を超え傾向は上述の 2 パルスレーザー損傷しきい値の低下のた。これは、毎回 1 つの光学素子の仕様を決定し、試傾向と一致することから、繰返しパルスによる損傷しき料の提供を光学素子メーカーに呼びかけ、同一条件で試い値低下の要因は化学構造欠陥によるものと考えられ験を行うことにより、比較可能な損傷しきい値データをる。今年から、竹村君の後輩である近畿大学 4 年生の報告するものである。参加光学素子メーカーにとっては、

小川遼君も加わり、更に詳細な研究が進められ、繰返し

自社製品を他社のものと比較可能となり、光学素子ユー

パルス照射によるレーザー損傷の物理過程、高耐力光学

ザーにとっては装置の設計や光学素子を使用する上での素子開発に繋げていきたい。

エネルギー上限の目安となる。現在までに、延べ 222

平成 20 年度から開始した「レー社、577 個の光学素子のデータを蓄積できたことになる。

2．データベース化試験とレーザー学会産業賞

それぞれの結果は、レーザー総研のホームページにて公基礎研究と同時に、企業から依頼された光学素子のレ開している。平成 29 年度、このデータの蓄積を評価しーザー損傷耐性試験を進めてきた。

て頂き、レーザー学会産業賞「貢献賞」を受賞した。ま依頼される試験の多くは、Nd:YAG レーザーとその高調

た、今年度より、10Hz の繰返しパルスによるデータベー波に対する損傷評価試験であり、これはレーザー技術推

ス化試験を開始する。光学素子メーカーと協力し、高耐進センターから出向している岸田知門氏が一手に担って力光学素子開発を進めていきたい。

くれている。装置そのものはレーザー損傷評価用としてシステムが組まれているが、装置の稼働が 10 年を超えてきたこともあり、年々評価よりも装置メンテナンスに時間がとられるようになってきた。
近年、レーザー装置の多様化に伴い、違う波長の依頼も多くなっている。波長 193nm、248nm のエキシマレーザーや、波長 800nm のチタンサファイアレーザー
表1

データベース化試験参加数

63

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

図3

レーザー学会産業賞「貢献賞」受賞パネル

謝辞
多大なるご協力を頂きました大阪大学レーザー科学研究所實野孝久招聘教授に謝意を表します。
試料提供のご協力を頂きました「高耐力光学素子研究会」の参加企業の皆さんに感謝の意を表します。

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

64レーザーピーニングのシミュレーション、及びレーザー核融合炉設計研究
古河裕之

理論・シミュレーションチーム
2-5)。統合シミュレーションを行った結果、塑性応力の１．レーザーピーニングのシミュレーション
レーザー技術総合研究所では、大阪産業大学及び近畿

空間分布の時間発展が固体金属内部の温度分布の時間発

大学と共同で、レーザーピーニング及びその産業応用に

展に影響されることを、新たに見出した。

関して精力的に研究を行っている。レーザーピーニング

固体金属は、閉じ込め層により閉じ込められた高温のプは、金属表面処理技術の 1 つであり、類似技術にショッ

ルームにより、再加熱される。塑性応力の生成に関して、

トピーニングがある．レーザーピーニングでは，レーザー

この効果が重要であることが示唆された。熱の伝搬に応誘起衝撃波によって金属の塑性変形を引き起こし、ピー

じて、圧縮塑性応力から引張塑性応力に転じる可能性がニング効果として表層に圧縮残留応力や加工硬化を付与ある、ことが示唆された。

する。現在、原子力・宇宙航空産業を中心に実用化され次の 5 年においては、現在考慮されていない、閉じ込ている 1)。

め媒質によるレーザー光の吸収、閉じ込め媒質の沸騰、

図 1 に、レーザーピーニングの原理図を示す。閉じ込

閉じ込め媒質のイオン化などを考慮し、レーザーピーニ

め層（大気、水等）を介した短パルスのレーザー照射にングパラメーターの最適化を行う。

より、金属表面がアブレーションし、アブレーション生

2．レーザー核融合炉設計研究

成プルームの急激な膨張が閉じ込め層の慣性により抑えられ、大きな圧力が金属表面に付与される。その圧力がレーザー技術総合研究所では、大阪大学レーザーエネ

金属の降伏応力を超えると，塑性変形が起こり、表層部

ルギー学研究センターと共同で、レーザー核融合炉設計が伸展し、未変形部の拘束によって圧縮残留応力が付与研究を行っている。高速点火レーザー核融合炉発電プラされる。この圧縮残留応力が，疲労特性の改善、耐応力

ント「KOYO-fast」では、厚さ 3 mm から 5 mm 程度の腐食割れ特性の向上に寄与する。

液体リチウム鉛が第一壁に沿って滝状に流下する液体
壁構造により、第一壁を保護している 6-9)。液体壁は、

Pulsed laser レーザー
レンズ

核燃焼

大気、又は水

プルーム
デブリ粒子

プルーム
x

衝撃波、熱の伝搬
図1y

レーザーピーニングの原理図

30 degree
図2

本研究において、レーザーピーニング条件の最適化

Tile
6m

KOYO-fast の液体壁チェンバー第一壁のタイル構造の概念図を目的とし、統合シミュレーションコードを開発した
65

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

核融合燃焼により生じた X 線、α粒子及びデブリ粒子

Performance and process simulation’, CRC Press,

により、液体から中性気体、部分電離プラズマへと相変化を伴いながらアブレーションする。生成されたプルー

6)

ムがチェンバー中心付近で衝突すると、エアロゾル等が生じ、金属蒸気の排気、引いては核燃焼反応にとって大7)きな妨げとなる、ことが予想される。高速点火レーザー
核融合炉発電プラント「KOYO-fast」では、図 2 に示す

8)

ように、第一壁から飛散したプルームがチェンバー中心部に集中しないように、第一壁を角度を付けたタイル構造にしている 6, 9)。

9)

本研究により、1 枚のタイルから吹き出すプルームは、
10)い、ことが示された。しかし、チェンバー内の液体壁近傍では、隣接する 2 つのタイルから飛散するプルーム
同士は 15 °の角度で衝突する。そこで、上記の条件を取り入れ、粒子法 10) を用いてプルーム同士の 3 次元
シミュレーションを行った。その結果、液体壁近傍での
2 つのプルーム同士の衝突は、チェンバー中心近傍でのプルーム同士の衝突に大きな影響を与えない、ことが示唆された。図 3 は、チェンバー内のプルーム同士の衝突の概略図である。
次の 5 年においては、
これらの結果を基に、チェンバー
内の金属蒸気の 3 次元的挙動を明らかにし、チェンバー
内の金属蒸気の排気の条件を明らかにする。

y
Tile
Tile
図3

x

15 degree

チェンバー内のプルーム同士の衝突の概略図

参考文献
1)K. Ding and L. Ye, “Laser shock peening”, Woodhead
2)
3)
4)
5)

Publishing Limited, 1-44, 2006.

古河裕之、部谷学、中野人志 : レーザー研究 , 24,
784-791, 2014.

古河裕之 : レーザー研究 , 36, 742-746, 2008.

古河裕之、藤田和久、森谷信一 : プラズマ核融合
学会誌 , 87, 642-649, 2011.

K . D i n g , a n d L . Ye : ‘ L a s e r s h o c k p e e n i n g

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

66

H. Furukawa、T. Norimatsu : Plasma and Fusion
Research、11 1405084-1~1405084-5, 2016.

古河裕之 , 乗松孝好 : プラズマ核融合学会誌 , 87,

51-55, 2011.

古河裕之 , 城﨑知至 , 神前康次 , 乗松孝好 , 疇地宏 ,西川雅弘 , 田中和夫 , 三間圀興 , 苫米地顕 , 山中千代衛 : プラズマ核融合学会誌 , 82, 617-627, 2006.

神前康次 , 乗松孝好 , 古河裕之 , 林巧 , 惣万芳人 ,西川正史 , 苫米地顕 : プラズマ核融合学会誌 , 83,

タイルの表面に対して垂直な方向にほぼ直進するため、チェンバー中心近傍でのプルーム同士の衝突は殆どな

2006..

19-27, 2007.

越塚誠一、柴田和也、室谷浩平：粒子法入門、
丸善出版。

資料編

67

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

1.財団組織図

1.財団組織図

評議員会

理事会
事
監

理事長

大石富彦
副理事長

井澤靖和

事務局長
研究所長

レーザー核融合技術振興会
中塚正大
松村宏治

総

務

部

レー ザ ー 技 術 開 発 室

理 論 ・シミ ュレー ションチ ー ム

レー ザー バイオ化 学 研 究 チー ム

レー ザ ー 計 測 研 究 チ ー ム

レー ザ ー プ ロセス研 究 チ ー ム

レー ザ ー エネ ルギー 研 究 チー ム

68

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

Ｉ Ｆ Ｅ フ ォ ー ラ ム
常務理事

副所長

2.発起人名簿69

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

3. 歴代理事、監事、評議員、総務委員、技術企画委員、総務企画委員、企画委員
歴代理事、監事

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

70

71

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

72

73

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

歴代評議員

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

74

75

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

76

77

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

歴代評議員選定委員

歴代総務委員

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

78

歴代技術企画委員

79

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

歴代総務企画委員

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

80

81

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

82

歴代企画委員83

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

4. 賛助会員名簿

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

84

5. 受賞一覧

85

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

86

6. 泰山賞の贈呈

87

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

7. 特許一覧

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

88

8. 刊行物一覧

89

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

90

9. 役職員・共同研究員名簿

91

レーザー技術総合研究所30周年記念誌

10.OB 研究者・職員の推移
10.Ｏ Ｂ研究者・職員の推移
氏 名

車信一郎
金邉 忠
中井光男
竹田哲也
尾島勇一
横谷篤至
山本武生
永本浩一
西口彰夫

S62 S63 H1

研究員 62.7
研究員 62.7
研究員 62.7
研究員 62.7
研究員 62.7
63.4
研究員
研究員
研究員
研究員
Christopher Frantz 研究員
研究員
陳 基忠
研究員
Bernard Souroque
研究員
村上匡宜
研究員
中村賢志
研究員
遠藤琢磨
研究員
陳 延偉
研究員
兒玉了祐
研究員
Helmut Schillinger
研究員
草場光博
研究員
椿本孝治
研究員
浅川 誠
研究員
浜中 泰
Eugene Slobodchikov 研究員
研究員
神水 摂
研究員
柴田 穣
研究員
千徳靖彦
研究員
橋田昌樹
Vasilii Zhakohuvskii 研究員
研究員
河村 徹
研究員
篠原秀則
研究員
内田成明
研究員
井上典洋
研究員
佐伯 拓
研究員
山浦道照
研究員
橋本和行
研究員
古瀬 裕章
研究員
宇野 和行
研究員
横井佐代子
研究員
城崎 知至
研究員
渡邊 英世
研究員
中村 龍史
研究員
川口 俊宏
研究員
櫻井 俊光
研究員
竹内 靖
研究員
北村 俊幸
研究員
三上 勝大
研究員
砂原 淳
受入研究
陳 卓明
受入研究
Viliam Kmetik
受入研究
文 雅司
受入研究
張 樹葵
受入研究
周 香林
受入研究
林 昶煥
受入研究
竹内康樹
出向研究 63.5
出口博史
出向研究
岩田章裕
出向研究
安田裕彦
出向研究
田中崇雄
出向研究
青木政徳
出向研究
三上勝大
出向事務 62.7
松井 巌
出向事務 62.7
木村和生
出向事務 62.7
柴崎正博
出向事務
谷口 茂
出向事務
山内智雄
出向事務
須崎志郎
出向事務
本田裕一
出向事務
森山昌己
出向事務
樽本康正
出向事務
植田健司
出向事務
緒続伸雄
出向事務
田島範雄
出向事務
松田健次
出向事務
大野高徳
出向事務
澤坂 洋
出向事務
高村光信
出向事務
川崎邦裕
出向事務
駒田伊知朗
出向事務
柿元冨士夫
出向事務
乾 良路
出向事務
稲崎 登
出向事務
田中健一
出向事務
野坂明信
出向事務
坂井寛久
出向事務
高山大輔
出向事務
三宅 浩史

H2

H3

H4

H5

H6

H7

H8

H9 H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22 H23 H24 H25 H26 H27 H28 H29
12.6

4.10
1.4
2.3
5.6
7.7
1.4

3.9
2.4

3.3

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2.12

3.11

2.12

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レーザー技術総合研究所30周年記念誌

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創立 30周年記念誌
発行／公益財団法人〒 550-0004

レーザー技術総合研究所

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編集／公益財団法人

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製作／公益財団法人

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発行日／平成 29年 7月 21日
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