J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.12 (2011)８
０１‐８１５

解説

遠赤外レーザーの開発とその応用
中 山 和 也，岡 島 茂 樹，川 端 一 男１）
中部大学工学部，１）核融合科学研究所（原稿受付：２
０
１
１年１
０月３
１日）

遠赤外レーザーが核融合プラズマ診断の干渉・偏光・散乱計測用光源として利用され始めて約４０年が経過した．この間にレーザーが大きく進歩し，国際熱核融合実験炉 ITER 計測でもなくてはならない光源の一つになっている．cw 遠赤外レーザーを中心に遠赤外レーザー開発の４０年を振り返るとともに，最近の遠赤外レーザーや遠赤外光学素子の現状，プラズマ計測を中心とする応用の現状について解説する．
Keywords:
Far-infrared (FIR) laser, laser frequency stabilization, FIR optical element, plasma diagnostics

１．遠赤外レーザー開発の推移

遠赤外分子レーザーの応用範囲が広まったのは，１９７０年

１．
１ 遠赤外波長領域とレーザーに CO2 レーザー励起の CH3F レーザーが報告されてからで遠赤外線は，分光学的にはイオン結晶のプリズムで光がある［１０］．この方式で多くの多原子分子からの遠赤外レー

透過しなくなる波長 25 μm（周波数約 12 THz）から 1 mm

ザーが報告された．これは 9〜11 μm で１００本近く発振する（約 0.3 THz）までの電磁波である．遠赤外レーザーが発表

CO2 レーザー光で永久双極子モーメントを持つ多原子分子されるまで，この波長領域の光源としてはインコヒーレンの励起振動準位の特定回転準位を選択励起して反転分布をトな熱輻射が主であり，中でも高圧水銀灯がよく用いられ得て，純回転遷移により遠赤外波長領域で発振させるレーており，単一波長で単一モードの強い輻射が得られず，背ザーである．励起用レーザーと遠赤外レーザーの２台を必

景雑音も大きい等の欠点があった．また特殊電子管や半導要とするものの，CO2 レーザー光を吸収する候補分子が多体発振器を用いても波長１mm 以下の電磁波の発生は簡単

く，これまでに１００以上の分子から４０００本以上の新しい遠ではなかった．そのため，この遠赤外波長領域は電波と光

赤外レーザー線が報告された［１１，１２］．しかし，発振線の中の谷間と言われ開発が非常に遅れた領域であった．ここでにはパルス動作のみで得られるレーザーや取り扱いがたいは，波長 30 μm（周波数約 10 THz）〜300 μm（約 1 THz）

（例えば，高価，強酸，毒ガス等）分子からのレーザー，の cw レーザーの開発とその応用に関する現状を中心に紹シュタルク効果を利用して分子のエネルギー準位を操作し介する．

たレーザー，導波管型の CO2 レーザーを用いてパンプオフ

１９６４年にC.K.N．Patel等がHe-Ne放電から31.9〜57.3 μm

セット周波数の高いレーザー等も多く，実用しやすいレーに９本の，A.Crocker 等が H2O 放電により 23.3〜78.8 μm

ザー線は数１０本程度と非常に限られている．また，遠赤外に９本の，続いて H.A. Gebbie 等が HCN，CH3CN，C2H5CN

分子レーザーは特定のエネルギー準位間の遷移によるた放電から 337 μm にレーザー発振を報告し［１‐３］，それまめ，波長の可変性がなく，希望する周波数と一致するとはでの状況を一変させた．希ガスレーザーは低出力のため実限らない欠点がある．しかし，逆に，レーザー周波数が正用化されなかったが，分子レーザーはその後の研究で cw

確に決められるため，周波数標準や高精度光学定数測定なで比較的高出力が得られるようになり，固体物性研究や分ど周波数を固定して計測する応用には適している．

子分光研究などへの応用に重宝された．１９７０年頃までは新１．
２ 遠赤外領域の他の光源の開発

しいレーザー線の開発，発振機構の解明につながる研究が他の遠赤外光源としては，半導体レーザー，自由電子

主であった．そして，HCN（DCN）
レーザーや H2O
（D2O）

レーザー，最近の超短パルス（フェムト秒）レーザーを用

レーザーが，分子の基底電子状態の異なる振動モード間のいた THz 波発生，高出力ジャイロトロン等がある．今後ど

回転準位の共鳴相互作用による摂動準位を中心とした回転のように発展するか楽しみである．現状では，半導体レー遷移による発振であると解明された［４，５］．この機構を指

ザーはコンパクトで優れているが，可視光線領域から数導原理として遠赤外レーザー発振線数を増やすための開発

10 μm までの波長領域が主で，ここで対象としている波長

研究がなされ，SO2，H2S，OCS，H2CO 等からの新しいレー

領域では難しい．量子カスケードレーザーも将来有用になザーが報告されたが［６‐９］，cw レーザー発振線の数が少なると考えられるが，THz 領域では低温が必要であり，まだく，高出力発振線も得られず，応用も限られていた．

出力も大きくなく，パルス動作が中心で，高出力の cw発振

Development and Application of a Far Infrared Laser
NAKAYAMA Kazuya, OKAJIMA Shigeki and KAWAHATA Kazuo

corresponding author’s e-mail: nakayama@isc.chubu.ac.jp

８０１!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.12 December 2011

１．
４ 遠赤外レーザーとプラズマ計測にはもう少し時間が必要な状況である．特に，5〜12 THz
領域は未開発である［１３］．自由電子レーザーは高出力動作

遠赤外レーザーのプラズマ計測への応用は早く，遠赤外が可能であるが，装置が大型で出力・周波数安定度が良く

レーザー出現の４年後には名古屋大学プラズマ研究所でない．超短パルスレーザーによる THz 発生はスペクトル幅

cw337-μm HCN レーザーを光源として干渉計測が行われたが非常に広いメリットはあるが，出力が小さく（mW 以［１５］．プラズマ計測の点では，干渉・偏光・散乱（密度搖下），超短パルスの特徴を必要とする応用が見つかってい動）計測用光源として，放電励起では，cw 高出力の得られない．高出力ジャイロトロン（電子管）は GHz 帯域で重要る HCN レ ー ザ ー（波 長 337 μm），DCN レ ー ザ ー（波 長な高出力光源であるが，やっと周波数が THz 領域に入った

195 μm），H2O レーザー（波長２８μm）が，CO2 レーザー励

状況で，THz 帯域でまだ幅広く実用できる状況ではない．

起では cw の CH3OH レーザー（波長 119 μm），CH2F2 レー

したがって，ここで取り上げる 1〜10 THz 領域では，分ザ ー（波 長 184 μm），HCOOH レ ー ザ ー（波 長 394 μm，子ガスレーザーは発振波長が限られる問題があるが，狭帯433 μm），CH3I レーザー（波長 447 μm）などが代表的な光域性，周波数安定性に優れたコヒーレントな光源として重源として現在でも用いられている［１６］．イオン温度を測る

要な役割を果たしている．

ための散乱（協同イオントムソン散乱）計測用のパルス

１．
３ 遠赤外レーザーを光源として利用するための条件

CO2 レーザー励起の 385-μm D2O レーザー開発に力を入れ

遠赤外分子レーザーの応用としては，古くからの固体物られた時期もあったが［１７］，ローザンヌ工科大学での散乱性，分子分光（天文研究を含む），核融合プラズマ研究等

計測を最後に，姿を消した［１８］．最近では，プラズマの高に，また新しくは，最近成功した高エネルギー電子ビーム

密度化，大型化が進み，ITER のような装置に対応するもとの相互作用による !線生成研究に用いられている．さらのとして 100 μm 以下の短波長遠赤外領域で高出力発振すに，医学面への応用も期待されているが，今後の課題である 48-μm，57-μm CH3OD レーザーが注目されている［１９］．

る．遠赤外レーザーを計測用光源として利用するためには

また，磁場閉じ込め高温プラズマにおけるレーザー応用計

次の条件を満たしていることが必要である．

測に関しては本誌小特集で解説されており，参考にされた（１）目的に合致した最適波長での発振

い［２０］．

（２）発振線の構成の単純さ（単一発振利用，同時発振利用

１．
５ 遠赤外分子レーザーの例
１．
５．
１ 放 電 励 起 337-μm HCN レ ー ザ ー，195-μm DCN

に対して）

レーザー

（３）ビーム広がりの少ない単一モード発振（セルフビート
発生がない）

このタイプのレーザーは１本のレーザー管で済む便利さ（４）直線偏光出力があり，使える発振線は限られるが，今でも重宝なレー（５）高出力動作ザーである．しかし市販品はなく，自己開発しなければな（６）高安定動作（出力，周波数，偏光）

らない．筆者らはプラズマ計測用光源として長さ 5 m の（７）低雑音発振

337-μm HCN レーザーと 195-μm DCN レーザーを開発した（８）取り扱いやすさ（メンテナンスフリーが望まれる）［１６，
１７］．レーザー管は EH１１モード（直線偏光）で発振さ（９）低運転コスト（特に使用レーザー媒質）せるのがよく，誘電体導波管タイプ（HCN レーザーは内径（１０） 高安全性（人，装置，環境に対して）

59 mm，DCN レーザーでは 43 mm のパイレックスガラス（１１） パルスレーザーでは要求されるパルス幅管を使用）とする．広がり角の小さいビームを得るためにまた，使用にあたってはこれらのレーザー特性がよくわ

は口径が大きい方がよく，レーザー共振器はメッシュ出力

かっていることが大切である．

鏡と金属平面鏡で構成する．遠赤外レーザーでは共振器の放電励起分子レーザーでは，数 100 kHz に現れる雑音が同調が必要であり，金属平面鏡を減速モーター駆動して共計測を妨げるため，計測目的に応じて，パラメータの調整

振器長を調整する．周波数や出力の安定化はこの長さを制等で低減する必要がある［１４］．特に，HCN（DCN）レー

御して行う．安定で高出力の発振には電極も重要で，LaB6

ザーの場合はレーザー管壁へのポリマー（C，H（D），Nや Ta の熱陰極が良い．放電励起のこの種のレーザーでは，化合物からなる褐色のポリマー）付着の問題，排ガスの処

管壁への褐色のポリマーの付着が出力低下の大きな原因と理等の問題も大きい［１４］．

なるため，この付着を防ぐ目的で，約 180 ℃に保つように

CO2 レーザー励起の遠赤外レーザーの場合は，分子の振する．HCN レーザー，DCN レーザーで現在得られている

動回転遷移による励起のため，励起 CO2 レーザーの周波数

最大出力は 1.3 W である［１６，
１７］．この種の放電型のレーの安定性，縦横単一モード動作が重要であり，システムとザーは陽光柱に縞模様が生じ，それが変動すると周波数がしては励起光の遠赤外レーザー共振器からのフィードバッ

変動する．また，レーザー出力に放電に起因する0〜1 MHzク（バックトーク）対策が特に重要である．この点に関しの雑音が生じる．これ等は放電パラメーター（電流，ガスては後の章で詳しく述べる．

圧，ガス流量等）の調整で変わる．しかし，周波数の安定遠赤外波長領域を利用するためには，光源だけでなく，度，出力，雑音のすべてを最適にする動作条件はないため光学素子（光学窓，ビームスプリッター等），検知器，シスに，利用目的に合わせてパラメーターを調整する必要があ

テム構成等も重要であり，未開発の部分が多く，並行してる［１８］．HCN レーザーは 337 μm 以外に 331 μm，373 μm

開発しなければならない．

にレーザー発振が知られているが，共振器長の同調で単一
８０２

Commentary

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K. Nakayama et al.

波長のレーザー発振が可能である．しかし，DCN レーザー

出力 1.6 W の 119-μm CH3OH レーザーが得られている［２１］．

は 189.95 μm，190.01 μm，194.70 μm，194.76 μm に近接発

CO2 レーザー励起の遠赤外レーザーは，非常に多くの発振線があり，共振器の同調だけでは分離し難く，フィル

振線が報告されているが，１．
１節で述べた理由から実際にター等の外部光学素子による波長分離が必要である．

使用できるレーザー線を選択することが難しい状況にあ１．
５．
２ CO2 レーザー励起の 119-μm CH3OH レーザーる．そこで，筆者らがプラズマ計測用の光源開発のために励起用と遠赤外用の２組のレーザーを必要とするが，こレーザー線を探査し，得られたレーザー線の中から，比較のタイプのレーザーは同じ装置で遠赤外レーザー分子を変的高出力で発振し，使い易いものを表１（末尾）に参考としえるだけでレーザー発振線を変えることができ便利であて示す．48-μm，57-μm CH3OD レーザーや 119-μm CH3OH

る．励起用 CO2 レーザーの共振器は，波長を変えるためのレーザーを除けば，決して最適化された値ではないが，こ回折格子と周波数調整のための共振器長微調機構（電圧駆れらのレーザー線を用いて光学素子や検出器開発を行って動のピエゾ素子（PZT））を備えた ZnSe 出力鏡で構成すいる．

る．計測用光源として優れた（高出力，単一モード，高安

２．短波長遠赤外レーザーの最近の開発状況

定性）遠赤外レーザーを実現するには，励起 CO2 レーザー，
遠赤外レーザー共に，レーザー管の真円性，直線性，共振

計測用の遠赤外レーザーは，その目的により重要度は異器の安定性が特に重要である．励起 CO2 レーザー長は，遠なるが，１．
３節で示した条件を満たさなければならない．こ赤外レーザー分子のポンプオフセット周波数との関係で決

こでは，これらの要件を満たすべく筆者らが行っているめる必要がある．

CO2 レーザー励起の短波長遠赤外レーザーの開発状況

遠赤外レーザーはプラズマ計測ではビート変調型干渉・（レーザー装置，複数波長の発振，高出力化，安定化）につ

偏光計への応用のために双子型にすることが多い．CO2

いて述べる．

レーザー励起の遠赤外レーザーでは，励起 CO2 レーザーと２．
１ 波長 100 μm 帯，50 μm 帯のレーザーの開発

遠赤外レーザーの共振器が複合共振器を構成することにな

波長 100 μm 帯域の代表的なレーザーとして，9P(36) CO2

り，励起 CO2 レーザー光の遠赤外レーザー共振器から戻る

レーザー励起の波長 119 μm の CH3OH レーザーが挙げられ

バックトークが周波数や出力の不安定さの原因となる．こる．核融合プラズマ計測では，電子密度や電流密度計測用の対策が最重要課題である．筆者らは，励起光を遠赤外の干渉計や偏光計の光源に使用されている．現在，核融合

レーザー共振器へ斜入射させ，入射角度やビームの広がり

科学研究所の大型ヘリカル装置（LHD）の電子密度分布計

角を調整して最適化している．遠赤外レーザーの周波数及測や SPring‐８における !線生成研究（４．
３節）で実用されてび出力の安定動作のためには励起 CO2 レーザーの周波数のいる．一方，CH3OD を 9R(8) CO2 レーザーで励起すると，波安定化が特に重要であり，分子の吸収線を用いて制御する

長 48 μm と 57 μm のレーザーが高出力で同時発振する．このが良い．レーザーの高出力動作のためには，励起 CO2の波長帯域は，LHD の高密度実験や ITER 計測において最レーザー，遠赤外レーザー共に冷却水の低温化が有用であ適な領域であるが，まだ開発段階にある．現在，レーザーる．また，遠赤外レーザー管への He の混入が有効な場合がを含めた計測システムの開発を進めている（４．
２節）．図１ある．現在，230 W の 9P(36) cw CO2 レーザー励起で，最大に安定化システムも含めた CO2 レーザー励起の遠赤外レー

図１

出力及び周波数安定化のための制御システムも含めた CO2 レーザー励起の双子型遠赤外レーザー装置．

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ザー装置を示す．本レーザー装置は，高精度の核融合プラモード動作を実現するためは，レーザー管の真直度や真円ズマ計測に用いるために高出力かつ高安定動作を目的とし度，レーザー光軸と放電軸とを一致させることが重要となて開発されたものである．基本的な構造は，LHD で使用さる．そのために，レーザー管の構造や支持に工夫がされてれている 9P(36) CO2 レーザー励起の 119 μm CH3OH レー

いる．レーザーガスには，CO2/N2 混合ガス（33 ％：67 ％）ザ ー 装 置 と 同 じ で あ る が，9R(8)CO2 レ ー ザ ー 励 起 のと He ガスを用いている．本レーザー装置では，回折格子の48-μm，57-μm CH3OD レーザー用に最適化している．これ

角度を変えることで，9〜11 μmの波長範囲で９０本以上の発らは，システム内の光軸変動や外部からの振動の影響を抑振線が選択できる．代表的な発振線である 10P(20)線で 250えるために 1.5 m×4.2 m の光学除振台の上に設置されていW，119-μm CH3OHレーザーの励起線である9P(36)線で177

る．

W，48-μm，57-μm CH3OD レーザーの励起線である 9R(8)励起用 cw CO2 レーザー装置は，ブリュースター窓のな

線で 164 W の出力を達成している．図２は，約 110 W で発

い内部鏡タイプで，発振波長選択用の回折格子と周波数微振させた9R(8)線の同調曲線（共振器長を走査させたときの調整のために PZT に取り付けた出力鏡で共振器を構成しレーザー出力）とその時のセルフビート信号の有無及び安ている．回折格子は，格子定数 150 lines/mm，ブレーズ波定化のためのシュタルクセルの透過信号を示している．

長 10.6 μm の Al コーティ ン グ の 銅 オ リ ジ ナ ル 格 子であ48-μm，57-μm CH3OD レ ー ザ ー の オ フ セ ッ ト 周 波 数 は，る．出力鏡は，曲率半径 20 m，反射率 55 ％の ZnSe 平凹ミ

約 2 MHz とセンター周波数に近く，図２に示すようにピーラーを用いている．また，高出力レーザー発振による損傷

ク付近ではセルフビートのない発振が得られている．

および熱歪を抑えるために，これらは水冷されている．共遠赤外レーザー装置は，ビート変調型干渉計の光源とし振器長の変化は，レーザー出力や周波数の安定性に大きなて用いる目的から，図１に示すように双子型（プローブと影響を与える．そこで，フリーランニング動作での安定化

ローカル）となっている．励起 CO2 レーザー光は，凹面鏡のために共振器マウントの間隔を低熱膨張率のネオセラム

で絞られ，ZnSe ビームスプリッターで分割された後，遠赤グラスロッド（−1×10−7 /℃）で固定している．レーザー

外レーザー装置に入射される．共振器は，金コーティング

周波数の長時間の安定動作が必要な場合は，分子の吸収線の銅平面鏡（励起光の入力側）とシリコンのハイブリッド

を用いて安定化する（２．
４節）．レーザー放電管は，水冷２カップラー（遠赤外光の出力側）で構成されている．光励

重管構造（長さ 1.25 m×２本，内径 10.8 mm）で２分割四電

起の遠赤外レーザーの場合，その構造上，遠赤外レーザー

極方式を採用している．調整上の安全を考慮し，中央の２共振器から励起 CO2 レーザー共振器への戻り光（バック

電極が負高電圧，両端は接地している．レーザーの単一トーク）が発生する．これを防ぐために，入力鏡には直径3 mm の入力結合孔を光軸から 9 mm 離れた位置に取り付けている．一方，出力鏡はシリコン基板上に CO2 レーザー
光の反射 膜 をコーティングし，その 上 にドーナツ 状 の 金 をコーティングしたハイブリッドカップラーである．出 力 鏡 は，
レーザー同調を行うためにステッピングモーター駆動の X 軸
ステージに取り付けている（分解能 0.02 μm/pulse）．遠赤外レーザーの出力は，同調曲線のスロープ上の１点に，双子レーザー間のビート周波数は，F/V コンバーターと電子回路でステッピングモーターを制御して安定化する（２．
４節）．CO2 レーザー装置と同様にフリーランニング動作での安定化のために，共振器マウントの間隔を低熱膨張のインバーロッド（1〜2×１０−6 /℃）で 固 定 している．48-μm，57-μm CH3OD レーザーを共に単一モードで発振させるに

図２

励起用 9R(8) CO2 レーザーの（a）
同調曲線と（b）
セルフビー
トの有無および（c）
ロックイン検出したシュタルクセルの透過光の DC 出力信号．

図３

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48-μm，57-μm CH3OD レーザーの同調曲線．

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は，レーザー管の真直度と真円度が重要となる．そこで，（１）各遠赤外レーザー発振過程において，各 CO2 レーザー

管軸のズレが 0.5 mm 以内の精度のレーザー管（水冷２重光の吸収と遠赤外レーザー光の放出が，独立の振動回

管構造，内径 25 mm，長さ 3 m）を製作し，使用している．
真空窓として，入力側には ZnSe ブリュースター窓，出力側

転準位間および回転準位間で行われること．
（２）各遠赤外レーザー出力が共に同時発振する圧力領域をには CVD‐ダイヤモンド窓を使用している．遠赤外分子持っていること．

レーザーの場合，共振条件を満足するために，共振器間隔（３）２種類以上の遠赤外分子を使用する場合，各励起線でを 変 化 さ せ て 同 調 を と る 必 要 が あ る．図３は，48-μm，発振する遠赤外レーザー光に対して，混在する分子に57-μm CH3OD レーザーの同調曲線を示している．図中の矢印の位置で共振器長を固定することで，両レーザーの同時よる吸収が十分小さいこと．
（４）各遠赤外レーザーの利得幅内で，共に共振条件を満た発振が可能となる．本レーザー装置では，48-μm，57-μm

す共振器長があれば，同時発振が可能になる．

CH3OD レーザーに お い て 2.4 W の 合 計 出 力 を 得 て いる

（５）複数の励起レーザー光を１本の遠赤外レーザー共振器

［２２］．
２．
２ 遠赤外複数波長の同時発振の中に導入できる構造にする．
（６）各遠赤外レーザーに対して共用できる出力鏡を使用す

任意の複数波長で同時発振する遠赤外レーザーを使用する．

ることで，計測の幅を広げることが可能になる．例えば，（７）遠赤外レーザー光の偏光方向を選択するために，励起プラズマ計測では，プラズマ装置の運転状況に合わせて密レーザー光の偏光方向を変えることができるようにす

度の高くなる中心付近の計測コードには短波長のレーザー

る．

を，低密度領域には長波長のレーザーを利用するといった

50 μm 帯と 100 μm 帯を代表する 9P(36) CO2 レーザー励起のような使用方法もでき，適材適所の計測が可能になる．!

119-μm CH3OH レーザーと 9R(8) CO2 レーザー励起の 57-μm線生成研究では，多波長発振している遠赤外レーザーを用

CH3OD レーザーの 同 時 発 振 の 実 験 結 果 を 図５に 示 す．

いることで，レーザーの波長の切替えにより，発生する !

図５は，２波長（9P(36)線と 9R(8)線）の CO2 レーザ ー を線のエネルギーの切り替え利用が可能になる．また，光学CH3OH と CH3OD を封入した遠赤外レーザー装置に入射素子の特性測定や検出器の性能評価といったコンポーネン

し，発振した遠赤外レーザー光を回折格子分光器で観測しト開発では，波長変換時のレーザー調整が不要となることた分光パターンを示している．従来不可能であった波長から計測結果の再現性が良く，信頼性が向上すると共に計

119 μm と 57 μm のレーザー光を一台の遠赤外レーザー装

測時間の短縮にもなる．

置から同時に得ることができた．現在，レーザーの動作特

光励起の遠赤外分子レーザーでは，単一波長励起で複数性（励起パワーの依存性，混合ガスの流量比や圧力依存性，波長のレーザーが発振することも多い．しかし，実際に計出力や周波数の安定性など）を調査し，計測用光源として測に用いられるのは，48-μm，57-μm CH3OD レーザーの実用可能な多波長遠赤外レーザーの開発を行っている．

ケースを除けば，ほとんどの場合１波長のみである．その２．
３ 遠赤外レーザーの高出力化

理由として，各遠赤外レーザー線の動作条件（発振圧力範

CO2 レーザー励起の遠赤外レーザーの高出力化の方法と囲，共振条件，発振線間の相互作用）によっては，同時にして，（１）励起 CO2 レーザーの高出力化，（２）発振波長に合得ることが難しい，もし得られたとしても出力差が大きくわせた遠赤外レーザー装置の最適化，（３）動作圧力の最適

実用にならない，希望する偏光方向や波長帯域で得ること

化，（４）レーザー管の冷却やバッファーガスの添加が挙げが難しいことなどが挙げられる．

られる．（１）の方法は，遠赤外レーザーの出力を直接的にそこで，筆者らは図４に示すよう な２台（２波長）の高める方法で効果的である．CO2 レーザーは 利 得 が 高

CO2 レーザー励起により，複数波長で同時発振可能な遠赤

く，レーザー管の冷却や共振器長を長くすることで比較的外レーザーを得ている［２３］．本方法により，これを実現す

容易に高出力化が可能である．ただし，CO2 レーザーの中るための発振および装置の条件を以下に示す．

図４

２波長 CO2 レーザー励起による多波長遠赤外レーザー発振
の模式図．

図５

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回折格子分光器により観測した２波長同時発振している遠赤外レーザー（波長 57 μm，118 μm）の分光パターン．

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心周波数と遠赤外分子の吸収線が必ずしも一致しないので（オフセット周波数がある），共振器長を長くすることには限界がある（縦モード間隔が狭くなる）．（２）の方法としては，励起 CO2 レーザー光の遠赤外レーザー共振器への入射角度およびビームの広がりの最適化，レーザーの利得内であれば共振器長を長くする，遠赤外レーザー光に対して透過率の高い出力鏡や出力窓を使用することなどが挙げられる．
（３）の遠赤外レーザーの動作圧力には，レーザー管径や励起パワーに依存するある最適な範囲が存在する．これ
は，圧力が低くなるとレーザー媒質の密度が小さくなり十分な利得が得られず，圧力が高くなると分子間の衝突の割合が増えるからである．
（４）は，レーザー管の冷却やバッ
ファーガスによる脱励起の効果［２４］で出力を増加させる方法である．
以上の方法で出力を増幅させることが可能である．しかし，実際に計測に使用する場合，その安定度も重要となることから，例えば，バックトークによる影響を抑えるため
図６に，あえて高い圧力で動作させるほうが良い場合もある．
これまでに，48-μm，57-μm CH3OD レーザーに対して装置の最適化や高出力化を行った結果，138 W の CO2 レーザー
励起で，−6 ℃までレーザー管を冷却し，バッファーガス

同時発振時における48-μm，57-μm CH3ODレーザーの出力安定度．（a）
周波数安定化した励起 9R(8) CO2 レーザーの出力，（b）
48-μm レーザーが一定の出力となるような制御の有無における 48-μm，57-μm レーザーの出力安定性を示している．

としてヘリウムを添加することで両レーザー合わせて，約
2.4 Wの出力を得ている．このとき，両レーザーの出力比か変調による周波数安定化［２６］について述べる．CO2 レーら 57-μm レ ー ザ ー の出 力 は 最 小 で 見 積 も っ て 約 1.6 W，

ザー共振器外に配置したガスセルには，２枚のアルミ板が48-μm レーザーの出力は最高で見積もって約 0.8 W である．

平行に並んでいる．この電極板には，CO2 レーザー発振線

この帯域における cw のレーザーとしては，世界最高出力と吸収分子の吸収線を一致させるための DC 電圧と，変調を達成している［２２］．

用の AC 電圧を印加する．そして，セルの透過光強度の変２．
４ 遠赤外レーザーの安定化化をロックインスタビライザーにより位相検出し，CO2

計測用光源として遠赤外レーザーを使用する場合，高出

レーザー共振器長を制御する．図２（C）
は，CH3OH を封入

力であることに加えて，安定であることも要求される．

したセルの透過信号をロックインスタビライザーで検出

CO2 レーザーや遠赤外 レ ー ザ ー も 他 の レ ー ザ ー と同様し，その出力信号を示している．この信号が，ゼロクロスに，増幅機能を持つレーザー媒質，共振器，光学系とそれ点を保持するように共振器長の制御が行われる．この方法

らを取り囲む環境で構成されている．レーザーの出力や周は，誤差信号を得るためにレーザーの内部変調を必要とせ波数の変動は，これら構成要素の各パラメーターの変化やず，DC 電圧を変えることにより広範囲の任意周波数で安それらの相互作用が重なって起こる．フィードバック制御

定化できる利点がある．我々のレーザー装置では，110 W

により安定化するには，まずフリーランニング動作で十分で発振させた 9R(8)線において，単独動作で±0.74 ％/h の

安定でなければならない．そのためには，まず機械的に安出力および±580 kHz/h の周波数安定度を得ている．正確定であることが重要である．例えば，真空ポンプ，エアコには，アラン分散による評価が必要であるが，ここでは変ン，空冷用ファン，人の歩行やドアの開け閉めなどは，

動の P-P 値から算出している．また，遠赤外レーザー装置

レーザー管，共振器，ブリュースター窓，ビームスプリッに入射した状態（バックトークが発生している）であってターや光学ミラーなどに機械的・音響的振動を与える．温も，図６に示すように±1.0 ％/h，±600 kHz/h の安定動作

度変化やレーザー各部の温度分布の違いは，レーザー管のが可能である．

変形，共振器長の変化，光軸のずれや屈折率の変化の原因

遠赤外レーザーの出力を安定化させるには，バックトーとなる．したがって，レーザー架台の構造や強度，レークの軽減が重要となる．その方法として，偏光を利用したザー管の支持方法，共振器用ミラーホルダーおよび光学窓

光アイソレーター［２７］やリング共振器を使うなどあるが，や光学素子の材質・強度および支持方法などを工夫する防本装置では，励起光を斜入射することでそれを行い，入射振対策も考えなければならない．

角度やレーザー管内での励起ビームの広がりの最適化によ

励起 CO2 レーザーの出力や周波数の変動は，遠赤外レー

り，バックトークの大きさ（遠赤外レーザー共振器長の変ザーの出力に強く依存する．特に，周波数の安定化が重要化に対する CO2 レーザー出力の変動から見積もる）を±1.4となる．励起 CO2 レーザーのフィードバック制御による安％程度に抑えている．出力および周波数の安定化の方法と定化の方法としては，これまでにいくつかの方法が報告さしては，同調曲線のピークで出力を変調する方法，気体のれているが［２５］，ここでは図１に示す外部シュタルクセル

吸収曲線を利用する方法［２８］，ミリ波源との高調波ミキシ
８０６Commentary

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／コンバイナーに要求される主な条件を以下に示す．
（１）遠赤外光に対して吸収が小さく，光学系のアライメン
トのために可視光に対して透明であること．
（２）機械的強度に優れていること（大気圧や機械的振動に強い）．
（３）熱的強度に優れ，放出ガスが少ないことや熱膨張率が小さいこと．
（４）高周波電磁波や X 線のような放射線に対して丈夫で経年変化がないこと．
（５）窓の場合，戻り光を防止するために傾けた状態で最大透過が得られること．
図７

同時発振時における48-μm，57-μm CH3ODレーザーのビー
ト周波数安定度．48-μm レーザーのビート周波数が一定となるような制御の有無における両レーザーのビート周波数
安定性を示している．

（６）ビームスプリッター／コンバイナーの場合，４５°入射に対して，任意の透過率と反射率が得られること．
現在，LHD の 119-μm CH3OH レーザー干渉計では，光学素子として結晶水晶エタロンを用いている．しかし，結晶水晶は，48-μm，57-μm CH3OD レーザーに対して吸収が大きングをする方法［２９］などがある．
プラズマ計測では，ビート周波数の位相変化を測定する

く，使用できない．そこで，我々は結晶水晶に代わる材料

ために，その安定度が重要となる．双子型のレーザー装置

を調査し，設計する上で必要となる光学定数（屈折率 !

を使用する場合の安定化の方法として，図１のように出力と吸収係数 !）を測定した．窓やビームスプリッター／コ

安定化したレーザー（B）に対して，もう一方のレーザー

ンバイナーの透過率や反射率を数％以内の精度で得るに（A）をオフセットロックする方法がある．遠赤外レーザーは，少なくとも４又は５桁以上の屈折率と２桁以上の吸収の出力は，同調曲線のスロープを利用して安定化する．同係数が必要となる．そこで，光学定数は，エタロンの多重時発振している 47-μm，57-μm CH3OD レーザーの場合，波反射によるレーザー光の透過率測定法から求めた［３１］．こ

長の短い 48-μm レーザーの出力が一定になるように共振器の方法は，赤外フーリエ分光法（FT-IR: Fourier Transform

長を制御することで，図６に示すように，48-μm レーザー

Infrared Spectrometry）や テ ラ ヘ ル ツ 時 間 領 域 分 光 法では±2.6 ％/30 min.，57-μmレーザーでは±2.0 ％/30 min．

（THz-TDS: THz Time Domain Spectroscopy）のように幅の出力安定度を得ている．出力安定化と同様に，48-μm

広い波長領域での値を得ることはできないが，実際にプラレーザーのビート信号を用いてフィードバックループを形成し安定化した結果を図７に示す．フリーランニング時に見られるドリフトが除去でき，48-μm レーザーでは 400±
16 kHz/30 min．
，57-μm レ ー ザ ー で は 1260±26 kHz/30
min．のビート周波数の安定度を得ている．

３．遠赤外周辺技術開発と課題
遠赤外レーザーを光源とする計測システムを構築するには，光学素子や検知器といった周辺技術の開発も重要となる．特に，波長 50 μm 付近の遠赤外領域は，これらの開発が遅れている．ここでは，先に述べたレーザー開発と並行して行っている 48-μm，57-μm CH3OD レーザー用の光学素子と検出器の開発の現状とその課題について述べる．
３．
１ 遠赤外光学素子
一般に，遠赤外領域の光学材料として，結晶水晶，サファイヤ，シリコンなどの結晶材料，ポリエチレン，テフ
ロン，TPX などの高分子材料がよく使用される．また，フィルターやポラライザーとして金属メッシュやワイヤーグリッドも用いられ，最近では，遠赤外領域でのメタマテ
リアルの開発研究も行われている［３０］．
プラズマ計測における主な光学素子として，プラズマ装
置，ビーム伝送のための導波管，レーザー装置の窓や干渉計や偏光計のビームスプリッター／コンバイナーなどが挙

図８ （a）CVD ダイヤモンドと（b）
高抵抗シリコンエタロンの48-μm，57-μm CH3OD レーザーに対する透過率の入射角度依存性．

げられる．これら光学素子に最適な材料を選択し，それを設計することが重要となる．窓およびビームスプリッター
８０７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.12 December 2011

ズマ計測に使用するレーザー波長に対して，信頼性が高
く，より高精度の値を得ることできる．図８は，回転する
高抵抗シリコンエタロンと CVD‐ダイヤモンドエタロンに対する 48-μm，57-μm CH3OD レーザーの透過率を示している．光学定数は，エタロンの厚さ，レーザー波長，各ピークの透過率およびその時の入射角度から求める．例えば，
高抵抗シリコン（抵抗率 2.8 kΩ・cm，温度19.5 ℃）の

57-μm レ ー ザ ー に 対 す る 光 学 定 数 は !!3.4164±0.0005，!!0.36±0.05 cm−1，48-μm レ ー ザ ー で は !!3.4164±
0.0005，!!0.33±0.05 cm−1 であった．これらの値を用いた
エタロンの透過率の計算値と実測値は良く一致しており，

図９

多チャンネルの計測システムにおける効率的なビーム分配

Ge:Ga フォトコンダクターにより同時検出した 48-μm，57-μm CH3OD レーザーの各ビート信号．

の設計が可能である．
48-μm，57-μm CH3OD レ ー ザ ー 用 の 光 学 材 料 と し て，システムの多チャンネル化のために，使用するレーザー波

CVD‐ダイヤモンドは，その性質から最適な材料であるが，長に対して十分な感度を持ち，高 S/N であることなどが挙高価である．一方，高抵抗シリコンは，可視光に対して不げられる．これまでに，Ge:Ga 光導電検出器，InSb 光導電

透明であるが，吸収が小さく適した材料といえる．現在，検出器，ショットキーダイオードが用いられている．現在，筆者らが開発 し て い る 干 渉・偏 光 計 の テ ス ト ス タ ンド

LHD の 119-μm CH3OH レーザー干渉計では，ミキサーとし（４．
２節）では，ビームスプリッター／コンバイナーとしててショットキーダイオードを用いている．ショットキーダ

多数の高抵抗シリコンエタロンを用いており，その光学系

イオードは，その性質から優れた検出器／ミキサーであるの ア ラ イ メ ン ト に は 可 視 の HeNe レ ー ザ ー（波 長が，実用は 3 THz までとされている．これは，短波長化に

633 nm）に加えて赤外の YAG レーザー（波長 1.06 μm）を伴い，より微細なアンテナ構造にする必要があることや利用している．また，高抵抗シリコンを用いた光弾性変調

カットオフ周波数に近くなるためである．48-μm，57-μm器（Photoelastic Modulator : PEM）を偏光計測に利用して［３５］，使用
CH3OD レーザーに対しては，検出感度が低く

いる［３２］．その他の材料としては，半導体デバイスとしてすることが難しいのが現状である．今後の更なる MEMS

知られるシリコンカーバイト（SiC）も興味深い材料であ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の進歩により，5る．SiC は様々な結晶多形（ポリタイプ）があるが，6H-SiC〜6 THz において十分な感度を持つショットキーダイオー

は可視光に対して透明で，高抵抗シリコンほど吸収係数はドが利用できることを期待している．

小さくないが，結晶水晶よりも小さいことがわかっている

現在，筆者らが開発している干渉・偏光計のテストスタ

［３３］．

ンド（４．
２節）では，検出器／ミキサーとして Ge : Ga 光導

３．
２ 遠赤外検出器

電検出器（QMC Instruments Ltd）を用いている．この検出器のピーク感度は，100 μm 付近であるが，50 μm 帯におい

一般に，遠赤外領域で使用される検出器には，熱型検出器，量子型検出器，電磁波直接検波型検出器などがあるても十分な感度を持っている．48-μm，57-μm CH3OD レー［３４］．また，最近では高感度の THz カメラも各メーカーかザーに対する検出感度は，それぞれ約 1.4 kV/W，約 1.9 kV

ら市販されている．

/W と非常に高い．図９は，テストスタンド上で Ge : Ga

熱型検出器は，遠赤外光の吸収による温度変化を利用す

光導電検出器により同時検出した 48-μm，57-μm CH3ODるもので，ボロメーターやパイロ検出器などがある．応答レーザーの各ヘテロダインビート信号である．双子型レー

速度は遅いが，幅広い波長領域に感度を持っている．量子ザー装置の一方に対して他方の共振器長をわずかにずらし型検出器は，遠赤外光の光子による光伝導度の変化を利用て発振させ，各レーザー光をヘテロダイン検出したものでするもので，Si：Sb 光導電検出器，Ge：Ga 光導電検出器やある．1.45 MHz に対応するものが 57 μm のビート信号であInSb 光導電検出器がある．波長依存性があり，波長範囲はり，0.5 MHz に対応するものが 48 μm のビート信号である．

限られているが，応答速度は速い．また，極低温（液体ヘ

このときの入力パワー は，48-μm レーザーは約 25 μW，リウム温度）まで冷却する必要がある．電磁波直接検波型

57-μm レーザーは約 11 μW であり，多チャンネル干渉・偏検出器は，遠赤外光を電磁波として，電波と同様にアンテ光計を組み上げる上で充分な S/N を持つことが確認されナで受信し，ダイオードの非線形性を利用して検出するもた．観測されたビート周波数は，遠赤外レーザーの共振器

ので，GaAsショットキーダイオードやMOMダイオードなの調整とレーザーガス圧の調整によってある程度任意の値

どがある．アンテナの構造や素子のカットオフ周波数にに調整可能である．

よって波長範囲は制限されるが，応答速度が速く，室温で４．遠赤外レーザー応用と将来展望動作する．
プラズマ計測における検出器に要求される性能として

遠赤外レーザーの応用としては，遠赤外領域の要素技術

は，広帯域 特 性（ヘ テ ロ ダ イ ン 検 波 の 中 間 周 波 数＞数や計測システム開発研究，物理研究用の有用な光源としてMHz）を持っていること，長時間安定動作すること，計測の利用がある．前者には検知器開発，光学素子開発，計測
８０８

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システム開発等があり，後者には標準研究（周波数の絶対主となっている．図１０に，光伝導アンテナを用いた THz-値測定），分子分光研究（分子の振動回転準位の吸収や放TDS システムの例を示す．分光計測には，従来からフーリ

出研究，分子構造研究，星間分子研究等），固体物性研究

エ分光法（FT-IR）が用いられているが，最近では THz-

（例えば，電子 ス ピ ン 共 鳴（ESR）や レ ー ザ ー 磁 気 共鳴

TDS による測定も多くなされ，各メーカーから THz-TDS（LMR）研究），核融 合 プ ラ ズ マ 物 理 研 究 等 が あ る．現システムが市販されている．THz-TDS は，テラヘルツパル

在，計画が進んでいる ITER では，短波長遠赤外レーザー

ス波を試料に入射させた時の透過光または反射光の信号波による電子密度分布計測等も検討されている．最近では，

形と，試料を取り除いた時の信号波形を測定し，これらを原子核物理実験のために高エネルギー電子ビームと高出力フーリエ変換し，その振幅強度と位相の周波数成分を得る

遠赤外レーザーとの相互作用（逆コンプトン散乱）を利用測定法である．従来のフーリエ分光法と異なり，強度情報した低エネルギー !線生成研究でも注目を浴びている．そと位相情報を同時に計測できることが利点となっている．

れらの研究例を紹介する．また，近年，テラヘルツパルス

また，レーザーと非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波発波の研究（発生，検出，計測）が盛んに行われていること

生には，パラメトリック過程や差周波発生による狭帯域のから，テラヘルツパルス波の特徴とその応用ついても紹介

テラヘルツ波発生があるが，これらも含め，多くの解説がする．

あるのでそれを見られたい［３６‐３９］．

４．
１ テラヘルツ波パルス光源とその応用

４．
２ 核燃焼プラズマ計測への応用

周波数帯の定義は多様であるが，テラヘルツ帯とは，周核融合研究の最終目標である核燃焼プラズマの実験が国

波数 0.1〜100 THz の領域を指すことが多く，この帯域は遠際協力によって進められている（ITER 計画）．ITER 計画

赤外領域とも呼ばれる．テラヘルツ帯の光源には，１．
２節でを進める上で，密度分布や磁場分布の計測は必須なもので述べた様に各種あるが，近年のフェムト秒レーザーの発達ある．ここでは，核燃焼プラズマの計測を目的として開発や半導体作成技術の進歩によりテラヘルツ波パルス光源のを進めている短波長遠赤外レーザー干渉／偏光計測につい開発研究が急速に進展している．フェムト秒レーザーを励て紹介する．

起光源とするテラヘルツ波発生は，大きく分けて，
（１）光

４．
２．
１ ITER のポロイダル偏光計測

伝導スイッチ素子と（２）非線形光学結晶を用いた２つの方

図１１は ITER のポロイダル偏光計［４０］の概念設計であ法がある．（１）はマイクロストリップアンテナを付けた半る．上部および水平ポートプラグから１５チャンネルの計測

導体素子に超短パルスレーザーを照射することで生じる超コードに対して，119-μmCH3OH レーザーによるファラ

高速電流変調によってテラヘルツ波を発生させるものであ

デー回転計測とコットン・ムートン偏光計を用いる設計とる．（２）は２次の非線形電気感受率を持つ非線形光学結晶なっている．干渉／偏光計測では，プラズマへの適用条件に超短パルスを照射し，光整流効果によりテラヘルツ波を（カットオフ効果，密度勾配によるレーザー光の屈折効果）発生させるものである．得られるテラヘルツ波は，位相関と計測信号の大きさから最適なプローブ波長が決定され係を保った広帯域な周波数成分からなるサブピコ秒の電磁る．今，磁場に閉じ込められたプラズマ中を直線偏光した波パルスである．その検出には，発生と同じ光伝導スイッ

電磁波（波長："）が z 方向に伝搬すると，電磁波は次式でチ素子を用いる方法や電気光学（EO: Electro-Optics）結晶与えられる位相と偏光角の変化を受ける［４１］．

を用いた EO 効果サンプリングによる方法がある．どちら#!2.82×10−15"
"
#m−3］
［
［m］!!""!"

も，サブピコ秒のパルスの時間波形を瞬時に観測することはできないので，遅延時間をスキャンすることで，テラヘ
ルツ 波 の 電 場 の 実 時 間 波 形 を 観 測 す る．現 在 で は，数10 THz 以上の超広帯域テラヘルツパルス波の発生・検出が報告されている．
テラヘルツパルス波の応用としては，その特徴からテラ
ヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）の光源としての利用が

図１
０ テラヘルツ時間領域分光システム［３８］．

図１１ ITER のポロイダル偏光計の断面図．

８０９

（１）

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ムの屈折効果が大きいことがわかる．コットン・ムートン"
2%%m−3］!［T］$"2.62×10−13'［m［］!$%$$% （２）&

効果とファラデー効果の同時計測がまだ確立されていないことから，コットン・ムートン効果が無視できる波長を選

ここで，$%$%%は電子密度，&はプラズマによる位相変化，択するとすれば，次の候補は波長 10 μm の CO2 レーザーと$ はファラデー効果による回転角である．一般に干渉／偏なるが，ファラデー回転角は１度以下と な っ て 充 分 な

光計測では，この２つの物理量の測定から，プラズマの電#"" が得られない．そのため，この中間の領域に位置する

子密度と内部磁場分布の情報を得ている［４２］．偏光角の計

波長 50 μm 帯のレーザー計測法の開発が望まれている．

測では，レーザービームの伝搬方向の磁場の情報が得られ

４．
２．
２ ２波長干渉計測への応用

るが，垂直方向の磁場成分（!#）がある場合には（３）式

図１３に新型２波長レーザー干渉計装置［４４］のブロックダ

で与えられる磁気的複屈折効果（コットン・ムートン効

イアグラムを示す．双子型の遠赤外レーザー
（A，
B）から

果）を考慮する必要が生じる［４３］．一般には，この効果がは，48 μm と 57 μm のレーザー発振線 $(!!
("%と，各周波数無視できる条件下でファラデー回転角を計測することが望に対してわずかに異なる周波数の発振線 $(!!#(!!
("!#("%

ましいが，そうでない時は，この楕円度を同時に計測し，が得られる．レーザー A の主成分はプラズマ中を伝搬した

両者のカップリングの影響を評価する必要が生じる．な後，リトロ反射鏡（CCM）によって反射され，再びプラズ

お，コットン・ムートン効果によって O/X-mode 間に生じ

マ中を伝搬した後，検出器 DP に導入される．一方，ビームる位相差 %は次式で与えられる．

スプリッター（B.S.）によって分けられた一部のレーザー
光はリファレンス光として検出器（DR）に導入される．そ"#
3
2%"2.45×10−11'［m%%m−3］!&
［
］!$%$
［T
］
$% （３）

れぞれのレーザー光は，局部発振光（レーザーB）によってヘテロダイン検出される．検出器 DP と DR の出力には，これらのパラメーターの波長依存性を ITER の代表的な放48 μm と 57 μm レーザー光のそれぞれの干渉信号が含まれ電条件下（磁場強度：5.3 T，プラズマ電流：15 MA，中心ているが，それぞれのビート信号の周波数が異なるため電20−3）で図１１のNo.r５計測コードについ気的なバンドパスフィルターを用いることによって分離でて評価したものを図１２に示す．図から，現在，ITER で計画

きる．周波数分離された２つのビート信号成分は，各々のしている波長 119 μm のレーザー計測システムではコット

レーザー光の干渉信号成分に対応しており，位相検出器にン・ムートン効果が無視できない大きさであること，ビー

よって変動成分が検出されることになる．

電子密度：1×１０ m! 同一のレーザーからの２波長同この干渉計の特徴は，$" 発振波長が48 μmと57 μmであり，
時発振を用いている，$

現在の大型磁場閉じ込め装置の干渉計測装置に用いられている波長 119 μm レーザーと比べて，プラズマによる屈折#効果が約４分の１となり高密度プラズマに対応できる，$

使用する２波長の値が近接していることから，同じ光学素

図１２ ITERの代表的なプラズマパラメータを用いて計算した干渉
位相変化量，ファラデー回転，コットン・ムートン効果，
図１
１のチャンネル５の反射鏡位置におけるレーザー光のシ
フト量の波長依存性．

図１
４ ２波長（57 μm，48 μm）干渉計の測定結果．上から反射鏡
駆動用ピエゾ素子の制御信号，２波長干渉計で計測した位
相変化とその差分，そして差分を拡大したものである．

図１
３ ２波長同時発振型レーザーを用いた干渉計の概念図．

８１０

Commentary

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! レーザーの出口から検出器
子及び検出器を利用できる，"

つ．しかし，PEM の使用はこれまで可視〜赤外領域に限定

まで全く同じ光学経路を伝搬することから，理想的な機械されていたため，50 μm 帯で透過特性の良い高抵抗シリコ

的振動の補正が期待できること等である．

ンを光弾性素子とした遠赤外線領域用 PEM を新たに開発

短波長遠赤外レーザーを用いた２波長干渉計の性能試験した．長波長域では変調効率を決める光学遅延量が小さいのためにテストスタンドを組み上げた．ビームスプリッ

問題があるが，偏光計測に十分な遅延量 "!
!が得られた．

ター／コンバイナーには，高抵抗シリコンエタロンを使用

プラズマによる偏光面回転を 1/2 波長板の光学軸を回転し，液体ヘリウム温度で動作する Ge:Ga 光導電検出器によして模擬し，真の回転角と偏光計で評価した偏光角の関係

り２波長のビート信号を検出した（図９）．機械振動を模を図１６に示す．両者の間に良い直線性が得られている．現擬するために，反射鏡はピエゾ駆動型ステージに取り付け在得られている偏光角分解能は，時定数 1 ms
（0.1 ms）でられている．図１４に両レーザーのビート信号の位相変化か

0.01 度（0.025 度）である．ファラデー回転角，線平均電子

ら求めた変動量とその差分を示す．反射鏡の駆動振幅はお

密 度，磁 気 デ ー タ に，そ れ ぞ れ 0.05 度（57 μm），2×

およそ 200 μm（p-p）であり，周波数は約 0.3 Hz である．高

１０17 m−3，0.2 mT の誤差を仮定し，ITER の平衡再構成を行

周波振動成分の補正性能を見るために，反射鏡ホルダー部

うと，q 分布の誤差が約 5 ％となる．ITER にて要求されるに機械的な振動を与えている．低周波成分，高周波成分とq 分 布 計 測 精 度 は，時 間 分 解 能 10 ms で 10 ％で あ る たもに計測された振幅の大きさは，２つのレーザー干渉計とめ，本偏光計では，ITER の要求を十分満足する測定精度もほぼ同じであることから，この２波長干渉計を用いて機が達成されたと言える．

械的振動の補正が可能であることが確認された．

４．
２．
４ ２波長干渉・偏光同時計測

４．
２．
３ 偏光計測への応用

ここでは，最終目的である２波長同時発振型レーザーを

偏光角度の測定には，図１５に示す PEM を２台用いた方用いた干渉・偏光計測法の開発の現状について紹介する．

式を採用した［２９］．本方式は，角度・時間分解能が高く，

図１７は，２波長レーザー光を用いた干渉・偏光計測システ

光学系も簡素である，また，信号強度の比を用いるため，

ムの概念図である．このシステムは，図１３の２波長干渉計

レーザーの出力・周波数変動の影響を受けにくい利点を持に偏光角の検出部を追加したものである．プラズマを透過したプローブ光をビームスプリッター（BS4）で分岐した
後，PEM を用いた検出法で偏光角を計測する．一つの波長を選択するためのフィルターとして＃１０００の Ni メッシュを用いたファブリペロー干渉計を用いている．テストスタ

図１
５ ２台の PEM を用いた偏光計の概念図．

図１７ ２波長干渉・偏光計の計測システム概念図．

図１
８ ２波長レーザー干渉・偏光計を用いて計測した干渉位相と偏光角の時間変化．干渉位相の変化はガスセルの圧力変化によって，偏光角の変化は波長板の回転によって与えている．

図１
６ 1/2 波長板の光学軸回転角度から評価した真の偏光角と偏光計で評価した偏光角の関係．

８１１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.12 December 2011

ンドではプラズマを用いたテストはできないので，干渉光エネルギー電子とレーザーとの逆コンプトン散乱がある．

学系の経路内にガスセルを導入し，そのガス圧を変化させ

こ こ で は 8 GeV の SPring‐８蓄 積 リ ン グ で の 高 出 力 cw

ることでプラズマの密度変化を模擬した．図１８に実験結果

119-μm CH3OH レーザーとの相互作用による 10 MeV"線生を示す．図１８（a）はガスセル内の圧力の時間変化を示し，

成研究への応用を紹介する［４７，
４８］．

図１８
（b）は圧力変化に伴って観測される干渉位相の変化を８GeV の SPring‐８と cw 遠赤外レーザーにより生じる示しており，その大きさはガスセルの長さと圧力の変化量"線は電子のエネルギーが高いことから前方方向に集中しから予想される値となっている．図１８（c）は偏光角の変化

た広がり角度の狭い高輝度 "線の生成が可能になる．また，

量であり，圧力がほぼ一定のところで 1/2 波長板を回転しレーザー波長が長いために生成光子数が短波長レーザーのている．十分な "!
!で偏光角と干渉位相変化が検出されて場合より多く，高強度の "線生成が期待できる．エネル

いる．この波形では，圧力の変化時に偏光角の計測信号にギーの大きい蓄積リングの電子ビームを利用するため，逆細かな振動成分がみられる．これは，ガスセルの真空窓にコンプトン散乱過程で失うエネルギーが少なく（0.1 ％程使用したシリコン板が圧力変化に伴うストレスの影響を受度），電子周回軌道に与える影響が少なくて済む．さらに，けたものと考えている．なお，実際のプラズマ実験ではこレーザーの偏光をほぼ 100 ％保持した偏極 "線生成が可能の影響は無視できる．

である．また，この方法ではレーザーを高出力化すれば，以上，50 μm 帯の短波長遠赤外レーザーによる ITER の

高強度の MeV 領域の "線を得ることができる利点もある．

ポロイダル偏光計への適用に向けた計測システムの開発のこの研究では，高出力で発振する 119-μm CH3OH レー

現状を紹介した．この波長領域は，これまでに実際のプラザーが用いられた．そのために開発されたレーザーは，ズマ計測に適用された実績はないが，高出力で安定した

図１９に示すように，長さ 3 m の CO2 レーザーと遠赤外レービート信号が得られること，計測システムを構築するため

ザーの組み合わせである［２１］．123 W の 9P(36)cwCO2 レーに必要な高感度検出器，低損失の光学素子が存在すること

ザー励起により，1.6 W の遠赤外レーザー出力が得られた．

等の計測システムを組み上げるに必要な条件が整ってい得られた遠赤外レーザー出力とその長時間（２４時間）の安る．また，２波長同時発振を利用することで，計測上の定性を図２０に示す．レーザーから SPring‐８の電子ビームへ様々な利点が得られる．核融合研究が核燃焼プラズマ実験の入射ミラーまでの距離は約20 mであり，この伝送路はアを視野に入れた現在，この新しいレーザー光源を用いた計測法の導入が，研究の進展に大きく貢献することが期待される．
４．
３ 高エネルギー電子ビームとの相互作用による "線の生成
数 MeV〜数 10 MeV 領域のガンマ線は，原子核物理，天体核物理，核物性研究における有力な光源として注目されて い る．そ の 生 成 方 法 の 一 つ と し て１９６３年 に Milburn［４５］，Arutyunian，Tumanian［４６］によって提唱された高図２
１ 119-μm CH3OHレーザーのSPring‐８からの逆コンプトン散乱によるガンマ線生成［４７］．

図１９ SPring-8 の 119-μm CH3OH レーザーシステム．

図２
２ 遠赤外レーザーを用いたジャイロトロン FU-IV の周波数測定システム［４９］．

図２０ 大出力 119-μm CH3OH レーザー出力の時間安定性［２
１］
．

８１２

Commentary

Development and Application of a Far Infrared Laser

K. Nakayama et al.

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４］板倉安正，出原敏孝，安岡義純：電気学会論文誌 A 123,［３949 (2003).

図２
３ 254-μm CD3OH レーザーとジャイロトロン FU-IV とのヘテ
ロダインビート信号．

クリル管内を乾燥空気で置換された．また入射ミラーから電子との衝突点まで更に約 20 m である．図２１に示すように，この実験では，相互作用領域で 0.85 W の遠赤外光に対して１０３個/s の 10 MeV!線を得ることができた［４７］．またレーザーの発振線を変えることで，生成される !線のエネ
ルギーを変えることが可能になる．例えば，高出力動作する 9R(8) CO2 レーザー励起の 57-μm CH3OD レーザーを用いると 20 MeV の !線生成が可能になる．
４．
４ テラヘルツ発振器周波数の超精密測定
cw 遠赤外分子レーザーは，狭帯域で安定性に優れている．この発振線を周波数基準として，レーザー周波数と他の発振器からの電磁波の周波数（またはその高調波）とのヘテロダインビート周波数測定から，発振器からの電磁波の周波数の超高精度測定が可能となる．この手法で，長さ標準のためのレーザー周波数測定がなされてきた．ここでは，テラヘルツジャイロトロンの周波数の高精度測定［４９］の例を紹介する．
ジャイロトロンとして福井大学遠赤外領域開発研究セン
ターの cw モードで発振する FU-IV を用い，図２２の測定系で行われた．基準周波数源として，10R(36) CO2 レーザー励
起の 254-μm（1.185889 THz）CD3OH レーザーを使用した．
ジャイロトロンの４倍高調波とのヘテロダインビート信号を図２３に示す．これにより，ジャイロトロンの発振周波数は 295.2427 GHz と測定でき た．ま た，こ の 方 法 により，ジャイロトロンの周波数変動も測定でき，周波数安定度に関する性能評価が可能になる．

謝

辞

本解説で紹介した２波長干渉・偏光計の開発研究は，核融合科学研究所の秋山毅志博士と田中謙治博士との共同研究の成果であり，深く感謝申し上げます．この研究は科学研究費基盤研究（B）（No.２
２３６０２９３）の支援を受けて実施しされたものであり，深く感謝申し上げます．また，ガンマ線生成研究は，高輝度光科学研究センターの大熊春夫博
士，ジャイロトロンの周波数測定は，福井大学遠赤外領域開発研究センターの出原敏孝教授との共同研究により得られた成果であり，ここに深く感謝申し上げます．
８１３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.12 December 2011［３
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Plasma Physics PieroCaldilora, Basic and Advanced Diagnostics Techniques for Fusion Plasmas, Varenna, 1986
2 (CEC. Brussels, 1986) 343.
表１Line
9R(18)
9R(10)
9P(24)
9P(34)
9P(36)
10R(38)10R(36)
10R(16)
9R(34)
10R(36)
10R(18)10R(16)
9P(26)
9P(30)9R(8)9P(10)
9P(12)
9P(14)
9P(16)
10R(34)
10P(26)
10P(34)
10P(46)
10R(16)
9R(30)
9R(32)
9R(22)
9R(20)
9P(10)
9P(16)
9P(22)
9P(24)
9R(32)
9R(18)

Pump CO2 laser
Power
(W)
131
83
96
75
148
77
104
72
123
63
85
89
113
85
84
138
138
65
56
56
85
91
74
110
91
43
103
65
81
81
148
81
112
110
79
157
128
150
90

!1)
(m)
3.0
2.4
2.4
2.4
3.0
2.4
3.0
3.0
3.0
2.4
2.4
2.4
3.0
2.4
2.4
3.0
3.0
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
3.0
2.4
2.4
2.4
3.0
2.4
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
2.4

［４
３］A.J.H. Donne, T. Edlington, E. Joffrin, H.R. Koslowski, C.
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cw CO2 レーザー励起の cw 遠赤外分子レーザーの発振線一覧表．

Molecule
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CH3OH
CD3OH
CD3OH
CD3OH
CD3OH
CH3OD
CH3OD
CH3OD
CH3OD
CH2DOH
CH2DOH
CH2DOH
CH2DOH
CH2DOH
CH2DOH
CH2DOH
CH2DOH
CH2DOHCHD2OH
NH3
CH2F2
CH2F2
CH2F2
CH2F2
CH2F2
CH2F2
CH2F2
CH2F2
CH2F2
CH2CF2
HCOOH

"
(THz)
1.61
3.11
2.25
4.25
2.52
1.76
1.84
5.56
4.76
5.67
1.18
7.24
3.67
2.56
2.91
5.24
6.30
1.63
2.76
2.66
1.45
2.94
1.99
1.99
2.41
6.11
1.67
4.46
1.63
1.53
2.46
2.55
1.89
0.78
2.84
2.23
2.75
1.63
0.76

!
(μm)
186.0
96.5
133.1
70.5
118.8
170.6
163.0
53.9
63.0
52.9
253.7
41.4
81.6
117.2
103.1
57.2
47.6
183.6
108.8
112.5
206.7
102.0
150.8
150.6
124.4
49.1
179.0
67.2
184.3
195.8
121.9
117.7
158.5
382.6
105.5
134.4
108.9
184.4
393.2

THz gas laser
Pol.2)
‖
‖
‖
⊥
⊥
‖
‖
⊥
‖
⊥
⊥
⊥
‖
‖
⊥
⊥
‖
‖
‖
‖
‖
⊥
‖
⊥
‖
⊥
‖
‖
⊥
⊥
⊥
⊥
‖
‖
‖
⊥
⊥
⊥
‖

Pressure
(Pa)
80
93
45
27
71
43
43
101
60
47
47
24
47
40
43
60
60
25
41
41
23
39
35
31
57
27
25
55
25
25
57
67
23
35
120
56
65
200
43

1) Cavity length2) Polarization relative to the pump laser:‖=parallel, ⊥=perpendicular3) Power meters: Scientech 362, H310 (Scientech, Inc.), TK Absolute Power Meter System (Thomas Keating, Ltd.)

８１４

Power3)
(mW)
12
68
14
65
680
115
28
49
54
10
28
13
25
26
23
1.6 W
0.8 W
10
16
38
19
15
22
24
63
17
15
97
298
146
86
62
82
78
75
85
65
78
21

!1)
(m)
2.9
2.2
2.2
2.2
2.9
2.2
2.9
2.9
2.9
2.2
2.2
2.2
2.9
2.2
2.2
2.9
2.9
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
2.9
2.2
2.2
2.2
2.9
2.2
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.2

Development and Application of a Far Infrared Laser

かずや

中 山 和 也
中部大学工学部工学基礎教室，講師．主な研究分野は，短波長遠赤外レーザーを用いた計測システムの開発に関する研究．応用物理学会，日本赤外線学会，レーザー学会の会員．最近，ペットの犬とともにアジリティ競技会に参加できるようにお互いに訓練中です．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
かわ

はた

かず

お

川 端 一 男１
９
７
６年名古屋大学大学院理学研究科物理学専攻博士課程修了．名古屋大学プラズマ研究所助手を経て，１９９５年核融合科学研究所教授となる．主としてマイクロ波からレー
ザー光に至る電磁波を用いたプラズマ計測法の開発を通してトーラス磁場配位におけるプラズマ閉じ込め研究に従事．最近は，波長５０ミクロン帯の短波長遠赤外レーザーを利用した新しいプラズマ計測法の開発を進めている．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!

やま

おか

じま

しげ

き

岡 島 茂 樹中部大学工学部教授．１
９４
２年奈良県生まれ．東京理科大学，大阪市立大学大学院を経て，中部大学（前中部工業大学）に勤務
して３４年．遠赤外レーザーの研究をはじめたのが１
９６
８年，名古屋大学プラズマ研究所の共同研究で遠赤外レーザーによるプラズマ計測に関わったのが１９７８年，以後，高性能遠赤外ガスレーザーの開発とその応用に関する研究を続けている．他に，科学啓発活動をはじめて約２
５年．趣
味はオペラを聴くこととオーケストラ伴奏で合唱すること．

!!!!!!!!!!!!!!!!!

なか!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

K. Nakayama et al.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Commentary!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

８１５