テラヘルツフォトニクスグループ

テラヘルツ放射顕微鏡
斗内政吉 教授
共同者：村上博成准教授

テラヘルツ放射顕微鏡技術
半導体、超伝導体、マンガン酸化物やマ
ルチフェロイック材料、またLSIや太陽電池などの半導体デバイスのような様々な試料にフェムト秒レーザーパルスを照射すると、レーザーパルス照射位置における局所的な電界強度や電流密度の大きさに比例した強度をもつテラヘルツ電磁波パルスが発生する。この強度を二次元的にマッピング
することにより、試料中の電界分布や電流分布のイメージングが可能となる。
試料移動用XYステージとレーザービー
ムスキャナーを併用することにより、大型試料から微小な試料まで評価が可能で、空間分解能は最大約500nmである。また基本
的に非破壊・非接触による測定が可能である。

応用１ 電子デバイス不良箇所特定装置

応用２

LSIなどの電子デバイス計測では、配線の断線や内部のpn接合の不良などの評価をLTEMイメージを使って観察可能である。
また波長可変レーザーを光源として用いることにより、多接合タンデム太陽電池などの内部積層欠陥の評価も可能である。
これらの評価観察を非破壊・非接触で行うことが可能で、高度なレーザービーム集光技術を使うこと
で、サブミクロン空間分解能での評価も可能である。

電子物性評価（新規物性探索など）

強相関電子系材料をはじめとする様々な電子材料の物性評価ツールとして利用可能である。
マルチフェロイックBiFeO3における強誘電ドメイン構
造の可視化（下左図）や、超伝導体中の超伝導電流や量子化磁束分布の可視化による物性の評価をはじめとし、さらにポンプとプローブ光源を用いることで、様々な電子材料中のキャリアのダイナミクスについても評価可能である。下右図は半絶縁性GaAsにおける光励
起キャリアの時空間ダイナミクスを観測した結果である。

図. LSIのLTEMイメージ。
(左)故障なし(右)FIBによりGND配線カット
Light Sci Appl 11, 334 (2022).

Adv. Opt. Mater. 9, 2100258(2021). .APL Mater. 11, 031102(2023).

Nat Electron 4, 202(2021).

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/thp/
─ 45 ─テラヘルツフォトニクスグループ

近接場テラヘルツ放射分光イメージング装置
斗内政吉 教授
共同者：芹田和則准教授

近接場テラヘルツ放射技術
非線形光学結晶へのフェムト秒レーザー光照射により生成するテラヘルツ波点光源を、回折前の近接場テラヘルツ光の状態で試料に照射させることで高感度かつ高分解能な分光イメージング測定を可能とする。
現在までに最大9µm（λTHz/28）の空間分解能を達成できており、テラヘルツ分光イメージング
により、微小な物質のテラヘルツ領域での興味深
い物性評価に成功してきた。
最近では、ピコリットルオーダーの極微量溶液
中の溶質濃度を数フェムトモルの感度で検出に成功しており、今後のテラヘルツバイオセンシングのための大きなブレークスルーに繋がる手法としても注目されている。

応用２ テラヘルツµTAS開発

応用１ バイオイメージング・物性評価

マイクロタス（µTAS）は様々な化学プロセスが1つに集約されたチップで医療・バイオ分野への応用が期待されている。本技術において、非線形光学結晶にマイクロ流路等の微細構造を作製することで、テラヘルツµTASとしても応用が可能である。
下図のようなチップを利用して、僅か318ピコ
リットルのイオン溶液中の31.8フェムトモルのイ
オン濃度の検出に成功した。これは従来のテラヘ
ルツ波による溶液測定の約100分の1以下の溶液量
で1000倍以上の検出感度である。体液1滴からのラベルフリー診断が可能なバイオチップとしての応用展開に期待できる。

バイオ計測では、微小・微量な生体関連試料の高感度かつ高分解能な計測が必須であるが、テラヘルツ波で行う場合その回折限界や水への強い吸収の点から困難であった。本技術では、テラヘ
ルツ波の波長より小さな生体試料についても成果を挙げてきた。図は毛髪1本のイメージングであり、細い構造を鮮明に観察することができている。またキューティクルが毛髪内保湿に及ぼす効果を高感度に分析することも可能である。将来的には、がん細胞のオンサイト診断技術への応用も期待できる。

J. Phys. Photonics 2, 044008(2020).
Opt. Continuum 1, 527-537 (2022).

APL Photonics 3, 051603 (2018).
J. Phys. Photonics 4, 034005(2022).

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/thp/
─ 46 ─テラヘルツフォトニクスグループ

高感度磁気センシング技術
村上博成 准教授
高感度レーザー磁気光学プローブおよび磁気光学イメージャー
導電性材料や磁性材料の非破壊検査のための高感度磁気光学検出シ
ステムの開発を行っている。
高感度レーザー磁気光学プローブ
導電性材料に対しては、パルス磁場を印加した際に材料表面付近で発生する渦電流由来の磁場をレーザーを光源とした磁気光学プローブで観察し、材料の欠陥等の非破壊評価を行っている。時間分解差分方式の磁気光学プローブを用いることで感度数ナノテスラ（nT）、時間分解能
1ms以下での磁器シグナルの検出に成功している。
磁気光学イメージャー
磁性材料に対しては、表面および内部に存在する欠陥によって発生する表面磁気漏れの磁気光学観察を行っている。可視光を光源とした磁気光学イメージングでリアルタイムかつ高分解能（数µm）で観察することに成功している。

応用１

航空宇宙産業用機材および非磁性金属構造体の非破壊検査

応用２

magnetPD 2

PD 1

時間分解渦電流評価用高感度
レーザー磁気光学プローブ

社会インフラ（強磁性構造体）の非破壊検査

ロックイン検出により数nTの磁気検出感度を有する
軽量コンパクトな小型レーザー磁気光学プローブの構築が可能である。さらに付加仕様として印加磁場に対して発生する渦電流による磁束を1ms以下の時間分解能で時間分解計測が可能である。
交流磁場発生用の誘導コイルをプローブ先端に取り付けることにより、ハンディタイプなプローブを構成し、航空機用アルミニウム合金をはじめとする非鉄金属の表面や内部に存在する亀裂や欠陥を高速で検査可能である。

小型白色光源およびCCDカメラを有する軽量コ
ンパクトな高感度磁気光学イメージング装置を利用して、磁粉探傷試験法に代わるリアルタイムで高感度な非破壊欠陥検査システムを構築可能である。これにより損傷発生ごく初期のマイクロメートルオーダーの亀裂などの発見にも威力を発揮する。

非磁性導電性材料における損傷評価。
キズや欠陥等に由来する相互インダクタンスの変化に伴う誘導電流による磁場を高速・非破壊で観察することにより、材料表面・内部に存在する欠陥の高速検出が可能。図は高速回転するAl円盤表面の傷のレーザー磁
気光学検出。

強磁性体鋼板における欠陥由来の漏洩磁場観察。
高感度センサーであるため軽量な電磁石を使った計測が可能。僅か100µmの表面の傷が齎す漏洩磁束の観察（左）および鋼板内部の孔構造による磁束漏れの観察（右）http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/thp/
─ 47 ─

超広帯域フォトニクスグループ

テラヘルツ分光中嶋 誠 准教授
共同者：加藤康作特任研究員、V. Agulto特任研究員

研究背景
テラヘルツ波は周波数1012 Hz程度の、高い透過性と直進性を併せ持つ新しい電磁波です。紙やプラスチックなどの材料に対して高い透過性がある一方、フォノン、スピン、高分子高次構
造の振動モードや自由電子の超高速応答などの観測が可能な波長域です。これらの特徴を利用して、通信、センシング、セキュリティスキャナー、物質評価などへの応用が開拓されています。私たちは、テラヘルツ波の発生や検出技術の開発や、電磁波の伝搬操作、テラヘルツを利用した物性測定やデバイス開発を通してテラヘルツ波工学の発展に寄与します。

応用１

センシング・物質の同定・
イメ ー ジ ング

応用２

テラヘルツスピントロニクス

テラヘルツ領域において、磁性体の利用が注目されています。磁性体を利用した偏光制御素子(ファラデー素子)やテラヘルツ発生・検出デバイスの開発を行っています。テラヘルツパルス照射により、スピン状態の超高速制御(右下図)が可能である
ことを明らかにしています。テラヘルツパルスによりスピンを利用した情報書き込み・読み込み技術をはじめとして、次世代高密度磁気記録デバイスに向けた新規磁気記録方式の提案・実証研究を行っています。

テラヘルツ波は高い透過性と直進性を併せ持つ
新しい電磁波です。また、テラヘルツ領域および赤外領域は指紋領域と言われ、物質を同定する特徴
的なスペクトルが現れることで知られています。
半導体におけるキャリア評価をはじめ、水分の検出、絶縁体薄膜・フィルムにおける厚み評価、劣化試験、危険物探知(セキュリティ)等への応用が期待されています。

爪の断層イメージング
THz トモグラフィ

THz波によるスピン制御

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/up/
─ 48 ─

超広帯域フォトニクスグループ

ワイドギャップ半導体の非接触キャリア特性評価～伝導特性の光学的評価～
中嶋 誠 准教授
共同者： V. Agulto特任研究員、岩本敏志招へい教授、加藤康作特任研究員

テラヘルツ波による伝導特性評価
テラヘルツ波は波長(周波数)にして、 3 mm (0.1 THz)から 30 𝜇𝜇𝜇𝜇m (10 THz) におよぶ電磁波です。この領域では自由キャリアの応答が現れるため、この成分を検出することにより、従来ので電気伝導特性計測とは異なり、電極不要で、非接触非破壊により、伝導特性を取得することが可能です。
現在半導体の伝導特性評価は、ホール測定やCV法によって行われていますが、これらの測定では電極の作製が必須になります。またHg電極の利用は水俣条約により、今後利用が困難になります。このような従来の手法と比べ、テ
ラヘルツ波を用いることで、非接触で高い空間分解能での伝導特性の測定が可能になります。ワイドギャップ半導体として期待されているSiC, GaN, 𝛽𝛽𝛽𝛽-Ga2O3 等の試料においても確かな測定実績を持っています。

プレスリリース記事参照
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210126_3

応用１

薄膜試料評価・バルク材料評価
キャリア密度・移動度・厚み

応用２ テラヘルツエリプソメトリによる高キャリア濃度試料の評価
テラヘルツエリプソメトリは、入射するテラヘルツ波の偏光変化を解析することで、参照測定なしで、キャリア密度等の伝導特性を得ることが可能です。
特定のポイントでの情報のみならず、空間分布測定などにも応用可能です。ワイドギャップ半導体
GaNにおいては、1015-1021 cm-3 の広い領域でのキャリア密度の評価が可能です。

ワイドギャップ半導体は、パワーデバイスや高周波デバイスとして高い性能を示し、注目を集めている。半導体材料の評価として、キャリア濃度や移動度等の伝導特性の評価は非常に重要である。
テラヘルツ時間領域分光法(THz-TDS)は、新し
い優れた手法であり、非接触・非破壊にて、テラヘ
ルツ帯の屈折率・誘電率をはじめ、キャリア濃度等の伝導特性を評価することが可能である。
下図は、エピタキシャル膜のβ-Ga2O3 を評価した
ときのデータである。SiCやGaN等の評価も可能。

プレスリリース記事 参照

https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210915_2

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/up/
─ 49 ─

半導体レーザーシステム工学グループ

可視光レーザー照射応用山本和久 教授
共同者：石野正人特任教授、 藤 寛特任教授、 眞鍋由雄特任教授、 木下順一招へい教授

可視光半導体レーザー照射技術
可視光半導体レーザー応用は光ディスクが代表的な市場であったが、このところディスプレイ・照明分野への応用が巨大市場として大きく期待されている（右図参照）。
照明や画像表示に対して障害となる、レーザー特有のスペックルノイズの制御、また応用に対する多種の課題解決を図っている。
スペックルに関しては、低減を行う技術だけでなく、状態を可変し自由にコントロールをする技術を開発している。

応用１ レーザーによる高輝度照明

応用２

高画質レーザーディスプレイ

レーザー照明には青色半導体レーザーで蛍光励起を行う方法、および蛍光を用いず多色レーザーで行う方法がある。どちらにも取り組んでおり、千ルーメン以上の高輝度白色光発生、低電力化を目指した遠方投射に成功している。

レーザー走査方式の携帯プロジェクタはLEDプロ
ジェクタに比べ光利用効率が高い上に、光源を常時最大値で点灯する必要がなく低消費電力である。
また、通常プロジェクタで必要な投射レンズが不要であり超小型化が容易であることも大きな特徴である。

応用３ 位置可変走査型レーザー照明

応用４ 省エネ型レーザー植物工場

光走査型照明は、センサー連動で時間だけでなく場所的に明るさや色彩が可変できる照明である。
必要な箇所のみ照射できるので超省エネであり、その高輝度・点光源性により、超小型レンズを用い損失なく集光・平行・発散ビームが自在に得られる。

レーザー植物工場は、植物の生育に必要な波長（赤と青）を高輝度かつ効率良く投射できるという特徴がある。走査型応用として、画像認識と走査型照射を組み合わせ、植物が存在する部分や成長させたい部分のみ照射することで省電力化が図れる。

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/sls/
─ 50 ─

半導体レーザーシステム工学グループ

スペックル制御技術
山本 和久 教授
共同者：木下順一招へい教授、石野正人特任教授、村田博司教授（三重大学）

ス ペ ックル 制 御
画像表示に対して大きな障害となるのがレーザー特有のスペック
ルノイズである。右図に示すように、コヒーレントなレーザー光がス
クリーンの微小な凹凸の干渉によって斑点状の画像雑音を生じ、その大きさはスペックルコントラストCs（標準偏差/輝度空間平均値）で表される。スペックルノイズを低減するためにレーザー光源のスペクトル、光学系、スクリーンのそれぞれで対策が試みられている。
表にスペックルノイズ低減の主要な方式を示す。レーザー光源に対しては波長スペクトル幅を広げる、または複数の異なる波長の光源を組み合わせて多重化するという方法がある。半導体レーザーはもともと波長にばらつきがあるので、複数個用いることで効果が生じる。光学系での工夫としては、レーザー光源からのビー
ムを時間毎に角度を変化させて出射させることが有効である。具体的な構成として、回転レンズアレイ光学系や拡散板揺動等の方法がある。またレーザーの偏光を直交する２つの偏光に分離しス
クリーン上に到達させるという方法もある。一方、スクリーンを振動させることが簡便で効果が高いが、少し大がかりな振動機構が必要である。許容範囲（低減目標Csは4～10%。応用により異なる）
以内にするために上述した各種方法を組み合わせる。

応用１ レーザーディスプレイ画質改善

応用２ 誘目性・視認性による注意喚起

レーザーディスプレイにおいて、スペックルは解像度が悪くなったように見える。また
レーザー照明においては、壁などに映るもやもやで気分が悪くなったりする。
２次元画像デバイスのバックライトとしてレーザーを照射する方式ではレーザー光を拡散させるなどで比較的容易にスペックル低減が可能である。一方、レーザー走査方式のプロジェクタの場合はビームそのままを扱うので、低減手段が限られる。スペク
トル拡大が有効であり、いく
つかの方法を検証している。

スペックルは映像表示においては弊害であるが、注意喚起照射などで有効利用ができる。ギラギラ
感などはレーザーポイン
ターでも実体験できるように人間の注意を引き付ける。特に自然光や室内照
明がある状況においてス
ペックルコントラストの大きなレーザー照射は注意喚起に有効である。またレーザーのスペクトルの狭さは色純度が高く視認性を高めることができ、スペックルとの相乗効果を 半導体レーザーへの高周波重発揮できる。
畳による発振スペクトル可変にスペックル大（上）低減後（下）

よるスペックル制御

https://prcra.vlda-cons.org/
─ 51 ─

半導体レーザーシステム工学グループ

走査型可視光レーザーシステム
石野正人 特任教授
共同者：山本和久 教授、錦野 将元 上席研究員(量研機構)、村田博司 教授（三重大学）

可視レーザー光走査技術
・レーザーの重要な特徴は、ビームを走査することにより望む位置に線状照射や面状照射を行うことができることであり、さらにレーザーを可視光とすることで、投影表示やスポット照明を所望の時・場所・サイズで照射できる点である。また走査反射光の遅延時間検知(TOF)により可視光LiDARを構成することができ、周囲の人・モノの位置や色のセンシングを行うことができ、超小型センサー付き光源として期待できる。

可視レーザー光走査

可視光による3D-LiDAR像

応用１

追随型照明

可視光半導体レーザー走査技術は追捕型照明に応用できる。我々は可視光LiDARと走査型照明の組
み合わせで一体構成追随型照明の原理検証を行い、超小型センサー機能集積追随型照明の可能性を実証した。
光ファイバー拡散板

２ 軸 走 査型
ガル バ ノ ミラー
システ ム

センシング光
PC

ターゲット(スクリーン 、太陽電池)

可視光半導体レーザー走査による空間光伝送技
術により、照明と同じ光を用いて、所望の位置の機器にワイアレスでの光給電や秘匿性の高い情報伝送を行える。LEDやマイクロ波と異なりレーザーの高い指向製により、離れた場所へも効率よく伝達できるのが特長である。

初期状態

RGB-LD
モジュール

照明光

検出物へ照射（スクリーン）Gbps伝送アイパターン
空間光伝送特性可視光 3D-LiDAR

原理実証実験系

応用３

ワイヤレス光給電・情報伝送

応用２

光給電特性

レーザー空中サインシステム

IoT照明ステーション

応用４レーザーとドローンを組み合わせることで空中の望むべき位置に映像や画像を投影することができる。特に投影にフォーカスフリーの走査型レーザー
プロジェクタを用いることで、自由な距離で鮮明な像を得ることができる。EXPO2025の会場予定地の夢洲で実際に大空への空中投影に成功した。

「IoT照明ステーション」は、必要な場所、必要な時間に、望むべき色や強度の可視光を提供できるのが特長である。同一可視光レーザーと走査デバイスの共通化により、センシングと照明・表示・通信・給電や指示の多目的・多機能の一体化集積システムを、超小型・超低コストで実現できる。
光給電・光通信光給電・光通信住環境センサー
自在サイズ表示
Display

カメラ

スポット照明スポット照明スポット照明センシング
屋外モニター

センシング

ARディスプレイ
光給電
スマホ等

指示照明

システム構成例

屋内適用例

夢洲実証実験

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/sls/
─ 52 ─

屋外適用例

半導体レーザーシステム工学グループ

高演色・高色再現レーザー照明
眞鍋由雄 特任教授
共同者：山本和久教授

オンラインでも同じ色で色鮮やかなレーザー照明
ビジネス分野教育分野
従来の高効率光源であるＬＥＤに比べて、原理的に色温度を一定に保てるレーザー照明はその優れた特
従来のオンライン 授業 テレワーク
長により、リモート社会において遠隔距離通信でオン
従来の
対面授業
対面会議
ライン状況（在宅勤務、オンライン授業、オンライン診
在宅勤務
療、リモート作業）下で同じ色、色鮮やかな空間を演出 美味し
メンタル
そうな赤
できるので、LED照明との差別化が図れる。我々は，ヘルス空間発光材料である活性層の半導体の混晶揺らぎがなく、顔色いいね！
レーザー単色性の特長を活かしたリモート社会を構築
その色でOKすることを目指す。在宅勤務（演色性の高い照明空間
で癒しを感じる）、オンライン授業（同じ色と高色彩での授業）、遠隔作業（同じ色で検証確認できる現場）、 従来のオンライン診療 リモート作業
オンライン医療（同じ顔色で診察できる）となる高演色・ 対面診療
従来の現場確認
産業分野
医療分野（品質・色彩検査）
高色再現を可能にしたレーザー照明装置の開発を企
業と共同研究を通じて、リモート社会に貢献している。
リモート社会において構築されたレーザー照明社会

高演色高効率レーザー照明

応用２

In t e ns it y ( a . u . )レーザー照明の構成として様々な種類のレーザーや蛍光体などの光学系が提案されているが、ここでは青色、緑色、赤色のRGB系レーザーに黄色レーザーを加えた４元系の構成で、光源波長や光強度を演色性が最大となる組合せを、加法混色法の計算方法で求め1.2
た。3000から6500 Kの色温度1.0範囲において、平均演色評価
0.8
0.6
数(Ra)と、赤色の演色評価数
0.4（R9)の演色性を80以上の照0.2
明装置を可能にした。上図は
0.0
400
500
600
700
色温度5000 Kの４元系レーザーの構成におW a v eleng t h ( n m )レーザー照明の発光スペクトル
ける発光スペクトルを示す。 レーザー照明とLED照照明の比較
演色性はRa＝85、レーザー照明LED照明
R9＝83の高演色照明である。下図
は、レーザー照明と り
LED照明下でリンん
ごゴを撮影した。
レーザー照明は
Ra＝87.3、R9＝95.9と高演色であった。

Ra

87. 3

82. 2

R9

95. 9

8. 7

高色再現レーザー照明

リモート社会において、遠隔地間で同じ色の対象物を見るためには、色再現精度の高い照明で見る必要がある。我々は、励起源（青色レーザーや青色LED)で黄色蛍光体を使って白色光を作成し、色再現できる照明装置を研究した。 励起源を青色レーザーと青色LEDとし、色温度5000 K白色光源を作成した。これらの光源で鯛を撮影した結果、レーザー照明（左上図）とLED照明（左下図）とでは、明らかに色の違いがわかる。この結果
を色度座標（右図）で表現すると、レーザー照明（図中△ ）となる。LED照明の心▲）で、LED照明（左の位置△
発光部の半導体活性層は混晶半導体であり、混晶揺らぎの為に、LED照明の色温度は、最大5150 Kまで色ずれが発生するが、レーザー照明下ではほとんど色ずれは生じず、実際の色とほぼ同じ色を見ることができる。

5000 K

0.360

0.355

0.350

y

応用１

5150 KLASER照
照明
LED照
照明

0.345

色度座標
0.340
0.335

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/sls/
─ 53 ─

0.340

0.345

x 0.350

0.355

パワーレーザーシステム工学グループ、パワーフォトニクスグループ

レーザー超音波（音波）技術
染川智弘 招へい教授（レーザー技術総合研究所）
共同者：倉橋慎理共同研究員（レーザー技術総合研究所）

レーザーによるインフラ構造物の検査
高度成長期に建設された構造物の老朽化が大きな社会問題となっており、構造物の健全性を効率よく診断できる技術の開発が急務である。
健全性の評価には打音検査法が主に用いられているが、当研究グ
ループでは打音検査法に代わるレーザーを用いた検査方法の研究を進めている。
衝撃波励起用レーザーをコンクリート表面に照射して、表面を微小振動させる。その微小振動を検出用レーザー検出する。微小振動は健全部と欠陥部で振動モードが変化するので、このモードを解析することで欠陥を検出する。

応用１

レーザーによるトンネル覆工
コンクリート検査技術

応用３

レーザー干渉計（自走型車両に搭載）

図．レーザーを用いたインフラ構造物の検査技術の原理

応用２ レーザーによる鋼板接着床版の浮き検査技術
この技術を使用して、高架橋の鋼板接着床版
における鋼板とコン クリートとの剥離の検査を行った。その結果、十分な性能を有することを確認した。

山陽新幹線トンネル覆工コンクリートに、この技術を適用してコンクリート
剥離等の欠陥検査の検証を行った。この技術は欠陥を検出するための十分な性能を有することを確認した。
図．レーザー検査法

衝撃波励起用
レ ーザー

振動検出用
レ ーザー

レーザー総研、駒井ハルテック
東工大

JR西日本、レーザー総研

レ ー ザ ー に よ る ケ ミカ ル アン カ ーの欠陥検査技術

図．装置からレーザーを照射して鋼板の浮きを検査応用４ レーザーによるひび割れ深さ計測

コンクリート付帯のケ
ミ カルア ン カボ ルトの欠陥検査に レーザーを適用する可能性を見出した。この技術はトンネル内のさげづかや照明器具、配管などを固定するための一手法として期待できる。
JR西日本、レーザー総研

衝撃波励起用レーザーを照射して超音波をコンクリート内部に発生させて、超音波がひび割れを迂回して戻ってくる時間を計測することでひび割れ深さを評価する方法である。ひび割れ深さ
ひび割れ
検出用
レーザー
衝撃波励起用レ ーザー

図．ケミカルアンカーボルトのコンクリート供試体

http://www.ilt.or.jp/
─ 54 ─

100 mmまでの計測が可能である。

関西電力、レーザー総研

図．レーザーを用
いたひび割れ深さ計測

パワーレーザーシステム工学グループ、パワーフォトニクスグループ

レーザーリモートセンシング技術
染川智弘 招へい教授（レーザー技術総合研究所）
共同者：藤田雅之招へい教授（レーザー技術総合研究所）

ライダーによる種々の環境計測を実施
雲

ライダーはLIght Detection And Ranging（LIDAR）の略語であり、レーダーの光源をラジオ波からレーザーに置き換えたリモートセンシング技術である。レーザーと測定対象の相互作用（ミー散乱、ラマン散乱、吸収等）やレーザーの特性（偏光、ドップラー効果など）を望遠鏡等の集光光学系を利用して観測することで、数kmに及ぶ測定対象の濃度、分布情報を取得することが可能であり、中国からの越境汚染が懸念されている黄砂、温室効果ガスであるCO2、局所的な豪雨（ゲリラ豪雨）
予測に向けた水蒸気の観測など、様々な環境計測へ応用が可能である。

高強度フェムト秒レーザー
をガス中に集光すると、非線形効果によって自己位相変調が誘起され、紫外から赤外におよぶ広帯域なスペクトルをもつ白色光が生成される。この白色光をライダー光源に用いる「白色光ライ
ダー」では、これまで単色のレーザー光が複数台必要であった環境計測が一台の装置で実施可能になる。

応用３

距離R = cτ/2
（c：光速）
検出器
望遠鏡

PC

時間遅れτ

オシロスコープ

トリガー

データ取得システム

時間

図．ライダーの原理

応用２

白 色 光 ライ ダ ー

赤外ガス吸収計測

赤外域にはCO2やメタン、COといったガスの吸収ラインが多数存在しており、その吸収波長で発振するレーザーを用いて吸収計測を実施すれば、高精度に対象ガスの濃度評価が可能となる。
1
Normalized Transmittance

応用１

エアロゾル

0.8
0.6
0.4
0.2
0
2331 2331.75 2332.5 2333.25 2334 2334.75 2335.5 2336.25
Wavelength (nm)図．白色光ライダー

海 中 モ ニ タリン グ

ラマンライダーと微量成分分析

応用４

海底開発では資源探査手法の開発だけでなく、海底開発に伴う海洋生態系・環境への影響評価が必要であるため、広範囲にわたる領域を短時間でモ
ニタリング可能な水中ガスラマンライダーによる海中モニタリング技術を開発している。

ラマンライダーでは、大気中の水蒸気の高度分布計測が可能となる。得られたデータを気象予測モデルに同化することによって、予測精度の向上が期待できる。また、ラマン分光法を用いると、水・油に溶存しているガスの微量成分分析も可能である。
0.35
0.3

Intensity (arb. unit)

0.25

図．石垣島近海における海上ラマンライ
ダー試験の様子

0.2

0.15～1972 cm-1
10%～1979 cm-1

5.7%
1.9%

0.1

0
1900

図．絶縁油溶存
アセチレンのラマンスペクトル

0%

0.05

10%C2H2 /90 % N2 gas
1950

2000

http://www.ilt.or.jp/
─ 55 ─

図 ． DFB レ ーザーを用いたCOの赤外吸収スペクトル

2050 2100 2150
Raman shift (Δcm-1)

2200

2250

2300

パワーレーザーシステム工学グループ、パワーフォトニクスグループ

フェムト秒レーザーを用いたフラグメント
フリーイオン化技術
谷口誠治 招へい准教授（レーザー技術総合研究所）
共同者：中島信昭特別研究員（レーザー技術総合研究所）、八ッ橋知幸教授（大阪公立大学）

フェムト秒レーザーを用いた試料分子の定量評価
ダイオキシン類等の大分子量物質を質量分析計測を行う
ためには分子をフラッグメント化させずに計測することが必要である。試料をイオン化させる方法は、試料の励起準位にレーザー波長を合わせた共鳴多光子イオン化法と、フェムト秒レーザーを用いた非共鳴多光子イオン化法に分けられる。
共鳴多光子イオン化法のイオン化効率は励起準位の寿命に左右されるが、波長2μm帯フェムト秒レーザーを用いた非共鳴多光子イオン化法ではその欠点がない、また、レーザーパ
ルス幅が短く親イオンがフラッグメント化する確率が小さいた
めに、イオン化効率が高く極微量の試料が計測可能である。

大阪公立大、レーザー総研

図．波長2μm帯フェムト秒レーザー装置

応用１

波長2μm帯フェムト秒レーザーによるダイオキシン類計測技術

ダイオキシン類は1980年代から国内で少しずつ広まり、テレビ報道などで取り上げられることにより、知られるようになり、1997-1999年にかけて異様な盛り上がりを見せた。現在では、大きな焼却施設を建設することによりダイオキシン類は減少傾向にあるが、ダイオキシン類は未だに土壌、河川、海水などにまだ多く含まれているのが現状である。
当研究グループは、波長2μm帯フェムト秒レー
ザーを用いた非共鳴多光子イオン化法でダイオキ
シン類のイオン化を行い、そのイオンをTOF型質量分析器で計測を行った。図はポリ塩化ジベンゾダイ
オキシンを計測したTOF波形である。フラグメント化を起こさずに計測ができる。

ポリ塩化ジベンゾダイオキシン
1400nm
80 µJ

1,3,6-trichlorodibenzo-p-dioxin
Mw = 287.52
Ip = 7.8 [eV]

Signal286 288 290 292

P+(286)

P2+(143)

0

50

100

150

m/z

200

250

300

大阪市大、レーザー総研

大阪公立大、レーザー総研

図．質量分析装置

図．ポリ塩化ダイオキシンが検出されたTOF波形

http://www.ilt.or.jp/
─ 56 ─

ニュークリアフォトニクスグループ

レーザー中性子源による新しい非破壊検査技術
水素の可視化、元素ごとの温度を透過計測
余語覚文 教授
共同者：有川安信准教授、Alessio Morace助教、早川岳人招へい教授、三間圀興招へい教授

X線で見えない水素や元素の情報を瞬間分析
中性子は原子核を構成する、電荷を持たない粒子です。中性子はX線が苦手とするシリコンや金属に対する透過力が高く、深部まで透過できます。加えて、X線では見えない水素、水や有機物などを検出できます。しかし、中性子を得るには原子炉や加速器といった特別な施設が必要でした。
そこで我々は、指先サイズで短パルス・高輝度の中性子フラッシュを発生できる「レーザー中性子源」を開発し、「いつでも・どこでも」利用できる中性子分析を実現しました。

応用１

橋梁・ビルなどの老朽化検査や水素機器の開発・信頼性向上技術

レーザー中性子源を使えば、メートルサイズの厚い構造物に進入した水を透かして見ることができます。
老朽化したインフラの補修の優先順位を非破壊で評価できます。また、X線と中性子のフラッシュを同時に発生できるので、有害物質の評価（図１は充電池に含まれるカドミウムを検出）や、ステンレス配管中の水の検知に成功（図２）しています。燃料電
池や水素エンジン、配管の内部の高圧水素を透過検出することも可能です。レーザー中性子源なら１
０万分の１秒で計測が完了するので、水素の動きを瞬間的に計測できます。カーボンニュートラル社会実現に不可欠な水素機器の開発・信頼性向上に役立ちます。

図１：レーザー中性子・X線同時撮像。中性子の透過率からニッカド電池内部のカドミウムの厚さを評価した。
図２：ステンレス配管中の水 の透 過撮 像 。X線
では配管の影だけが映り水の有無は分からない
が、中性子では水のある方が影が濃く映るので判別できる。

応用２ 元素を選別して温度を透過・瞬間計測：マルチパラメータ高速分析
中性子の吸収を計測することで、元素を選別してリモートで温度を計測することができます。
例えば、リチウムイオン電池の場合、電極材料のみを選別して、温度変化を計測できます。
電荷を持たない中性子は電気的影響が極めて少なく、充電・放電中に分析できます。これにより、破損・損傷する瞬間の様子をリアルタイ
ムで計測することも可能になります。
温度に加えて、材料ごとに選別した透過画像を同時計測できる、マルチパラメータ高速分析を実現します。

元素分別
温度計測
時間

動作中の水素機器
リチウムイオン電池

金属部画像
水素画像

https://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/np/
─ 57 ─

!"#$%&'()*+!"#"$%&'()!*+,-'.!*/0123"45678!"#$ %&!"#$%&'()*+,-./01%&'23456+789:,-;<=>?%&'+@+7,!ABC>?%&'+@+7,-DAEFGH'23IJKL+7,-MNOP %&'QR+7,!"#"$%&'()*+,-./*012345"6789:!"#$%&%'()*+,-./01234567
89':/;<=>?@-.ABCDE:/-6FE:/-'GHB/IJKBCL'7<=EMNOP67$%&%QRSTUIVWX;YZ7[Z*\OP]^MNB/_`1abc<=dUX*efgXABC:/;<=hi)*7$jkljmnE(o'pqErPhs
tB/uUv7pwhxyB/uU7L'6FEz{hB/uU>|g'})*;ABC012345?@-./N670123E~,7#7
Ä#7Å#}J7ÇÉ}ÑÖhÜáK;ABC012
345?à-./NESâäkRhãåB/uU7çé70123MNhèêB/uU670123hë;Yíë
z{'ì;*î|ïKBCñÉ>óB/7!ÅòNô
!Åöõ%újùûü67ÇÉ}íëh†°/012
3¢£ûüUX*§•K¶ABC"
56%# -1<
:.-3;

31=;

Target supply

56%#">1?=./;72(;.<3:72

/07
8/4
8

Laser
Source plasma!"##$%&''()*!+(!"##$,-.(/012-3/-4

IF point

927:(;.<3:72

EUV collection mirror!"##$%&''()@!+(,-.(A%,/=2B[F\ ;<=>?@AB4CDEF
GHIJ2/[F] !"#"KLM2NOPQR&'()STSUVW1XYZ!àß$%&%®@'()*7pq>0123©
B/™´7DE0123>Nh?àB/™´h¨≠'ÆØY∞±789'≤≥¥}[µ∂∑N∏
hπ/uU',∫XAXYCuEûü67ªºΩEæøq¿¡öSh¬√B/YZEƒX;N∏UX*≈ë-.*;ABC0123E∆'67«}45»7… X*};∆À
ÃÕ>Œœ)*;ABC0123híëB/ã–K
67∆ÀÃÕ670123E#>—“/≤±'x°*7”‘h’B÷◊'e}ÿABCñÉ67$%&%Ÿ⁄€N‹hë;/uUK7NhMX};∆ÀÃÕh|t©B/uU',∫X70123N∏E›ﬁ©'§•XAXYC

Bulk

)

Layer

(
�
�
%

Dot

����������������������
��������������������
%�)

%��

%��

�





(

������������������� ���������������µ��!""#$%%&&&'()*'+,-.-/0'-1'2#%2-%34+0#,%4*,*-41!56%)7%
─ 58 ─



変換効率（％）
�������������������������

�

超高強度場科学グループ

高精度X線画像計測法
藤岡慎介 教授

ストリークカメラにおける画像サンプリングの応用

軟X線全反射鏡

2次元X線画像に対して1次元または2次元画像サンプ
リング技術を応用すると、本来1次元空間分解画像を
時間分解撮影するX線ストリークカメラでも2次元時間分解画像を取得することが出来る。

MeV領域の強烈なガンマ線バックグラウンドのある過酷環境においても、全反射X線反射鏡を導入すれば、keV領域の2次元軟X線画像撮影が可能になる。検出器としては時間分解ならX線フレーミングカメラ、時間積分ならイメージングプレートなどが使用出来る。

応用１ 超高速X線被写体のフレーミング
2次元画像計測

応用２

レーザー加熱生成プラズマのような、ピコ秒レベル
で高速変化するX線光源の形状や運動を2次元画像として時間分解撮影することが出来る。下記の例
はレーザー核融合プラズマの爆縮コアプラズマの時間分解画像。時間分解能は最速で2ピコ秒、フレーム数は最大100コマ程度まで可能である。

ガンマ線過酷環境下のX線
フレーミング画像計測

X線全反射鏡をX線フレーミングカメラに結合することにより、硬X線・ガンマ線（>>10 keV〜MeV）過酷
環境下においても光源の軟X線（1〜5 keV）のみの
時間分解画像を取得出来る。

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research02/ｌｆ/
─ 59 ─

ニュークリアフォトニクスグループ

アバランシェ光ー光増倍パネルによるモバイル放射線モニター

有川安信 准教授
共同者：余語覚文教授、安部勇輝助教





  







要である。従来のイメージインテンシファイアは高価で開口径にたいして装置が大型であり、高圧電源を必要としたためモバイル化が困難で

放射線計測にかかせないシンチレーション発光を画像として撮影する
ためには、微弱な光を増倍する装置（イメージインテンシファイア）が必

アバランシェフォトダイオードを用いた
高効率なイメージ増強パネルあった。我々はアバランシェフォトダイオードアレイ(MPPCとして市販)を
多数ピクセル配列し、各ピクセルごとに発光LEDを結合させたデバイスを開発した（図１、図2）。本装置は量子効率（光を電子に変換する効率）が40%程度、光増倍率として105と得られ、しかも高速応答である。

図1 アバランシェ光光増倍パネル



57V程度の電源で駆動できるため、ボタン電池直列つなぎで動作でき、モバイル化が実現している。表１は従来のイメージインテンシファイアとの性能比較である。この装置は、中性子ラジオグラフのシンチレーター
信号増強（1000倍向上）、医療用PET診断装置の超小型化、リアルタイ
ム診断ができるようになる、赤外線や紫外線レーザー光や、微弱光の可視化様フォスファープレートとしてなど応用は多岐にわたる。

応用１ 中性子ラジオグラフの超高感度化

応用２ PET診断のモバイル化

中性子ラジオグラフはこれまでのX線撮影では透視できなかったような分厚いコンクリート内部などの現状の医療用PET装置の放射線計測部は大掛かりな装置である。シンチレーターとアバランシェ光・光パネルを組み合わせれば、スマホサイズのデバ
イスでリアルタイムにガンマ線を検出できることから、PET診断のコンパクト化が期待される。

検査が可能になる。中性子はX線に比べ発生が困難であり、さらに検出も困難であることから、測定装置の高感度が必須である。アバランシェ光光増倍 $'
 #%

パネルを中性子シンチレーターアレーに接着することで、シンチレーション信号をおよそ105倍まで増強し、中性子1個の信号が得られるようになった。
図3は密封放射線源からのガンマ線を、シンチレー
ターア レーとア バランシェパネル で 増倍撮影し、CCDカメラで撮影した様子である。1個1個のガン(!" #%& )

 



 

図３ 本装置を用いた密封放射線源の観測の様子

マ線が容易に検出できるようになった

https://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research01/np/
─ 60 ─

極限プラズマグループ

高速応答有機液体シンチレータ
安部勇輝 助教
共同者：中井光男招へい教授，有川安信准教授

サブナノ秒の発光寿命で中性子の時間分解イメージングを 可能にする
シンチレータはα、β、γ線等の放射線を紫外光や可視光に変換する物質であり、光電子増倍管やCCDといった光検出器と組み合わせることで医療・工業・高エネルギー粒子科学における様々な放射線検出に用いられる。中でも有機材料をベースとするシンチレータは中性子の検出に不可欠なものであり、Time-of-flight計測用の中性子検出器や中性
子ラジオグラフィ用のイメージング素子として重要である。我々は、発光
寿命の短い蛍光材料の開発や、酸素等の不純物の添加による発光寿命の短縮に成功し、サブナノ秒の時間応答を持つ高速有機液体シンチ
レータを開発した。シンチレータの応答が高速になることで、 Time-offlight計測におけるγ線と中性子の時間弁別が容易になる他、高精度な中性子スペクトル計測が可能になる。また液体ベースである為、シンチレータの大型化が容易であり、現実的な製造コストで受光面の大きなイメージング素子の設計が可能になる。これにより、 X線・中性子ラジオ
グラフィによる大型構造物の非破壊検査や、高速で運動する物体や流体の可視化が可能になると期待される。

高速有機液体シンチレータの発光

Figure

中性子スペクトロメータ

X線・中性子ラジオグラフィ用の
大型・高速イメージング素子

応用１ 高時間分解放射線計測によるナ
ノ秒スケールの物理現象の解明

応用２

本技術は高エネルギー粒子科学や核科学、核融合工学等の分野における放射線計測への応用が期待される。特に、粒子加速器や高強度レーザーを用いた核反応では、電子やX線、中性子など複数種の放射線が同時に生成する為、これらを飛行
時間の差から弁別するTime-of-flight計測が重要である。我々の高速液体シンチレータは、これらの放射線計測において高精度な時間弁別を可能にする。特に中性子計測においては、たった数ナノ
秒の飛行時間差から中性子のわずかなエネル
ギーの違いを検知し、高エネルギー粒子やプラズマの状態を解明することができるようになる。

レントゲン検査をはじめ、X線ラジオグラフィは既に
医療・工業分野で広く利用されているが、近年は有機材料や流体の観測に適した中性子ラジオグラ
フィの実用化が期待されており、そのイメージング素子の開発に注目が集まっている。本技術はX線と中性子の双方に検出能力をもつイメージング素子の開発を可能にするものであり、素子の大型化、高速化を容易にする。これにより、土木建造物の劣化試験やエンジンなどの高速運動体内部の観測、金属配管内を流れる流体の可視化などが可能になり、医療・工業・セキュリティ分野をはじめ、様々な分野での応用が期待される。

X線 中性子

ハニカム構造のアルミ板を用いた中性子イメージング用の大型液体シンチレータピクセルアレイ

レーザープラズマ実験に於けるTime-of-flight計測

https://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research02/kgp/
─ 61 ─

極 限 材 料 科 学 グ ルー プ

先端イメージング分光
清水俊彦 准教授
共同者：猿倉信彦教授、 山ノ井航平准教授

見えないものを見るために
産業技術分野及びエネルギー・環境分野
において、広い波長域で二次元的に解析する分光装置が望まれています。特に従来は困難であった中赤外光と深紫外光の領域で需要が高まっています。私たちは、赤外から深紫外光までの広い波長領域に対応するイメージング分光技術の研究を行っています。
可視光以外の領域では、透過率の問題か
ら光学素子とすることができる材料がほとん
どありませんでした。そこで、私たちは、可視光以外でも透明な材料や光学素子の研究に加え、それらを使用した分光装置の開発まで行っています。そして、それらの装置を使用し、学際融合的に環境・資源・文化財などの社会問題を解決する目的で分光計測行っています。

応用１ 分光装置開発

応用２ 文化財の分光

深紫外領域では、対応した光源と計測器が入手が難しいという点があります。本グループでは企業と協力し真空紫外まで対応した分光器・ストリークカメ
ラシステムも開発しました。このため、深紫外光学
材料の評価も効率的に行うことができます。
さらに、近年のイメージング分光応用のため、フッ化物材料を組み合わせることにより深紫外域の色消しレンズを実現しました。このレンズを使用したイメージング分光器も作成しています。

近年学際連携による研究が重視されており、なかでも文理融合は重要な課題となっています。私たちは、開発した装置を使用し、文化財の専門家と協力しながた、レーザー科学を応用した文化財分析を進めています。
可視光だけでは塗料の素材や絵の下に隠された情報の取得が困難であるため、物質固有のデータを取得できる紫外から赤外までのイメージング分光が有効です。可視光以外の光を使用することで、見えなかったものが見えるようになります。

http://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/groups/research03/lam/─ 62 ─