は じ め に当研究所は、レーザーおよびその関連産業の振興を図り、我が国の学術の進展と科学技術の発展に貢献することを目的として、レーザーとその応用に関する研究開発、調査、情報の収集・提供、人材の養成などの事業を鋭意推進してまいりました。おかげさまで、
昨年、創立 25 周年を迎えることができました。これもひとえに、長年にわたる関係省庁、産業界、ならびに大学、研究機関の皆様のご指導、ご支援の賜物であり、心から深くお礼申し上げます。
この間、当研究所では、基礎研究の成果を産業界に役立てることを使命とし、レーザーの高性能化研究や、電力・原子力、環境・宇宙、物質・材料、生命科学、建築・土木など幅広い分野におけるレーザー応用研究を進めてまいりました。近年は、省エネルギー化に資する CFRP などの先端材料のフェムト秒レーザー微細加工、レーザー超音波を利用したコンクリート建造物の欠陥検査など、実用化に近づいた研究成果も出てまいりました。
次世代半導体製造に必須の EUV 光源技術開発や光学素子の損傷耐力評価などでは、産業界との強い連携の下で研究を進めています。また、レーザーの高出力化に寄与し得るビー
ム結合技術や高耐力光学素子技術、遠隔微量分析技術などでも、新しい成果が生まれてきています。
平成 23 年度からの第 4 期科学技術基本計画においては、震災からの復興・再生とともに、科学技術イノベーションの戦略的推進が大きな柱として掲げられています。光・レー
ザー技術はイノベーションの源泉ともいわれ、先進科学、先端産業を牽引する基盤技術として今後ますますその重要性が増していくものと期待されています。当研究所は、国および産業界が目指している開発研究について牽引的役割を果たすべく、研究活動を進めてまいります。
昨年、当研究所は公益財団法人の認可を受け、新たなスタートを切りました。公益法
人では、その活動が広く一般社会の利益増進に寄与することを強く求められています。今
後とも、わが国の光・レーザー産業の発展に資するべく研究を進めるとともに、セミナー
やシンポジウムの開催、広報誌の発行などの事業を積極的に進め、成果の情報発信に努めてまいる所存でございます。
このたび発行いたしました研究所年報は、公益財団法人として最初の研究成果・事業
活動報告書でございます。何卒ご高覧のうえ、ご助言、ご指導下さいますようお願い申し上げます｡
平成 25 年 7 月
公益財団法人 レーザー技術総合研究所
理事長
橋 本 德 昭ILT2013 年報（Annual Progress Report 2012-2013）

は

じ

め

に

目

次

研 究 報 告 書
レーザーエネルギー研究チーム
小型コヒーレント放射源新理論

レーザープロセス研究チーム

MEMS 製造工程へのレーザー転写技術の応用
100 W 級高品質全反射アクティブミラー増幅器の開発
低温冷却 Yb:YAG TRAM レーザーの温度評価
A new single detector technique for high power,
multi-channel coherent beam combination (CBC)
レーザーラマン分光法による変圧器油中アセチレン分析

レーザー計測研究チーム

レーザーを用いたコンクリート健全性診断装置の開発
Development of laser-based system for remote non-destructive inspectionof Shin-kansen tunnels
可搬型レーザーを用いた碍子表面塩分計測

レーザーバイオ化学研究チーム

光活性蛋白質の蛍光ダイナミクス計測による機能解明
液中レーザーアブレーション法によるナノ粒子作製：溶媒効果の検討

理論・シミュレーションチーム

高平均出力固体レーザーの熱効果解析
極端紫外(EUV)光源開発研究
レーザー生成高速イオンによるプラズマ加熱
レーザー核融合炉壁のアブレーション
レーザーピーニングの 2 次元シミュレーション
レーザー核融合炉液体壁チェンバー内のアブレーション生成プルームの 2 次元シミュレーション

1

5
11
17
21
25

29
33
45

47
55

59
65
69
73
75
81

レーザー技術開発室

光学素子レーザー損傷閾値データベースの構築―ダイクロイックミラーの損傷閾値の評価―

発表論文リスト
事 業 報 告 書
組
織図
構 成 員 一 覧評議員
理 事 ･ 監 事
評議員選定委員
企 画 委 員賛 助 会 員
お わ り に

85
91
109
123
124
129
130
131
132
133
135

研 究 報 告 書

小型コヒーレント放射源新理論
レーザーエネルギー研究チーム
大治、萩行正憲 1、宮本修治 2、今崎一夫

李1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
2

兵庫県立大高度産業科学技術研究所

１．はじめに

２．新理論による電子ビームと表面電磁波の相互作用

グレーティングによる電子ビームからのコヒーレン

電子ビームがグレーティングの直上を通過する際にト放射とは、低エネルギー(数十 keV)の電子ビームが金は、スミス・パーセル電磁波以外に表面電磁波も励起さ

属グレーティングの直上を通過する際に、電流が一定値れる（図 1）。表面電磁波はグレーティングの表面のみを超えると、指向性を持つ強い電磁波が放射される現象に存在するので、外部へ取りだすことはできないが、電である。このような電磁波放射を有効に利用すると、小子ビームと相互作用することは可能である。相互作用が型で大出力のコヒーレントなテラヘルツ波光源の開発

大きくなる特定の条件を満たせば、電子ビームが集群さが可能となるため、学術のみならず応用上も大いに注目れ、最終的に繰り返し電子ビームパルスとなる。スミ1-9)を浴びている 。

ス・パーセル電磁波は電子ビームと直接相互作用はでき

電子がグレーティングの表面を通過する際に、スミないが、表面電磁波によって繰り返しパルスになった電ス・パーセル放射と呼ばれる電磁波の放出が 1953 年に子ビームにより、指向性を持つコヒーレントなスミス・

報告されてから、スミス・パーセル放射を用いた放射源

パーセル電磁波を放出することが可能となる。そのため、開発の研究が進んでいる。1970 年代にはキャビティを理論研究では電子ビームと表面電磁波との相互作用に用いたスミス・パーセル共振器の構造によるコヒーレン

関する数多くの論文が発表されている 1-6)。理論研究のトなミリ波の発生が達成され、2000 年前後にはグレー

主な目標は二つある。一つは表面電磁波の空間増幅率

ティングの表面に存在する表面電磁波を活用したキャ

μ(E(z) = E(0) exp(μz)（E：電磁波の電場）)を明らかにす

ビティを使わないコヒーレントな電磁波の放射が提案ることであり、もう一つは発振電流を明確にすることでされている。

ある。

本稿では、電子ビームと表面電磁波の相互作用に関す
る新しい理論式を導入し、表面電磁波の空間増幅率、発2.1 従来の理論の問題点
2001 年にアメリカ Argonne 国立研究所の Kwang-Je

振電流を評価した。また、新理論とシミュレーションの結果も比較した。

Kim らが初めて μ の理論解析結果を発表し、μ は電子ビーム電流 Ie の 1/2 乗に比例すると報告した 1)。2004 年にはVanderbuilt 大学のC. Brau らが異なる理論解析結果を報告し、μ は電子ビーム電流 Ie の 1/3 乗に比例すると提案した 2)。その後、Kwang-Je Kim らも、2006 年に 1/3乗に修正した新しい解析結果を報告した。2007 年には他の研究者らも 1/3 乗の結果を発表している 8)。
一方で、電磁界ソフトを用いた particle-in-cell シミュ

図 1 表面電磁波と電子ビームとの相互作用にレーション手法での解析も行われている 9)。さらに、

よるコヒーレントなスミス・パーセル放射2010 年にはフランス d’Etudes Nucleaires 研究所の J.
─1─

─2─

図 4 表面電磁波の分散曲線とエネルギー流

図 5 μ の電子ビームエネルギー依存性の伝搬方式の新発想ている。さらに、式(2)は 6 次の方程式のため、μ と Ie
ネルギーよりも末端向きのエネルギーが多い。中心点での関係は複雑になるが、シミュレーションで得られた結は、先端向きのエネルギーと末端向きのエネルギーが等

果とほぼ一致している。

しい。このように考えると、従来の理論の中に、位相伝

次に、発振電流についての解析を行う。電子ビームは搬方向とエネルギー流伝搬方向とが逆になることや、中末端向きの電磁波としか同期できないので、末端向きの心点でエネルギーが止まることなどの異常な概念がな

電磁波とのみ相互作用する。電子ビームのエネルギーはくなる。さらに、左半分でも先端に向かうエネルギーが末端向きと先端向きの電磁波に配分され、両方の向きがあるため、右の半分と同様に自然なフィードバックがあ同時に増幅される。電磁波はグレーティングの末端に着り、キャビティを使わなくても発振できるため、シミュ

くと、シングルパス増幅が終わり、末端向き電磁波はそレーションにより観測される結果と一致する。

のまま放出され、先端向き電磁波は増幅されたエネルギ

この新発想を展開して厳密な数学で解析すると、波数
変化量 δk を含む 6 次の方程式が得られる。

ーを持って先端に戻り、それによりフィードバックが達成される。ここで、全電磁波エネルギーに対する先端向
きと末端向きの電磁波エネルギーの比をそれぞれ ρ-1 とn

ρ0 と考えると、発振条件は式(3)のように導出できる 7)。

(n)

2  
k n ( n) (0 , k0 )p 0 (0)



0


n!
n!
n 1
n 1
2

(2)

e 2    1   0  1(3)

ここで、ξ は周波数と波数の関数、Χ は電子ビーム電流の関数、
Rは波数の関数である。
δkの虚数部がμになる。

l はグレーティングの全長である。式(2)を用いて式(3)を式(2)に関する詳細な導入は我々が発表した論文に記述

解くと、発振電流が得られる。

7)

されてある 。
ここで、電子ビームの電流 1 mA、ビームの厚さ 24 μm、2.3 新理論計算結果とシミュレーションとの比較

グレーティングの周期長 173 μm、溝幅 62 μm,、溝深 100

実際には、実験やシミュレーションでも、μ を測定す

μm として、式(1)と(2)を用いて数値計算した μ を図 5 にるのは不可能であり、時間信号からデータを抽出するこ示す。従来の理論解析では、μ が無限大になるという結とにより時間増幅率 σ(E(t) = E(0) exp(σt))の測定が行わ果が生じたが、我々の解析では、μ が無限大となる現象れる。したがって、μ と σ の関係式を構築することで新が無くなり、物理的本質を矛盾なく説明することができ理論を用いた計算結果とシミュレーション結果との比

─3─

較が可能になる。

して放射理論を築くことを目的にしているが、その理論

新理論の図 4 に示した電磁波の伝搬方式を考えると、は、例えば、進行波管、後進波管、メタマテリアル新電従来の理論では構築が困難であった以下の関係式が導磁材料などのあらゆる周期構造体と電子ビームとの相出できる 7)。

互作用に応用できる。正しい理論を利用すれば、効率の高い放射機構の提案や高性能の放射源開発などの研究

  ( v0 v 11ln(  1  0 ))2v 1  v0

が飛躍的に発展するものと考える。

(4)

本研究の一部は科研費(24560057)と光科学技術振興
ここで、σ は時間増幅率、ν0 と ν-1 はそれぞれ末端向きと財団からの研究助成により実施した。

先端向き電磁波の位相速度である。
理論解析結果と電磁界ソフトによるシミュレーショ
ン結果の比較を図 6 に示す。電子ビームのエネルギーは参考文献
1) Kwang-Je Kim, Su-Bin Song: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., A 475,

90 keV を採用し、σ がビーム電流の関数として計算した。
増幅率がゼロである電流値が発振に必要な電流の閾値158-163, 2001.
2) H. L. Andrews, C. H. Boulware, C. A. Brau, and J. D. Jarvis: Phys.
Rev. ST Accel. Beams, 7, 070701, 2004.

となる。シミュレーションの誤差、時間信号からデータ抽出の誤差などを含めて考えると、理論はシミュレーシ

3) H. L. Andrews, C. H. Boulware, C. A. Brau, and J. D. Jarvis: Phys.
Rev. ST Accel. Beams, 8, 050703, 2005.

ョン結果と誤差の範囲内で一致している。

4) H. L. Andrews, C. H. Boulware, C. A. Brau, J.T. Donohue, and J.
Gardelle: New J. Phys., 8, 289, 2006.

３．まとめ
電子ビームと周期構造体との相互作用における、従来

5) Kwang-Je Kim and Vinit Kumar: Phys. Rev. ST Accel.
Beams, 10, 080702, 2007.

の理論と異なった、物理の本質を正しく反映した厳密な理論を提案した。本研究ではグレーティングをベースに

6) Vinit Kumar and Kwang-Je Kim: Phys. Rev. E, 73, 026501, 2006.
7) D. Li, Z. Yang, Y. Tsunawaki, M. Hangyo, S. Miyamoto, and K.
Imasaki: Appl. Phys. Lett., 100, 191101, 2012.
8) G. F. Mkrtchian: Phys. Rev. ST Accel. Beams, 10, 080701, 2007.
9) J. T. Donohue and J. Gardelle: Phys. Rev. ST Accel.
Beams, 8, 060702, 2005.
10) J. Gardelle: Phys. Rev. Lett., 105, 224801, 2010.
11) R. Kompfner and N. T. Williams: Proc. IRE, 41, 1602-1606, 1953.
12) J. A. Swegle: Phys. Fluids, 30, 1201-1211, 1987.
13) N. S. Gizburg, S. P. Kuznetzov, and T. N. Fedoseeva: Sov.
Radiophys, 21, 728-731, 1979.

図 6 σ の電子ビーム電流依存性

─4─

MEMS 製造工程へのレーザー転写技術の応用
レーザープロセス研究チーム
藤田雅之、染川智弘、佐本哲雄 1、平野栄樹 1、田中秀治 1、江刺正喜 1
1

東北大学大学院工学研究科

１．はじめに照射され、Sapphire/Pt 間の接合が弱くなることにより可変容量コンデンサは携帯電話等の通信機器におい

BST 層を別基板に転写することが可能となる。これまて周波数をチューニングするために不可欠な素子であで、レーザー転写の研究は主にナノ秒 UV レーザー（波り、コンデンサ材料としてのチタン酸バリウムストロン

長 355 nm）を用いて行われていたが 1-4)、さらなる最適

チウム（BST : Barium Strontium Titanate）は GHz 帯にお化と物理現象の解明のために様々な波長、パルス幅のレいても損失が少ない優れた強誘電体である。BST を

ーザーを用いて実験を行った。

MEMS（Micro Electro- Mechanical System：微小電気機械
システム）チップ上で RF フィルタ素子等に利用するこ

２．実験概要とで通信機器の小型化・高性能化が期待される。
しかし、試料は東北大学から供給された。Sapphire ウェハ上に良質な BST は 600°C の高温下においてサファイア基板

成膜された Pt/BST/Au には 15 μm 角、30 μm 角、60 μm

上で作られるため、温度に敏感なウェハ上で利用するこ

角、100 μm 角、200 μm 角の正方形のパターンが施されとが困難であった。高温でも安定なサファイア基板上でており、パターンサイズによるレーザー転写条件の比較形成された良質なBSTを常温環境下でMEMSウェハ基も行った。実験では、図 2 に示すように ISO2409 に準板に転写する技術が確立すれば、MEMS 製造プロセス

拠したテープ剥離により転写特性を評価した。レーザーの自由度が上がり様々なアプリケーションへの展開が照射後の試料をサファイア側から観察すると共に、テー期待される。

プ上に転写された Au/BST/Pt を光学顕微鏡で観察し転レーザー技術総合研究所は東北大学と共同で、サファ写に要するレーザーパワーを求めた。

イア基板上に形成された BST をレーザーを用いて剥離用いたレーザーは、波長 532 nm、パルス幅 10 ns、繰

し、別のウェハ基板に転写する技術を開発している。図り返し 40 kHz の Megaopto 社製 Nd:YVO4 レーザー、波1 にレーザー転写の概念図を示す。試料として用いた

長1064 nm、
パルス幅10 ns、
繰り返し20 kHz のMegaopto

BST は Pt コートされたサファイア基板上に形成され、社製Nd:YAGレーザー、
波長1064 nm、
パルス幅200 ns、

表面にはAu-Au接合による転写が可能となるようにAu

繰り返し25 kHzのSPI社製Ybファイバーレーザーであがコーティングされており、Sapphire/Pt/BST/Au の構造

る。レーザー光は焦点距離 75 mm の平凸レンズを用いを有している。レーザー光はサファイア側から Pt 面にて試料に集光され、レーザーの繰り返し周波数に応じて試料の掃引速度を調整し、パルス当たりの移動距離を一
定とした。

Laser

Sapphire
BST

Pt
Au
Au

Sapphire

Sapphire

Pt
Au

Target Wafer

Adhesion tape

Laser

BST
Target Wafer

Sapphire

Target Wafer

BST

Pt
Au

Sapphire

Sapphire

図 2 テープ剥離によるレーザー転写の評価法

図 1 レーザー転写の概念図

─5─

─6─

●レーザー照射後（サファイア側：Pt）
30 μm

15 μm

60 μm

100 μm200 μm0.25 W

0.20 W

0.15 W

0.10 W

図 5 波長 1064 nm、パルス幅 200 ns、繰り返し 25 kHz のレーザー照射後のサンプル●テープ剥離後（Pt, BST側）
15 μm

30 μm

60 μm

100 μm200 μm0.25 W

0.20 W

0.15 W

0.10 W

図 6 波長 1064 nm、パルス幅 200 ns、繰り返し 25 kHz のレーザー照射・剥離後のサンプル照射を行った。上段はレーザー照射後にサンプルをサフし 25 kHz のレーザーを用いて行った実験結果を示す。

ァイア側から、下段はテープ剥離後にテープに転写され掃引速度は図 3、図 4 と照射スポットの重なりが等しくた BST/Pt 面を光学顕微鏡で観察した写真である。レー

なるように 2.5 mm/s でピッチ 25 μm で塗りつぶし照射

ザー照射パワーは上段上半分が 0.75 W、下半分が 0.7 Wを行った。図 4 の実験に対して波長が同じでパルス幅がとなっている。サンプル上のパターンサイズは左から長いレーザーを用いた場合になるが、剥離が可能となる

15 μm 角、30 μm 角、60 μm 角、100 μm 角、200 μm 角

照射パワーが 0.25 W 以下と格段に小さくなった。0.3 Wである。0.8 W 以上の照射パワーでは四角のパターンが以上の照射パワーでも剥離するが BST にダメージが生つぶれてしまい、0.6 W 以下ではほとんど剥離が見られじた。また、0.1 W 以下では剥離が見られなかった。パ

なかった。532 nm 照射時に比べて 1064 nm 照射では転ターンサイズが小さくなると剥離の確率が低下するが、写された□のパターンにいびつなものが多く見られた。

剥離した BST 面は良好な表面状態であった。パルス幅

また、パターンサイズが 15 μm、30 μm の場合は剥離が10 ns の場合と比べると、プロセスウィンドウが広がっ

観察されなかった。

ており、入熱レートが低いほどレーザー剥離されたサン

図 5、図 6 に波長 1064 nm、パルス幅 200 ns、繰り返

プルの状態が良好に保たれるという傾向が得られた。

─7─

(a)

実験結果を示す。掃引速度は 4 mm/s でピッチ 25 μm で(b)
～50 μm

塗りつぶし照射を行った。上段はレーザー照射後にサンプルをサファイア側から、下段はテープ剥離後にテープに転写された BST/Pt 面を光学顕微鏡で観察した写真で

図 7 (a)像転送に用いた開口 1 mm 角のマスクある。レーザー照射パワーは図 8 上段上半分が 0.3 W、(b) Pt 薄膜状に形成された加工痕

下半分が 0.25 W、図 9 上段上が 0.2 W、中が 0.15 W、下が 0.1 W となっている。サンプル上のパターンサイズは

集光強度分布による剥離/転写プロセスの違いをみる

左から 15 μm 角、30 μm 角、60 μm 角、100 μm 角、200 μm

ために、像転送を用いてフラットトップ状の集光強度で角である。図 3 の実験結果に比べて剥離に要する照射パ

レーザー照射を行った。図 7(a)に像転送に用いたマスク

ワーは低下した。0.3 W 以上の照射パワーでは四角のパを示す。集光レンズの上流 1285 mm のところに開口 1

ターンがつぶれてしまい、0.1 W 以下ではほとんど剥離mm 角のマスクを配置し、75 mm のレンズで集光すると、が見られなかった。

約 1/17 に縮小された 50 μm 角の像が形成される。実際に Pt 膜上に集光すると、約 50 μm 角の加工痕が確認さ４．まとめれた（図 7(b)）。通常のガウシアンビームを集光するとレーザー波長 532 nm、1064 nm、パルス幅 10 ns、200

ガウス状の集光スポットになるが、像転送することで四ns、集光強度分布ガウシアン、像転送による角形フラッ

角形状のフラットトップに近い集光スポットを実現でトトップと様々なパラメータ下でレーザー剥離/転写プ

き多重照射の効率が良くなると期待される。ただし、上ロセスの条件出しを行った。波長が短く、パルス幅が長流のマスクでは均一な照射強度分布を得るためにビー

いほど剥離に要するレーザーパワーが低下し、ガウシア

ム中心部を切り出しているために、レーザー発振器からン分布よりも角形フラットトップの照射強度分布の方の光パワーは大きく減衰した（おおよそ光パワーは 1/5

がさらに低パワーで剥離/転写が可能であることが確認に減衰）。

できた。今後は、転写物の形状だけではなく転写物の電図 8、図 9 に波長 532 nm、パルス幅 10 ns、繰り返し
40 kHz のレーザーを図 7 に示す像転送を用いて行った

気的特性を評価した上でレーザー転写の可能性や最適化を議論していく必要がある。

●レーザー照射後（サファイア側：Pt）
0.30 W

0.25 W●テープ剥離後（Pt, BST側）
0.30 W

0.25 W

図 8 波長 532 nm、パルス幅 10 ns、繰り返し 40 kHz のレーザーを像転送して行った実験結果:
レーザー照射パワーは 0.3 W、0.25 W
─8─

●レーザー照射後（サファイア側：Pt）
0.20 W

0.15 W

0.10 W●テープ剥離後（Pt, BST側）
0.20 W

0.15 W

0.10 W

図 9 波長 532 nm、パルス幅 10 ns、繰り返し 40 kHz のレーザーを像転送して行った実験結果:
レーザー照射パワーは 0.2 W、0.15 W、0.1 W

本研究は、総合科学技術会議により制度設計された最

2) R. Guerre, U. Drechsler, D. Jubin, and M. Despont: J. Micromech.
Microeng., 18, 115013, 2008.

先端研究開発支援プログラム（中心研究者：江刺正喜）

3) T. Grund , R. Guerre , M. Despont , and M. Kohl: Eur. Phys. J.

により、日本学術振興会を通して助成された。

Special Topics, 158, 237-242, 2008.
4) T. Chakraborty, B. Xu, Q. Zhang, A. J. Bell, X. Bo, A. Chowdhury,

参考文献
1) R. Guerre, U. Drechsler, D. Jubin, and M. Despont: J.

C. James, C. Puchmark, J. Harrington, M. Khan, R. E. Miles, W.
Xiong, and S. J. Milne: Integrated Ferrnchctrics, 106, 40-48, 2009.

Microelectrical Systems, 17, 157-165 , 2008.

─9─

100 W ⚖㜞ຠ⾰ో෻኿ࠕࠢ࠹ࠖࡉࡒ࡜࡯Ⴧ᏷ེߩ㐿⊒
レーザープロセス研究チーム
古瀬裕章、櫻井俊光、ハイク コスロービアン、河仲準二 1、宮永憲明 1、石井伸也 2、
藤田雅之、井澤靖和
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
2

三菱重工業株式会社㧝㧚ߪߓ߼ߦ

の界面における全反射を利用する。したがって熱伝導率

加工、医療、宇宙、高強度物理、慣性核融合等、幅広
い分野において高エネルギー、高平均出力レーザーが要の低い反射膜が不要となり熱除去特性が格段に向上すると期待できる。

求されている。特に産業応用にはレーザー出力だけでな

これまで低温冷却 Yb3+:YAG と TRAM 方式を組み合

く、高い光変換効率やビーム品質等も要求される。現在

わせた小型試作器を開発し、横多モード発振特性を評価

加工産業用に 10 kW 以上の横単一モード光源が海外でした。その結果、最大出力 273 W、光－光変換効率 65%

市販されており 1)、今後ますます高出力化が進むと考えを達成し、本方式で高出力と高効率を同時に得ることがられる。

できることを実証した。また数 kW－数 10 kW 級出力用

当研究所では、大学や産業界と連携して、産業用の国に 、 TRAM を 多 段 に 連 結 し た ZiZa-AM (ZigZag

産高出力レーザー開発を進めてきた。出力目標に 10 kW

Active-Mirror)を発明し、出力 214 W、光変換効率 50%をを掲げており、同時に高効率と高品質を実現し得る光源達成した 6)。さらに MOPA（Master Oscillator Power開発を目指している。上記理想光源を開発するために解Amplifier）システムによる高品質化を図るために、決すべき課題には、① 強励起に伴うレーザー材料内部

TRAM 単体の透過波面歪や Yb:YAG 温度を測定し、熱の発熱と、これによる熱収差（熱レンズ効果含む）や熱効果を評価した 7-9)。近年では ASE や寄生発振を詳細に

複屈折の抑制、② 自然放出光の増幅（Amplified

調査し、増幅利得に対してどのような影響を与えるかを

Spontaneous Emission: ASE）や寄生発振によるレーザー

調べた 10)。そして得られた基礎データを基に、10 kW 増

利得の減少、③ 光学素子のダメージ対策などがある。

幅器の概念設計を行った。

これらの課題を解決するためには大出力レーザーに適本稿では、今後キロワット級 MOPA システムを開発

した材料（高い熱物性値を有する、高い蓄積エネルギーするための前置増幅段として、100 W 級の増幅器を開発を有する、大型化が可能、等）と、増幅形態（高い冷却した結果を報告する。

能力を有する、温度勾配が生じにくい、等）の選定が重㧞㧚TRAM ߩჇ᏷․ᕈ㧔Yb3+:YAG ᷷ᐲ‫ޔ‬ዊାภ೑ᓧ‫ޔ‬

要となる。

ㅘㆊᵄ㕙ᱡ‫ޔ‬ᾲⶄዮ᛬㧕

本研究ではこれまで大きく２つのアプローチを試みてきた。一つは発熱量が少ない Yb3+:YAG をレーザー材

本章ではYb3+:YAG 厚0.6 mm のTRAM 試料に関して料に用い、低温冷却 2-4) により高い熱伝導率を実現して調査した Yb:YAG 温度、小信号利得、透過波面、熱複媒質内での温度不均一の低減を図ったことである。もう屈折に関する結果を示し、100 W 級増幅器に最適な励起

一つはアクティブミラー型と全反射を組み合わせた条件を探る。測定に使用した励起光源は、CW 500 W、

TRAM (Total-Reflection Active-Mirror)方式を採用したこ

ファイバー結合型半導体レーザー（LD）、λ = 940 nmとである 5)。TRAM は厚み 1 mm 以下のディスク媒質のであり、種光源は CW 20 W、偏波保持横単一モードフ

裏面を直接冷却媒質に接触させ、レーザー媒質と冷媒とァイバーレーザー、λ = 1029.4 nm（∆λ = 0.2 nm）である。

─ 11 ─

蛍光スペクトルの測定には分光器（920 – 1080 nm, 分解
能 0.2 nm）を使用した。透過波面および熱複屈折の測定にはシャックハルトマン波面センサ、グラントムソン偏光子対をそれぞれ使用した。評価方法の詳細は文献 7-10)にゆずり、本稿では結果のみを示す。

2.1 Yb3+:YAG ߩ᷷ᐲ਄᣹ߣዊାภ೑ᓧ
図 1 に励起時の Yb3+:YAG 温度の評価結果を示す。
Yb3+:YAG 温度の評価には Yb3+:YAG からの蛍光スぺク
トルの1022 nmと1027 nmの強度比の温度依存性を利用した。
図 2 に励起スポット径 4 mm と 6 mm における小信号
利得の測定結果を示す。○は実験結果を、点線は計算結果を表している。計算では誘導放出断面積と再吸収の温
図 2 小信号利得の測定結果と計算結果

度依存性を考慮した。また計算には図 1 に示した
3+

Yb :YAG 平均温度を利用した。図 2 より、スポット径
6 mm は計算結果と実験結果が良く合うのに対して、スはシャックハルトマン波面センサを使用した 7)。図 3 はポット径 4 mm ではずれが生じた。レーザー媒質内の温励起パワー450 W、励起スポット径 4 mm の励起条件時

度分布は利得分布を生じるため、スポット径が小さくなに測定された透過波面である。測定波面からは Zernike

ると急峻な温度勾配が発生して計算結果との不一致が多項式による解析によって、Tip-Tilt、Defocus、Coma、生じたと考えている。今後、精度良く増幅計算を行うた

Astigmatism 等の収差成分を知ることができる。Defocus

めにも Yb:YAG 内部の温度分布を実験および計算の両成分から熱レンズ焦点距離を知ることができ、これはレ面から評価し、増幅計算に取り入れる必要がある。

ンズを用いて補償することが可能である。図 4 に熱レン
ズ焦点距離と励起強度の関係を示す。励起スポット径

2.2 TRAM ㅘㆊᵄ㕙ᱡߣᾲ࡟ࡦ࠭ലᨐ

2.4 mm の時、最大で f100 mm 程度の非常に強い熱レン

透過波面の測定結果について述べる。透過波面測定にズ効果が観測された。

図 3 励起スポット径 2.4 mm、励起強度 10 kW/cm2 時の図 1 蛍光スペクトルから見積もった Yb3+:YAG 温度
─ 12 ─

透過波面歪み図 6 熱複屈折損失と励起パワーの関係

図 4 各励起スポット径における熱レンズ焦点距離

図 7 励起スポット径 2.4 mm、励起パワー420 W 時の熱複屈折プロファイル

熱複屈折損失 2.2、1.1、0.65%を観測した。図 7 に熱複
図 5 TRAM0.6 mm のストレール比

屈折プロファイルを示す。励起スポット径 2.4mm、励起
強度 9.2 kW/cm2 (= 420 W)である。前節で述べたように

図 5 に、熱レンズ効果を取り除いた後のストレール比

同励起条件時には f = 100 mm 程度の強い熱レンズ効果を示す。ストレール比は、収差が無い場合の集光強度がが生じているためスペーシャルフィルターの使用が困

1 と定義され、1 に近い程熱収差が小さいことを意味す

難であり、LD の漏れ光や迷光が同時に観測されている。

2

る。図 5 より、励起強度が 2 kW/cm 程度までストレー
ル比は 0.9 以上を保っており、ほぼ無収差と考えること

��100 W 級 MOPA �������
前章で述べた TRAM の増幅試験結果を総括すると、ができる。この領域であれば熱レンズを補償すれば高品

励起スポット径 4 mm、励起パワー280 W（励起強度

質で増幅が可能であると考えられる。

2.2 kW/cm2）が 100 W の増幅器開発に適した励起条件の一つである。上記励起条件の場合、小信号利得 SSG = 3.0、

2.4 ������
熱複屈折の測定結果を図 6 に示す。測定では直交ニコ

Yb:YAG 平均温度 145 K、
熱レンズ焦点距離 f = 2337 mm、ル配置したグランプリズム対の間に TRAM 試料を配置

熱複屈折損失 0.01 である。なお、熱レンズ以外の収差

し、検光子からの漏れ量をパワーメータおよび CCD カから構成されるストレール比は 0.96 であることから、メラで測定した。励起光投入前に複屈折が約 1%生じて高品質を維持したまま増幅可能であると考えられる。本おり、図中のエラーバーは標準偏差（σ = 0.003）を示し

章ではこの励起条件を使用して 4 パス増幅実験を行っている。励起スポット径 2.4、4、6 mm の場合、最大でたので、その結果について述べる。

─ 13 ─

図 8 4 パス増幅器の構成図
3.1 4 ࡄࠬჇ᏷⹜㛎

図 10 に 105 W 出力時の出力安定性を示す。図 10 で

図 8 に 4 パス増幅試験の構成図を示す。戻り光によっ

は種光の出力安定性も示している。増幅出力は、励起後て種光源が破損しないように、光アイソレータ―を 2に最大値を示し、その後約 10 秒間低下することがわか段使用した。また f = 300 mm のレンズを用いて種光をる。これは Yb:YAG の温度上昇による効果である。そ直径 4 mm に設定した。偏光子、ファラデー回転子、波の後、励起時間 90 秒まではほぼ出力は安定で、100 W

長板を使用して、偏光制御による多重パス増幅を構成し出力を維持することができた。若干出力に変動が見られ3+た。アパーチャーの像（IP1）を Yb :YAG 面（IP2）、

るのは、種光の出力が変動しているためであると考えら

1 パス増幅後のエンドミラー（IP3）、2 パス増幅後のエれる。
図 11 に 4 パス増幅後の近視野像および遠視野像を示

ンドミラー（IP4）にそれぞれ像転送した。
図 9 に 4 パス後のレーザー出力を示す。励起しない場

す。4 パス後も比較的高品質を維持しているように見え

合、種光の透過パワーは 6.5 W であった。励起パワー

るが、今後調整することでより品質を良くすることがで280 W 時に出力 80 W、励起パワー400 W 時に 105 W 出

きると考えられる。

力を達成した。

図 9 4 パス後の出力パワーと励起パワーの関係

図 10 4 パス後の出力パワーと励起パワーの関係
─ 14 ─

る必要がある。

ෳ⠨ᢥ₂1) V. Gapontsev, V. Fomin, and A. Yusim: presented at the 22nd
Annual Solid State and Diode Laser Technology Review, Newton,
Massachusetts USA, June 29-July 2, 2009.
2) R.L. Aggarwal. D.J. Ripin. J.R. Ochoa, and T.Y. Fan: J. Appl.
Phys., 98. 103514, 2005.
3) D.C. Brown: IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., 11. 587-599,
2005.
4) T.Y. Fan, D.J. Ripin, R.L. Aggarwal, J.R. Ochoa, B. Chann, M.
Tilleman, and S. Spitzberg: IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.,13, 448-459, 2007.

図 11 4 パス後の(a) 近視野像と(b) 遠視野像のビーム

5) H. Furuse, J. Kawanaka, K. Takeshita, N. Miyanaga, T. Saiki, K.
Imasaki, M. Fujita, and S. Ishii: Opt. Lett., 34, 3439-3441, 2009.

プロファイル

6) H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, T. Saiki, K. Imasaki, M.
Fujita, K. Takeshita, S. Ishii, and Y. Izawa: Opt. Express, 19,㧟㧚߹ߣ߼2448-2455, 2011.

本稿では、キロワット級増幅器を開発するための前置
増幅段として、100 W 級増幅器の開発結果を報告した。

7) 古瀬裕章, 河仲準二, 宮永憲明, ハイクコスロービアン, 藤

Yb:YAG 温度上昇値、小信号利得、透過波面歪、熱複屈

田雅之, 今崎一夫, 竹下賢司, 石井伸也, 井澤靖和: ILT 年報,

折等の基礎データに基づいて、Yb:YAG 厚 0.6 mm のレーザー技術総合研究所, 2011．

TRAM に対する高品質を維持できる励起条件を見出し

8) 櫻井俊光, 古瀬裕章, 河仲準二, 宮永憲明, ハイクコスロー

た。増幅実験では、種光に CW 20 W のファイバーレー

ビアン, 藤田雅之, 竹下賢司, 石井伸也, 井澤靖和: ILT 年報,

ザーを使用した。励起パワー280 W のとき、4 パス増幅

レーザー技術総合研究所, 2012.

後に出力80 Wを、励起パワーを400 Wまで上げたとき、

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

出力100 W 以上を90 秒間に渡って維持することができ

K. Takeshita, and Y. Izawa: Opt. Express, 20, 21739-21748, 2012.
10) 古瀬裕章, 河仲準二, 宮永憲明, 櫻井俊光, ハイクコスロー

た。
今後は増幅出力の解析を行い、レーザー媒質内の温度分布や利得飽和の影響について考察する予定である。また大信号領域における ASE や寄生発振の影響を調査す─ 15 ─

ビアン, 藤田雅之, 竹下賢司, 濱本浩一, 山田隆弘, 井澤靖
和: ILT 年報, レーザー技術総合研究所, 2012.

低温冷却 Yb:YAG TRAM レーザーの温度評価
レーザープロセス研究チーム
櫻井俊光、古瀬裕章、河仲準二 1、宮永憲明 1、ハイク コスロービアン、藤田雅之、
石井伸也 2、井澤靖和
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
2

三菱重工業株式会社

１．はじめに当研究所では、大学や産業界と共同で、TRAM 型レーザー媒質を用いた低温冷却型 Yb:YAG 高出力レーザーの開発を行っている。TRAM は全反射アクティブミ
ラー（Total Reflection Active Mirror:）の略称で、
厚さ1 mm
以下のディスク状Yb:YAGにundoped YAGをキャップした構造になっている。Yb:YAG の裏面に液体窒素を直接接触させ、Yb:YAG と液体窒素との界面での全反射を利用する。熱伝導率の悪い反射膜が不要となり、

図 2 蛍光スペクトルの強度比（1022 nm/1027 nm）

高い廃熱特性が期待できる。

と温度の関係

これまで、小型の TRAM レーザー装置を試作し、レーザー発振・増幅特性や出力レーザー光の波面歪み、
熱レンズ効果などを測定するとともに、熱解析を進め、高出力レーザーの設計に必要な基礎データを蓄積してきた 1-3)。熱解析では、TRAM 内に発生する温度分布を実測するとともに、有限要素法（以下、FEM(Finite
Element Method)とする）を用いて TRAM 内の温度分布

２．TRAM の温度評価
図 1 は Yb:YAG の蛍光スペクトル温度依存性である
4)。低温では 1020 ~ 1030 nm 領域に数本のピークが観測されるが、温度上昇とともにピーク強度が減少し、な
だらかなスペクトル形状となる。図 2 は、1022 nm のピを解析し、実験結果と比較しながら、励起スポット径ークと 1027 nm の谷の位置での蛍光強度比の温度依存の効果を明らかにすることをめざしている。

性である。この比を測定することにより Yb:YAG の動

本稿では、温度分布の実測結果と FEM による解析結作温度を評価できることがわかる。
Yb:YAG の温度評価実験配置を図 3 に示す。ファイ

果について報告する。

バー結合型半導体レーザー（LD）で TRAM を励起し、励起面から放射された蛍光をTRAM上方から取り出し、光ファイバーを介して分光器でスペクトルを計測する。
図4 はTRAM 上方からCCD で観測した蛍光像である。
LD 光は Yb:YAG 面に対し 60° 傾けて入射しているた
め、励起領域は楕円となる。励起面から上方へ放射された全蛍光を集め、スペクトルを計測することにより励起領域における平均温度が、また励起面をレンズでファイバー入口に結像してファイバーの位置を走査す
図 1 Yb:YAG の蛍光スペクトルの温度依存性

ることにより励起スポット内での温度分布が得られる。

─ 17 ─

図 3 蛍光スペクトを利用した Yb:YAG 温度評価

図6 励起領域内長軸方向のYb:YAGの温度分布（励
起スポット径：4 mm、励起強度：2.2 kW/cm2）

実験構成図

図 6 は、図 4 に示す励起領域の長軸方向に沿って測定した Yb:YAG の温度分布である。横軸 0 の位置が楕
円の中心に対応している。中央部で最も温度が高く（159 K）、両側にいくほど温度が低下している。
図 4 Yb:YAG の励起面をレンズで結像した

３．FEM 解析
有限要素法（FEM）により TRAM 内 Yb:YAG の温CCD 画像度分布を計算した。FEM では、CAD で作製した図面に初期条件（発熱源、初期温度など）を与えて定常状態における温度を計算する。メッシュ数は 100 万メッシュ、
発熱源は励起スポット径（楕円）、投入した LD パワーの 20%を発熱量とした。Yb:YAG の熱伝導率には温度依存性 5)を考慮し、初期温度を 70 K とした。液体窒素の流速を変えて温度分布を計算し、実験値と比較した。
その結果流速を2.6 m/sとしたとき、
図7 に示すように、
実験結果をよく再現できることが明らかとなった。
図 7 で○は図 6 に示した実験結果、●は FEM による計算結果である。励起領域の両端付近では不一致が見

図5 0.6 mm 厚のYb:YAG を励起した時の平均温られるものの、中央部約 3/4 の領域では実験と計算結果

度（励起スポット径：2.4, 4, 6 mm）4)がよく一致していることがわかる。両側の不一致については今後詳細な検討を行う予定である。

図 5 は、放射された全蛍光を集めてスペクトルを計

FEM による計算では楕円の励起面全領域での温度分測することにより得られた、励起スポット径を変えた布が評価できるので、計算結果から平均温度を算出し場合の温度評価結果である。たとえば、Yb:YAG 0.6 mmて実験結果と比較した。図 8 は図 5 に示した励起スポ

厚、φ4 mm、励起強度 2.2 kW/cm2 の時、平均温度は 145

ット径 4 mm の場合について、実験と計算で得られたK 程度である。励起強度は同じであっても集光スポッ

平均温度を比較したものである。励起強度 4 kW/cm2 ま

ト径が小さくなると平均温度は低くなっている。

での全領域でほぼよい一致が得られている。
─ 18 ─

図 7 実験により得られた Yb:YAG 面の温度分布

図 8 平均温度についての計算と実験の比較（○：と FEM で計算した温度分布の比較（○：実

実験結果、●：計算結果（Yb:YAG：0.6 mm、

験結果、●：計算結果）

励起スポット径：4 mm））

以上のことから、FEM による温度解析は実験をよく再現できることが明らかとなった。今後は励起面でのTRAM 内に誘起される温度分布がレーザー光の波面歪みに及ぼす影響を定量的に評価する予定である。

温度分布がレーザー光の波面歪みに与える影響を評価し、実験で観測された波面歪みと比較しながら、解析

参考文献の精度を高め、高出力をめざす大型 TRAM 方式の設計

1) 古瀬裕章, 河仲準二, 宮永憲明, ハイクコスロービアン, 藤に役立てたい。

田雅之, 今崎一夫, 竹下賢司, 石井伸也, 井澤靖和: ILT 年報,
レーザー技術総合研究所, 2011.

４．むすび2) 櫻井俊光, 古瀬裕章, 河仲準二, 宮永憲明, ハイクコスロー

Yb:YAG の蛍光スペクトルが温度依存性を示すこと

ビアン, 藤田雅之, 竹下賢司, 石井伸也, 井澤靖和: ILT 年報,を利用して、励起に伴う低温冷却 TRAM 内 Yb:YAG の
温度上昇を実験で評価した。平均温度だけでなく、楕
円型励起面の長軸方向に沿っても温度分布を求めるこ

レーザー技術総合研究所, 2012.
3) 古瀬裕章, 櫻井俊光, ハイクコスロービアン, 河仲準二, 宮永憲明, 石井伸也, 藤田雅之, 井澤靖和: ILT 年報, レーザーとが可能となった。
FEM により Yb:YAG 内の温度上昇を解析した。解析
結果は実験をよく再現できることが明らかとなり、高技術総合研究所, 2013.
4) H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, H. Chosrowjan, M. Fujita,
K. Takeshita, Y. Izawa: Opt. Express, 20, 21739-21748, 2012.

出力化をめざす大型TRAMの設計に有力な手法を提供しうることがわかった。今後は、解析結果を下にして

5) T.Y. Fan and J.L. Daneu: Appl. Opt., 37, 1635-1637, 1998.

─ 19 ─

A new single detector technique for high power, multi-channel
coherent beam combination (CBC)
Laser Process Research TeamHaik Chosrowjan, Toshihiro Somekawa, Hiroaki Furuse,
Masayuki Fujita and Yasukazu Izawa
1．Introduction

successfully. We proposed a simple solution to this problem

High power lasers with good beam quality are

by introducing a spatial modulator between the beam splitter

increasingly required for many applications. To obtainand collimating optics in the path to the single detector. The

ultra-high intensities from multi-kilowatt class laser systems,

idea is simple: dividing the N number of beams (the central

the concept of beam combining seems to be one of the viablebeam is used as a reference beam and is not numbered) into

choices. The motivation behind it is simple; to achieve higher

clusters and doing CBC in sequence, with as small number of

power, intensity and brightness than is obtainable from a single

beams as possible. If the number of beams within a single

laser source. A number of coherent, incoherent and spectralcluster is n, the number of clusters will be N /n. An example is1)

beam combining techniques have been already proposed .

illustrated for 9 beams (4 clusters) in Fig. 1.

Most of these techniques require sophisticated electronics andAs a proof of a principle experiment, we demonstrated thephase retrieval/control algorithms. Recently, we have proposed

new technique for a single cluster (3 beams including theand experimentally demonstrated a simple analogue coherent

reference beam): N = 2, n = 2. Afterwards, we evaluated the2)beam combining (CBC) technique employing a pair oftechnique for the case of two clusters: N = 4, n = 2. We

photodiodes for each beam channel. It does not require phase

constructed the CBC apparatus and developed simple

retrieval algorithms and is simple in implementation. However,algorithms for suggested cases. For the single cluster case, we

in some specific applications like in coherent LIDAR,

investigated linear and triangular geometries. Theoretical

employing just a single photo-detector (PD) for all channels

calculations for 5 beam CBC and parameter estimations for

together with simple phase control algorithm is desirable.

desired system resolution has been also performed.

Several CBC techniques for multiple laser beams using asingle detector have been already proposed and implemented(multi-dithering technique3), stochastic parallel gradientdescent algorithm based technique4), etc.). However, withincreasing number of beams the mathematics behind thesealgorithms becomes complicated. Successful implementationof CBC strongly depends on initial phase values and intensities
of beams in used algorithms. Mathematically, for given N
number of beams, the problem is expressed by one equation
with N variables (phases). If N is big, designing a successfully
converging algorithm and finding a single solution (set of N

Fig. 1 Near-field (NF) and far-field (FF) patterns of four

independent phase values) within reasonable time becomes aclusters in single photo-detector CBC technique for 9“trial and error” process, which may or may not converge

beams.

─ 21 ─

2．Experimental
Figure 2 describes the double cluster case (5 beams). The
laser (d ~ 2 mm) from the master oscillator is split into fiveequal beams with ~ 4 mm distance between the neighborchannels. All five beams imitate “amplified” beams to be
combined coherently. The “amplification process” in eachchannel will induce independent time variations of beamphases due to thermal, mechanical and non-linear opticalFig. 3 Measured and calculated far-filed patterns of 3 triangulareffects. To compensate and lock the phases of the four beams

aligned beams for different relative phase shifts.

to the fifth one, a signal from the center of the far-field pattern(FFP) was picked up by a fast photodiode and used it as a

In Fig. 4, measured and calculated far field interference

feedback control signal to piezo-actuators (PM1 – PM4)

patterns of 3 linearly aligned beams for in-phase (0, 0, 0) andlocated on the paths of four beams.

out of phase (, 0, ) cases are presented. It is clearly seen

The fifth beam serves as a reference beam and its phase isthat the calculated FFP patterns quite well reproduce thenot controlled. Experimentally, it is done using a pin-hole (~experimental observations. Hence, using calculations and50 m) placed in front of the photo-detector to pick up thetest-experiments, we can predict the results and optimize thepower of the central lobe of the FFP. To reduce the

CBC system for effective operation. In our experiments thecomputational burden, the beams are divided into two clusters

PD signal noise after amplification is estimated to be ~ 60 mV.

by a spatial modulator. For each cluster a simple “climbing

Hence, the minimum phase shift , corresponding to Vmin ~hill” algorithm is employed in consequent order to maximize

60 mV was estimated to be ~ 0.2 rad or  ~ /30.

the far-field central lobe signal intensity. For the case, when thespatial filter is a chopper, the relation between the required

3. Climbing hill” algorithm for single cluster (3 beams)

beam combining bandwidth, spatial filter bandwidth and phasecombination

shifter bandwidth is given in section 3.

Several modifications of “climbing hill” algorithm,

Figure 3 describes experimentally obtained far-fielddepending on phase shifters, channel numbers, PD bandwidths

patterns of a single cluster for a triangular geometry taken by a
CCD camera (top) and calculated far-field interference patterns(bottom). It is clearly seen that the calculated FFP patterns
quite well reproduce the experimental observations.

Fig. 4 Measured and calculated far-field patterns of threehorizontally aligned and coherently combined beams
for in-phase and out-of-phase cases.

Fig. 2 Schematic diagram for 5 beam CBC apparatus.
─ 22 ─

and calculation speed can be considered. Here we will describe
the simplest case applicable to our method. But before that, we
present calculated results of far-field intensity phase map (Fig.
5) at the central point of the detector for 3 beam coherent
combination (Eq. (1)), which is essential for the algorithm
description.

E(x, y, 1, 3) = E1(x, y, 1) + E2(x, y, 0) + E3(x, y, 3)
I(0, 0, 1, 3) = [E(0, 0, 1, 3)]2(1)
Fig. 6 The process flow of reaching the maximum on the

Here E is the combined electrical field, Ei are the fields of eachpower phase map.

beam, x, y are the Cartesian coordinates, i are the phases ofthe beams, I is the intensity at the central point (0, 0) of thepiezo-actuators move at the same time forward. The PD signal

far-field pattern.

is captured and saved. If the new value is bigger than the old

As shown on the intensity phase map in Fig. 6, from anvalue – the system remembers the new value and botharbitrary starting point, we supply voltage (Vpiezo) to only one

piezo-actuators go another equidistant step forward. If,

piezo-actuator (piezo 3). The piezo-actuator makes one step

however, the new PD value is smaller than the old one, theforward. The PD signal is captured and saved. The

new value of the PD is discarded and both piezo-actuators

piezo-actuator makes another step forward. The new PD signal

make equidistant steps backward. In this way, the system

is captured. It is compared with the previous value. If the newreaches the maximum position of the power phase map shown

value is bigger than the old value – the system remembers theby black-filled circle in the center of Fig. 6. The whole

new value and the piezo-actuator goes another step forward.

described process continues indefinitely. Actually, using thisHowever, if the new value is smaller than the old one, the newalgorithm we have already succeeded coherently combining

value of the PD is discarded and the piezo-actuator makes aand locking 3 laser beams.

step backward. In this way, the piezo-actuator reaches the

If a chopper is used as a spatial modulator, the connection

diagonal position shown with dotted line on Fig. 6. Then both

between required beam combining bandwidth (CBC =2*chopper), number of clusters (N/n), the bandwidth of thephase-shifter (shifter) and the number k describing the numberof minimum steps required for successful convergence of theused algorithm, will be expressed by the following simple
equation.

CBC = 2*chopper = n*shifter /(2*k*N)(2)

Using Eq. (2) we can make several case estimations: For
Fig. 5 Calculated far-field intensity phase map at the central

coherent combination of N = 100 beams with CBC = 200 Hz

point of the detector for 3 beam combination.

bandwidth in 50 clusters (n = 2) and k = 100, one needs to use─ 23 ─

captured by a CCD2 (Fig. 2). The experiments are still inprogress, so in Fig. 7 we present calculated FFP for five beams
combination at different phase settings. From Fig. 7 (bottom
graphs) it is obvious, that when all phases are locked (far left
graph, (0, 0, 0, 0, 0) phase setting), the peak intensity of the
combined beam at (x = 0, y = 0) coordinate is Itotal = 52 *Isingle =25*Isingle, as expected for perfect beams and perfect coherent
combination. However, when the phases are not locked, theFig. 7 (top) Calculated FFP images of five beams at different
relative phase settings, (bottom) corresponding intensity

Itotal is smaller. For some anti-phase alignment (far right graph,(-, -, 0, 0, ) phase setting), the Itotal is equal to Isingle.

distribution profiles on a central-horizontal axis (x, 0)
for above calculated FFPs. The red lines show the4．Conclusions

profiles for 5 overlapping beams while the black lines
show corresponding single beam profile.

In conclusion, we have proposed a single PD, clusteredcoherent beam combination method using spatial filters. We
have performed experimental and theoretical investigations on

a chopper with 100 Hz resolution and a phase shifter with 2

3 beams (single cluster) coherent beam combination. The

MHz bandwidth. For N = 10 beams with CBC = 1 kHz

sensitivity for the present laser and experimental set-up was

bandwidth in 5 clusters, taking again k = 100, one needs to use

estimated to be/30. We have performed also calculations on

a chopper with 500 Hz bandwidth resolution and a phase

5 beams (two clusters) CBC. Experiments for 5 beams

shifter with 1 MHz bandwidth. The final example is, if we

combination using a mechanical shutter are in progress andwant to use 1 kHz bandwidth resolution piezo-actuators as

will be summarized and presented in a forthcoming report.

phase shifters (shifter = 1 kHz) and combine 5 beams in 2

Due to the pieso-actuator bandwidth of ~1 kHz, we can reachclusters, assume k = 10, we will get only CBC = 25 Hz (chopper

only ~ 25 Hz phase locking bandwidth at best. In real amplifiermust have 12.5 Hz or less bandwidth). In above examples, thesystems the phase drift will be faster, so using piezo-actuators

k = 100 is just a subjective assumption. In the literature, foris not practical for single diode CBC and faster phase shifters

three beam combination using SPGD algorithm, k is estimatedlike electro-optical modulator (EOM) units have to be used.

to be ~ 25. Above examples assume that the convergence(successful CBC) occurs within a single exposure time period

References(the maximum power on PD is reached and stabilized within

1) T. Y. Fan: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum

t = n/(4*chopper*N) time interval). The option when several

Electronics, 11, 567-577, 2005.

periods are required to reach the maximum PD power is not2) H. Chosrowjan, H. Furuse, M. Fujita, Y. Izawa, J. Kawanaka, N.

addressed here. Experimental estimation of the total

Miyanaga, K. Hamamoto, and T. Yamada: Opt. Lett., 38,

convergence time will be one of our future project targets.

1277-1279, 2013.

As a proof of a principle experiment, we are going to combine

3) T. M. Shay: Opt. Express, 14, 12188-12195, 2006.

5 beams using a simple mechanical shutter. For a single cluster,4) T. M. Shay, V. Benham, J. T. Baker, A. D. Sanchez, D. Pilkington,

all descriptions and analysis given above for 3 beams CBC canand C. A. Lu: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum

be used. The far field pattern of the five beams CBC will beElectronics, 13, 480-486, 2007.

─ 24 ─

レーザーラマン分光法による変圧器油中アセチレン分析
レーザープロセス研究チーム
誠 1、河内二三夫 1、永野芳智 1、藤田雅之、井澤靖和

染川智弘、笠岡1

かんでんエンジニアリング

１．はじめに要な測定ガスとされている。ガス成分の分析には、一般

変圧器は電気を効率よく消費地に送電するために使的に絶縁油中のガス成分を抽出し、抽出ガスをガスクロ用される機器である。発電所で発電された電気は発電所

マトグラフィーにより測定するが、変圧器からの採油、内の変圧器によって適切な電圧に昇圧して送電し、途中

油中ガスの抽出など時間のかかる前処理工程を必要との変電所や需要家側が設置している変圧器で所要の電する。そこで、油からガスを抽出することなく、レーザ圧に降圧して利用されている。そのため、変圧器の状態

ーを用いて直接油中のアセチレンガスなどの放電由来を監視し異常を早期に検出することは、電力設備の信頼物質の分析が可能な手法を開発している。

性を確保するのに不可欠である 1)。
変圧器では、電圧と電流の大きさを変換する鉄心と巻

２．油溶存アセチレンのラマン分光計測

線が絶縁油で満たされた油入変圧器が一般的であり、変これまでに、水に溶存している CO2 ガスのラマン分

圧器全体の約 90%を占めている。運転中の変圧器内部

光によるモニタリングを行ってきた 2)。この技術を利用で異常が生じた際、異常箇所、異常内容に応じて絶縁油

すれば、レーザーを油中に照射するだけで油中ガス分析

または固体絶縁物が分解され、特有のガス成分が発生すが可能になる。

る。これらのガスは変圧器内の絶縁油に溶解するため、このガス成分を分析することにより、変圧器の内部異常

2.1 アセチレン溶存油を診断することができる（図 1）。例えば、アセチレン

本実験で使用した絶縁油はかんでんエンジニアリン

ガスは放電により絶縁物が非常に高温にさらされた時

グ社製のサンオームオイル MU である。組成はナフテに発生するため、変圧器の内部異常を診断するために重ン系炭化水素が41.6%、
パラフィン系炭化水素が50.0%、

過熱・放電により周囲の絶縁物（絶縁油・絶縁紙等）が分解
変圧器内を対流絶縁油
C2 H44C2 H22

C2 H2

変圧器

過熱
熱

ガス生成
・メタン
・エタン
・エチレン
・アセチレン・プロパン
・プロピレン
・水素 他

C2 H4

油中に
C2 H66
溶解

循環

ガス発生

鉄 心

絶縁油

コイル

絶
縁
油

内部異常(過熱)
（ 放電）

絶縁紙

C2 H6

ガス生成
・一酸化炭素・二酸化炭素

絶縁油に溶解する

絶縁油の採取絶縁油
循環（減圧、ガス置換） （ガスクロマトグラフィー等）
油中溶存
ガス の抽出

抽出ガスの分析

図 1 変圧器の絶縁油溶存ガスを用いた異常診断
─ 25 ─

内部異常を診断

芳香族炭化水素が 8.4%であり、それぞれの構造式を表 1

脱気した絶縁油 200 ml を入れ、アセチレンガス（99%に示す。また、少量のベンゾトリアゾール（BTA）を添

以上）をガスタイトシリンジで注射器内に導入した。そ加物として含んでいる。

の後、スターラーで撹拌し、アセチレンガスを完全に溶

図 2 に絶縁油の透過スペクトルを示す。透過スペクト解させた。

ルの測定には、分光光度計 U-4100 を用いた。測定の波

試料作成後にガスクロマトグラフで測定した溶存ガ

長分解能は 1 nm である。
紫外域から 370 nm あたりまでスの濃度は 1.9, 5.7, 10%であり、脱気した 0%を加えて 4吸収があり、380 nm 程度から 430 nm 程度にかけて透過

種類のモデル試料油中のアセチレンのラマン測定を行

率は急峻に立ち上がり、430 nm 以降は 92%程度で一定った。

となる。920 nm あたりに少し吸収が見られる。この結果から絶縁油のラマン測定には透過率の高い波長 532

2.2 油溶存アセチレンのラマンスペクトル
アセチレンは線形四原子分子であり、図 3 に振動モー

nm のレーザーを使用することとした。
溶存アセチレンの濃度をコントロールしたモデル試

ドを示す。図の点線で囲ったν1、ν2、ν4 がラマン活性料の作成は以下の手順で行った。まず真空ポンプで吸引であり、そのうちν2 モード（1974 cm-1）が最も大きい

しながらスターラーで油を撹拌し油に溶存している気ラマン散乱断面積を持つために、分析にはこのモードを

体を 4 時間程度脱気した。スターラーを入れた注射器に利用した。

表 1 炭化水素のタイプと構造例
タイプ

構造
CH3ー（CH2）nーCH3パラフィン系炭化水素

ν1n-パラフィン

CH3ー（CH2）nーCHーCH3
CH3

ν2

イソパラフィン

ν32,3環ナフテン

ナフテン系
炭化水素

C

C

H

3374 cm-1

1974 cm-1
3287 cm-1

ν4

CH2ー（CH2）nーCH3

アルキル置換CH2ー（CH2）nーCHーCH3
ナフテン

612 cm-1

CH3

ν5
729 cm-1

2,3環芳香族

芳香族系
炭化水素

H

図 3 アセチレンの振動モード

CH2ー（CH2）nーCH3

アルキル置換CH2ー（CH2）nーCHーCH3
芳香族
CH3

図 4 に実験配置図を示す。試料油は挿入図に示すよう

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

なΦ3 cm のバイアル瓶に入れた。使用したレーザー光

Transmittance (%)

は波長 532 nm、パルス幅 10 ns、繰り返し 10 Hz、パル
スエネルギー100 mJ である。このレーザーを集光せずにバイアル瓶に照射し、後方約 25°の位置からラマン散乱を測定している。集光光学系には 532 nm のエッジ
フィルターとノッチフィルターを挿入し、背景光となる
250

400

550
700
Wavelength (nm)850

図 2 絶縁油の透過スペクトル1000

波長 532 nm のレイリー光をカットしている。ファイバ
ーで分光器まで導き、液体窒素冷却 CCD カメラで測定─ 26 ─

1

波長分解能：0.20nm

Spectrometer+CCD

0.8

Intensity (arb. unit)

エッジ＋ノッチフィルター

ビームダンパー532 nm, 100 mJ, 10ns

Surelite 2ω 1W, 10Hz(a)

CH3-CH2bending mode

C2H2溶存油（0, 1.9, 5.7, 10%）

λ/2

ポララ
イザー

図 4 油溶存アセチレンのラマン分光実験配置図

0.6

C=C
stretching mode

0.4

0.2

した。CCD カメラの露光時間は 90 ms であり、3000 回

C 2 H2

C-H
twisting mode01200

積算信号の 10 回平均のスペクトルを取得した。測定の

1400

C-H
stretching mode

10%
1600

～1972 cm-1

1800 2000 2200
Raman shift (Δcm-1)

2400

2600

0.35

波長分解能は 0.2 nm である。
図5に4種類のモデル試料油中のアセチレンのラマン
3)スペクトルを示す 。(a)が 10%のラマンスペクトルである。1800～2300 cm-1 付近では大きなラマン信号が見られず、比較的、スペクトルのベースラインが低いことがIntensity (arb. unit)

0.3
0.25
0.2
0.15

(b)
10%

1.9%

0%

0.1

0
1900

～1450 cm-1 に見られる大きな信号は CH3-CH2 の変角～1979 cm-1

5.7%

0.05

わかる。

2800

10% C 2H2 /90% N2 gas mixture
1950

2000

2050 2100 2150
Raman shift (Δcm-1)

2200

2250

2300

モードであり、～1302, 1350 cm-1 に見られる二つの信号

図 5 (a)10%油溶存アセチレンのラマンスペクトル、-1

は C-H のねじれモードと考えられる。また、～1610 cm(b)0, 1.9, 5.7, 10%油溶存アセチレンと 10%アセチに見られる信号は芳香族系の C=C の伸縮モードであり、レンガス（90%窒素ガス）のラマンスペクトル～2725 cm-1 は C-H の伸縮モードと考えられる。～2191
cm-1 に見られる信号は、文献等では同定できなかったが、2.3 検出限界の検討

アセチレンの濃度を増加させても信号の増加が見られラマン分光では、測定時のレーザー強度のふらつきや、ないことから油由来の信号ではないかと考えられる。H

光路の状態によってラマン信号強度が変化するために、が重水素 D に置き換わった C-D 等の伸縮モードの可能

定量評価には同時に取得した濃度が一定である他のラ性があるが同定はできていない。

マン信号強度との比を用いる。アセチレンの検出限界の

図 5(a)中の点線で囲った領域の拡大図が(b)である。
(b)

検討には図 5(b)に示した油由来と考えられる～2191

では～2191 cm-1 に見られる油由来のラマン信号強度でcm-1 のラマン信号とアセチレン（～1972 cm-1）のラマン

規格化している。(b)では 0, 1.9, 5.7, 10%とアセチレンの信号強度とのラマン信号強度比を利用した。

濃度が大きくなるにつれて～1972 cm-1 のラマン信号強

図 6 にアセチレン（～1972cm-1）と油（～2191cm-1）

度が大きくなっていることがわかる。これはアセチレンのラマン信号強度比と濃度の関係を示す。測定の誤差はのν2 のモードの信号である。比較として、10%のアセ

10 回測定の平均値からの誤差である。原点を通る傾き

チレンガス（90%は窒素ガス）のラマンスペクトルを示

0.0825 の直線できれいにフィットできている。検出限界-1

したが、気体では～1979 cm にラマン信号が測定されの検討にはアセチレンガスが溶存していない0%の場合ているのに対して、油に溶存した際には～1972 cm-1 との 1952～1977cm-1 における信号強度の標準偏差σを利

低波数側にシフトすることがわかった。

用した。3σの値（図 5 中の点線）を用いて計算したラ─ 27 ─

マン信号強度比（～0.031）が赤点線であり、この直線れるため、その場での簡易な手法としてレーザーラマンとの交点から検出限界は 0.37 %であった。

分光法を用いた油溶存ガスの検出手法の開発を行ってRaman intensity ratioいる。
1

波長 532 nm のパルスレーザーを用いて油溶存アセチ

0.8

レンからのラマン信号の検出に成功した。本手法を利用

0.6

すれば、レーザーを油に照射するだけで、その場で変圧0.4

器の異常を診断することが可能となる。現状の検出限界

0.2

は 0.37%と大規模な放電がおこった際のみ検出が可能なため、今後は測定システムの検出感度を向上し、その

0

0

図6

2

4
6
8
C2H2 concentration (%)

10

場での実機絶縁油測定に向けた研究を行う予定である。

ラマン信号強度比と油溶存アセチレン濃度の関係（点線は信号強度の 3σ）

参考文献
1) 石油学会編: 電気絶縁油ハンドブック, 講談社, 1987.
2) T. Somekawa, A. Tani, and M. Fujita: Appl. Phys. Express, 4,３．まとめ

112401, 2011.

油入り変圧器では油に溶存したガス種を検出することで異常診断が行われている。ガス種の同定には実験室

3) T. Somekawa, M. Kasaoka, F. Kawachi, Y. Nagano, M. Fujita,

での複雑な前処理行程を必要とする分析によって行わ─ 28 ─

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

レーザーを用いたコンクリート健全性診断装置の開発
レーザー計測研究チーム
島田義則、コチャエフ オレグ、篠田昌弘 1、御﨑哲一 2、高橋康将 2、瀧浪秀元 21（公財）鉄道総合技術研究所
2

西日本旅客鉄道（株）

１．はじめに

本稿では、これまでの装置開発の概略を簡単に

近年、高度成長期に建設された構造物が老朽化

紹介し、新幹線トンネル内の中央通路を走行できし、維持管理技術の確立が焦眉の課題となっている装置を構築して、新幹線トンネル内において欠る。鉄道では新幹線トンネルの覆工コンクリート

陥検出実験を行った結果について述べる。

が剥落し、列車のパンタグラフや屋根を損傷した例があり、高速道路でも大きな事故が起こってい２．開発の経緯
レーザー法の原理を図 2 に示す。振動励起用パルスレる。
現在の定期検査では打音検査法が主に用いられーザーをコンクリート表面に照射し、コンクリート表面ている。この手法には、人的および時間的な面でに微小振動を発生させる。振動検出用レーザー（連続コストがかかること、客観的データに乏しいこと、光）をコンクリート表面に照射し、反射された光を検出

更に前の検査と比較した劣化進行状況（経年劣する。内部欠陥の有無により表面振動モードが異なるた化）が把握困難であることなどの問題がある。こめ、反射光のスペクトルを解析して振動モードを判別すのため、低コスト、高速、高精度で検査できる新ることにより内部欠陥の有無を判断できる。

しい検査手法の開発が強く求められている。

ここで、問題となるのが、コンクリートの表面粗さで打音法に代わる検査方法として、接触式超音波
探傷法や電磁波検出法 、赤外線検出法、レーザー法などが開発されてきた。接触式超音波探傷法と電磁波検出法ではコンクリート表面の近くである。コンクリート表面で反射された光にはコンクリー
ト表面粗さに起因する波面の乱れが含まれており、表面の微小振動による信号のみを区別して取り出すことが検査を行う必要がある。赤外線検出法は、初期にコンクリートを熱する作業が必要で、且つ、コンクリートに接近して計測する必要がある。一方、レーザー法は、遠隔かつ非接触で検査が行え、他の方式に比べて探傷箇所の高速移動が可能であることや、コンクリート曲面の計測が容易に行える利点がある。
このような観点から、当研究グループではレー
ザー法の実用化を目指して、探傷技術に関する基礎実験を行い、装置の開発を進めてきた。図 1 にレーザーを用いたトンネル覆工コンクリート探傷装置の概念を示す。レーザー装置と検出光学系
を車両に積載し、自走しながらレーザー照射位置

図 1

を走査してコンクリート全断面を検査する。

レーザーを用いたトンネル覆工コンクリー
ト検査装置

─ 29 ─

衝撃波励起用レーザー
振動検出用レーザー

信号光

参照光

図 2 レーザー法の原理
困難で、検出精度が低下する。これを防ぐためダイナミ確認した。開発の経緯の詳細は文献 1）を参照されたい。

ックホログラム結晶（DHC）を使用した光検出方法を用いた。検出用レーザーを検出装置内でビーム分配器に３．装置の小型化と新幹線トンネル内のコンクリート検より信号光と参照光に分け、信号光をコンクリート表面

査実験に照射する。表面振動を誘起する前に、コンクリート表

実用化に向けた開発の最終段階は装置の小型化であ面形状の情報を持った反射光と擾乱を受けていない参る。新幹線トンネル内にはメンテナンスのための中央通

照光を DHC 中でまず干渉させ、コンクリート表面形状路がある。中央通路を走行してコンクリート健全度が判に関するホログラムを DHC 内に形成しておく。DHC

断出来れば、将来、昼間でも検査が可能となる。これに内での位相共役効果を利用して、あらかじめ書き込まれ向けて装置の小型化を図り、中央通路を走行して検査がたコンクリート表面形状の情報を差し引いて出力する可能な検査システムを構築した。装置の外観を図 3 に示ようにしておけば、表面形状に起因するレーザー波面のす。小型化のため、レーザーと電源を別々の車両に搭載

乱れは除去され、コンクリートの表面振動による信号のし、その両側に牽引車を配置する構成とした。除振のたみを高感度で検出できる。この方式により、10 m 離れめ、制動付きバネ吊り下げ光学定盤を用い、レーザーをた位置から内部欠陥を判別できることを確認した。

含めた光学系はすべてこの定盤上に組上げた。また、レ

一方、レーザー干渉法は波長程度の振動振幅を検出でーザー車全体に防音対策を施した。

きるので外乱に弱い。トンネル内では、牽引に伴う機器

図 4 に示した照射窓を開き、そこからコンクリートに自身の振動や騒音により信号に大きなノイズが混入す

向けてレーザーを照射した。装置からコンクリート表面る。このため、装置に防振、防音対策を施し、新幹線トまでの距離をレーザーで測定し、レーザーの焦点位置がンネルでの実地試験を行い、開発したレーザー探傷装置

常にコンクリート表面に来るように制御した。このレーが内部欠陥検査装置として充分な性能を有することを

ザー測距はコンクリート以外の架線等付帯物にレーザ

図 3 新幹線トンネル内中央通路走行型レーザー検査装置外観
─ 30 ─

図 6 レーザー照射位置

図 4 レーザー車a) 検査部を照射した場合の信号b) 健全部を照射した場合の信号
図 7 欠陥部分と健全部分を照射した場合の信号
波形変化
図 5 新幹線トンネル内でのレーザー検査装置

見られない。健全部のコンクリートは振動していないこーが照射されていないことを確認する役目も持つ。電源とを示す。これにより、コンクリートの健全性評価が可車にはレーザーや計測装置類を駆動させるためのバッ能であることが確認できた。

テリーとインバーター等を積載した。4～5 時間の検査が可能である。

４. まとめ

図 5 は新幹線トンネル内で検査中のは新幹線トンネル内で写真である。レー
は新幹線トンネル内で検査中の写真である。

これまでの成果を基にして装置の小型化を進め、新幹ザーの制御や計測は牽引車に搭載されたパソコンによ線トンネル内の中央通路を走行可能な検査装置を構築り行った。

した。新幹線トンネル内の覆工コンクリートに生じたひ検査箇所を図 6 に示す。覆工コンクリートにひび割れ

び割れ箇所に適用して装置の性能確認試験を実施し、健が入り、補修を行った部分である。また、比較のため健全部と欠陥部の判別や浮き欠陥の検出が可能であるこ

全箇所のデータも取得した。信号波形を図 7 に示す。横コンクリートの健全性評価とを明らかにし、コンクリートの健全性評価へのレーザ

軸が時間、縦軸は検出器からの電圧出力である。

ー法の適用可能性を実証することができた。

図 7 a)ではレーザー照射直後に振動波形が見られる。
この信号はコンクリートが完全に密着しておらず浮い

参考
考文献
参考文献

ていることを示している。一方、図 7 b)では振動波形が1) Oleg Kot
Kotyaev
Kotyaev:: ILT 年報,
年報 レーザー技術総合研究所,
レーザー技術総合研究所 2013.

─ 31 ─

Development of laser-based system for remote non-destructive inspection of
Shin-kansen tunnels
Laser measurement teamOleg Kotyaev, Yoshinori Shimada
1. Introduction

probe/detection laser illuminates the inspected area. Radiation

The present report gives a brief historical review ofscattered by the inspected area is used as a working signal. Duedevelopment and examination of laser-based system intended

to initiated vibration, the signal is phase-modulated. Process offor remote inspection of concrete structures. The research andtwo-wave mixing of the phase-modulated signal anddevelopment in this direction was started in 2001. Since 2004

monochromatic pump in photorefractive material leads toit has been supported mainly by the West Japan Railway

conversion of phase modulation into amplitude modulation.

Company (JR West). Therefore, the main application of theThis process results in forming the homodyne signal which

system is inspection of railway tunnels, especially, incontains information of vibration initiated in the inspected area.

1)

Shin-kansen bullet train lines .

Laser impact initiates wide range of vibration frequencies. The

Expected advantages of the novel technology are following:present system is supposed to work with low-frequency

real remote inspection, high sensitivity, insensibility to surface

natural vibration. If concrete layer in the inspected area is thickroughness, high operation rate.

(no-defect case), then initiated vibration amplitude will be

In cooperation with the JR West, the laser-based inspection

comparatively low (Fig. 2, top). However, if there is an inner

system was designed, assembled and tested both in laboratory

defect, then so called standing Lamb wave will be initiated inand field conditions. In this report, basic steps of thisthe concrete layer between outer surface and inner defect. Its

development will be presented.

amplitude will be much higher and corresponding spectrum
will have strong peaks (Fig. 2, bottom). So, the presence of

2. Principle of operation

powerful standing Lamb wave can be used as a criterion of the

Figure 1 shows the principle of the system operation. The

presence of inner defects.

main units of the system are impact laser, probe-detection laser
and photorefractive interferometer. Laser pulse generated by
the impact laser initiates vibration in the inspected area. CW

Fig. 1 Principle of operation.

Fig. 2 Criterion of defect location.
─ 33 ─Using data of amplitude and spectrum of detected vibration
it is possible to conclude how dangerous the inner defects are.
The most dangerous defects are characterized by low
frequency (below 2 kHz) and high amplitude of initiatedvibration.

3. Laboratory tests.
One of numerous variants of laboratory layout is shown in
Fig. 3. In this layout, Nd:YAG laser is used as an impact laser.
Pulse energy is 0.4 J. Pulse duration is 10 ns. CW Nd:YVO
laser with 2-Watt output power is used as a probe/detection
laser. BSO crystal is used as a photorefractive material.
The system is equipped with 2-D scanner which allows to

Fig. 4 Vibration signals detected in laboratory tests (see text).

control direction of both impact and probe beams
simultaneously. Concrete samples with various types of inner

4, top). When impact/probe is between the defect center and its

defects were provided by the JR West.

edge – the second “harmonic” is initiated with 5.8 kHz

At first, we completed basic research in the laboratory2): testof various photorefractive materials, optimization of two-wave

frequency (Fig. 4, middle). When no-defect area is inspected,
then no detectable vibration is initiated (Fig. 4, bottom).

mixing parameters, tests of laser impact on concrete,evaluation of detectable vibration amplitude etc.

We tested numerous samples with different types of inner
defects and all detectable defects were recognized using our

After the basic research, we tested the performance of oursystem. The results were verified with the use of conventional

system in laboratory conditions3). Figure 4 shows waveforms

hammering at the presence of hammering expert from JR

and corresponding spectra (in linear scale) of vibration initiatedWest. Positive results of the laboratory tests aimed us at testingin three different points on the inspected concrete sample.

the system in the field conditions.

When impact/probe position is in the sample center (and in
the center of inner defect), the first fundamental mode of

4. The first tests in a real tunnel and the JR West testingsite.

standing Lamb wave is initiated with 3.1 kHz frequency (Fig.

In 2005, a mobile prototype of the system was assembled(Fig. 5) and delivered to an old tunnel in Takarazuka area3). In
Figure 6, the system is during the inspection procedure.
Natural defect area in the real tunnel wall (inner void with sizeof 20 × 20 cm) is inspected by laser system for the first time.
In the very first attempt, the vibration signal was detected.
Figure 7 shows the defect area, waveforms and spectra
detected in the defect center (top) and no-defect area (bottom).
Red ring indicates the impact/probe position.
The defect area was scanned in vertical and horizontal

Fig. 3 Laboratory setup.
─ 34 ─

0.2

Defect boundaries determinedby hammering

Spectral power, a.u.

0.16

0.12

0.08

0.04

0
-15

-10

Spectral power of
2.1 kHz vibration,(high power) a.u.

Fig. 5 One of the first mobile prototypes.

-5

Spectral power of
2.8 kHz vibration,(high power) a.u.

05Spectral power of
4.0 kHz vibration,(high power) a.u.

10

15

Vertical scan, cm

Fig. 8 Defect in the Takarazuka tunnel wall. Distribution ofspectral amplitude over defect area.

spectral amplitude over the
directions.. Vertical distribution of spectr
defect area in presented in Fig. 8. Three modes of standing
Lamb wave are shown.
The defect area had no surface crack
crackscracks,, so, the defect could
not be recognized visually. It was found during preliminary
exploration with the use of conta
contact method - conventionalhammering. However, the laser
laser--based
based system demonstrated
laser-based
Fig. 6 The first tests in real tunnel. Inspection distance – 2.5 m.

capability of remote reliable recognition of real inner, invisible
defects in the field conditions. Initiated standing Lamb waves
are detected within defect area at 1-2--2 cm fro
m actual defectfromboundary. This aaccuracy of defect recognition is quite enoughfor inspection of concrete structures.
It should be noted that the tunnel where the first tests werecarried out is comparatively small. Maximum detection
distance did not exceed 2.5 m. However, the system is
supposed to be used in ShinShin--kansenkansen tunnels with inspection
Shin-kansen
distance of 5 - 8 m. To verify capability of defect recognitionin this distance range, the system was delivered to the JR Westpref Figure 9 shows thetesting site in Suita city (Osaka pref.).
system and concrete specimens distanced 5 meters away.
Here, the specimen also has an inner defect without surface
cracks (inner 25 × 30 cm void at 2 cm depth). Clear, reliable
laser---based
laser
based system has beenrecognition of this defect by the laser-based
demonstrated even from inspection distance of 5 m which

Fig. 7 The defect area and vibration signals.

Shin---kansenShinkansen tunnel.
corresponds to radius of actual Shin-kansen─ 35 ─

Fig. 9 Experiments at the JR West testing site. Detection distance – 5 m.

specime in the JR Suita testing site.
Fig. 11 Defected specimen
Distribution of spectral amplitude over defect area.

with accuracy about 2 cm.
So, the system seems to be ready for going to realShin--kansen
Shinkansen tunnel. However, some modifications are
Shin-kansen
Fig. 10 The defect area and vibration signals. Distance – 5 m.

necessary (see next Chapter).

Figure 10 shows waveforms and spectra of vibration

5. The system with stabilization of interference pattern

initiated in the defect area: in its center (top) and in to-defectreal---time
realtime data processing.
and real-timearea (bottom). Here, like in the Takarazuka tunnel defect,

laser---based
laser
based system for vibration detection
Sensitivity of the laser-based

various modes of standing Lamb waves were detected. The

is pretty high. Direct measurement in the laboratory

main components have frequencies of 0.8, 1.9 and 2.7 kHz.

demonstrated possibility of detection of vibration with total

Distribution of spectral amplitudes of these components overdisplacement less than 1 nm. However, high sensitivity makes

the defect area (Fig. 11) allows to say that the defect is detectedM
the system to be sensitive to various noises. Mechanical─ 36 ─

vibration produced by working engine or fans, various

points A, B and C over the samples.

acoustic noise results in parasitic modulation of laser signal. As

As it was expected, no vibration was detected in the flawlessa result, interference pattern inside photorefractive crystal

i the defected sample, clear vibration
sample. However, inbecomes unstable making the vibration detection unreliable orosignals of various standing Lamb wave modes were obtainedeven impossible. To reduce this influence, the special unit forand beautiful 2-D map was created.

h been developed and put
stabilization of interference pattern has

We tried to simulate possible modes of standing Lambinto operation. Figure 12 shows optical layout with thewave in this sample. Figure 15 shows the results of simulation.

stabilization system.

sy
The system
can recognize inner defects which have quite

Stabilization is realized by analyzing current position ofcomplex shapes. Figure 16 shows the sample with hidden “J”

interference pattern and introducing necessary feedback to the--D map generated by the system makesand “R” characters. 2-D

laser signal optical path with the use of specially designed

these characters “visible”.

mirror mounted on piezo-actuator.
Stabilization of interference pattern is one of the functions of
new operation algorithm. As well, the algorithm controls
impact/probe positions over inspected area; produces thestart
startcommand when interference pattern is considered to becommanstart-commandstabilized; and carries out real time data processing withrecognition of detect situation. Output of the data processing is
2-D map of the inspected area.
Next ffigures show the results of testing the flawless concrete
sample (Fig. 13) and the sample with inner void (Fig. 14) withthe use of the new
newdesign system. Concrete samples were
new-design
scanned in automatic mode and 2-D maps of the inspectedareas were produced in real-time.
-time.
Green area means no-defectsituation; red area – defect case.
Each figure presents vibration signals obtained in threeFig. 13 2-D map and vibration signals in a flawless concreteFig. 12 Laboratory layout with stabilization system.

sample.
─ 37 ─

Fig. 16 Location of inner defects with complex shape.

6. Test of the system with stabilization of interference
real---time
realtime data processing in the field
pattern and real-time
conditions.
After the laboratory tests, the new system design was tested
in the field conditions. It was delivered under a small bridge
Shin--kansen
Shinkansen tunnels near Kobe city (Hyogo
between two Shin-kansen
pref.). Figure 17 shows the system under the bridge. Detection
distance is about 4 m.
The bottom part of the bridge had a small defect at the edgeof concrete plate. We had a chance to test our system operation
using this defect area before it is repaired. The system has
demonstrated outstanding performance. The defect area and its
2-D map are shown in Fig. 18. Figure 19 presents screenshots

Fig. 14 2-D map and vibration signals in a defected concrete
sample.

Fig. 15 Simulation of two modes of initiated vibration.

Shin---kansenShinkansen line bridge.
Fig. 17 The system is under Shin-kansen─ 38 ─

was bouncing making the defect inspection impossible.
However, the system automatically interrupted the vibration
measurement operation when the bridge bouncing is toostrong and automatically resumed the operation after thebridge bouncing was relaxed.
After these test, it was decided to prepare the system for
Shin--kansen
Shinkansen tunnel.
going to real Shin-kansen

Fig. 18 Defect area on Shin-kansen
Shin---kansenShinkansen line bridge and 2-D
2-D map.

Pre
Shin kansen
Shin7. Preparationof the system for going to real Shin-kansen
tunnel.
It should be noted tthe
he Shin-kansen
Shin---kansenShinkansen line aandnd its tunnels are
workextremely restricted objects. To get the permission for working
there, it is necessary to follow a lot of very strict regulations.
The first real prototype of our system was supposed to be
loco
loaded on a railway flat wagon and a diesel locomotive
shouldbe used as a system carrier. One of the regulations is that thesystem carrier engine must be working all the time. Within
preliminary

experiments,

weinvestigatedvibration

environment in tunnel and found it to be very tough. The
working diesel produces strong mechanical vibration and very
loud acoustic noise. These factors affect the detection
performance significantly.
Just loading the small track with our system on a flat wagon(Fig. 20) was not enough for acceptable operation in tunnel
conditions. Several attempts of using the system without
additional vibration and noise protection were not reliable.
Fig. 19 Screenshots of the processing algorithm (see text).

of the 2-D map itself (top) and vibration data from one of themap points (bottom): vibration waveform and its spectrum. All--time,time, immediately after the scanningscanning
data were obtained in real-time,procedure was finished.
One of the advantages of using the new control/processing
algorithm is possibility to choose proper moment for
generating impact laser pulse and starting the vibration
start-command). Sometimes,
startmeasurement operation (the start-command).
Shin-kShin-kkansenansen trains were passing on the bridge; and the bridge
Shin-kansen─ 39 ─

Fig. 20 One of the first system prototypes on a flat wagon.

To protect our system against outer vibration, a specialof the scanned area.

-tonn
3-tonnoptical table with air suspension was designed (Fig. 21).

Scanning was made with 25-cm steps. Approximately thisAs a result, influence of outer vibration was reduced by 25 dB.

sstep size is supposed
to be used during actual inspection.

For protection against strong acoustic noise, entire system was

Basically, the defect was recognized, the signals over defectcovered later by specially designed soundsound--proof
proof walls and roof
sound-proof

area have comparatively strong spectral amplitude. However,(Fig. 22).. Resultin
Resulting noise reduction was better than 15 dB.

the current algorithm of defect recognition should be modified

Actually, we expected more effective sound protection, but itaand improved. Point 6 is actually
over the defect area. But it

is better than nothing.

was not recognized as defect. Vibration waveform in this point

Before going to real Shin
Shin--kansen
kansen tunnel, we tested theShin-kansen

has comparatively strong amplitude but its spectrum has nosystem in a box culvert at the Shin
Shin--kansen
kansen line maintenanceShin-kansenhigh peak (like in Point 5). However, average level of spectral

4)
4)site . The box culvert had a small defect at the corner between

amplitude is higher than in no-defect area (Point 3). So, thethe culvert wall and ceiling. The defect area was inspected by

next version of the processing algorithm should use more

the system (Fig. 23).

appropriate criteria of defect recognition.

Figure 24 shows the defect area with its 2-D map produced byour system. The defect was clearly recognized. Figures 25 and26 show 2-D map screenshot and vibration signals in 6 points

vibration---proof
vibration
proof table.
Fig. 21 The system with vibration-proof
Fig. 23 The system in a box culvert.

sound---proof
sound
proof cover.
Fig. 22 The system with the sound-proof

Fig. 24 Defect area in the box culvert.
─ 40 ─

Time, ms

Signal amplitude, V

Signal amplitude, V

Spectral amplitude, lin. Spectral amplitude, lin. Spectral amplitude, lin.

Signal amplitude, V
Signal amplitude, V
Signal amplitude, V

Waveforms
Spectral amplitude, lin. Spectral amplitude, lin. Spectral amplitude, lin.

Signal amplitude, V

Fig. 25 2-D map of the box culvert defect area.

─ 41 ─

SpectraFrequency, kHz

Fig. 26 Waveforms and spectra of vibration signals recorded in the box culvert.

─ 42 ─

JR West Company decided to change the way of using theno diesel producing strong vibration and big noise. That meantlaser--basedlaserbased inspection system. The main idea is that the systemlaser-based

there is no need to use very expensive vibration and noisedShin---kansenShinkansen tunnel without using
should be delivered
to Shin-kansen

protection.

Shin--kansen
Shinkansen train lines. In this case, the use of the system may
Shin-kansen

To realize the new idea, the maintenance gap between

be more flexible and independent on the other working teams.

Shin--kansen
Shinkansen lines in tunnel can be used for the system
Shin-kansenE
Even
there is principle possibility of tunnel inspection duringtransportation. The size of the gap is about 1.5 m in width andg
day time. This is a great
opportunity to remove usage

1 m in depth. So, the system design should be more compact.

limitation, when the system loaded on a railway flat wagon

For this purpose, the system design has been totally modified.

(when Shin-kansen
Shin--kansenShin-kansencan be used only during night time (wheno one laser impact unit is used – Nd:YAG laser with
Now, only

stopped). Moreover, in this case, there will be
stoppedtransportation is stopped).

energy up to 1.5 J. Interferometer table and impact laser are
loaded on specially designed compact carriage shown in Fig.
31 (“The““The
Yellow System”). Its size is about 3 m in length and
1 m in width. Another carriage of the same size is used formoving electric batteries, laser power supplies and laser
cooling system. Two carriages are supposed to me moved by
specially designed electro-buggies.
-buggies.
Two bubuggies for two
directions (Figure 31 shows only one buggy).
In the beginning of 2013, the new system was delivered toShinShin--kansen
kansen tunnel for the first tests.
Shin-kansen

Fig. 31 New design of the system carrier.

Figure 32 shows the system inside the tunnel. Unfortunately,
because of the buggy faulty conditions, we had no permission
to go into the tunnel farther then 50 m this time. Initially, weplanned to test the system 2 km far from the tunnel entrance
where interesting defects are located. Near the tunnel entrance
where we were permitted to carry out our experiments, there
were no defect locations. We found that the defects used in theprevious experiments had been repaired. So, to test our system,

Shin-kansen
Fig. 32 “Yellow system” in Shin
Shin--kansen
kansen tunnel.

Fig. 33 The new system inspects concrete sample in tunnel.
─ 43 ─

Signal amplitude, V
Signal amplitude, V

Fig. 34 2-D map of concrete sample.

Signal amplitude, V

Fig. 36 Waveforms and spectra of vibration initiated in the
repaired defect location. Top – former defect area
(repaired), bottom – no-defect.

assembling, prototyping and testing the first in the world

Fig. 35 Waveforms and spectra of vibration initiated in thelaser-based system for remote inspection of concrete tunnels.

center of concrete sample.

Very promising results with high reliability of defectwe used one of laboratory samples. Figure 33 shows therecognition allow us to consider this system to be an attractive

system inspecting the sample. Acceptable 2-D map of thereplacement of conventional contact inspection methods.

sample inner structure was generated by the data processing

Now the project is on the stage of industrial design of thealgorithm (Fig. 34). Figure 35 shows vibration waveform andsystem. The “Yellow system” is a real prototype of this design.

spectrum recorded in the sample center.

We hope that after some modification in the system carrier andActually, we tried to test repaired defect as well. Figure 36

some improvement of real-time data processing, the systempresents waveforms and spectra recorded over former defectwill be put into real operation.

area (top) and in no-defect area. Despite the repaired situation,
References

some difference in vibration signals is still visible.

1) Y. Shimada, O. Kotyaev, ILT Annual Progress Report, ILT, 2007.

10. Summary.

2) O. Kotyaev and S. Uchida: Proceedings of SPIE, 4702, 241, 2002.

The presented report gives brief description of about 30 % of3) O. Kotyaev, Y. Shimada, K. Hashimoto: Proceedings of the 9-th

experimental work carried out within the development of theEuropean Conference on Non-Destructive Testing, 23, 2006.

laser-based inspection system. A lot of experimental study and4) Y. Shimada, O. Kotyaev, N. Misaki et al.: Journal of the Japan

many technical tests are not included in the report.

Society for Non-destructive Inspection, 61, 519-524, 2012 (inThe main result of this big project is actual development,

─ 44 ─

Japanese).

可搬型レーザーを用いた碍子表面塩分計測
レーザー計測研究チーム
島田義則、谷口誠治、本越伸二、加藤宏太
１．はじめにに示す。波形の観測にはフォトンドラッグ検出器を用い

碍子は絶縁保持のため発変電所や送配電システムで数た。ガス圧は4 kPaである。図1 a)のHe : N2 : CO2 混合比2 : 1 :多く用いられている。碍子は野外に設置されることが多1では高尖頭値から後方に低強度のテール部分が存在する

く、塩分が付着しやすいため、定期的に付着量を測定しが、図1 b)の He : N2 : CO2混合比1 : 0 : 1ではテール部分のて、一定値を越えている場合には洗浄を行い、閃絡事故を

強度が低下した。

防いでいる。塩分付着量の測定には筆洗法1,2)（ハンド測定）を用いることが一般的であるが、所定量の蒸留水で碍子表

３．暴露碍子の塩分密度計測
屋外で3ヶ月曝露した碍子の塩分密度計測を行った。

面の塩分等を拭き取る作業が必要で手間がかかる。
本研究チームでは、レーザーを用い、碍子に付着した塩

図2に碍子表面塩分計測の写真を示す。筆洗法との比較

分量を、非接触で、かつ迅速に測定できる可搬型装置の開発をめざして研究を行ってきた。プレパルスレーザーを碍
子表面に照射して塩分を表面から飛散させ、メインパルスレーザーでプラズマ化して、ナトリウムD線（D1: 589.6 nmとD2: 589.0 nm）の発光量を計測するダブルパルス照射方式を用いている3)。プレパルスレーザーには碍子表面への影響の少ないCO2レーザー（波長：10.6 m）を、メインパ
ルスレーザーにはNd:YAGレーザー（波長：1 m）を選択した。
ナトリウムからの発光量が碍子表面の塩分濃度に比例することを基礎実験で確認し、発光量から塩分濃度を評価

a)

He : N2 : CO2 = 2 : 1 : 1b)

He : N2 : CO2 = 1 : 0 : 1

できる検量線を作成した。ここでは昨年実施したプレパル
スレーザー（CO2レーザー）の改良とそれを用いて曝露碍子の塩分計測を行い筆洗法と比較を行った結果について報告する。
２．プレパルスレーザーの改良
CO2レーザーには、図1 a)に示すように、高い尖頭値ピー
クの後に、低強度のテール部分が存在するのが一般的である。テール部分は塩分を碍子から飛散させることには使用されておらず、碍子表面にダメージを生じさせる要因となる。これを防ぐためにレーザー装置内の放電管に封入する
ガス混合比を調整して高尖頭値は一定でテール部分のみ
図1の強度を低減させた。
レーザーガス混合比を変化させた場合のパルス波形を図1

─ 45 ─

レーザーガス混合比を変化させた場合のパルス波形

には平均塩分密度が必要であり、碍子の裏面（ひだ）部分を、図3に示すように、山の部分と谷の部分の6つの領域（A～F、図3）に分け、それぞれの領域で16点
以上（計96点以上）の計測を行いその平均値を求めた。
レーザー計測後の碍子は6つの領域毎に筆洗法による塩分計測を行い、両測定値を比較した。結果を図4に示す。両測定とも碍子の外周の密度は低く、付着物が溜まりやすい内周に進むに従い密度が増加している。碍
子の面積を考慮した碍子全体の平均密度はレーザー計
図2

測では0.0125 mg/cm2、筆洗法では0.0134 mg/cm2であり、

碍子表面塩分計測写真

計測値に差がある領域もあるが定量的にも良く一致した。また曝露期間が異なる別の碍子についても同様に計測を行ったところ、平均の塩分密度はレーザー計測
で0.0092 mg/cm2、筆洗法では0.0058 mg/cm2で計測値の誤差は約2倍以内であった。

４．まとめ
碍子表面の塩分密度計測のため、可搬型のレーザー計
測装置を作製し、曝露碍子の計測を行い、従来法である
図3 碍子写真と計測領域（点線は山の部分、実線は谷の部分）

筆洗法との比較を行った。約2倍程度の誤差で筆洗法の測定値と一致した。
今後は、計測点や計測回数の最適化および、片手操作が可能な操作性の高い計測装置の開発等による計測
時間の迅速化を図り、装置の性能を高める。

参考文献
1) 変電設備耐塩設計専門委員会: 電気共同研究, 35, 125-128,
1979.
2) 秤 俊久: R&D News Kansai, 8, 35-37, 1997.

図4 曝露碍子の各領域での付着塩分密度（実線はレー3) 島田義則: ILT2012 年報, レーザー技術総合研究所,
2012.

ザー計測、点線は筆洗法による）

─ 46 ─

������の�����������������
レーザーバイオ化学研究チーム
谷口誠治、ハイク コスロービアン������
本研究チームは、高効率の光機能性素子の開発や創薬分野等への応用を目指して、生体内で様々な機能を果たす蛋白質や酵素等、種々の生体関連物質の光初期反応メ
カニズムとダイナミクスを、超短パルスレーザーを用いた時間分解計測法により明らかにする研究を行ってきた。本稿では、マラリア原虫内で特定のアミノ酸（セリン）を代謝する役割を持つ酵素（セリンヒドロキシメチ

図 1 赤血球内に侵入したマラリア原虫（図中矢印）

ル転移酵素（SHMT））の光励起過程をフェムト〜ピコ
秒時間分解蛍光計測法を用いて観測し、光による酵素反

(a)

O-

-HO PO
3�����������������（SHMT）の

(b)

O

H

応制御の可能性について検討した結果を報告する。

N+
H�������������の��
マラリアの病原体はマラリア原虫と呼ばれる

H
H2N

OH

HO

O

O

OH

L-serine

H
NH2

OH

D-serine

図 2 (a)ピリドキサールリン酸（PLP, pH 7.0）、(b) L-、
D-セリンの分子図

単細胞生物である。媒介であるハマダラカにより人体内に送り込まれたマラリア原虫は、肝細胞内での成熟増殖を経て赤血球に侵入し（図 1）、赤SHMT はマラリア原虫だけでなく細菌類やヒト

血球内での細胞分裂と破壊のサイクルを繰り返を含む多くのほ乳類の肝臓内にも存在し、生体のすことにより増殖する。マラリアは熱帯、亜熱帯

代謝機能や、DNA 合成機能に深く関わる酵素であ

地域を中心に年間 3-5 億人の発症者があり、死者る。SHMT は補欠分子としてピリドキサールリン

は数十〜数百万人に上るが、有効なワクチンが存酸（Pyridoxal Phosphate（PLP）、図 2(a)）を内包

在しない、またクロロキンやアーテミシニン等のし、テトラヒドロ葉酸（THF）を補酵素に用いて抗マラリア薬は副作用があり効果が限定的であ三重複合体機構（PLP、アミノ酸、THF の 3 分子が複合る、さらにはこれらに耐性を示す原虫も出現して体を形成して反応を引き起こす機構）により L 体のセいる等の現状から、新たな治療薬の開発が急がれリン（L-セリン（図 2(b)）をグリシンに可逆的にている。治療薬開発の指針の一つに挙げられるの変換する（図 3）。近年 Chaiyen らは、マラリア治療

が、薬剤等によりマラリア原虫の生体機能の一部

薬開発への応用の観点から三 日 熱 マ ラ リ ア 原 虫を阻害して増殖を抑制するというもの（阻害剤の（Plasmodium vivax）および熱帯熱マラリア原虫

開発）であり、そのターゲットとなる機能性を示（Plasmodium falciparum）由来の 2 種の SHMT の作

すものにセリンヒドロキシメチル転移酵素成に成功した。またそれらのアミノ酸および THF（Serine Hydroxymethyltransferase, SHMT）がある。

との反応速度や生化学的特性をストップトフロ─ 47 ─

クスを観測することにより、光励起時の SHMT の反応過程について調べた。また種々のアミノ酸を
SHMT 溶液に添加した場合の挙動の変化や、ヒト由来 SHMT での観測結果との比較等から、SHMTの光反応制御の可能性について検討した。

㧞㧚ታ㛎
図3

SHMT のアミノ酸変換スキーム

実験に用いた酵素は、三日熱マラリア原虫由来のSHMT（PvSHMT）、熱帯熱マラリア原虫由来の SHMTー法により観測し、ウサギ等のほ乳類に由来する
1,2)（PfSHMT）およびヒト由来 SHMT（Human SHMT）。その結果、原虫由来の 3 種である。各 SHMT は大腸菌を用いた遺伝子クロの SHMT は、THF 存在下において L-セリンのみ

ーニング法により作成した 1)。ただし、酵素の精製効

ならず D-体のセリン（D-セリン、図 2(b)）につい率を上げるため、PfSHMT には His6 タグを施した 2)。

ても高い反応性を示すことが明らかになった。さPvSHMT、PfSHMT の溶媒には pH を 7.0 に調整したらには、THF が存在しない場合にも、溶液の pH

HEPES 緩衝液（50 mM HEPES + 1 mM DTT + 0.5 mMが高い状態では SHMT が D-セリンに対して反応

EDTA）を、Human SHMT には pH を 8.0 に調整した性を示すことが明らかとなった。このような反応

HEPES 緩衝液（10 mM HEPES pH 8.0 + 100 mM NaCl）

性の違いは、分子構造に光学活性を持たせた阻害を用いた。
フェムト秒領域での時間分解蛍光計測には、剤の開発等、治療薬開発の重要な糸口となり得る。

Ti:サファイアレーザー（Mira-800, Coherent）を光源と一方、SHMT のように PLP を補欠分子に持つ酵

した蛍光アップコンバージョンシステムを用いた 5)。

素 の 中 には 興 味深 い 挙動を 示 す もの も ある 。

励起波長は 410 nm、装置の時間分解能は約 170 fs であSHMT を含め通常の酵素反応は熱過程で起こるる。またピコ秒領域での蛍光計測には、周波数 2 MHzが、アスパラギン酸アミノ基転移酵素やトリプトの キ ャ ビ テ ィ ダ ン プ Ti: サ フ ァ イ ア レ ー ザ ー

ファン脱炭酸酵素等の一部の酵素では、紫外光あ（Kapteyn-Murnane Laboratories Inc.）を光源としたフォ

るいは青色光の照射により、反応中間体の生成率

トンカウンティングシステム 6)を用いた。励起波長はの増加や酵素の触媒活性の増大が起こることが400 nm または 415 nm、時間分解能は約 40 ps である。

SHMT との比較を行った

報告されている 3,4)。これらの報告は、PLP の光励起過程が酵素反応に影響を与えることを示して㧟㧚⚿ᨐߣ⠨ኤ

おり、PLP を補欠分子に持つ SHMT への光励起効

3.1 SHMT ߩⰯశ‫ޔ‬ബ⿠ࠬࡍࠢ࠻࡞

果にも興味が注がれる。しかしながら、これらに

図 4 に、PvSHMT 、PfSHMT、 Human SHMT の蛍光

ついての研究例はこれまでにない。PLP の光励起（励起波長 410 nm、図中実線）および励起スペクトル過程が SHMT の反応に影響するとするならば、光（観測波長 510 nm、図中点線）を示す。全ての試料でにより SHMT の酵素反応を制御できる可能性が

PLP の光励起に起因する 500 nm 付近にピークを持つ蛍大きくなるため、マラリア治療薬開発への応用も光帯が観測される。
各試料の蛍光ピーク波長はPvSHMT

期待できる。本研究では、フェムト〜ピコ秒領域

では 515 nm、PfSHMT では 511 nm、Human SHMT ではでの時間分解蛍光計測法を用いて PLP 分子およ507 nm で、試料により若干のピーク波長の変化がみらびマラリア原虫由来の SHMT の光励起ダイナミ

れた。また励起スペクトルから得られた吸収ピーク波長

─ 48 ─

は、PvSHMT では 425 nm、PfSHMT では 426 nm であり変化は小さいが、Human SHMT では 433 nm と、他の
SHMT に比べやや長波長側にシフトした。一方、水溶液（pH 7.0）中での PLP のピーク波長は 388 nm であり
1)、SHMT の吸収帯はそれに比べ長波長側に大きくシフトする。これは、PLP が SHMT 内のアミノ酸残基（リシン）と結合し、図 5 に示すようなシッフ塩基と呼ばれる結合体を形成するために起こる挙動である。また 3種の SHMT を比較すると、Human SHMT の吸収、蛍光帯の波長シフトは他の原虫由来 SHMT とは異なっており、これはおそらく PLP 周囲の蛋白構造が異なっているためであると考えられる。ただし、PvSHMT および
PfSHMT の立体構造は現時点では解明されておらず、
PLP 周囲の蛋白質環境の違いについては明確ではない。

図 6 PLP 水溶液（pH 7.0）のフェムト秒蛍光観測結果

3.2 SHMT ߩࡈࠚࡓ࠻⑽Ⱟశ࠳ࠗ࠽ࡒࠢࠬ
SHMT の光励起過程について検討する前に、参照化
合物に PLP 水溶液（pH 7.0）を用いて蛍光アップコンバ
ージョン法によるフェムト秒蛍光計測を行った。観測結果を図 6 に示す。励起直後には、溶媒（水）の溶媒和過程 7)に起因する、蛍光ピーク波長（500 nm 付近）より短波長側（480 nm）の 1 ps 以内の急速な減衰と、それに対応する長波長側（530、560 nm）の蛍光の立ち上がりがみられる。一方、溶媒和の影響が小さい蛍光ピーク波
長付近（500 nm）では、蛍光は寿命約 3 ps と 20 ps の 2
成分指数関数で減衰した。同様の挙動は、Larsen らによる PLP 水溶液の過渡吸収計測によっても観測されてい図4 PvSHMT、
PfSHMT、
Human SHMTの蛍光（実線）、る 8)。また彼らは溶媒の pH を 10.0 に上げた条件で同様の観測を行い、長寿命成分のみが 20 ps から 120 ps に変励起スペクトル（点線）化したことを報告している。これは水溶液の pH の変化

HC

Enzymeにより PLP のピリジン環の水素が脱離したために起こN+る現象であることから、この実験で観測された蛍光は図

H
O--2O PO32(a)の構造を持つPLPの励起状態からのものであることがわかった。一方、短寿命の蛍光成分の由来は現在明らN+かではないが、おそらく励起直後において PLP の何ら

H

かの分子構造変化（分子構造のねじれ等）が起こるため

図 5 PLP-酵素結合体（シッフ塩基）の分子図ではないかと考えられる。PvSHMT、PfSHMT の観測結
─ 49 ─

果を図 7、図 8 にそれぞれ示す。両試料とも励起後 10 ps
以内ではほぼ減衰を示さず、観測波長による変化もみられない。蛍光寿命は 30 ps 以上である。PLP が酵素の蛋
白質と結合してシッフ塩基を形成した結果、分子のπ共役が広がり（図 5）励起状態の寿命は増加する。また、
PLP は周囲が蛋白質に囲まれているため、水分子の影響を受けず溶媒和ダイナミクスは観測されない。このような挙動は蛋白環境場での分子に特徴的なものである。

図 9 PvSHMT(図中実線)、PfSHMT(太線)、Human
SHMT（点線）のピコ秒蛍光観測結果（図中破線
は装置応用関数）

ずれの試料も成分指数関数での蛍光減衰を示すが、減衰
寿命は大幅に減少している。これは上記したように
SHMT 内では PLP がシッフ塩基を形成しているためである。また PvSHMT と PfSHMT の蛍光減衰はほぼ同様
図 7 PvSHMT のフェムト秒蛍光観測結果の挙動を示したが、Human SHMT は他に比べて速い減衰を示した。また各試料において観測波長の効果（480
nm、520 nm、600 nm）について検討を行ったが、大きな変化は見られなかった。各データを用い、装置応答関数を考慮した多成分指数関数による最小二乗フィッテ
ィングを行った結果、PvSHMT では 155 ps（0.72）と 1 ns
（0.28）、PfSHMT では 145 ps（0.78）と 1.1 ns（0.22）、Human SHMT では 46 ps（0.78）、136 ps（0.21）、1 ns（0.01）の各寿命が得られた（それぞれ４つの観測波長で得られた寿命の平均値、また（ ）内は全指数因子の比を示す）。SHMT がこのような光励起過程を示す要
因には、おそらく PLP の光反応が関連していると考えられる。Larsen ら 8)は、PLP 水溶液にアミノ酸（バリン）

図 8 PfSHMT のフェムト秒蛍光観測結果

を加え、形成されたシッフ塩基の過渡吸収計測を行い、3.3 SHMT ߩࡇࠦ⑽Ⱟశ࠳ࠗ࠽ࡒࠢࠬ

励起状態の寿命として 63 ps および 1.03 ns を得ており、フォトンカウンティングによる PvSHMT、PfSHM お

この結果は PvSHMT および PfSHMT での観測結果と類

よび Human SHMT のピコ秒領域での蛍光ダイナミクス

似する。また彼らは溶媒の重水効果や pH 効果について(観測波長 550 nm)を図 9 に示す。PLP 水溶液と同様、いも検討し、PLP シッフ塩基の互変異生体であるアルジミ

─ 50 ─

ンの光励起によりバリンのα位の水素が脱離（水素移動）し、キノノイドに変化することを報告している（図10）。SHMT の場合、PLP は蛋白質のアミノ酸残基と結合しているため PLP-バリンシッフ塩基とは PLP 周囲の環境が異なるものの、SHMT においても同様の反応が起こる可能性はある。一方、Human SHMT の蛍光寿
命は他に比べ減少している。これについては励起状態におけるシッフ塩基の安定化エネルギーの差が要因ではないかと考えられる。HumanSHMT の吸収帯のピークは他に比べ長波長側にシフトしているが、蛍光帯のピー
クは逆に短波長側にシフトすることからストークスシ
フト幅が狭く、励起状態における安定化エネルギーは

図 11 PvSHMT（実線）、グリシン添加試料（点線）、

Human SHMT が最も小さい。このため励起状態におけL− セリン添加試料（破線）のピコ秒蛍光観測結るシッフ塩基のπ共役が崩れやすく、熱緩和の割合が大果

きくなるものと考えられる。
H
R
N+

H

COOH
O-

-2O PO
3

COO-

R
N+

H

hν

H
O-

-2O PO
3

N+

N

H

H

図 10 PLP-アミノ酸シッフ塩基の互変異性体アルジミン（左）からキノノイド（右）への光化学反応

3.4 ෻ᔕၮ⾰㧔ࠕࡒࡁ㉄㧕ሽ࿷ਅߢߩ SHMT ߩశ
図 12 Human SHMT（点線）、L-セリン添加試料（実ബ⿠ㆊ⒟SHMT の酵素反応の第一段階では、PLP は基質とな線）、D-セリン添加試料（破線）のピコ秒蛍光るアミノ酸との間で外部アルジミンと呼ばれる中間体

観測結果（分子構造は図 10 のアルジミンと同様）を形成する。
その後、アルジミンは水素の脱離によりキノノイドに変を過剰に（~100 mM）加えて用いた。アミノ酸を加えた換され、生成したキノノイドと THF の間で酵素反応が試料の蛍光スペクトル（励起波長 415 nm）は、SHMT進行する。このことから、アミノ酸存在下での SHMTのみの試料に比べ蛍光強度は低下するが、スペクトル形の光励起よりキノノイドの生成率が増加し、酵素反応が状に変化はほぼない 10)。PvSHMT におけるピコ秒蛍光促進される可能性がある。この点について検討するため、観測結果を図 11 に示す。PvSHMT のみの試料に比べ、

SHMT にアミノ酸を添加した試料のピコ秒蛍光をフォ

グリシンまたは L-セリンを加えた試料の方が明らかに

トンカウンティング法により観測した。観測試料には各速い減衰を示しており、またグリシンに比べて L-セリ

SHMT 水溶液（~100 μM）に L-セリンまたはグリシンンの方がその効果は大きい。PfSHMT についても観測─ 51 ─

表 1 SHMT およびアミノ酸添加時の蛍光寿命 a
EnzymePvSHMT
PfSHMT
Human SHMTaAmino acidnone
L-serine
glycinenone
L-serine
glycinenone
L-serine
D-serine
glycineτ1 /ps
155
37.6
46.6
145
66.9
84.2
46.1
16
33.7
19.2

A1b
0.78
0.75
0.71
0.78
0.73
0.70
0.78
0.77
0.64
0.75

τ2 /ps
1086
547
619
1086
773
801
136
81
140
115

A2 b
0.22
0.25
0.29
0.22
0.27
0.30
0.21
0.2
0.35
0.24

τ3 /ps
1006
1012
1303
1303

A3 b
0.01
0.04
0.01
0.01

ratioc
0.42
0.54
0.74
0.84
0.52
1
0.69

蛍光寿命は 4 つの観測波長（480 nm, 510 nm, 550 nm, 600 nm）で得られた値の平均値を示す

b

A1、A2、A3 はそれぞれ蛍光寿命 τ1、τ2、τ3 の前指数因子の比を表す

c

SHMT のみの試料に対する蛍光寿命の減少率から算出したアミノ酸添加時の SHMT の消光率を行い、PvSHMT と同様の結果を得た。一方、Human（/mM）を求めた 2)。PvSHMT、PfSHMT のミカエリス

SHMT の場合には挙動がやや異なる。観測結果を図 12

定数はそれぞれ 0.18 mM、0.37 mM で、PvSHMT の方がに示す。L-セリンを加えた試料の蛍光は励起直後の時間

L-セリンとの反応性が高いことを示しており、消光率が領域では SHMT の蛍光に比べ速い減衰を示すが、長寿

大きな PvSHMT の方が L-セリンとの反応性が高いと考命成分に寿命変化はみられず、むしろその成分比は僅かえられる今回の実験結果と一致する。これらの結果は、に増大した。また図 12 には、SHMT とは反応しない

アミノ酸添加時の SHMT の蛍光消光過程が励起状態に

D-セリンを加えた試料の観測結果を併せて示した。
蛍光ある SHMT 中のシッフ塩基とアミノ酸による外部アル減衰は SHMT のみの場合とほぼ同じ挙動を示しており、ジミン形成反応に起因するものであり、さらには光励起

L-セリンまたはグリシンを加えた場合とは対照的であによりこの反応が促進されていることを示している。

る。
表 1 に、実験から得られた各試料の蛍光寿命を示す。

Human SHMT に関しても同様の光反応が起こるものと観測波長による蛍光減衰の挙動に大きな変化はみられ考えられる。
D-セリンを添加した場合には光励起によるなかったため、蛍光寿命は 480、510、550、600 nm の各

アルジミン形成反応は起こらないことを示しており、観測波長で得られた寿命の平均値とした。PvSHMT とSHMT の酵素反応におけるアミノ酸選択性との相関が

PfSHMT を比較すると、アミノ酸の添加により短寿命おみられる。一方、L-セリンを添加した試料では、短寿命

よび長寿命成分共に寿命の減少がみられること、また成分については他の SHMT と同様の消光を示すものの、

L-セリンとグリシンでは L-セリンの方が SHMT のみの長寿命成分の寿命は変化せず成分比が増大しており、他場合と比較して寿命の減少率が高く、消光率が大きいこの試料とは挙動がやや異なる。おそらくシッフ塩基周囲とが共通する特徴に挙げられる。一方、各アミノ酸を添の蛋白構造の変化によりアミノ酸との接触が妨げられ加した試料の消光率は PvSHMT の方がPfSHMT に比べているものと考えられるが、その要因については現在明

大きいことなど、異なった特徴もみられた。これらの消確ではなく、今後明らかにすべき課題である。

光率の変化は SHMT と各アミノ酸間の反応性の高さと関連があるものと考えられる。Chaiyen らは、熱反応（暗４����条件）での SHMT と L-セリン間の反応をストップトフ

本研究では、フェムト〜ピコ秒領域での時間分

ロー法により調べており、酵素とアミノ酸の親和性（反解蛍光計測法を用いてマラリア原虫およびヒト

応のし易さ）を表す指標であるミカエリス定数 K由来セリンヒドロキシメチル転移酵素（SHMT）

─ 52 ─

の光励起過程について検討した。SHMT の蛍光は

2) S. Maenpuen, K. Sopitthummakhun, Y. Yuthavong,, P.

多成分指数関数で減衰し補欠分子 PLP 水溶液と

Chaiyen,

同様の挙動を示すが、シッフ塩基の形成による蛍Biochemical Parasitlogy, 168, 63-73, 2009.

光寿命の増大がみられた。また反応基質であるア

Molecular&4) I. I. Stepuro, N. V. Konovalova, A. A. Solodunov and A. S.
Tyshchenko: Mol. Biol., 27, 483-487, 1993.
5) N. Mataga, H. Chosrowjan, S. Taniguchi, F. Tanaka, N . Kido and
M. Kitamura: J. Phys. Chem. B, 106, 8917-8920, 2002.

素反応の中間体であることから、本研究で得られた結果
は光による SHMT の酵素反応制御の可能性を示すもの

Leartsakulpanich:

1375-1379, 1984.

時の SHMT の蛍光消光過程がアルジミン形成反応に起因することを明らかにした。アルジミンは SHMT の酵

U.

3) T. J. Cornish and J. W. Ledbetter: IEEE J. Quantumn Electron, 20,

ミノ酸（L-セリン、グリシン）存在下での SHMTの光励起過程についても検討を行い、アミノ酸添加and6) A. Mandal, J. Nakayama, N. Tamai, V. Biju and M. Isikawa: J.
Phys. Chem. B, 111, 12765-12771, 2007.

であり、今後も更に詳細な検討を進めていく予定である。

7) H. Chosrowjan, S. Taniguchi, N. Mataga, T. Pongsak, J.
Sucharitakul, P. Chaiyen and F. Tanaka: J. Phys. Chem. B, 113,⻢ㄉ
本研究は、田中文夫 Chulalongkorn 大学客員教授と共同で行われたものである。また研究に用いた酵素試料は8439-8442, 2009.
8) M. P. Hill, E. C. Carroll, M. D. Toney and D. S. Larsen: J. Phys.

P. Chaiyen Mahidol 大学教授から提供を受けた。また、

Chem. B, 112, 5867-5873, 2008.

フォトンカウンティング計測に関しては玉井尚登関西

9) M. P. Hill, E. C. Carroll, M. C. Vang, T. A. Addington, M. D.

学院大学教授の協力を得た。ご協力に感謝致します。

Toney and D. S. Larsen: J. Am. Chem. Soc., 132, 16953-16961,
1993.
10)K. Sopitthummakhun, C. Thongpanchang, T. Vilavian, Y.

ෳ⠨ᢥ₂1) K. Sopitthummakhun, S. Maenpuen, Y. Yuthavong,U.

Leartsakulpanich and P. Chaiyen: FEBS Journal, 276,4023-4036, 2009.

─ 53 ─

Yuthavong, P. Chaiyen and U. Leartsakulpanich: Malaria Journal,
11, 194-206, 2012.

液中レーザーアブレーション法によるナノ粒子作製：溶媒効果の検討
レーザーバイオ化学研究チーム
谷口誠治、岡田竹弘 1、佐伯1

拓1

関西大学システム理工学部

１．はじめに

２．実験

液中レーザーアブレーション法は、気相法等に比べ真溶媒にはアセトン、
水、
エタノール、
アセトニトリル、

空系や冷却系等の装置を必要とせず、より簡便で低コス

シクロヘキサンの 5 種を用いた。図 1 に各溶媒の分子構

トのナノ粒子生成法である。このことから近年、この手造を示す。アセトン、水、エタノールは分子中に酸素を法を用いて金属や金属酸化物、有機化合物等、様々な材持つが、アセトンの酸素はカルボニル（=O）基、エタ

料のナノ粒子を作製しようとする研究が数多く行われノールはヒドロキシ（-OH）基として存在しており、物るようになってきた。我々はこれまで、金属ナノ粒子の性が異なる。アセトニトリル、シクロヘキサンは分子中

水素生産分野への応用を目指し、液中レーザーアブレーに酸素を持たないが、アセトニトリルは酸素のかわりにション法を利用して金属酸化物の還元、ナノ粒子化を一窒素が結合している。各溶媒の基本的な物性を表 1 に示段階で行う手法を確立するため研究を行ってきた。そのす。水、エタノールはヒドロキシ基を介して溶媒分子同結果、溶媒に有機溶媒の一種であるアセトンを用いるこ士が水素結合しネットワークを形成するため、粘度、比とにより、酸化第二鉄（Fe2O3）の還元およびナノ粒子

熱、沸点の各物性値が他の溶媒に比べて大きくなる。酸化に成功した 1)。また我々は、この手法により作製した化鉄試料には粒径 45 μm 以下（325 メッシュ処理）の粉

還元鉄ナノ粒子を用いて水素生成実験を行い、比較的高い効率で水素発生が起こることを確認した 2)。

H3C

液中レーザーアブレーション法を技術的に確立する

C

CH3

通常この手法には水が媒体として用いられることが多いが、生成するナノ粒子の物性によっては水と反応してH3Cしまう場合や、ナノ粒子の凝集性が強まる可能性がある。

H

Water

O
Acetoneために考慮するべき要素の一つに、溶媒の選定がある。

O

H

C

N

Acetonitrile

このことから、近年では水のかわりに種々の有機溶媒を

H2C

H3C
H2
C

H2
C
Ethanol

OH

CH2

H2C

CH2
C
H2
Cyclohexane

図 1 溶媒の分子図用いた研究が多くみられるようになってきた。我々はこれまで、溶媒には金属ナノ粒子の凝集抑制効果があると

表 1 溶媒の物性値の報告 3)があるアセトンを用いてきたが、ナノ粒子作製の最適条件を決定するためには、他の溶媒についても検討を行う必要がある。本稿では、分子構造および物性が異なる数種の溶媒を用いて酸化鉄のレーザー照射実験

溶媒

密度
g/cm3

粘度 a
mPa・s

比熱 a
cal/g・K

誘電率

Acetone

0.788

0.332

0.52

20.7

Water

1

1

0.997

78.3

を行い、酸化鉄の還元・ナノ粒子化過程の違いを比較検

Ethanol

0.789

1.2

0.706

24.3

討した結果を報告する。また生成物を透過型電子顕微鏡

Actonitorile

0.786

0.35

0.304

37.5

Cyclohexane

0.779

0.898

0.442

2.02

（TEM）により観測し、その物性について検討した結果についても述べる。

a20℃での値─ 55 ─

末状酸化第二鉄（Fe2O3、純度＞98%（キシダ化学））を使用した。図 2 にレーザー照射実験の配置図を示す。
反応槽に底部が円錐状となっている梨型フラスコ（容量50 ml）を用いその下方からレーザー光を打ち上げる方式である 2)。この方式では、粒径の大きな酸化鉄粉末はフラスコの底部に沈殿するため、レーザーを効率よく酸化鉄に照射できる。また、この方式ではレーザーにより還元、ナノ粒子化した試料は溶媒内に分散することから、
図 2 レーザー照射実験配置図

生成ナノ粒子へのレーザーの再照射を抑制する効果もある。照射試料はフラスコに 30 ml の溶媒と 20 mg の酸化第二鉄を加えた後、空気（酸素）除去のためアルゴン

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

置換を行い、密閉して実験に使用した。レーザー光源には、ナノ秒パルス YAG レーザー（Surelite I (コンティニ
ュアム社)、波長 1064 nm、パルス幅 8 ns、光径 6 mmφ、
強度< 300 mJ/pulse、繰り返し 10 Hz）の第二高調波（532nm）を用いた。また、生成物の電子顕微鏡観測には透過電子顕微鏡（H-800B、HITACHI）を使用した。また
電子顕微鏡観測用の試料は、コロジオン被覆を施した銅メッシュ（STM ミクロングリッド 150Cu、STEM 社）
上にレーザー照射後の懸濁液を滴下し、風乾して作製した。

図 3 (a)レーザー照射前、(b)アセトン、(c)水、(d)エタ

３．結果と考察
3.1 レーザーによる還元鉄ナノ粒子の作製：溶媒

ノール、(e)アセトニトリル、(f)シクロヘキサン中効果の検討の酸化第二鉄へのレーザー照射後の写真

図 3 に、各溶媒中での酸化第二鉄へのレーザー照射後の写真を示す。レーザー光の強度は 1 W (100 mJ/pulse、

これにより水中においても還元反応が進行することが10 Hz)、照射時間は 20 分である。いずれの溶媒中でもわかった（図 3(c)）。アセトン中での酸化第二鉄の還元

試料は赤色から黒色に変化し、また磁性を示すようにな

効率は、レーザー強度 1 W あたり約 20 mg/h であった 4)

った。このことからレーザー照射により第二酸化鉄が還が、今回の実験結果（図 3(b)）から、第二高調波を用い元され、三酸化四鉄（Fe3O4）および酸化第一鉄（FeO）、た場合には還元効率は少なくとも 3 倍以上（＞60 mg/h）

あるいは鉄（Fe）が生成することがわかった。我々は以に増大するものと考えられる。おそらく波長の変化によ

前、YAG レーザーの基本波（1064 nm）を用い、同様のり酸化鉄の光吸収率が増大したためでではないかと考

実験条件（光強度 1 W、照射時間 30 分）で酸化第二鉄

えられる。
その他の溶媒（エタノール、
アセトニトリル、のレーザー照射実験を行ったが、水中では酸化鉄の一部

シクロヘキサン）中では、アルコール中において反応がしか還元が起こらなかった 4)。これに対し今回の実験でやや速く進行するものの、アセトン中とほぼ同様の挙動

はレーザー波長に第二高調波（532 nm）を用いており、を示しており、溶媒の分子構造や分子中の酸素等の影響

─ 56 ─

Acetone

は顕著に見られなかった。次に生成物粒子の分散・凝集

Water

Ethanol

Acetonitrile Cyclohexane

性を調べるため、レーザー照射後の試料を一定時間静置し、生成物が沈殿する様子を観察した。図 4 に、1 時間
および 15 時間経過後の各試料の写真を示す。水およびシクロヘキサン中では 1 時間以内に生成物はほぼ沈殿
し、粒子の凝集性は高い。アセトン、エタノール中では
1 時間後

15 時間経過後には生成物はほぼ沈殿するが、液体は茶色に着色しているためある程度の分散性はある。一方、アセトニトリル中では、15 時間経過後も生成物粒子の多くは沈殿せず、分散を保っている。これらの挙動は溶媒の密度や粘度との相関は無いが、水を例外とすれば溶媒の誘電率（極性）との相関があるように思われる。アセトンで報告されているナノ粒子の凝集抑制作用 3)は、

15 時間後分子中のカルボニル基がナノ粒子周囲に配向すること
により起こると考えられるが、アセトニトリルの場合はシアノ基（-CN）が、エタノールの場合はヒドロキシ基がその役割を果たすと考えられる。アセトニトリルは極性が大きいため粒子への配向性も高くなり、凝集抑制効
果も大きくなるものと考えられる。ただし、この効果は

図 4 各溶媒中での 1 時間後、15 時間後の生成物の沈殿の様子

溶媒と溶質との静電相互作用が要因となるため、生成した粒子は正負どちらかに帯電している可能性がある。また、水中での凝集性ついては、水和物の形成等、水分子

後、溶媒により冷却され粒子化されたことを示す。一方と鉄との化学的な反応が関連していると考えられるが、粒径分布については、
図 6(a)でみられるように粒径 1 μm

その要因については明確ではない。

以上の大きな粒子の生成がみられるものの、図 6(b)のよ
うに粒径 10〜30 nm 程度の小粒径のナノ粒子も多くみ

3.2 透過型電子顕微鏡（TEM）による生成物分析られた。大粒径の粒子は、レーザーにより一旦生成した

酸化第二鉄のレーザー照射後の試料について、透過電

小粒径のナノ粒子が再度レーザー照射を受け、粒子同士子顕微鏡による観測を行いその物性について検討した。

が融着することにより生成したものと考えられる。図 7

参照物として先ず、レーザー照射前の酸化第二鉄粉末試に、水中でのレーザー照射後の試料の画像を示す。アセ

料の観測を行った。ただし、試料はメッシュで処理してトン中と同様、粒径が数 100〜数 10 nm のナノ粒子が観いるため、45 μm 以下の粒子も存在する。図 5 に明視野測されている。また、電子顕微鏡の解像度の関係から画TEM 画像を示す。100 nm〜1 μm 程度の様々な粒径の粒像からは判断しにくいが、粒径が更に小さな（< 10 nm）

子が観測されるが、いずれも形状はいびつで、また粒子のナノ粒子が集積し、膜化したようにみえる部分もみら同士が凝集して大きな塊状になっているのがわかる。図れる。このような部分がみられるのはアセトン中でも同6 に、アセトン中でのレーザー照射後の生成物の明視野様である（図 6(b)）。TEM による電子線回折測定では、

TEM 画像を示す。粒子の形状はいずれも球状であり、画像から球形が確認できる粒子と、膜化したようにみえ

これはレーザーにより酸化第二鉄がアブレートされたる部分では異なる結果が得られており、おそらく、レー─ 57 ─

(b)

(a)

100nm

100nm

図 5 酸化第二鉄粉末の TEM 画像

100nm

図 6 アセトン中でのレーザー照射後の試料の TEM 画像

(a)

(b)

100nm

100nm

図 7 水中でのレーザー照射後の試料の TEM 画像

ザー照射により生成すると考えられる物質（三酸化四鉄

謝辞（Fe3O4）や鉄（Fe）等）の物性の違いにより、生成す

本研究における透過電子顕微鏡による観測は、大阪大

る粒子の粒径も異なってくるものと考えられる。今後、

学超高圧電子顕微鏡センターの協力を得て行われた。ご

電子線回折の分析を進め、生成物の同定や存在比等を明協力に感謝致します。

らかにしていく。
参考文献
1) 谷口誠治, 佐伯 拓, 岡田竹弘, 古 隆志: レーザー学会第４．まとめ

421 回研究会報告「21 世紀のレーザー技術」, RTM-11-56,

液中レーザーアブレーション法による還元鉄ナノ粒

25-30, 2011.

子の作製法の開発に関し、本研究では溶媒の効果について検討した。その結果、生成効率への効果は顕著ではな

2) T. Okada, T. Saiki, S.Taniguchi, T. Ueda, K. Nakamura, Y.

いが、生成ナノ粒子の凝集抑制効果に差がみられた。まnishikawa and Y. iida: ISRN Renewable Energy (Open access

た生成ナノ粒子の透過電子顕微鏡測定を行い、ナノ粒子

journal), 2013, 827681, 2013.

の粒径は物質の組成に依存する可能性があることがわ

3) M. Kawasaki and M. Nishimura: J. Phys. Chem. C, 112,
15647-15655, 2008.

かった。今後、電子線回折の分析等を進め、生成物の同定や在比等を明らかにする予定である。

4) 谷口誠治, 岡田竹弘, 佐伯 拓: ILT0212 年報, レーザー技術総合研究所, 2012.

─ 58 ─

高平均出力固体レーザーの熱効果解析
理論・シミュレーションチーム
古河裕之、伊山功一 1、藤田尚徳 2、宮永憲明 2
1
2

浜松ホトニクス（株）

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
熱流体計算、及び熱応力計算を行うためには、吸収し１．はじめに
本研究は、NEDO「次世代素材等レーザー加工技術開た励起光エネルギーから熱エネルギーへの変換率（発熱発プロジェクト、次世代レーザー加工技術の開発」にお率）を評価しなければならない。Nd:YAG セラミクスをける、半導体レーザー(LD)励起 kW 級 Nd:YAG コンポ

用いた場合、従来は発熱率は 0.3 程度であると言われ

ジットセラミクスシンディスクレーザーの開発のためていたが、励起エネルギー密度が高い場合、発熱率は 2の熱効果解析である。LD 励起高平均出力固体レーザー倍程度以上になる危険性があることが、本研究により分の開発においては、吸収された LD 光の内、励起に用いかった。2 章にて、原子物理的考察による発熱率の導出られなかった分は熱となり、レーザー増幅、波面の均質について述べる。3 章では、熱応力計算により求めた応

性などに大きな影響を与える。本研究において、プロジ

力分布を用いた、試作機の熱破壊特性の評価について述ェクト前からレーザー総研が所有していた「熱効果を含べる。4 章では、熱レンズ効果、波面歪、及び波面補償

む光線追跡コード THESLAC」を大幅に改良し、阪大レ

計算について述べる。5 章では、熱効果を含んだ増幅計

ーザー研から提案された試作機案に対し、増幅器の熱レ算について述べる。6 章は結言である。

ンズ効果、波面歪、増幅特性等を評価した。図 1 はTHESLAC の概要図である。シミュレーションの流れは

２．原子物理的考察による発熱率の導出
図 2 は、発熱率の導出に使用した原子モデルである。

以下のようになる。
1) Solid Works の CAD 機能を用いて、計算機上にモデルを作成し、モデルデータを Scryu/Tetra に入力し、E1, E2, E3 が、それぞれ温度に対してボルツマン分布で拡がりを持っていると仮定する。

熱流体計算、及び熱応力計算を行う。
2) 本研究で作成したインターフェイスプログラムを用いて、Scryu/Tetra の結果を THESLAC に入力し、光線追跡計算を行い、熱レンズ効果、波面歪、利得特

f  E  dE  E  Es 
1
exp   dE
2kBT
k BT 

 f  E  dE  1

(2)



性等を評価する。

Solid Works CAD
によるモデル作成
Scryu / Tetra
による熱流体応力計算(1)

基底準位から E3 に励起される確率は、(3)式になる。
P  E3   h  3   h  3  f  E  dE

 h   h 
 1  exp   k BT  k BT

本研究で作成した
インターフェイスプログラム(3)

THESLACによる光線追跡

種光の周波数広がりは 40 MHz 程度であり、温度換算で

図 1 THESLAC の概要図

2 mK 程度なので、エネルギー準位の拡がり幅より十分
─ 59 ─

LD
0.1kWから1kW小さい。つまり、照射された LD 光のうち光として取りLD
0.1kWから1kW

入斜面

出しうる最大効率 は、以下のようになる。

7 mm f

7 mm f15

3808  T0 1064  T 

, T0  293.15 K

30

7x14

光として取り出せなかったエネルギーが全て熱に変水流
10 m/s7x1420

わるとすると、発熱率 q は以下のようになる。

q  1 水流 10 m/s
（紙面裏から表）

91.7986

(4)

20

種光の
観測面

20

図 3 試作機案の概略図(5)

図 4 は、LD 光の強度分布を考慮して求めた、シミュ
レーションで用いた発熱分布である。図 5 は、0.5 kW, 2

つまり、温度は発熱率の関数であり、発熱率は温度の関ビームで励起した場合の温度分布である。発熱するのは数である。4 章で詳述するが、0.5 kW の LD2 台で励起

Nd:YAG 部分のみなのだが、Non-doped YAG セラミク

した場合、発熱率を 0.6 とすると、種光の光線に沿ってス部分にも温度分布が生成されている。

Nd:YAG 内の温度の平均値を求めると、93.32℃であった。この温度は、増幅の中心波長のずれの実験結果から
単位体積あたりの発熱量 (a.u.)5

求められる温度と良い一致を示している。さらに、この値を(4)式と(5)式に代入すると、q = 0.6113 となり、モデルの妥当性が示された。考慮すべき蛍光損失は、それぞれの準位の寿命から考えて、本モデルに含まれている
E2 から E1 への遷移による物のみで良い。

4
3
2
1

0
-10

-5

0

位置 (mm)

5

10

E3
E2

図 4 シミュレーションで用いた発熱分布

E1
0

20

図 2 発熱率の導出に使用した原子モデル

温度（℃）

144

図 5 0.5 kW, 2 ビームで励起した場合の温度分布
３．試作機の熱破壊特性の評価
図 3 は、阪大レーザー研から提案された試作機案の概過大な引っ張り応力が生じると、材料は熱的破壊を起略図である。Non-doped YAG セラミクスを 0.5 mm 厚さ

こす危険性がある。最大許容引っ張り応力は、熱衝撃パの Nd:YAG でコンポジットした構造になっている。対ラメーターなどを用いて、(6)式のように表される。

向 2 ビーム励起の場合、下図の矢印に沿って LD 光が伝播し、Nd:YAG 中で吸収され発熱する。それにより温度分布が生成され、熱効果が発生する。

 max 

─ 60 ─

ERs 1  (6)

(6)式に、Nd:YAG の物性値を入力して最大許容引っ

４．熱レンズ効果、波面歪、及び波面補償計算

張り応力を求めると、282 MPa となる。

図 9 は、光線追跡計算の概略図である。多数の光線を

図 6 は 0.5 kW, 2 ビーム励起の場合の垂直方向の応力計算機上で飛ばし、場の関数として定義された屈折率の分布、図 7 は 0.8 kW, 2 ビーム励起の場合の垂直方向の変化に伴い、スネルの法則に従って屈折する。境界面近応力分布、図 8 は 1 kW, 2 ビーム励起の場合の垂直方向

傍に光線が達した場合、境界面の変形データに基づき、の応力分布である。1 kW, 2 ビーム励起の場合、許容量

補間曲面と接平面を求め、光線を反射させる。

を超えた引っ張り応力が発生している。0.8 kW, 2 ビー
ム励起の場合でも、あまり余裕はない。0.5 kW, 2 ビー
ム励起程度以下で運転することが望ましい。
如何に効率良く冷却しても、Nd:YAG の表面の温度が低下するだけであり、内部の温度勾配や応力分布等には

n2
n1
補間曲面

大きな変化はない。発熱量の低減が非常に重要である。

接平面

スネルの法則図 9 光線追跡計算の概略図

図 10 は、シミュレーション及び実験で求めた、熱レ
ンズ焦点距離 f の逆数を、2 ビーム分の励起 LD 光パワーの関数として表したものである。波面歪を球面と仮定-182

応力 (MPa)

すると、波面歪の peak to valley 値  と熱レンズ焦点距

122

離 f の逆数は、以下のような関係になる。

図 6 0.5 kW, 2 ビーム励起の場合の垂直方向の応力分
1 2

f R2

布

, R  3.5 mm(7)

両者は良い一致を示している。また、如何に効率良く冷却しても、Nd:YAG の表面の温度が低下するだけであり、内部の温度勾配、波面歪等に大きな改善は期待出来-360

応力 (MPa)240

ない。発熱量の低減が非常に重要である。

図 7 0.8 kW, 2 ビーム励起の場合の垂直方向の応力分10

布シミュレーション実験

1/f (m)

8
6

4
2
0

-570

応力 (MPa)

365

0

500

1000

LD (W)

1500

2000

図 10 シミュレーション及び実験で求めた、熱レンズ

図 8 1 kW, 2 ビーム励起の場合の垂直方向の応力分布
─ 61 ─

焦点距離 f の逆数

図 11 は、シミュレーションで求めた Nd:YAG の平均

LD 光を下方向に 2°程傾けて照射した場合の波面歪で温度と、その温度から求めた小信号増幅光の中心波長である。波面歪みの中心位置が僅かに上にずれて、楕円形ある。実験とよく一致している。

からさらに変形している。

180

1064.91401064.71001064.560

1064.320中心波長 (nm)

平均温度（℃）

220

LD

LD

種光

種光

図 13 geometry の説明図

垂直 (mm)

0

500

1000

LD (W)

1500

2000
波面歪が
最大となる点

図 11 シミュレーションで求めた Nd:YAG の平均温度

水平 (mm)と、その温度から求めた小信号増幅光の中心波
長図 12 は、0.8 kW, 2 ビーム励起の場合の、シミュレー
ションで求めた波面歪である。peak to valley 値で 33.35-340

波面歪/波長図 14 0.8 kW, 2 ビーム励起で、LD 光を下方向に 2°程傾けて照射した場合の波面歪波長である。
図中の細線は、等高線である。
中心付近が、
円形でなく楕円形になっていることがわかる。実験ではSID4 を用いて計測しており、Zernike 展開で表される

図 15 は、図 14 の水平方向、及び垂直方向の断面図でモードしか測定できず、楕円は表現できない。よって、ある。図 15 から、図 14 の波面は、単純な球面レンズで高次モードなどをシミュレーションと実験で詳細に比は補償できない、ことがわかる。そこで、シリンドリカ

較するには、実験方法を改める必要がある。

ルレンズを2枚用いて、
図14の波面の補償を行なった。
図 16 は、その配置図である。図 17 は、シリンドリカル
レンズのパラメーターを最適化して得られた、補償後の波面である。

-33.35 波面歪/波長0

図 12 0.8 kW, 2 ビーム励起の場合の、シミュレーショ
ンで求めた波面歪実験では、種光は水平に入射しているが、LD 光は下方向に 2°程傾けて照射している。図 13 は、そのgeometry の説明図、図 14 は、0.8 kW, 2 ビーム励起で、─ 62 ─

波面歪 / 波長

0

-10

水平

-20

垂直

-30

-40
-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

水平 (mm) , 垂直(mm)4

図 15 図 14 の水平方向、及び垂直方向の断面図

ここで、n は反転分布数密度、f は光子数密度、 は観測面２
水流 10 m/s
（紙面裏から表）

LD

誘導放出断面積である。種光の入力 150 W、パルス幅

LD
7 mm f

入斜面

シリンドリカル
観測面１ レンズ2枚

7 mm f15

1 ns、誘導放出断面積 6.5 × 10-19 cm-2 の場合、光が 2 mm
進行する時間で反転分布密度が減少する割合は、2 × 10-4

図 16 波面補償の配置図程度である。ビームの重なりの効果でき、温度効果を考えなければ、試作機モデルと simple model は同じ結果を出す。
0.5 kW, 4 ビーム励起を想定する。誘導放出断面積
6.5 × 10-19 cm-2、種光入力 150 W、167 kHz（１パルスあたり、約 0.9 mJ）とし、パルス幅 1 ns で矩形波を仮定
し、(8)式及び(9)式を解き、パルス幅内の利得の時間発展を求めた。図 19 に示す。平均値として 93.95 が得ら-10

波面歪/波長れた。飽和フルエンス効果を含んだ小信号利得計算 1)0

図 17 補償後の波面を行うと、１パルス目の利得は 95.37 となった。1 パル
ス幅内の利得の時間発展を求める必要は全くない。

５．熱効果を含んだ増幅計算
増幅計算を行うにあたり、(a) simple model と(b) 試作

150

機モデルの 2 つを考える
100
2 mm

2 mm

2 mm

2 mm

2 mm

利得

(a)

2 mm

x 0.9

7mm

50

(b)

LD 0.5kW,

LD 0.5kW、種光 8 W から 150 W
7 mm f15

LD 0.5kW,
7 mm f

7 mm fx 0.9

0

LD 0.5kW,00.2

図 18 増幅計算のモデル(a) simple model

0.6

0.8

1

時間 (ns)7 mm f

出力光0.4

図 19 パルス幅内の利得の時間発展(b) 試作機モデル
実際には、約 6 s ごとにパルスが通過するパルス列

パルス幅内の励起や蛍光を無視すれば、1 パルスの増幅計算は以下の連立方程式を解けばよい 1)。

となっている。1 つのパルスが通過する間に、反転分布
数密度は減少する。次のパルスが通過するまでの時間に、蛍光及び励起により反転分布数密度は変化する。このよ n  z, t t f  z, t t  c n  z, t  f  z, t     , T  z  c f  z, t z(8)

うな効果を取り入れて、パルス列に対する利得を求めた。
図 20 に示す。1 パルス目だけが突出して値が大きいことがわかる。十分大きなパルス数に対しては、利得が一 c n  z, t  f  z, t     , T  z  

定値となる。以降、その一定値をその入力に対する利得(9)値とし、出力を求める。

─ 63 ─

６．結言100

プロジェクト前からレーザー総研が所有していた「熱利得

80効果を含む光線追跡コード THESLAC」を大幅に改良し、阪大レーザー研から提案された試作機案に対し、増幅器

60の熱レンズ効果、波面歪、増幅特性等を評価した。
Nd:YAG セラミクスを用いた場合、従来は発熱率は40

0.3 程度であると言われていたが、励起エネルギー密度200が高い場合、発熱率は 2 倍程度以上になる危険性があることが、本研究により分かった。
0

5

10

15

パルス

20

熱破壊を防ぐには、0.5 kW, 2 ビーム励起程度以下で運転することが望ましい、ことが分かった。

図 20 パルス列に対する利得シミュレーションにより求めた波面歪みの peak tovalley 値が、実験値とよく一致した。

熱効果を含んだ反転分布数密度、及び誘導放出断面積

シミュレーションで求めた波面歪の中心付近をよくは、2 章の原子モデルから、以下のように定義できる。

見ると、円形でなく楕円形になっている。実験では SID4を用いて計測しており、Zernike 展開で表されるモード

T  T    0   0 
T 

2

T 
, n T   n0   0 
T 

(10)

しか実験的には測定できない。よって、高次モードなど
をシミュレーションと実験で詳細に比較するには、実験方法を改める必要がある、ことが分かった。

試作機モデルに温度分布を入力し、反転分布数密度分得られた波面歪は、単純な球面レンズでは補償できな

布、及び誘導放出断面積分布を求め、光線追跡により出い、ことが分かった。そこで、シリンドリカルレンズを力を求めた。図 21 に結果を示す。横軸は入力(W)、縦2 枚用いて、波面の補償を行なった。

軸は出力(W)である。種光と励起光の位置が垂直方向に増幅計算を行う際、ビームの重なりは無視できる、こ2 mm ずれると、出力は大きく減少する。LD を下に傾とが分かった。1 パルス幅内の利得の時間発展を求める

けても、出力に大きな差はない。

必要は全くない、ことも分かった。
試作機モデルに温度分布を入力し、反転分布数密度分600

布、及び誘導放出断面積分布を求め、光線追跡により出

出力(W)

500

力を求めた。種光と励起光の位置が垂直方向に 2 mm ず

400

れると、
出力は大きく減少するが、LD を下に傾けても、

２°

水平出力に大きな差はない、ことが分かった。

300

水平、
ずれ2 mm200

本研究の一部は NEDO「次世代素材等レーザー加工

1000

技術開発プロジェクト 次世代レーザー加工技術の開発」の委託により行われた。
0

50

100

入力(W)
図 21 光線追跡により求めた出力

150

参考文献
1) 岡田大: 学位論文 , 2007.

─ 64 ─

����(EUV)������
理論・シミュレーションチーム
砂原淳
程の解明・制御と、その後の炭酸ガスレーザー照射によ������
現在、量産されている回路線幅22 nm(ハーフピッチ)

るEUV発光の高効率化である。本稿では、スズドロッの半導体はArFレーザー(192 nm)を光源として用い、液プレットのダイナミクスを流体シミュレーションによ

浸技術により屈折率を大きくする露光方式を用いてリり探求することを目標として行った研究成果について

ソグラフィが行われている。しかしながら、この方法でまとめる。スズドロップレットの挙動とプラズマ生成過今後の16 nmの回路線幅の半導体リソグラフィに対応す

程は未だよく判っていない事が多く、その計算も物理的、るのは難しく、ダブルパターニング等の多重露光技術が数値計算的な困難さがあり、定性的な計算のみであった必要とされ、半導体製造コストの増大が懸念されている。

のが現実である。ギガフォトンにより、スズドロップレ

そこで、16 nm回路線幅においてダブルパターニングがットをプラズマ化する際の条件次第で、5%を超える

不要な波長13.5 nmの極端紫外線（Extreme Ultra-Violet:

EUV発光効率が得られることが実証され、EUV光源のEUV）が次世代光源として期待されている。このEUV

さらなる高出力化に向けた物理の理解と定量評価手法

光源は16 nmより狭い回路戦幅への適用も可能であり、の確立が一層求められるようになっている。我々は開発高いポテンシャルを持つが故にEUV光は世界中で研究したコードを用いてドロップレットの膨脹を計算した。

開発が行われて来た。EUV光源に求められるのは高い
発光効率、高出力、高い安定度である。これらの目標を��������������

達成すべく、我々はレーザー生成スズプラズマに注目し、現在、我々が考えているEUV光源は図1に示すように、

EUV発光の物理探究とプラズマ条件の最適化を行ってダブルパルスを用いる2段階照射方式である1)。まず、ス来た。平成15-19年度に阪大レーザー研を中心として実ズドロップレットに最初のレーザー（プリパルス）を照施された文部科学省リーディングプロジェクトにおい射する。プリパルスの波長 は1 μmを想定している。

て、レーザー生成スズプラズマからのEUV発光効率3%の実証、炭酸ガスレーザーの優位性の発見、スズドロッ
プレットに対してダブルパルス照射を行い EUV変換
効率4%を実証するなど、レーザー生成スズプラズマからのEUV発光の高効率化の指針を世界に先駆けて見出し、EUV発光の物理機構解明と高効率、高出力化に向けたプラズマ条件最適化において実績を挙げて来た。現在、世界のEUV光源研究は2016年頃の量産開始を目標に、炭酸ガスレーザーを用い、スズドロップレットにダ
ブルパルス照射を行う方式を中心に研究が進められている。方式で重要なのは、スズドロップレットに最初の

図1 ダブルパルス照射方式によるレーザープラズマEUV

レーザーを照射する際のダイナミクス、プラズマ生成過─ 65 ─

光源の概念

プリパルス照射によりプリプラズマが生成され、数μm、レーザー強度は1×1010 W/cm2、パルス幅は10 nsで、

100 nsから数μsの時間をかけて、ドロップレットの典型

図2の時間発展の間、一定強度で照射される。図は底辺的なサイズ20 μmから数100 μmまでプラズマが膨脹すにおいて軸対称を仮定している。図より判るように、ドる。膨脹したスズプラズマに対して、2発目のメインパ

ロップレットの右からレーザーを照射しているにもかルスである炭酸ガスレーザーを照射し、EUV光を発生

かわらず、ドロップレットの周辺部からドロップレット

させる。この時、一番大事な事は炭酸ガスレーザーの吸中心部に向かって圧力波が進行し(時刻3.0 ns)、中心部で収率を如何に高めるか、ということであり、スズのプリ

跳ね返った後に中心部は再び圧力が下がる。これは圧力プラズマが充分な密度スケール長を有していることが波に伴う流体運動により、密度が希薄に なるためであ必須である。炭酸ガスレーザーの充分な吸収を期待する

る(時刻4.2 ns)。その後はドロップレット周辺部の圧力がには密度スケール長は典型的な値として200 μm以上が高く、中心に向かって圧力波が進行する(時刻5.8 ns)。こ必要である。そのため、プリプラズマの生成、即ちスズのように、ドロップレットの内部を圧力波が何度もバウ

ドロップレットの挙動が重要である。しかしながら、典ンスする様子が見られた。ドロップレット右側には絶え型的なレーザー条件においてはスズドロップレットはずレーザーが照射されており、単純には右から左へと衝

高密度・低温のいわゆるWarm Dense Matter領域に入り、撃波が通過するダイナミクスになると想像されたが、計非理想的なプラズマとしての状態方程 式の影響を強く算の結果はそのような簡単なイメージではなく、圧力波受けることになる。我々は米国ローレンスバークレーのが高い領域のうしろには圧力の低い領域が形成され、まDr. R. Moreの協力を得て、高精度な状態方程式を放射流たその背後に圧力の高い領域がくるということが判っ

体コード2)に導入し、スズドロップレットにプリパルス

た。この交互に山と谷をもつ圧力波の通過によって、ドが照射される際のスズドロップレットの挙動を計算しロップレットは単純な膨脹にならず、圧力の高い部分がた。最も外側の低密 度スズプラズマの膨脹については

通過後に膨脹しようとしても圧力の低い部分がひきも昨年度に報告しているので、ここでは高密度スズのバル

どす作用を及ぼすことが判った。現在、より多様な条件

クに注目して行った計算結果を示す。図2に典型的なスでスズドロップレットの挙動を解析中である。

ズドロップレット内部の圧力の時間発展を示す。本計算
ではドロップレットに対し、レーザーは右から照射され�����る。その際、レーザーのスポットサイズはドロップレッ

スズドロップレットにレーザーを照射する際のドロトよりも大きい直径100 μmである。レーザー波長は1.06

ップレットの挙動を中心に、次世代半導体リソグラフィ

図2 直径100 μmのスズドロップレット内部のレーザー照射開始から(a)3.0 ns, (b)4.2 ns, (c)5.8 nsの時刻に対応する圧力の時間発展

─ 66 ─

に必須である高効率・高出力光源の開発に向けてシミュෳ⠨ᢥ₂

レーション研究を行った。今後は分子動力学的手法を用

1) K. Nishihara, A. Sunahara, A. Sasaki, et al.: Phys. Plasmas, 15,056708, 2008.

いてスズドロップレットの挙動を計算し、流体計算と比較するなど、スズの物性についてさらに深く研究を進め

2) Sunahara, A. Sasaki, H. Tanuma, K. Nishihara, T. Nishikawa, F.

る予定である。また、これらの知見をベースに、スズド

Koike, S. Fujioka, T. Aota, M. Yamaura, Y. Shimada, H. Nishimura,

ロップレットから EUV 光放射に至る全ての過程を統合

Y. Izawa, N. Miyanaga, and K. Mima: J. Plasma Fusion Res., 83,

したシミュレーションを行い、高効率 EUV 発光の条件

920-926, 2007.

を見いだす予定である。

─ 67 ─

��������������������
理論・シミュレーションチーム
砂原

淳(1)のレーザーから高速電子への変換効率は様々な運������
大阪大学では高速点火実験（FIREX実験）を推進して動エネルギーを持つ粒子をエネルギー積分した変換効

おり、昨年過去最大の中性子数を発生させるなど、核融率として定義し、最終的なコアへの粒子エネルギー付与

合点火温度である5 keVの爆縮プラズマ温度達成を目指の運動エネルギー依存性は(4)で評価することにする。

して研究が進んでいる。目下の課題は加熱レーザーの増

また、途中の(2)及び(3)における粒子エネルギー依存性

力もさることながら、加熱効率、即ち超高強度レーザーは無視できるものとする。図1に2次元PIC計算及びFP計から爆縮プラズマに与えられるエネルギーの割合の更算等により理論的に推定された加熱効率(1)～(4)及び全なる向上である。FIREX実験で用いられる典型的なター

項目を掛けた値を示す。レーザーから高速電子への変換

ゲットは図1に示すように、加熱用超高強度レーザーのは80%程度であるが、そのうちLFEXレーザー照射方向

通り道を真空に保つためのプラズマよけであるコーン（前方）へ進む電子のエネルギー割合は50%と見積もら

ターゲットが核融合燃料球についた形となっている。最れる。前方に進む高速電子はコーンチップに於いて、電初に爆縮レーザーにより、燃料球を圧縮した後、超高強子－電子熱化及び電子－イオン散乱によって進行を妨

度レーザーをコーンターゲット内部先端部に集光し、高げられるため、金10 μm厚のコーンチップの壁を通り抜

速電子を発生させ、高速電子により爆縮プラズマコアをけられる高速電子のエネルギー割合は60%程度である。

加熱する。FIREX実験の加熱効率は次の4つのファクタ

また、金10 μm厚のコーンチップの透過率を含む爆縮コーの積で考えることが出来る。

アに到達する高速電子のエネルギー割合は30-40%と見積もられるため、金コーンチップを透過した電子が爆縮

加熱効率コアに到達する割合はエネルギーで60%と見積もられ＝ (1)レーザーから高速電子への変換効率た。この60%の値はコーンチップと爆縮コアとの距離に×(2)コーンターゲット先端部（チップ）の透過率依存して変化すると考えられるが、現状はコーンチップ

×(3)コーン先端からコアへの到達効率と爆縮中心との距離は50 μmの仮定で計算されている。

×(4)爆縮プラズマコアへのヘネルギー付与効率

高速電子の発散角が全角で110°もあると推定される現図 1 爆縮コア加熱の加熱効率を決める 4 つの要素の概念図
─ 69 ─

状ではコーン先端から50 μm離れた直径30 μm（仮定）の爆縮コアに到達する割合は単純な幾何学的立体角を見積もると、60%よりも遥かに小さい値となるが、コーン回りに生成される電場及び磁場の効果により結合効率は幾何的な見積もりよりも増加する。高速電子の発散角については主にワイベル不安定性に起因する自己生
成磁場が高速電子を曲げている効果と、横方向へのポン
デラモーティブ力によって前方以外に高速電子が加速されていると考えられ、プリプラズマの長さに依存することが判って来ている。現状の110°の大きな発散角では大きな加熱効率が期待できず、これを改善する方法としてLFEXレーザーを直接コアに照射する直接加熱が考え

図2 炭素及び重水素イオンへの変換効率（レーザーが相互作用する密度はそれぞれ 0.1×臨界密だされた。この直接方式では加熱効率の要素(2)と(3)が度、臨界密度、相対論的臨界密度、10×臨界密

ほぼ100%と見なすことができるため、加熱効率が格段

度）に良くなる他、高速イオンの加熱への寄与も期待できる。
本稿では高速イオンの加熱寄与を評価した。

㧞㧚㜞ㅦࠗࠝࡦߩ⊒↢
高速イオンは次の機構により発生する。まず、超高強度レーザーがプラズマに照射されるとポンデラモーテ
ィブ力により高速電子が加速される。イオンは電子に比べて遥かに重いため取り残され、デバイ長の範囲内で荷電分離が生じ、電場が生成される。この電場によってイオンは加速される。S.WilksのPIC計算1)に基づき、プラ
ズマをCDプラズマと仮定して、発生する高速イオンへの変換効率を見積もると図2のようになる。図2では様々
6+

図3 加速された炭素イオン(C6+)の運動エネルギー+な密度を仮定して炭素(C )及び重水素(D )イオンへの（レーザーが相互作用する密度はそれぞれ変換効率を見積もっているが、超高強度レーザーが実際

0.1×臨界密度、臨界密度、相対論的臨界密度、に相互作用するのは主に臨界密度(ncr)から相対論的な10×臨界密度）

臨界密度(γncr)付近である。これにより現在のLFEXレー
ザーの集光強度1×1019 W/cm2では1%程度の変換効率がもって加速される。そのため質量の大きな C6＋が D+の 6あることが解る。同様に、加速された炭素イオン(C6+)

倍のエネルギーをもつことになり、加速された高速イオの運動エネルギーについて見積もると図3のようになる。

ンが爆縮加熱に寄与するのはほとんど C6+ということに加速された粒子のエネルギーはレーザー強度増加ととなる。

もに大きくなる。こでは CD プラズマが完全電離していると仮定して、C6+, D＋を考えているが、どちらも

㧟㧚㜞ㅦࠗࠝࡦߩ㒖ᱛ⢻߅ࠃ߮῜❗ࠦࠕടᾲ

Z/A = (電離度) / (質量数)は同じであり、同様の加速度で
─ 70 ─

次に高速イオンの阻止能について考える 1,2)。発生し図 5 50 g/cc のガウシアン形状を持つ CD プラズマ

図 4 CD プラズマの温度が 100 eV, 300 eV, 1 keV, 3に高速イオンを入射させた時の温度分布（実keV, 10 keV のときの CD プラズマ中の C6+の線は電子温度、一点鎖線はイオン温度、破線

阻止能（横軸は入射する C6+の運動エネルギ

は密度）

ー）

た高速イオンC6+とD+がCD プラズマ中でどのようにエ度プロファイルをどのように初期に設定しようと、結果

ネルギーを付与しながら減速するかを評価するために、は大きく影響を受けない。高速イオン入射後 30 ps の温イオンの阻止能を計算した。阻止能計算は一般的には核度緩和を考慮しているので、低密度極限を除き、イオン的阻止能、束縛電子による阻止能（LSS、ベーテ理論）、と電子の温度は一致している。

及びプラズマの自由電子とのクーロン散乱を考慮した

図 5 より温度ピークの値は 1.7 keV に到達すると見積阻止能により計算され、その合計をトータルの阻止能ともられた。この計算は 1 次元で流体は動かない、輻射損する。CD プラズマ中の MeV 程度の運動エネルギーを失を考慮していないなど、非常に理想化された条件で計6+持つ C の高速イオンの阻止能を見積もると図 4 のよう算をおこなっているため、実際の温度上昇はこれより低になる。

いと考えられるが、変換効率 1%程度の低い変換効率で

CDプラズマ中のMeVのC6+の高速イオンはほとんどのエネルギーを自由電子に対して付与し減速したとこ

あっても、高速イオンにより 1 keV を超える爆縮コア加熱が達成出来る事を理論的に示した意味は大きい。

ろで、核との衝突によりイオン（原子核）にエネルギーを付与する。図 4 で右上がりの曲線部分は自由電子の阻㧟㧚߹ߣ߼

止能が効いている部分であり、図の左側、左上りの部分

大阪大学が中心になって進めている高速点火原理実は核的阻止能が支配的である。これらの阻止能計算と電証実験(FIREX-I)の目標である5 keVのコア点火温度達成

子—イオンエネルギー緩和を合わせて考慮し、プラズマの具体的な道筋はまだ明らかになったとは言い難いが、に高速イオンが入射した際の温度上昇を求めたものが本年度の多くの基礎実験とその解析を通じて高速点火

図 5 である。ここでは完全電離を仮定し、流体は静止しの物理の定量的な理解はかなり進んだと言える。その中ているものとした。また、プラズマの密度は 50 g/cc をで、従来の高速電子による加熱に加え、高速イオンによ

ピークに持つガウシアンを仮定したが、後でみるように、る加熱という新たな概念が出て来た。本研究では現状のC6+は主に 1 から 10 g/cc 程度で止まってしまうため、密LFEXレーザーで炭素イオン(C6+)への変換効率が1%程

─ 71 ─

度であることを示し、1%の変換効率しかなくても1 keV

ア加熱が達成される可能性がある。

を超える爆縮加熱が可能であることを計算で示した。来
年度以降、
LFEXレーザーの増力とコントラストの向上、ෳ⠨ᢥ₂

コーンターゲットの最適化や電子収束が達成されたな

1) J.F. Ziegler, J.P. Biersack, M.D. Ziegler: SRIM-The Stopping andRange of Ions in Matter, SRIM Co., 2008.

らば、加熱効率は増大することが予想される。さらに、
高速イオンの変換効率はレーザー強度の増加とともに

2) J.F. Ziegler: Helium : stopping powers and ranges in all elemental

増えるため、高速電子の加熱に加え、さらに高温爆縮コ

─ 72 ─

matter, Pergamon Press, New York, 1977.

�����������������
理論・シミュレーションチーム
砂原

淳、影山

慶 1、高木一茂 1、薮内俊毅 1、田中和夫 11

大阪大学大学院工学研究科のダイナミクス、壁（材料）のアブレーションを定量的������
核融合炉工学を目指した研究が益々重要になって来に理解し、実際の核融合炉壁の熱応答問題に対する知見ている。特に、第一壁の問題はレーザー核融合、磁場閉を得ることを目指して、シミュレーションコードの開発

じ込め型の方式を問わず重要な研究課題である。大阪大と実験解析を行っている。本稿では平成 24 年度に行っ学では図 1 に示すように、ターゲットにレーザーを照射たプラズマ入射粒子の阻止能計算の成果について記述

してプラズマプルームを発生させ、そのプルーム同士をする。

チャンバー中心付近で衝突させることにより、実際の核融合炉壁からのプラズマ発生とダイナミクスを現在の�������

実験室レベルで模擬する実験を行っている。実際の炉壁

核融合炉壁への熱源として実際の核融合生成粒子やは X 線やアルファ粒子、プラズマデブリなどによる熱X 線の代わりにレーザーを用いる方法は実験室レベル

インパルスを受けるが、本実験は X 線や粒子の代わりで核融合炉壁材料の熱特性を調べる方法として非常ににレーザーを模擬熱源として用いて壁材料に熱負荷を有益であるが、一方で、本当の炉壁における荷電粒子及与える。レーザーを用いることで、熱入力条件を比較的び X 線と炉壁との相互作用についても深く理解し、レ

広いレンジで容易に可変出来る。また、様々な物質をタ

ーザーを用いる際に実際の炉壁の条件と何が異なるのーゲットとして用いることが容易であり、多数の実験デかを把握しておく必要がある。我々は実際の核融合炉壁ータにより定量的な物理モデリングが可能である等、多について、数値シミュレーションによる熱応答解析を行くの利点がある。現在までに多数の実験データが蓄積さなうため、様々な炉材料に荷電粒子を入射させた場合のれて来ており、我々は理論・シミュレーション手法を用

阻止能計算を行う一次元のコードを開発した 1,2)。具体

いてこれらのレーザー生成プルームの発生、膨張、衝突

的には核的阻止能、ベーテ阻止能、プラズマクーロン散

図 1 レーザー核融合炉壁アブレーションの模擬実験

─ 73 ─

乱による阻止能等のモデルを導入し、室温からプラズマまでの温度域に対して阻止能を計算する。図 2 は核融合燃焼によって発生するプロトンを炉心から 4 m 離れた
カーボン壁材に対して入射させた場合のプロトンからカーボンへのエネルギー付与計算の例で、プロトン入射によって表面（左）から温度が上昇し、表面から深さ10 μm 程度で温度がピークを迎える、いわゆるブラッグ
ピークがとらえられている。温度の最大値は 1000 度以下になっており、昇華点 3652 度よりも低い値にとどまっている。

図 3 カーボン壁への核融合燃焼プラズマからの X 線照射による温度上昇の炉材料を壁に用いる場合にはカーボンよりも輻射による壁表面の温度上昇は大きくなる。また、実際の核融合炉は高繰り返し運転であり、今後、繰り返しを想定した温度上昇を見積もる必要がある。これらの解析は炉内部の流体運動などを見積もる際の初期条件となるもの
で、炉設計にとって、非常に重要である。今後さらに詳
細な原子過程を組み込むなど、精度を高めた評価を進めて行く予定である。

�����
核融合炉壁への X 線及び粒子照射による壁の温度上
図2 カーボン壁へのプロトン照射によるカーボン壁の温度上昇

昇を見積もった。今後は壁材料に入射するプラズマ粒子の挙動を解析するためのイオン阻止能計算コードの開発を進め、詳細原子過程及び多次元化を図る予定である。

また、核融合炉心プラズマからの輻射による核融合炉
壁への影響も評価している。図 3 に、核融合燃焼プラズ
マにおいて発生する X 線を10 keV の輝度温度を持つ黒体輻射と仮定し、炉心から 4 m の距離にあるカーボン壁を照射した場合の X 線による炉壁の温度上昇の計算結果を示す。カーボン壁の場合、一回の核融合反応で発生する X 線による壁の温度上昇は図 3 より明らかなように非常に小さい。これはカーボンの輻射吸収係数が比較

また、壁から噴き出したプルームが核融合炉の中でどのような振る舞いをするかを計算するための多次元放射
流体計算コードの開発を進める。

����1) J.F. Ziegler, J.P. Biersack, M.D. Ziegler: SRIM-The Stopping andRange of Ions in Matter, SRIM Co., 2008.
2) J.F. Ziegler: Helium : stopping powers and ranges in all elemental

的小さいことが効いており、タングステン壁など、高 Z

─ 74 ─

matter, Pergamon Press, New York, 1977.

レーザーピーニングの 2 次元シミュレーション
理論・シミュレーションチーム
古河裕之、部谷1

学 1、中野人志 2

大阪産業大学工学部2

近畿大学理工学部
第 2 章では、シミュレーションコードの概要について

１．はじめにレーザー技術総合研究所では、大阪産業大学及び近畿述べる。第 3 章では、レーザー生成プルームの解析のモ大学と共同で、レーザーピーニング及びその産業応用にデルとしてよく使われる、Fabbro 氏のモデルについて関して精力的に研究を行っている。レーザーピーニング

考察する。第 4 章は、2 次元シミュレーションの結果及とは、図 1 に示すように、レーザーアブレーションによび考察、第 5 章は、結言である。

りプルームを生成し、その圧力により固体内部に衝撃波を発生させ、固体内部に圧縮応力状態を作り、金属表面２．開発したシミュレーションコード 1,2)

近傍に圧縮残留応力層や硬化層を形成させ、固体の強度

図 2 は、開発したシミュレーションコードのフローチを高める技術である。航空機部品の疲労対策や、原子炉ャートである。原子モデルコードを用いて、原子のエネにおける応力腐食割れの防止策として、さらなる最適化

ルギー準位、ポピュレーション、電離度などのデータをのために研究が続けられている。

様々な温度密度範囲で求める。そのデータを状態方程式
コードに入力し、圧力、比熱等を求める。原子のエネル
ギー準位、ポピュレーション、電離度などのデータをス

Pulsed laser レーザー

ペクトルコードに入力し、X 線の放射係数、吸収係数等レンズを求める。圧力、比熱、X 線の放射係数、吸収係数等のデータをテーブル化し、Laser Ablation Peening Code

大気又は水(LAPCO)に入力し、固体金属の温度上昇、固体中の応力

プルームの分布、相変化、流体運動、放射輸送等の計算を行う。
図 3 は、LAPCO のフローチャートである。

衝撃波

図 1 レーザーピーニングの概念図

原子モデル

本研究において、連続体・流体力学的アプローチを基

電離度 ポピュレーション, エネルギー準位

本とし、相変化の効果を取り入れたレーザーピーニング
統合シミュレーションコードを開発した 1,2)。開発した

状態方程式コード

スペクトルコード

圧力、比熱

放射係数、吸収係数

統合コードは、噴出したプルームの運動方程式の右辺に応力からなる関数を含んでおり、固体内部の応力の分布も評価できる。固体から液体、液体から気体への相変化

Laser Ablation Peening COde (LAPCO)も取り込んでいる。また、真空中、大気中でレーザーを照射する場合のみでなく、水中でレーザーを照射する場

図 2 開発したシミュレーションコードのフローチャート合の計算も可能である。
─ 75 ─

３．Fabbro 氏のモデルについての考察
レーザー生成プルームの解析のモデルとしてよく使われる、Fabbro 氏のモデルについて考察する。図 4 は、
Fabbro 氏のモデルの概念図である 8)。時刻 t において、
内部エネルギー Ei(t)、圧力 Pi(t)、長さ L(t)のプルームに、
強度 I(t)のレーザーが時間 dt の間照射された後、内部エネルギー Ei(t+dt)、圧力 Pi(t+dt)、長さ L(t+dt)のプルームに変わるとしている。Fabbro 氏のモデルでは各々の時刻において、プルーム中の圧力と内部エネルギーは、空間分布を持たない、と仮定されている 8)。よって、Fabbro
図 3 LAPCO のフローチャート

氏のモデルで求めた圧力は、シミュレーションで得られる圧力の空間平均値に相当する、と考えられる。

開発したシミュレーションコードの特長を記す。
(1) 金属に関して、固体、液体、中性気体、部分電離プ
ラズマの相変化を取り入れている 3)。金属材料から空気または水への熱伝達を取り入れ、空気または水の流体運動をも解くことにより、空気または水の熱の伝搬、衝撃波の伝搬等も評価できる。
(2) 固体中の弾性応力の分布、及びその時間発展を求め
図 4 Fabbro 氏のモデルの概念図ることができる。
(3) 自由電子の逆制動放射、共鳴吸収、束縛電子によるレーザーの吸収 4)を取り入れた。誘電応答関数を用

Fabbro 氏のモデルにおいて、状態方程式を理想気体

いて全ての空間格子点上での、レーザー光の反射ものものと同じとすると、レーザーの照射強度 I(t)と圧力計算している。

P(t)とプルームの長さ L(t)は、式(1)で関係付けられる 8)。

(4) 岡山大学西川氏が開発した、方位量子数依存性を取り入れた新しい遮蔽水素様モデル 5-7)を用いて、状態方程式、放射係数・吸収係数のデータを作成し、dL  t  3
dP  t 3 I  t   1 L t 
 P t 
2
dt
2
dt





(1)

それらを取り込み、放射流体運動を評価できるようにした。西川氏は、文献 5 の執筆分担者である。

ここで  は、プルーム中の内部エネルギーが熱エネル(5) 部分電離プラズマの領域の計算には、1 流体 2 温ギーに変わる割合であり、Fabbro 氏のモデル内では決め度モデルを採用した。電子、イオンの熱伝導、およられないパラメーターである。

び、電子－イオン間のエネルギー緩和も解いている。
(6) 固体、固体と液体の混合領域、液体中、液体と気体の混合領域、及び中性気体のエネルギー方程式とし媒質中での衝撃インピーダンスが一定であるとすると、圧力 P(t)とプルームの長さ L(t)は、式(2)で関係付けられる 8)。

ては、1 温度を仮定した物を用いている。
(7) 熱束制限多群拡散近似により、X 線放射輸送過程

dL  t を評価している。
─ 76 ─

dt



2
P t  ,
Z

2 1
1
 
Z Z1 Z 2(2)ここで、Z1、Z2 はそれぞれの媒質中での衝撃インピーダ

1 次元シミュレーションで、プルーム中の圧力の空間ンスであり、媒質の質量密度 I と衝撃波速度 ui を用い平均値の時間変化を求めた。結果を図 5 に示す。レーザて、以下のように表される。

ーの強度は 20 GW/cm2、波長は 532 nm である。短時間の間に圧力は急激に増加し、その後 4.5 GPa 程度を中心

Z i  i ui(3)に振動している。5.68 GPa より小さいのは、レーザーの吸収率が 100%でないこと、吸収されたエネルギーは固レーザー強度 I を時間によらず一定とし、(1)式において圧力の時間微分の項を無視し（物理的な妥当性は不体にも輸送されること、などが理由として挙げられる。
図中の Simple Model は、(4)式のことである。

明）、初期のプルームの長さを 0 とすると、(1)式と(2)式
6

られる。

5

P


Z I
2  3L t   t

2Z

圧力 (GPa)から、圧力 P とプルームの長さ L(t)は以下のように求め(4)
2  3I

Simple Model

4
Simulation

3
2

20 GW/cm2

1

(5)

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

時刻 (ns)(4)式の結果は、時刻 0 からレーザーが照射されてい図 5 1 次元シミュレーションで求めた各々の時刻におる間は、時間的に一定の圧力（空間的にも一様）が生じけるプルーム中の圧力の空間平均値の時間変化ることを意味する。レーザー核融合のように超高強度パルスレーザーを照射した場合には成立すると思われる

図 6 は、1 次元シミュレーション及び(5)式で求めたプが、レーザーピーニングの様に、数 GW/cm2 から数十ルームの長さ、図 7 は、時刻 7.5 ns 時の圧力の空間分

GW/cm2 のパルスレーザーを照射する場合には、1 次元

布である。横軸は初期の固体表面からの位置である。シ

シミュレーション等と比較検討する必要がある。

ミュレーションの方がプルームの長さが長い。温度密度

水中でアルミニウムに、強度一定、パルス幅 7.5 ns のにより衝撃波速度が変わること、圧力が空間構造を持っレーザーを照射した場合を例にとる。水の質量密度 1.0ていること、等が理由としてあげられる。図中の Simple

g/cm3、衝撃波速度（音速）148290 cm/s、アルミニウム

Model は、(5)式のことである。

の質量密度 2.7 g/cm3、衝撃波速度（音速）642000 cm/s、50

プルームの長さ (m)を用いると、Z = 0.2732 × 106 g/cm2/s となる。= 0.2（この値は業界標準）を仮定すると、

P  GPa   1.27

I  GW / cm 2

L  t   m   t  ns   0.9279 I  GW / cm2 

(6)
(7)

20 GW/cm2

40
30

Simulation20
Simple Model

10

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

時刻 (ns)となる。I = 20 GW/cm2 の場合、P = 5.68 GPa、L(7.5 ns) =図6 1次元シミュレーション及びSimple Model で求め

31.12 m となる。

た、各々の時刻におけるプルームの長さ
─ 77 ─

圧力 (GPa)

2

10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10

鉄についても同様の評価を行なった。水の質量密度1.0 g/cm3、衝撃波速度（音速）148290 cm/s、鉄の質量密度 7.86 g/cm3、衝撃波速度（音速）595000 cm/s、を用いると、Z = 0.2875 × 106 g/cm2/s となる。レーザー強度を
20 GW/cm2 とした時の、プルーム中の圧力の空間平均
010

位置 (m)20値の時間変化を図 10 に示す。圧力の時間変化がアルミ

30

ニウムの場合と若干異なっているが、それは励起や電離

図 7 時刻 7.5 ns 時の圧力の空間分布に必要なエネルギーの違いなどが原因と考えられる。
10

レーザーの強度を 2.5 GW/cm2 とした場合の、プルー

8

圧力 (GPa)

ム中の圧力の空間平均値の時間変化を図 8 に、プルームの長さを図 9 に示す。20 GW/cm2 の場合と違い、短時間で圧力値は上昇するが、その後圧力値は少しずつ低下している。レーザー強度が低いため、吸収されたレーザ

Simple Model

6

Simulation

4

20 GW/cm2

2

ーエネルギーの内、相変化や電子の励起電離などに使わ0れるエネルギーが相対的に大きくなること、等が理由と

0

1

2

3

してあげられる。プルームの長さについては、圧力の空間分布などが理由として考えられる。

4

5

時刻 (ns)678

図 10 各々の時刻におけるプルーム中の圧力の空間平3

均値の時間変化圧力 (GPa)

2.5 GW/cm22

図 11 は、各々の時刻におけるプルームの長さである。

Simple Model

アルミニウムの場合とほぼ同様の傾向を示している。
Simulation

1

0

0

1

2

3

4

5

6

時刻 (ns)7

プルームの長さ (m)50

8

図 8 各々の時刻におけるプルーム中の圧力の空間平均値の時間変化

プルームの長さ (m)

50
40

Simulation20
Simple Model

10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

時刻 (ns)

図 11 各々の時刻におけるプルームの長さ

30
Simulation

20

レーザーの強度を 2.5 GW/cm2 とした場合の、プルー
Simple Model

10

0

30

0

2.5 GW/cm2

20 GW/cm2

40

0

1

2

3

4

5

時刻 (ns)67

ム中の圧力の空間平均値の時間変化を図 12 に、プルー
8

図 9 各々の時刻におけるプルームの長さ

ムの長さを図 13 に示す。シミュレーションではアルミニウムの場合より若干短いが、理由は質量密度の違いである。
─ 78 ─

3

11 ns

0.0mm

圧力 (GPa)

2.5 GW/cm2
2

Simple Model

10

Simulation-0.2mm-1.0mm
0

1

2

3

4

5

6

時刻 (ns)

7

8

0.0mm
-3 応力 (GPa)

1.0mm
2

(a) 11 ns 時

図 12 プルーム中の圧力の空間平均値の時間変化

22 ns

0.0mm

プルームの長さ (m)

50
2.5 GW/cm2

40

30
20

Simulation-0.2mm-1.0mm100

Simple Model
0

1

2

3

4

5

時刻 (ns)

6

7

0.0mm

-3 応力 (GPa)
8

1.0mm
2

(b) 22 ns 時

図 13 プルームの長さ

0.0mm

30 ns

-0.2mm-1.0mm0.0mm

４．2 次元シミュレーションの結果と考察
水中でアルミニウムに、波長 532 nm（YAG レーザーの 2 光）、パルス幅 7.5 ns、パルス波形はガウシアン、
ビームプロファイルもガウシアンのレーザーを照射した場合について、2 次元シミュレーションを行なった。
ピーク強度は 10 GW/cm2、2.5 GW/cm2 の 2 種類、ビー-3 応力 (GPa)

ム径は 400m と 200m の 2 種類、計 4 種類について(c) 30 ns 時

1.0mm
2

図 14 ピーク強度 10 GW/cm2、ビーム径 400m のシミュレーションを行なった。
図 14 は、ピーク強度 10 GW/cm2、ビーム径 400m場合の応力分布の場合の応力分布である。(a) は 11 ns 時、(b) は 22 ns
時、(c) は 30 ns 時である。白(-) は圧縮応力、黒(+) は

図 15 は、ピーク強度 10 GW/cm2、ビーム径 200m、

引張応力を表す。横方向に 800 m（スポット径の 2 倍）

30 ns 時の応力分布である。横方向に 200 m（スポット程度の範囲で圧縮応力が生成され、時間経過により固体

径）程度の範囲で圧縮応力が生成されている。図 14(c)内部に進展している、ことがわかる。レーザーが照射さと比較すると、圧縮応力が生成されている範囲が大幅にれていない領域でも圧縮応力が生成されているが、これ減少していることがわかる。スポット径を 2 倍にすると、は水圧によるものと考えられる。

それ以上に固体の硬度が増加することが期待できる。
─ 79 ─

200 mm

0.0mm-0.2mm-1.0mm0.0mm-3 応力 (GPa)

鉄

0.0mm

-0.2mm-1.0mm

1.0mm

2

0.0mm
-3 応力 (GPa)

図 15 ピーク強度 10 GW/cm2、ビーム径 200m、30 ns

1.0mm
2

図 17 水中で鉄に、ピーク強度 10 GW/cm2、ビーム径400m のレーザーを照射した際の、30 ns 時の応時の応力分布

力分布

図 16 は、
ピーク強度 2.5 GW/cm2、ビーム径 400m、
30 ns 時の応力分布である。図 14(c)と比較すると、圧縮

５．結言応力が生成されている範囲が減少し、圧縮応力の絶対値

本研究において、相変化及び弾性応力の効果を取り入も大きく減少していることがわかる。アルミニウムの硬れた、2 次元のレーザーピーニング統合シミュレーショ

度を上げるには、ある程度以上の強度とスポット径が必

ンコードを開発した。

要である、ことがわかった。

水中でレーザーをアルミニウムに照射した場合の、圧縮応力の空間分布を求めた。アルミニウムの硬度を上げるには、ある程度以上の強度とスポット径が必要である、ことがわかった。鉄でも同様のシミュレーションを行なった結果、材料による応力分布の違いが示された。

参考文献
1) 古河裕之: レーザー研究, 36, 742-746, 2008.
2) 古河裕之、藤田和久、森谷信一: プラズマ核融合学会誌, 87,

図 16 ピーク強度 2.5 GW/cm2、ビーム径 400m、30 ns
時の応力分布

642-649, 2011.
3) S. I. Anisimov and B. S. Luk’yanchuk: Physics-Uspekhi, 45,
293-324, 2002.

図 17 は、水中で鉄に、波長 532 nm、パルス幅 4 ns、

4) M. V. Allmen and A. Blatter: Laser-Beam Interactions with
Materials, Springer, 1995.

パルス波形はガウシアン、ビームプロファイルもガウシ
アン、ピーク強度 10 GW/cm2、ビーム径 400 m のレ

5) Vivek Bakshi: EUV Sources for Lithography, SPIE Publications,2006.

ーザーを照射した際の、30 ns 時の応力分布である。横方向に 1 mm（スポット径の 2.5 倍）程度の範囲で圧縮

6) R. M. More: J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 27, 345-357,
1982.

応力が生成されている。図 14(c)と比較すると、圧縮応力が生成されている範囲が増加しており、圧縮応力の絶7) F. Perrot: Phys. Scripta, 39, 332-337, 1989.

対値も大きくなっている、ことがわかる。材料による応

8) P. Peyre, R. Fabbro, P. Merrien, and H. P. Lieurade: Materials

力分布の違いが示された。

Science and Engineering, A210, 102-113, 1996.

─ 80 ─

レーザー核融合炉液体壁チェンバー内のアブレーション生成プルームの 2 次元シミュレーション
理論・シミュレーションチーム
古河裕之、乗松孝好 1
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター

これらの複合複雑現象を解析するため、著者ら

１．はじめにレーザー核融合炉発電プラント設計の主な課は 統 合 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン コ ー ド DECORE

題の一つに、チェンバー内の金属蒸気の排気があ（ DEsign COde for REactor ）を開発した。今年

1-3)。高速点火レーザー核融合炉発電プラント

度は、2 次元の DECORE を開発し、プルームの挙「KOYO-fast」においては、厚さ 3 mm から 5 mm

動を 2 次元的に評価した。最初の 2 s の計算を 1の液体リチウム鉛が第一壁に沿って滝状に流下次元で行い、その結果を 2 次元コードに入力して、する液体壁構造により、第一壁を保護している。

さらに計算を進めた。

る

液体壁は、核融合燃焼により生じた  粒子及び2 章で DECORE について述べる。3 章では、プデブリ粒子により、液体から中性気体、部分電離ルームの 2 次元的挙動について詳述する。4 章は、プラズマへと相変化を伴いながらアブレーショ

結言と今後の課題である。

ンする。生成されたプルーム（気体、液体、固体などの塊）がチェンバー中心付近で衝突すると、２．開発したシミュレーションコード 1,3)

エアロゾルが生ずることが予想される。それは金原子過程コード

属蒸気の排気、引いては核燃焼反応にとって大きな妨げとなる。KOYO-fast では第一壁から飛散し電離度、電子のPopulation、Energy Level

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（図 1）。チェンバー中心の核融合燃焼により

阻止能
コード

状態
方程式
コード

スペクトル
コード

阻止能

圧力、
比熱

放射係数、
吸収係数

生じたデブリが、タイル構造の第一壁に衝突し、プルームを生成し、中心から離れた所でプルーム同士が衝突する様子を表している。x, y は、3 章
ACONPL( Ablation with
CONdensation of a Plume )で述べるシミュレーションの座標軸を表す。

図2

y

DECORE の概要

タイル

x

デブリ

図 2 に DECORE の概要を示す。DECORE は、

プルーム

原子モデルコード、状態方程式コード、放射輸送

衝突領域
核融合燃焼

係数コード、阻止能コード、アブレーション解析
コードから成る統合コードであり、ACONPL はアブレーション解析コード部を指す。前年度まで
ACONPL は 1 次元コードであったが、今年度 2 次6m

図1

KOYO-fast の液体壁チェンバー第一壁のタ

元コードを開発した。2 次元コードでは「保存保イル構造の概念図

証型 CIP 法」及び「M 型 CIP 法」を用いた 4)。
─ 81 ─

23

40

10

３．生成されるプルームの 2 次元的挙動解析
高速点火核融合燃焼から放出される、X 線、α

21

10

5)

壁はアブレーションされる。本研究では、燃料球から液体壁表面までの距離が 3 m の部位に、垂直に X 線、α 粒子、及びデブリ粒子が入射される場

30

19

速度

10

20

17

10

数密度

15

の厚みを 2 mm とし、液体鉛の初期温度及び最低13

10

温度は 823.15 K（550 ℃）とした。用いた X 線、

-0.5

0

0.5

α 粒子、及びデブリ粒子のパルス波形とスペクトルについては、文献 1 と文献 5 を参照されたし。

1010合について、シミュレーションを行った。液体鉛

図4

炉心からの X 線のスペクトルと、鉛に対する X

1

1.5

2

x (cm)

速度 (km/s)

数密度 (cm-3)

粒子、デブリ粒子等のパルス出力 により、液体

2.5

0
3

レーザーが燃料球に照射されてから 2 s 後の、数密度、速度のプロファイル

線の吸収係数については、文献 1 を参照のこと。
図 3 は、1 次元シミュレーションにより得られレーザーが燃料球に照射されてから 2 s 後また、レーザーが燃料球に照射されてから 2 s 後の、でを 1 次元シミュレーションにより計算し、1 次

プルームの数密度（鉛の原子数密度に換算したも元の計算結果を入力し、2 次元計算を行なった。

の）、及び電子温度のプロファイルである。0 cm

図 5 は 2 次元計算により得られた数密度分布であ（タイルの表面）近傍で、約 2 桁密度分布が急激る。(a) は 2 s 時、(b)は 2.5 s 時である。x, y はに低下していることが分かる。図中の x < 0 の部

それぞれ、図 1 の x, y に対応する。プルームの根分は、バルクの液体領域である。プルームの数密元（壁側）は横に広がっているが、先頭部分は殆

度は、指数関数的で約 7 桁程度の分布である。0.5

ど横方向には広がっていない。図 5 の結果が正し

cm < x < 2.5 cm 程度の領域では、電子温度は 6000

ければ、チェンバーの中心部ではプルーム同士がK から 7000 K 程度である。

衝突する確率は極めて低い。

図 4 は、レーザーが燃料球に照射されてから 2
s 後の、数密度、及び速度のプロファイルである。
プルームの先端近傍では、速度は 40 km/s 程度に

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

0

0

23

x (cm)

なっている。分布は、ほぼ線形である。
10000

10

時刻 = 2 s
21

8000

19

6000

電子温度

10

17

4000

10

15

10

図3

-0.5

0

0.5

1

x (cm)

1.5

-1

2000

数密度

13

10

電子温度 (K)

数密度 (cm-3)

10

2

0

y (cm)(a) 2 s 時

0
2.5

9

レーザーが燃料球に照射されてから 2 s 後

図5

─ 82 ─

-1

log 10 ni (cm-3)0y (cm)(b) 2.5 s 時
23

2 次元計算により得られた数密度分布(a) 2 s 時の、数密度、電子温度のプロファイル

1(b) 2.5 s 時

1

参考文献

４．結言と今後の課題
本研究により、レーザー核融合液体壁チェンバ1) 古河裕之, 城﨑知至, 神前康次, 乗松孝好, 疇地宏,ー第一壁のタイル構造の有効性が議論できるよ西川雅弘, 田中和夫, 三間圀興, 苫米地顕, 山中千代

うになった。今後、液体壁と X 線、 粒子、荷電

衛: プラズマ核融合学会誌, 82, 617-627, 2006.

粒子の相互作用も 2 次元で計算を行う。流体近似

2) 神前康次, 乗松孝好, 古河裕之, 林巧, 惣万芳人, 西の適用が危ぶまれる低密度状態に対して、

川正史, 苫米地顕: プラズマ核融合学会誌, 83, 19-27,

Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH） 法、

2007.

Moving Particle Semi-implicit （MPS）法などの粒

3) 古河裕之, 乗松孝好: プラズマ核融合学会誌, 87,

子法による取り扱いを行うことも必要である。中51-55, 2011.

性気体、及び部分電離プラズマと荷電粒子の相互

4) 矢部孝, 内海隆行, 尾形陽一: CIP法, 森北出版, 2003.

作用の理論モデルに関しても、実験等による検証

5) T. Johzaki, K. Mima, Y. Nakao, H. Nagatomo, and A.

が必要である。状態方程式の改良も必要である。

Sunahara: Proc. 3rd Inertial Fusion Sciences andエアロゾル生成の評価についても、モデルの検証、Applications , 2003.

改良等が必要である。

─ 83 ─

光学素子
素子レーザ
レーザー
損傷閾値
閾値データベース
データベースの構築
レーザー損傷ー損傷
ー損傷閾値
データベースの構築
の構築
ー損傷
の構築
光学
素子
レーザ
閾値
データベース
ダイクロイックミラ
ミラー
閾値の
ーの
―ダイクロイック―ダイクロイックミラ
ミラーの
ーの損傷
の損傷
閾値の評価
の評価
の評価―
損傷閾値
評価―
―ダイクロイック
ーの損傷閾値
の損傷閾値
の評価―
ミラ
レーザー技術開発室
本越伸二、加藤宏太、實野孝久 1
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター

１．はじめに
１．
．はじめに
．
はじめに
１

換を行う場合や、半導体レーザーを用いて固体レーザー
半導体レーザーを用いて固体レーザー
換を行う場合レーザーおよびその応用装置には多くの光学素子がを励起する場合など、複数の波長に対して光学特性を要を励起を励起する場合など、その性能は装置全体の性能を大きく左右する
左右する
。
左右
使用され、その性能は装置全体の性能を大きく左右する。

求し使用することも多い。平成  年度は、波長変換後（損傷閾値
その中で「レーザー損傷耐力（損傷閾値）」は高出力レに基本波と高調波を分離するミラーを分離するミラー（ダイクロイックミを分離ーザー装置を設計し、また使用する上で、重要な項目でラー）に着目し、データベース化試験を実施した。
ラー）に着目し、データベース化試験を実施した。

あり、レーザーの発明以来、その損傷物理の理解、高耐力化の研究が多くの研究機関や企業により進められて

２．
２．高耐力
．高耐力
．高耐力ダイクロイックミラーの．
高耐力ダイクロイックミラーの２
高耐力ダイクロイックミラーの設計概念
ダイクロイックミラーの設計概念

きた 。現在、レーザー損傷耐力の評価方法は国際標準

高調波
波長変換結晶として、〜 で提唱されている。しかし、

基本波

基本波

国内では、未だレーザー損傷耐力は一般的ではなく、多くのユーザーは入手した光学素子の損傷閾値が判らな
ダイクロイックミラー

反対にメーカーは使用にメーカーはにメーカーは使用したユーザーから
いまま使用し、反対にメーカーは使用したユーザーからの情報が唯一の判断基準となっているの情報が唯一の判断基準となっている

図  ダイクロイックミラーの用途
ダイクロイックミラーの用途

レーザー技術総合研究所では、平成  年度より、一般に使用されている光学素子のレーザー損傷閾値の評を分離を分離するダイ の基本波と  の高調波を分離するダイ

価試験を実施し、毎年十数社からの依頼を受けている。

クロイックミラーには、 を反射し  を透

その評価結果
評価結果
に対し、自社の光学素子のレーザー損傷閾
評価
その評価結果に対し、過するショートパスフィルタ（）型と、逆に 

値を知ることはできるが、他社の素子との比較がしたい

を反射
（ ）
（
を透過し  を反射するロングパスフィルタ（）などの意見があった。これに応えるために、平成  年

装置の光学配置や用途の光学配置の光学配置や用途に型の  種類がある。これらは、装置の光学配置や用途に度に「高耐力光学素子研究会」を設置し、同一仕様の光応じて選択される。しかし、 型では、高い膜厚制学素子に対して同一レーザー条件の下でレーザー損傷

御が必要、使用する材料が限定される、などの理由

耐力試験を実施し、比較可能なデータベースの構築を進から、一般に高出力レーザー装置の波長分離には図 

めてきた。これまで、波長 、、、に示すような  型が使用される。
型が使用される。

  における光学素子に対して、データベース化試

誘電体多層膜ミラーの基本設計は、は、反射波長λ に対し験を実施した 。これらデータベースは、ユーザーにて異なった屈折率材料を光学膜厚（屈折率×物理膜厚）
×物理膜厚
×物理膜厚）

とってはレーザー装置を設計、利用する際の基準となるλ で積層することによって行われる。低屈折材料、高ものであり、またメーカーにとっては、自社の現状技術

屈折率材料のλ 厚をそれぞれ   とし、繰返し積層

を設定
を設定す
に対する評価と高耐力化に向けた開発目標値を設定すとすると膜設計は数を  とすると膜設計は
空気 
   基板
基板
空気

る指針となるものである。
る指針となるものである。
これまでのデータベース化試験は、単一波長に対する

または
または

ものであった。しかし、非線形光学結晶を用いた波長変─ 85 ─

空気 

基板
空気
    基板

となる。この単純なλ 厚の積層では、中心波長を線対ーの膜内の電界強度分布を示す。図  より、反射する
、反射する
、反射

称として短波長側、長波長側に高い反射率を示す波長域 光に対しては第 、 層目の境界面で大きな電界が周期的に表れる。このため、 型では、最表面側と強度が存在するが存在する。  光に対する高耐力化のためにが存在
強度が存在する。

厚の高屈折率材料層を設けた最基板側にλ 厚の高屈折率材料層を設けた

は、この境界面での電界強度を抑えるように膜厚を調整

空気 
空気

 

 




 基板基板

することが必要である。また、 光は第  層以降の膜設計により、長波長側の周期的な反射率を抑えていでは電界強度はほぼ  となることから、  によるる。
る。

損傷はないと考えられる。一方、 光は全ての層

図  は、透過波長λ に対する特性を改善させたダイクに対してほぼ同じ電界強度となるため、損傷の発生確率

ロイックミラーの分光特性である。また図  にそのミラはほぼ同じである。特に、同じ電界強度が基板との境界面に到達面に到達することから、基板表面の粗さ、不純物に対し面に到達することから、ても考慮が必要となる。
ても考慮が必要となる。

100


1064 nm３．
３．評価装置．評価装置．評価装置と方法
と方法
．
評価装置と
方法
３
評価装置と
方法

80

レーザー損傷耐力評価試験には、波長 、パル
透 過 率 [%]

60

ス幅   の  スイッチ  レーザー（
を使用した。縦横ともに単一モー を使用した。
 社 ）40

ド発振器の出力を増幅器により増幅した後、焦点距離20532 nm のレンズにて試料上に集光した。また、
）を用いて変換した。試光は、 結晶（

0
400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

料に照射
料に照射するパルスの時間波形、エネルギーは、バイプ料に照射するパルスの時間波形、

波 長 [nm]nm ]図  ダイクロイックミラー分光特性（計算）
ダイクロイックミラー分光特性（計算）

ラナ光電管、、エネルギーメータでそれぞれ計測した。
エネルギーメータでそれぞれエネルギーメータでそれぞれ計測した。また、レンズから試料表面までと同じ距離に  カメラを設置し、試料上のビーム形状およびビームサイズを計4測した。照射レーザー光のエネルギーは、 波長板と532nm
1064nm平板偏光子を用いて調整した。
平板偏光子を用いて調整した。

/E 

2

3

電 界 強 度 E

20

評価方法には、（ パルス照射毎に損傷の有無に関わらず照射位置を移動する）試験法を採用した。こ
に関わらず
を移動
に関わらず照射位置を移動する）

2の方法は、過去に多くの論文報告等もあり、比較情報が豊富である。照射前後の試料表面を顕微鏡（ 倍）に1より観察した。レーザー損傷閾値は、損傷が発生した最小エネルギー
小エネルギー密度として決定し、照射ガウス分布の尖頭
小エネルギー密度として決定し、

屈 折 率

0
3

値で示した。
値で示した。

2



1

４．
４．試料仕様
．試料仕様
．
試料仕様
４

0
-0.5

0

0.5

1

1.5

光 学 膜 厚 [22.5

提供をお願いしたダイクロイックミラーの仕様を表

3m]

図  ダイクロイックミラー内電界強度分（計算）



 に示す。
入射角は波長分離に多く用いられる °とし、反射率は   に対して 以上、  に対し

─ 86 ─

10て 以下とした。  光が基板表面まで到達す

海外 サンプル
参加 サンプルることから、基板材料を石英基板、表面粗さを Å以

8

下でお願いした。参加企業数は  社で、 個の試料に
サ ン プ ル 数

ついて評価を行った。
表  データベース化試験光学素子の仕様
第９回、第10回
10回
素 子

ダイクロイックミラー

波 長1064nm1064nm／nm／532nm
532 nm

パルス幅
パルス幅

10ns

入射角度

45°

偏 光

P

6

4

2

0

反射率

0

50

100

損 傷 閾 値 [J /cm

150
2



]

 照射
照射>99.0% @532 nm<0.5% @1064 nm
8

合成石英

基板面精度

λ以下（
以下（@633nm
633nm）
nm）

基板表面粗さ
基板表面粗さRMS <10Å

海外 サンプル
参加 サンプル

7

6

裏面仕様

同等研磨コートなし
同等研磨コートなし

参加企業数

1０ 社

試料数

24

5
サ ン プ ル 数

基板材料




５．ダイクロイックミラーのダイクロイックミラーの評価結果
ミラーの評価結果

432

図  にダイクロイックミラー損傷閾値の評価結果を1

示す。 光に対しては、最大  が得られ、

00

最も頻度の多い閾値は、〜 であることが判っ

50

100

損 傷 閾 値 [J /cm

た。一方で、  光に対する損傷閾値は、最大 

150
2

]



 照射 を示し、最多頻度閾値は   と同じ 〜図  ダイクロイックミラー損傷閾値評価結果

 が得られた。
第回データベース化試験で行った用反射防
同様に、  光に対する損傷閾値についても過去止膜の結果では、最大   と石英ガラスの内部損のデータベース化試験結果と比較を行った。第  回に実傷閾値と同等の値を示すものがあり、 を超える施した  単一波長に対する高反射膜のデータベー

サンプルが  個（ 個中）も存在した 。また最多頻ス化試験では、最大  と  用高反射膜と度閾値も 〜 であり、今回のダイクロイックミ

同等の閾値を持ち、最多頻度閾値は 〜 であっラーの閾値の約  倍であった。この理由は、多層膜の層た 。ダイクロイックミラーの損傷閾値と最多頻度は数に起因するものと考えられる。第  回の単一波長に対ほぼ同じであることから、高反射膜としての設計は、単する反射防止膜コートは一般的に 〜 層であるのに対一波長と同じであることが予想される。しかしながら、して、ダイクロイックミラーの層数は 〜 層になる。

最大損傷閾値の試料が約   も低いことから、膜の層数が増加するに従い、境界面の増加、欠陥、不純 光の透過率を考慮するために、単一波長の設計物の増加に繋がるため、より損傷が発生し易いものと考ほど表面層付近の電界強度を抑えることができないとえられる。

考えられる。

─ 87 ─

６．議論が危惧される。

前述の評価結果は、それぞれの波長に対する損傷閾値

このように、設計の考え方によって、それぞれの波長に対する試料数を比較したものであったが、  光に対する損傷閾値が変化するため、多波長に対する仕様

に対して高い閾値をもつ試料が、 光に対してもをもつ光学素子の高耐力化は、更に難しいことが伺える。
高閾値をもつとは限らない。図  に、各サンプルの 



 損傷閾値と  損傷閾値をプロットした。
図中の７．まとめ
まとめ異なったマークは、試料を提供頂いたメーカーを示して

平成  年度に実施した   と   の波長分いる。例えば、メーカー の  つの試料は、  光

離用ダイクロイックミラーのデータベース化試験の結に対して約  の同じ損傷閾値であるが、それぞれ果をまとめた。層数の増加、多波長に対する光学特性をの光に対する損傷閾値は〜 と大きく維持するため、高耐力化が難しいことが判った。
一方で、異なっている。これは、 と  では損傷す設計の中でそれぞれの波長に対するレーザー耐力の重る原因が異なることを意味している。多層膜の設計は同みを変えることにより、仕様にあったミラーの設計、製

じでも、基板表面の粗さ等が異なる場合には、このよう作も可能であり、ユーザーとの連携が重要であることがな結果が顕われる。 光に対して最大損傷閾値 判った。 を持つ試料は、  光に対しては約  
であり、非線形結晶において変換効率が低い場合には、謝辞

基本波である   光で容易に損傷が発生すること

試料を提供し御協力頂いた高耐力光学素子研究会参加
企業各社に感謝致します。

200



A
B
C

参考文献

D

150
2

F

nm [ J/cm
損傷閾値
損傷閾値@
@ 532
532nm

]

E
G

）
本越伸二他 レーザー100

技術総合研究所）本越伸二他 レーザー技術総合研究所50）本越伸二他 レーザー技術総合研究所）本越伸二他 レーザー技術総合研究所

0
0

50

100

損傷閾値@
損傷閾値@ 1064nm
1064nm [J /cm

1502）        

200]

図  ダイクロイックミラーの異なった波長に）        


よる損傷閾値の比較

─ 88 ─

発 表 論 文 リ ス ト��論文リスト
�レーザー��ル�ー���ーム
D. Li, M. Hangyo, Y. Tsunawaki, Z. Yang, Y. Wei, S. Miyamoto, M.R. Asakawa, and著 者
K. Imasaki
題 目 Growth rate and start current in Smith–Purcell free-electron lasers
論文誌名 Applied Physics Letters, Vol.100, 191101, 2012
著 者 X. Tang, Z. Shi, Z. Yang, and D. Li
Dispersion analyses of a slow wave structure with a periodic slot-array-grating inside a
題 目
rectangular waveguide
論文誌名 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 703, pp. 64–69, 2013
著 者 T. Fu, Z. Yang, Z. Shi, F. Lan, D. Li, and X. Gao
題 目 Dispersion properties of a 2D magnetized plasma metallic photonic crystal
論文誌名 Physics of Plasmas, Vol.20, 023109, 2013
著 者 D. Li, M. Hangyo, Y. Tsunawaki, S. Miyamoto, and K. Imasaki
題 目 Theoretical analysis of grating-based radiation
論文誌名 Proceeding of FTT2012, Pos1.4-1, 2012
�レーザープロ�ス���ーム
著 者 藤田雅之
題 目 フェムト秒レーザーが切り開く新しい微細加工技術
論文誌名 応用物理、81巻、5号、pp.380-385、2012
著 者 中井貞雄、井澤靖和、藤田雅之、近藤公伯、大道博行、三間圀興、佐宗章弘
題 目 レーザー核融合の産業波及効果
論文誌名 オプトロニクス、No.9、pp.134-142、2012
Y. Avestisyan, C. Zhang, I. Kawayama, H. Murakami, T. Somekawa, H. Chosrowjan,
著 者
M. Fujita, and M. Tonouchi
Terahertz generation by optical rectification in lithium niobate crystal using a shadow
題 目mask
論文誌名 Opt. Express, Vol.20, No. 23, pp.25752-25757, 2012
著 者 藤田雅之
題 目 超短パルスレーザによる複合材料の微細加工
論文誌名 光アライアンス、Vol.24、No.1、pp.7-11、2013
著 者 藤田雅之
題 目 CFRPの切断・穴あけ・トリミング 3.ミクロ加工
論文誌名 オプトロニクス、Vol.373、No.1、pp.104-106、2013
著 者 M. Fujita, T. Somekawa, T. Ozaki, M. Yoshida, and N. Miyanaga
題 目 Dual Beam laser Grooving of CFRP by pulsed lasers
Proceedings of International Symposium on Laser Processing for CFRP and Composites
論文誌名2012, LPCC-5-1, 2012
R. Bhushan, K. Iyama, H. Furukawa, H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita, M. Fujita,
著 者
and N. Miyanaga
題 目 Development of a Compact Diode Pumped High Power Nd:YAG Amplifier
論文誌名 The 1st Advanced Lasers and Photon Sources, ALPSp2-7, pp.57-58, 2012

─ 91 ─

著 者 M. Fujita, T. Somekawa, T. Ozaki, M. Yoshida, and N. Miyanaga
題 目 Dual Beam laser Grooving of CFRP by pulsed lasers
論文誌名 Proceedings of ICALEO2012, M1202, pp.1021-1025, 2012

N. Horiguchi, T. Shinonaga, N. Abe, M. Tsukamoto, M. Yoshida, M. Takahashi, andM. Fujita
Variation of Photocatalytic Activity in Titanium Dioxide Film Modified by
題 目
Femtosecond Laser Irradiation
論文誌名 Proceedings of ICALEO2012, P162, pp.1311-1314, 2012
著 者 T. Somekawa and M. Fujita
題 目 Development of raman lidar for water dissolved CO2 detection
論文誌名 26th International Laser Radar Conference, S1O-06, pp.1-4, 2012
著 者 T. Somekawa, A. Tani, and M. Fujita
題 目 Remote sensing of dissolved gases in resource-rich seawater
論文誌名 SPIE Newsroom, 12 November, pp.1-3, 2012
著 者 T. Somekawa, C. Yamanaka, M. Fujita, E.A. Valler, and M.C. Galvez
Wavelength Dependence of Cloud Depolarization Ratio Due to Multiple Scattering
題 目
Using A Two-Field-of-View White Light Lidar System
論文誌名 International Journal of Scientific and Engineering Research,Vol.3, No.12, pp.1-4, 2012
著 者 T. Somekawa, M.C.D. Galvez, M. Fujita, D.A. Vallar, and C. Yamanaka
Noise Reduction in White Light Lidar Signal Using A One-Dim and Two-Dim
題 目
Daubechies Wavelet Shrinkage Method
論文誌名 Advances in Remote Sensing, Vol.2, No.1,pp.10-15, 2013
著 者 T. Somekawa, M. Kasaoka, F. Kawachi, Y. Nagano, M. Fujita, and Y. Izawa
題 目 Analysis of Dissolved C2H2 in Transformer Oils Using Laser Raman Spectroscopy
論文誌名 Opt. Lett., Vol.38, No.7, pp.1086-1088, 2013
著 者 H. Chosrowjan
題 目 Report on 27th Advanced Solid State Photonics (ASSP) Topical Meeting
論文誌名 The Review of Laser Engineering, Vol.40, No.5, pp.386-388, 2012
H. Chosrowjan, H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, M. Fujita, K. Hamamoto,
著 者
T. Yamada, and Y. Izawa
A Novel Concept of Coherent Beam Combining (CBC) Technique for Applications in
題 目High Power Multichannel Laser Amplifier Systems
論文誌名 The 1st Advanced Lasers and Photon Sources, ALPS4-4, pp.127-128, 2012
H. Chosrowjan, H. Furuse, M. Fujita, Y. Izawa, J. Kawanaka, N. Miyanaga,
著 者
K. Hamamoto, and T. YamadaInterferometric phase shift compensation technique for high power, tiled-aperture
題 目
coherent beam combination
著者

論文誌名 Optics Letters,Vol.38, No.8, pp.1277-1279, 2013
著 者 J. Kawanaka, D. Albach, H. Furuse, N. Miyanaga, T. Kawashima, and H. Kan

A monolithic composite ceramic with total-reflection active-mirrors for joule-classpulse energy amplification
論文誌名 Optical Materials, Vol.35, No.4, pp.770-773, 2013
題目

─ 92 ─

H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, H. Chosrowjan, M. Fujita, S. Ishii, K. Takeshita,
and Y. Izawa
Design of 10 kW-class Laser System Based on Multiple-TRAM Configuration with
題 目
Cryogenic Yb:YAG Ceramics
論文誌名 The 1st Advanced Lasers and Photon Sources, ALPS4-10, pp.139-140, 2012
著 者 R. Yasuhara, H. Furuse, A. Iwamoto, J. Kawanaka, and Y. Yanagitani
題 目 Evaluation of thermo-optic characteristics of cryogenically cooled YAG ceramics
論文誌名 Optics Express, Vol.20, No.28, pp.29531-29539, 2012
著 者 R. Yasuhara and H. Furuse
題 目 Thermally induced depolarization in TGG ceramics
論文誌名 Optics Letters, Vol.38, No.10, pp.1751-1753, 2013
古瀬裕章、櫻井俊光、河仲準二、ハイク コスロビアン、藤田雅之、濱本浩一、
著 者
山田隆弘、宮永憲明、井澤靖和
題 目 高出力低温冷却Yb:YAGレーザーの開発
論文誌名 レーザー学会第438回研究会、RTM-12-71、pp.1-5、2012
H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, H. Chosrowjan, M. Fujita, K. Takeshita, and著 者
Y. Izawa
題 目 Output characteristics of high power cryogenic Yb:YAG TRAM laser oscillator
論文誌名 Optics Express,Vol.20, No.19, pp.21739-21748, 2012
著者

�レーザー計測研究チー�
著 者 倉橋慎理、島田義則、乗松孝好、石井政博、河野幸彦
マルチチャンネルディテクターを用いたレーザー励起超音波によるコンクリー
題 目
ト表面のひび割れ深さ計測
日本材料学会 コンクリート構造物の補修、補強、アップグレード論文報告集、第12巻、pp.329-334、2012
著 者 島田義則、オレグ コチャエフ、篠田昌弘、御﨑哲一、高橋康将、瀧浪秀元
題 目 レーザーを用いたコンクリート欠陥検出の進展
論文誌名 非破壊検査、Vol.61、No.10、pp.519-524、2012
著 者 河野幸彦、島田義則、倉橋慎理
題 目 レーザーによるコンクリートひび割れ深さ計測技術の研究
論文誌名 会誌「電力土木」、平成25年1月号、No.363、pp.56-60、2013
著 者 S. Kurahashi, Y. Shimada, O. Kotyaev, T. Norimatsu, Y. Kono, S. Nakata, and M. Ishii
Measurement of surface crack depth in concrete using laser-ultrasonic technique with
題 目
multichannel detector
The 39th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, AIP
論文誌名
Conf. Proc. 1511, pp.317-323, 2012
論文誌名�レーザー�イオ�学研究チー�
著 者 S. Taniguchi, H. Chosrowjan, T. Wongnate, J. Sucharitakul, P. Chaiyen, and F.Tanaka
Ultrafast fluorescence dynamics of flavin adenine dinucleotide in pyranose 2-oxidases
題 目 variants and their complexes with acetate: Conformational heterogeneity with different
dielectric constants
論文誌名 Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Vol.245, pp.33-42, 2012

─ 93 ─

著

者

S. Taniguchi, H. Chosrowjan, F Tanaka, T. Nakanishi, S. Sato, Y. Haruyama, andM. Kitamura

A key factor for ultrafast rates of photoinduced electron transfer among five flavin
題 目 mononucleotide binding proteins: Effect of negative, positive and neutral charges atresidue 13 on the rate
論文誌名 Bulletin of the Chemical Society of Japan,Vol.86, No.3, pp.339-350, 2013
著 者 T. Okada, T. Saiki, S. Taniguchi, T. Ueda, K. Nakamura, Y. Nishikawa, and Y. Iida
題 目 Hydrogen Production Using Reduced-Iron Nanoparticles by Laser Ablation in Liquids
論文誌名 ISRN Renewable Energy, Vol.2013, 82768, 2013
S. Sato, Y. Matubara, K. Koike, M. Falkenstrom, T. Katayama, Y. Ishibashi,
著 者 H. Miyasaka, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, N. Mataga, N. Fukazawa, S. Koshihara,
K. Onda, and O. Ishitani
題 目 Photochemistry of fac-[Re(bpy)(CO)3Cl]
論文誌名 Chemistry A European Juornal, Vol.18, pp.15722-15734, 2012
J. Liu, A. Yabushita, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, Y. Imamoto, K. Sueda,
著 者
N. Miyanaga, and T. Kobayashi
Ultrafast Time-Resolved Pump−Probe Spectroscopy of PYP by a Sub‑8 fs Pulse Laser
題 目
at 400 nm
論文誌名 The Journal of Physical Chemistry B, Vol.117, pp.4818-4826, 2013
��論������������
S. Fujioka, Z. Zhang, N. Yamamoto, S. Ohira, Y. Fujii, K. Ishihara, T. Johzaki,
A. Sunahara, Y. Arikawa, K. Shigemori, Y. Hironaka, Y. Sakawa, Y. Nakata,
著 者
J. Kawanaka, H. Nagatomo, H. Shiraga, N. Miyanaga, T. Norimatsu, H. Nishimura, andH. AzechiHigh energy density plasmas generation on GEKKO-LFEX laser facility for fastignition laser fusion studies and laboratory astrophysics
論文誌名 Plasma Phys. Control. Fusion, Vol.54, 124042, 2012
S. Ohira, S. Fujioka, A. Sunahara, T. Johzaki, H. Nagatomo, S. Matsuo, N. Morio,
著 者
J. Kawanaka, Y. Nakata, N. Miyanaga, H. Shiraga, H. Nishimura, and H. Azechi
題 目 X-ray backlight measurement of preformed plasma by kJ-class petawatt LFEX laser
論文誌名 J. App. Phys., Vol.112, 063301, 2012
T. Kono, A. Ishikawa, S. Misaki, A. Sunahara, S. Tanaka, T. Yabuuchi, Y. Hirooka, and著 者
K.A. Tanaka
題 目 Material dependence on plasma shielding induced by laser ablation
論文誌名 Plasma and fusion research, Vol.7, 2405065, 2012
著 者 M. Hata, H. Sakagami, A. Sunahara, T. Johzaki, and H. Nagatomo
題 目 Effects of CH foam preplasma on fast ignition
論文誌名 Laser and Particle Beams, Vol.30, pp.189-197, 2012
題目

Y. Kitagawa, Y. Mori, O. Komeda, K. Ishii, R. Hanayama, K. Fujita, S. Okihara,
T. Sekine, N. Satoh, M. Takagi, T. Kawashima, H. Kan, N. Nakamura, T. Kondo,
著 者
M. Fujine, H. Azuma, T. Motohiro, T. Hioki, Y. Nishimura, A. Sunahara, and
Y. Sentoku
題 目 Fusion Using Fast Heating of a Compactly Imploded CD Core
論文誌名 Phys. Rev. Lett., Vol.108, 155001, 2012
─ 94 ─

著 者 A. Sunahara, T. Johzaki, H. Nagatomo, and K. Mima
題 目 Generation of Pre-plasma and Its reduction for Fast Ignition
論文誌名 Laser and Particle Beams, Vol.30, pp.95–102, 2012
著 者 H. Sakagami, A. Sunahara, T. Johzaki and H. Nagatomo
題 目 Effects of long rarefied plasma on fast electron generation for FIREX-I targets
論文誌名 Laser and Particle Beams, Vol.30, pp.103–109, 2012

Ph. Nicolai, M. Olazabal-Loume, S. Fujioka, A. Sunahara, N. Borisenko, S. Gus’kov,
A. Orekov, M. Grech, G. Riazuelo, C. Labaune, J. Velechowski, and V. Tikhonchuk
題 目 Experimental evidence of foam homogenization
論文誌名 Phys. Plasmas, Vol.19, 113105, 2012
S. Fujioka, Z. Zhang, K. Ishihara, K. Shigemori, Y. Hironaka, T. Johzaki, A. Sunahara,
著 者
N. Yamamoto, H. Nakashima, T. Watanabe, H. Shiraga, H. Nishimura, and H. Azechi
題 目 Kilotesla Magnetic field due to a Capacitor-Coil Target Driven by High Power Laser
論文誌名 Scientific Reports, Vol.3, 1170, 2013
H. Shiraga, S. Fujioka, M. Nakai, T. Watari, H. Nakamura, Y. Arikawa, H. Hosoda,
T. Nagai, M. Koga, H. Kikuchi, Y. Ishii, T. Sogo, K. Shigemori, H. Nishimura,
Z. Zhang, M. Tanabe, S. Ohira, Y. Fujii, T. Namimoto, Y. Sakawa, O. Maegawa,T. Ozaki, K.A. Tanaka, H. Habara, T. Iwawaki, K. Shimada, H. Nagatomo, T. Johzaki,
著 者 A. Sunahara, M. Murakami, H. Sakagami, T. Taguchi, T. Norimatsu, H. Homma,
Y. Fujimoto, A. Iwamoto, N. Miyanaga, J. Kawanaka, T. Jitsuno, Y. Nakata,
K. Tsubakimoto, K. Sueda, N. Morio, S. Matsuo, T. Kawasaki, K. Sawai, K. Tsuji,
H. Murakami, T. Kanabe, K. Kondo, R. Kodama, N. Sarukura, T. Shimizu, K. Mima,and H. Azechi
著者

題 目 Integrated experiments of fast ignition targets by Gekko-XII and LFEX lasers
論文誌名 High Energy Density Physics, Vol.8, pp.227-230, 2012

O. Komeda, Y. Nishimura, Y. Mori, R. Hanayama, K. Ishii, S. Okihara, K. Fujita,
Y. Kitagawa, T. Sekine, N. Sato, T. Kurita, Y. Kawashima, T. Watari, H. Kan,
著 者
N. Nakamura, T. Kondo, M. Fujine, H. Azuma, T. Motohiro, T. Hioki, M. Kakeno,
A. Sunahara, Y. Sentoku, and E. Miura
題 目 Target Injection and Engagement for Neutron Generation at 1Hz
論文誌名 Plasma and Fusion Research: Rapid Communications, Vol.8, 1205020, 2013

�レーザー�����
著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, M. Fujita, T. Somekawa, T. Jitsuno, and K.A. Tanaka
Temperature Dependences of Laser Induced Plasma Thresholds and Periodic Structures
題 目by Nanosecond Infrared Laser for Copper, Iron, and Chrome
論文誌名 Appl. Phys. Express,Vol.5, No.6,062701,2012
著 者 本越伸二、三上勝大、實野孝久
題 目 高出力レーザー用高耐力光学薄膜
論文誌名 光学、41巻、12号、608、2012
著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, T. Somekawa, T. Jitsuno, M. Fujita, and K.A. Tanaka
題 目 Temperature dependence of laser-induced damage thresholds by short pulse laser
論文誌名 SPIE, Vol.8530, 8530-4, 2013

─ 95 ─

H. Murakami, T. Jitsuno, S. Motokoshi, E. Sato, K. Mikami, K. Kato, T. Kawasaki,
Y. Nakata, N. Sarukura, T. Shimizu, H. Shiraga, N. Miyanaga, and H. Azechi
題 目 Influences of oil-contamination on LIDT and optical properties in dielectric coatings
論文誌名 SPIE, Vol.8530, 8530-45, 2013
著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, M. Fujita, T. Somekawa, T. Jitsuno, and K.A. Tanaka
題 目 Temperature Effects in Laser Damage Mechanisms for Optical Components
論文誌名 The 1st Advanced Lasers and Photon Sources, ALPS2-6, pp.87-88, 2012著者

─ 96 ─

���会�����
���������������
D. Li, M. Hangyo, Y. Tsunawaki, Z. Yang, Y. Wei, S. Miyamoto, M.R. Asakawa, and著 者
K. Imasaki
題 目 THEORETICAL STUDY OF SMITH–PURCELL FREE-ELECTRON LASERS
会議名 The 34th International Free-Electron Laser Conference, Aug. 26-31, 2012, Nara, Japan
著 者 D. Li, M. Hanygo, Y. Tsunawaki, S. Miyamoto, and K. Imasaki
題 目 Theoretical analysis of grating-based radiation
International Symposium on Frontiers in THz Technology, Nov. 26-30, 2012, Nara,
会議名
Japan
��������������
著 者 M. Fujita, T. Somekawa, T. Ozaki, M. Yoshida, and N. Miyanaga
題 目 Dual Beam laser Grooving of CFRP by pulsed lasers
International Symposium on Laser Processing for CFRP and Composites 2012, Apr. 26会議名
27, 2012, Yokohama, JapanR. Bhushan, K. Iyama, H. Furukawa, H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita, M. Fujita,
著 者
and N. Miyanaga
題 目 Development of a Compact Diode Pumped High Power Nd:YAG Amplifier
The 1st Advanced Lasers and Photon Sources Conference 2012, Apr. 26-27, 2012,
会議名
Yokohama, Japan著 者 M. Fujita, T. Somekawa, T. Ozaki, M. Yoshida, and N. Miyanaga
題 目 Dual Beam laser Grooving of CFRP by pulsed lasers
The 31st International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, Sep. 23会議名
27, 2012, Anaheim, USA
N. Horiguchi, T. Shinonaga, N. Abe, M. Tsukamoto, M. Yoshida, M. Takahashi, and著 者
M. Fujita
Variation of Photocatalytic Activity in Titanium Dioxide Film Modified by
題 目
Femtosecond Laser Irradiation
The 31st International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, Sept. 23会議名
27, 2012, Anaheim, USA
K. Iyama, R. Bhushan, H. Furukawa, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, H. Fujita, M. Fujita,
著 者
N. Miyanaga, Y. Tamaoki, Y. Kato, and T. Kawashima
題 目 Development of kW class Nd:YAG composite ceramic thin disc laser
会議名 Photonics West 2013 / LASE, Feb. 2-7, 2013, San Francisco, USA
著 者 T. Somekawa and M. Fujita
題 目 Development of raman lidar for water dissolved CO2 detection
会議名 26th International Laser Radar Conference, Jun. 25-29, 2012, Porto Heli, Greece
H. Chosrowjan, H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, M. Fujita, K. Hamamoto,
著 者
T. Yamada, and Y. Izawa
A Novel Concept of Coherent Beam Combining (CBC) Technique for Applications in
題 目High Power Multichannel Laser Amplifier Systems
会議名 The 1st Advanced lasers and Photon Sources, Apr. 26-27, 2012, Yokohama, Japan─ 97 ─

著 者
題 目
会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名
著 者
題 目
会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名

T. Uchida, T. Sakurai, and T. Hondoh
Ice-Shielding models for self-preservation effect of gas hydrate2012 Fiery Ice, May 28-Jun. 1, 2012, Sapporo, JapanI. Oyabu, Y. Iizuka, T. Sakurai, T. Suzuki, T. Miyake, M. Hirabayashi, H. Motoyama,
and T. Hondoh
Chemical compositions of soluble particles around the Termination I in the Dome Fuji
ice core
European Geosciences Union, General Assembly 2012, Apr. 22-27, Vienna, Austria
I. Oyabu, Y. Iizuka, T. Sakurai, T. Suzuki, T. Miyake, M. Hirabayashi, H. Motoyama,
and T. Hondoh
Chemical compositions of soluble aerosols around the Termination 1 in the Dome Fuji
ice core
International Partnerships in Ice Core Sciences First Open Science Conference, Oct. 1-5,
2012, Presqu'île de Giens, Côte d'Azur, France
H. Furuse, J. Kawanaka, N. Miyanaga, H. Chosrowjan, M. Fujita, S. Ishii, K. Takeshita,
and Y. Izawa
Design of 10 kW-class Laser System Based on Multiple-TRAM Configuration with
Cryogenic Yb:YAG Ceramics
The 1st Advanced Lasers and Photon Sources, Apr. 26-27, 2012, Yokohama, Japan
H. Furuse and J. Kawanaka
1 J, 100 Hz GENBU-Front End Laser System with Multi-TRAMs
7 th Workshop on High Energy Class Diode Pump Solid State Lasers, Sep. 11-14, 2012,
Tahoe Ciry, CA, USA
H. Furuse, T. Sakurai, J. Kawanaka, N. Miyanaga, H. Chosrowjan, M. Fujita, andY. Izawa
Thermal Analysis of Cryogenic Yb:YAG TRAM Laser for High-Average Power
Systems
7 th Workshop on High Energy Class Diode Pump Solid State Lasers, Sep. 11-14, 2012,
Tahoe Ciry, CA, USA
H. Furuse, J. Kawanaka, R. Yasuhara, N. Miyanaga, K. Matsumoto, T. Kawashima, and
H. Kan1 J, 100 Hz, Sub-ns DPSSL Development Using Cryogenic Yb:YAG/YAG Composite
Ceramics for OPCPA
The international Committee on Ultra-High Intensity Lasers, Sep. 16-21, 2012, Mamaia,
Romania������������
著 者 M. Fujita, O. Kotyaev, and Y. Shimada
題 目 Non-destructive Remote Inspection for Heavy Constructions
会議名 CLEO, May 5-11, 2012, San Jose, USA���������������
著 者 T. Okada, S. Taniguchi, T. Saiki, T. Furu, Y. Iida, and M. Nakatsuka
Synthesis of Fe and FeO Nanoparticles by Laser Ablation in Liquids and its
題 目Applications
会議名 The 1st Advanced Lasers and Photon Sources, Apr. 26-27, 2012, Yokohama, Japan─ 98 ─

���������������
A. Sunahara, T. Johzaki, H. Sakagami, H. Nagatomo, S. Fujioka, Y. Arikawa,
著 者
Y. Sakawa, H. Shiraga, K. Mima, and H. Azechi
題 目 Heating of the imploded plasma by fast ions in the fast ignition scheme
54th American Physics Society DPP meeting, Oct. 29-Nov. 2, 2012, Providence, Rhode
会議名
Island, USA
著 者 A. Sunahara and T. Johzaki
題 目 Heating of the imploded plasma by fast ions in the fast ignition scheme
12th International Workshop on Fast Ignition of Fusion Targets, Nov. 4-8, 2012, Napa,
会議名
CA, USAY. Kitagawa, Y. Mori, O. Komeda, K. Ishii, R. Hanayama, K. Fujita, S. Okihara,
T. Sekine, N. Satoh, T. Kurita, T. Kawashima, H. Kan, N. Nakamura, T. Kondo,
著 者
M. Fujine, H. Azuma, T. Motohiro,T. Hioki, M. Kakeno, Y. Nishimura, A. Sunahara,
and Y. Sentoku
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名

Fast ignition scheme Fusion Using High-Repetition-Rate Laser
IAEA FEC 2012, Oct. 8-13, 2012, San Diego, USA
H. Furukawa, T. Norimatsu, and M. Nakai
Theoretical Studies on Environments in laser fusion liquid wall chamber
Conference on Inertial Fusion Energy, Apr. 25-27, 2012, Yokohama, Japan����������
著 者 Y. Honda, M. Yoshida, S. Motokoshi, K. Fujioka, T. Jitsuno, and M. Nakatsuka
題 目 Temperature dependence of optical properties in Nd/Cr:YAG materials
The 1st Advanced Laser and Photonics Symposium, Apr. 25-27, 2012, Yokohama,
会議名
Japan
著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, T. Somekawa, M. Fujita, T. Jitsuno, and K.A. Tanaka
題 目 Temperature Dependence of Laser-Induced Damage Thresholds by Short Pulse Laser
会議名 Laser Damage Symposium 2012, Sep. 23-26, 2012, Boulder, USA
著 者 S. Motokoshi, K. Tsubakimoto, N. Miyanaga, and M. Fujita
題 目 Laser-Induced Damage Thresholds for 355-nm AR Coatings on LBO Crystals
会議名 Laser Damage Symposium 2012, Sep. 23-26, 2012, Boulder, USA
著 者 S. Motokoshi, K. Kato, K. Mikami, and T. Jitsuno
題 目 Database on Damage Thresholds for AR and HR Coatings in UV Region
会議名 Laser Damage Symposium 2012, Sep. 23-26, 2012, Boulder, USA
T. Jitsuno, H. Murakami, S. Motokoshi, E. Sato, K. Mikami, K. Kato, T. Kawasaki,
著 者
Y. Nakata, N. Sarukura, T. Shimizu, H. Shiraga, N. Miyanaga, and H. Azechi
題 目 Influence of Oil-Contamination on LIDT and Optical Properties in Dielectric Coatings
会議名 Laser Damage Symposium 2012, Sep. 23-26, 2012, Boulder, USA
著 者 S. Motokoshi
題 目 Damage threshold optics for high power lasers
2013 Laser-IT Workshop for Advanced High Power Industrial Lasers, Jan. 17-18, 2013,
会議名
Gwangju, Korea

─ 99 ─

K. Mikami, S. Motokoshi, M. Fujita, T. Somekawa, T. Jitsuno, and K.A. Tanaka
Temperature Effects in Laser Damage Mechanisms for Optical Components
The 1st Advanced Laser and Photonics Symposium, Apr. 25-27, 2012, Yokohama,
会議名
Japan
著
題

者
目

─ 100 ─��学会発�リスト
�レーザープロセス研究チーム
伊山功一、Bhushan Ravi、古河裕之、櫻井俊光、椿本孝治、吉田英次、
著 者
藤田尚徳、藤田雅之、宮永憲明、川嶋利幸
題 目 kW級Nd:YAGコンポジットセラミクスシンディスクレーザーの開発（1）
会議名 第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
中井一樹、成山達也、塚本雅裕、升野振一郎、高橋謙次郎、藤田雅之、阿部信行
題 目 ナノ秒レーザーによる炭素繊維強化プラスチックの切断加工特性
会議名 第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
著

者

著

者

題

目

会議名
著 者
題

目

会議名
著 者
題 目
会議名

成山達也、中井一樹、塚本雅裕、升野振一郎、高橋謙次郎、中野人志、
水田浩平、藤田雅之、阿部信行
ナノ秒レーザーを用いた炭素繊維強化プラスチックの加工 －レーザー波長依存性－
第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
堀口直人、塚本雅裕、吉田 実、篠永東吾、高橋雅也、藤田雅之、阿部信行
フェムト秒レーザー照射による酸化チタン膜の光触媒機能変化 －レーザー波
長依存性－
第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
藤田雅之、染川智弘
超短パルスレーザを用いたCFRPの微細加工
第78回レーザ加工学会講演会、2012年12月13日-14日、アクトシティ浜松コング
レスセンター

伊山功一、Bhushan Ravi、古河裕之、櫻井俊光、椿本孝治、吉田英次、
藤田尚徳、藤田雅之、宮永憲明、川嶋利幸
題 目 kW級Nd:YAGコンポジットセラミクスシンディスクレーザーの増幅特性
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議
会議名
所
著

者

堀口直人、塚本雅裕、吉田 実、篠永東吾、原 一之、高橋雅也、藤田雅之、阿部信行
題 目 ナノ秒レーザー照射による酸化チタン膜の電気抵抗変化
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議
会議名
所
著

者

著

者

題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名

伊山功一、Bhushan Ravi、古河裕之、Chosrowjan Haik、櫻井俊光、椿本孝治、
吉田英次、藤田尚徳、藤田雅之、宮永憲明、川嶋利幸
kW 級Nd:YAG コンポジットセラミクスシンディスクレーザーの開発（2）
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学
藤田雅之
レーザーのリモートセンシング
光エレクトロニクスフォーラム、2012年9月5日、大阪大学・テクノアライアン
ス棟
藤田雅之
身近なレーザー加工、これからのレーザー加工
レーザー安全公開セミナー、2012年9月7日、東北大学・電気通信研究所
─ 101 ─

藤田雅之
次世代エンジニアリング素材CFRPのレーザー加工
レーザー学会第431回研究会、2012年9月18日、全労済ソレイユ
藤田雅之
複合・多層材料のレーザ加工技術とその応用2013
Electronic Journal 第1552回 Technical Seminar、2013年1月11日、連合会館
染川智弘、谷 篤史、藤田雅之
水溶存ガスの遠隔計測に向けたラマンライダーの開発
第30回レーザーセンシングシンポジウム、2012年9月6日-7日、オリビアン小豆
会議名島
著 者 竹内智紀、染川智弘、山中千博
高圧CO2のレーザー誘起ブレイクダウン分光法（LIBS）：ナノ秒、フェムト秒
題 目
レーザーの比較
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目

会議名
著
題

者
目

会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題

目

会議名
著 者
題 目
会議名
著
題

者
目

会議名
著
題

者
目

会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名

第30回レーザーセンシングシンポジウム、2012年9月6日-7日、オリビアン小豆島佐藤 悠、染川智弘、高橋真弘
ラマンライダーによる水蒸気観測および数値予報モデルへの水蒸気同化
第30回レーザーセンシングシンポジウム、2012年9月6日-7日、オリビアン小豆島
染川智弘、谷 篤史、藤田雅之
水溶存ガスの遠隔計測に向けたラマンライダーの開発
第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
竹内智紀、染川智弘、山中千博
高圧CO2のレーザー誘起ブレイクダウン分光法（LIBS）：ナノ秒、フェムト秒
レーザーの比較
第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
佐藤 悠、高橋真弘、染川智弘
ラマンライダーによる水蒸気観測および数値予報モデルへの水蒸気同化
平成24年度土木学会全国大会 第67回年次学術講演会、2012年9月5日-7日、名古屋大学
高橋真弘、染川智弘、佐藤 悠
ラマンライダーによる水蒸気観測および数値予報モデルへの水蒸気同化
水文・水資源学会 2012年度研究発表会、2012年9月26日-28日、広島市西区民
文化センター
染川智弘、谷 篤史、藤田雅之
水溶存ガスの遠隔計測に向けたラマンライダーの開発
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
染川智弘、笠岡 誠、河内二士夫、永野芳智、藤田雅之、井澤靖和
レーザーラマン分光法による変圧器油中アセチレン分析
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学
染川智弘、眞子直弘、久世宏明
白色光レーザーを用いた温室効果ガスの計測法の開発
第15回環境リモートセンシングシンポジウム、2013年2月22日、千葉大けやき会館
─ 102 ─

著 者
題 目
会議名

Haik Chosrowjan、染川智弘、古瀬裕章、藤田雅之、井澤靖和
単一光検出器による多チャンネルコヒーレントビーム結合
第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学

著者

Haik Chosrowjan、櫻井俊光、古瀬裕章、伊山功一、Ravi Bhushan、古河裕之、
椿本幸治、吉田英次、藤田尚徳、宮永憲明、川嶋利幸、本越伸二、藤田雅之、
井澤靖和

題

目

会議名
著 者
題

目

会議名
著

者

題

目

会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著

者

題 目
会議名
著

者

題

目

会議名
著 者
題 目
会議名
著

者

題 目
会議名

kW級コンポジットセラミクス薄ディスクレーザー開発におけるビーム特性に関する研究
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学
櫻井俊光、染川智弘、藤田雅之、飯塚芳徳、大藪幾美、藤田秀二、井澤靖和
パルスレーザーを利用した、氷床コアに含まれる不純物の化学組成解析 －非線
形光学を利用した分光計測を目指して－
雪氷研究大会（2012・福山）、2012年9月24日-27日、福山市立大学
櫻井俊光、古瀬裕章、河仲準二、宮永憲明、Haik Chosrowjan、藤田雅之、
濱本浩一、山田隆弘、井澤靖和
低温冷却Yb:YAG TRAMレーザーの励起スポットにおける温度分布評価
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
櫻井俊光
氷床内における微粒子に関する研究
ドームふじアイスコアに関する研究集会、2013年3月28日-29日、極地研究所
櫻井俊光
SRSを利用した、水溶液中のH2O分子の挙動に関する研究
氷の物理と化学研究の新展開2012、2012年12月6日-7日、北海道大学低温科学研究所
古瀬裕章、櫻井俊光、河仲準二、宮永憲明、Haik Chosrowjan、藤田雅之、
濱本浩一、山田隆弘、井澤靖和
低温冷却Yb:YAG TRAM増幅器の寄生発振機構
第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
古瀬裕章、河仲準二、Haik Chosrowjan、藤田雅之、濱本浩一、山田隆弘、
宮永憲明、井澤靖和
低温冷却Yb:YAG TRAMレーザーのASEおよび寄生発振
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
古瀬裕章、安原 亮、岩本晃史、河仲準二
Yb:YAGセラミックス熱伝導率のドープ濃度および温度依存性
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学
古瀬裕章、櫻井俊光、河仲準二、Haik Chosrowjan、藤田雅之、濱本浩一、
山田隆弘、宮永憲明、井澤靖和
高出力低温冷却Yb:YAGレーザーの開発
レーザー学会第438回研究会「新レーザー技術」、2012年12月19日、愛媛大学

─ 103 ─�レーザー��研究チーム
御﨑哲一、坂本保彦、髙橋康将、島田義則、Oleg Kotyaev、篠田昌弘、
著 者
江原季映、江本茂夫
題 目 レーザーリモートセンシング装置を用いたコンクリート欠陥探傷1
平成24年度土木学会全国大会 第67回年次学術講演会、2012年9月5日-7日、名古会議名屋大学
江原季映、篠田昌弘、中島 進、阿部慶太、真井哲生、島田義則、著 者
Oleg Kotyaev、渡邊英世、御﨑哲一、坂本保彦、高橋康将
題 目 レーザーリモートセンシング装置を用いたコンクリート欠陥探傷2
平成24年度土木学会全国大会 第67回年次学術講演会、2012年9月5日-7日、名古
会議名
屋大学
著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名
著
題

者
目

会議名
著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名

島田義則、Oleg Kotyaev、篠田昌弘、坂本保彦、御﨑哲一、髙橋康将、
江本茂夫
レーザーリモートセンシング装置を用いたコンクリート欠陥探傷3
平成24年度土木学会全国大会 第67回年次学術講演会、2012年9月5日-7日、名古屋大学
島田義則、Oleg Kotyaev、篠田昌弘、御﨑哲一、高橋康将、坂本保彦
レーザーを用いたコンクリート欠陥検出
平成24年電気学会電子・情報・システム部門大会、2012年9月5日-7日、弘前大学
島田義則、Oleg Kotyaev、篠田昌弘、御﨑哲一、高橋康将、瀧浪秀元
レーザーを用いたコンクリート欠陥検出
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
倉橋慎理、島田義則、Oleg Kotyaev、乗松孝好、河野幸彦、中田正剛、
石井政博
レーザー励起超音波を用いたコンクリート表面ひび割れの評価
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
島田義則
レーザーを用いたトンネル覆工コンクリート探傷技術
24年度 第1回 関西支部イブニングサロン、2012年7月20日、（財）電子科学研究所心斎橋研修センター

�レーザー�イ�化学研究チーム
著 者 岡田竹弘、上田 剛、谷口誠治、佐伯 拓、古 隆志、富永健太、飯田幸雄
題 目 液相レーザーアブレーションによる還元鉄ナノ粒子合成と水素製造への応用
会議名 第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学
著 者 谷口誠治、Haik Chosrowjan、田中文夫、Thanyaporn Wongnate、Pimchai Chaiyen
題 目 ヒト由来セリンヒドロキシメチル転移酵素の蛍光ダイナミクス
会議名 日本化学会第93春季年会、2013年3月23日-25日、立命館大学

─ 104 ─�理��シミュレーションチーム
砂原 淳、城崎知至、長友英夫、藤岡慎介、重森啓介、弘中陽一郎、
著 者
三間圀興、白神宏之、疇地 宏、FIREXプロジェクト
高速点火レーザー核融合におけるコーンターゲットの流体力学的特性
第9回核融合エネルギー連合講演会、2012年6月28日-29日、神戸国際会議場
砂原 淳、城崎知至、長友英夫、藤岡慎介、重森啓介、弘中陽一郎、
著 者
三間圀興、白神宏之、疇地 宏、 FIREX プロジェクト
題 目 高速点火コーンターゲット先端部の流体力学的特性II
日本物理学会2012秋季大会、2012年9月18日-21日、横浜国立大学常磐キャンパ
会議名
ス
題 目
会議名

砂原 淳、森 芳孝、米田 修、石井勝弘、花山良平、沖原伸一朗、
藤田和久、北川米喜、関根尊史、栗田隆史、佐藤仲弘、川嶋利幸、菅 博文、
著 者
中村直樹、近藤拓也、藤根 学、掛布光孝、東 博純、日置辰視、元廣友美、
西村靖彦、千徳靖彦、三浦永祐
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著
題

者
目

会議名
著

者

題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著

者

題 目
会議名
著 者
題 目
会議名

超高強度レーザーによる爆縮プラズマの直接加熱
プラズマ核融合学会第29回年会、2012年11月27日-30日、クロバープラザ福岡
砂原 淳
レーザー照射された金属ドロップレットの挙動
第26回数値流体力学シンポジウム、2012年12月18日-20日、代々木青少年センター
砂原 淳
高速点火レーザー核融合における直接加熱
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
砂原 淳、城崎知至、長友英夫、白神宏之、疇地 宏、FIREXプロジェクト、
森 芳孝、北川米喜、 GPI核融合研究チーム
高速点火における直接加熱
日本物理学会2012年次大会、2012年3月26日-29日、広島大学
砂原 淳、西原功修、佐々木明
レーザー照射されたスズドロップレットの挙動
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学
古河裕之、部谷 学、中野人志
多次元のレーザーピーニング統合シミュレーションコードの開発
第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
古河裕之、部谷 学、中野人志
多次元のレーザーピーニングのシミュレーション
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
水田浩平、 宮本幸大、津山美穂、高橋 誠、古河裕之、部谷 学、柴柳敏哉、
中野人志
レーザーピーニングにおけるダブルパルスレーザー照射効果
第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
古河裕之、部谷 学、中野人志
レーザーピーニングにおける多次元効果等の評価
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学
─ 105 ─�レーザー�術���
著 者 本田能之、本越伸二、藤岡加奈、實野孝久、宮永憲明、中塚正大、吉田 実
題 目 Nd/Cr:YAG材料におけるエネルギー移乗過程の解析「高機能個体レーザーとその応用」研究会、2012年7月13日、阪急エキスポ
会議名パーク
著 者 本越伸二、三上勝大、實野孝久、染川智弘、藤田雅之
題 目 超短パルスレーザーによる光学薄膜のレーザー損傷（3）
会議名 第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
著 者 三上勝大、本越伸二、實野孝久、染川智弘、藤田雅之、田中和夫、神村共住
題 目 超短パルスレーザーによるレーザー損傷閾値の温度依存性（2）
会議名 第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
著 者 佐藤雄二、本越伸二、中塚正大
題 目 マグネシウム還元率のレーザー波長依存性
会議名 第73回応用物理学会学術講演会、2012年9月11日-14日、愛媛大学/松山大学
著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名
著
題

者
目

会議名
著
題

者
目

会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名

村上英利、加藤宏太、本越伸二、佐藤英児、三上勝大、川崎鉄次、中田芳樹、
猿倉信彦、清水俊彦、白神宏之、實野孝久、宮永憲明、疇地 宏
汚染量制御下における光学素子のレーザー損傷耐力劣化
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
三上勝大、本越伸二、染川智弘、實野孝久、藤田雅之、田中和夫
異なる照射パルスにおけるレーザー損傷閾値の温度依存性
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
本田能之、本越伸二、實野孝久、宮永憲明、藤岡加奈、中塚正大、吉田 実
Nd/Cr:YAG材料におけるエネルギー移乗過程の解析
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
一色択真、本越伸二、藤岡加奈、實野孝久、村上匡且、吉田 実
Nd:CNGG粉体材料の蛍光特性
レーザー学会学術講演会第33回年次大会、2013年1月28日-30日、姫路商工会議所
三上勝大、本越伸二、染川智弘、實野孝久、藤田雅之、田中和夫
超短パルスレーザーによるレーザー損傷閾値の温度依存性 （3）
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学
本田能之、本越伸二、實野孝久、宮永憲明、藤岡加奈、中塚正大、吉田 実
Nd/Cr:YAG 材料のエネルギー移乗過程
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学
一色択真、本越伸二、藤岡加奈、實野孝久、村上匡且、吉田 実
Nd:CNGG セラミック粉体材料の蛍光特性
第60回応用物理学会春季学術講演会、2013年3月27日-30日、神奈川工科大学

─ 106 ─事 業 報 告 書

事

業

報

告

書

（平成 24 年度）
概況

レーザー技術総合研究所は、4 月 1 日公益財団法人に移行し新しいスタートを切り、10 月 31 日には創立 25 周年を迎えた。
レーザーおよびその関連産業の振興を図り、我が国の学術の進展と科学技術の発展に貢献することを責務とし、レーザーとその応用に関する研究開発、調査、情報の収集・提供、人材の養成などの事業を鋭意推進すべく活動してきた。平成 24 年度においても関係各位の協力を得て、概ね計画どおり活動することができた。
【平成 24 年度の主な成果】
平成 22 年度から開始した産業用レーザー開発研究においては、次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクトに参画した。大阪大学レーザーエネルギー学研究センターで試作されるコンポジットセラミック増幅器の冷却特性の計算機解析・評価を進めるとともに、熱レンズによるビーム波面歪みや熱複屈折損失等のビーム特性を評価する予備試験を行い、高出力レーザー光の波長変換効率の温度依存性を考慮した解析を進めた。また、kW 級高平均出力を実現するための増幅器設計およびビーム結合技術の開発も進めた。
レーザーエネルギー研究チーム、レーザープロセス研究チーム、レーザー計測研
究チーム、レーザーバイオ化学研究チームおよび理論・シミュレーションチームでは、多分野にわたるこれまでの研究をさらに発展させ、研究成果を学会や研究会等で積極的に発信した。
「レーザー超音波探傷技術に関する研究」では、昨年度までに実施した新幹線トンネルのコンクリート実欠陥検査実験で得た結果に基づき、測定感度向上、装置の小型化など実用化に向けたシステム設計・構築を行った。また、新たな応用として水中におけるコンクリート欠陥計測の可能性を検証した。
主な研究テーマとしては、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)や MEMS(微小電気
機械システム)デバイスへのレーザー加工の実証など低炭素社会に資する研究や、レーザーブレークダウン分光法やラマン分光法を取り入れた表面付着物や溶液中の成分の高感度検出技術の開発を進めた。
レーザー技術開発室においては、多くの企業の参加を得て、レーザー用光学素子(波長分離ミラー)の損傷評価試験を実施し、データベース化を進めることができた。
─ 109 ─

普及啓発活動では、「研究成果報告会」の開催(7 月)、機関誌「LASER CROSS」の発行(月刊)、ホームページ等を活用した情報発信、「LASER EXPO 2012」への出展(4 月)などを実施し、研究成果等の積極的な発信に努めた。

１．役員会等の開催(1)理事会
第1回
第2回
第3回

会
会
会

（平成 24 年 4 月 24 日 みなし決議）（平成 24 年 5 月 30 日 大阪科学技術センター）（平成 25 年 3 月 12 日 関電会館）(2)評議員会
第1回 評 議 員 会（平成 24 年 6 月 15 日 大阪科学技術センター）

理
理
理

事
事
事

(3)評議員選定委員会
第 1 回 評議員選定委員会 （平成 24 年 5 月 23 日 大阪大学）

２．賛助会員状況
平成 24 年度末会員数

49 社

112 口

３．学会および論文発表(1)学会発表(2)論文発表

93 件 （国内：63 件、国外：30 件）
52 件 （国内： 9 件、国外：43 件）

４．特許等出願件数
平成 24 年度出願件数
平成 24 年度末特許保有件数

1件
40 件

（登録済：23 件、公開済：14 件、未公開： 3 件）

─ 110 ─Ⅰ

研究開発および調査事業

研究開発の推進と成果の拡充を図るため、研究部門では下記の事業活動を実施した。
１．研究調査事業【産業用レーザー開発プロジェクト研究】
省エネルギー効果が期待されるレーザー加工技術の発展に活用するため、kW 級
産業用レーザーに必要とされる基盤技術について研究を進めた。
(1) 大出力レーザーの開発
産業利用を目的とした大出力レーザーの開発を進め、その応用を検討した。高平均出力を実現するために、発振・増幅特性を詳細に調べ寄生発振抑制のための条件を明らかにした。
(2) 大出力レーザーの熱解析
kW 級大出力レーザー増幅におけるレーザー光の波面歪みを解析するために増幅媒質の熱解析の高精度化および光線追跡による波面解析を進めると共に、温度依存性を考慮した波長変換の計算を行った。また、これらの解析結果を検証するための波面計測実験を行った。
(3) ビーム結合に関する研究
レーザーの大出力化において重要となるビーム結合技術に関する研究を行った。
新たなビーム結合技術を考案し、複数ビームのコヒーレント結合を実証した。
［関連する主な受託・共同研究］
・大出力レーザー開発に関する研究
・次世代素材等レーザー加工技術開発【レーザーエネルギー研究チーム】
レーザーエネルギーの新しい応用分野を開拓するため、テラヘルツ放射源に関する研究を行った。
(1) テラヘルツ放射源に関する研究
コヒーレントテラヘルツ光源の開発を目的とし、電子ビームと周期構造体との相互作用を厳密に取り扱える線形理論を構築し、グレーティングによる電子ビームからのコヒーレント放射を解析した。
［関連する主な受託・共同研究］
─ 111 ─・ テラヘルツ光源の開発研究
・ 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・ メタマテリアルによるコヒーレント放射光の基礎研究【レーザープロセス研究チーム】
低炭素社会に資するため、レーザー加工特性の評価試験を行い、基礎技術開発を行うとともに、レーザープロセスの高性能化に資する基盤技術を開発した。
(1) フェムト秒加工に関する研究
フェムト秒レーザーパルスを用いて金属・半導体等各種材料の加工特性に関する研究を進め、半導体表面改質の現象解明、応用について引き続き検討を行った。
(2) 低炭素社会に資するレーザー加工に関する研究
省エネ電子デバイスへの応用を目指して、薄膜 CFRP(炭素繊維強化プラスチック)へのレーザー加工の適用性の評価を行うと共に、MEMS(微小電気機械システム)
製造プロセスにおけるレーザー転写技術の開発を進めた。
(3) 白色光ライダーを用いた大気計測に関する研究
白色光ライダーの新たな応用を目指し、超短パルスレーザー光の大気伝搬の研究、
温室効果ガスの検出、降雨予測の可能性などの研究を行った。
(4) レーザーを用いた氷雪分析に関する研究
氷雪を対象としたレーザー応用研究を進めた。極地氷コアのレーザー分析研究を行い、また、構造物への着氷雪防止についてフィールド試験を行った。
［関連する主な受託・共同研究］
・微細周期構造の応用研究
・ヘテロ集積化プロセス技術の研究開発
・超短パルスレーザー光大気伝搬による白色光生成とそのライダーへの応用
・都市域大気における温室効果ガス検知に向けた白色光同時吸収分光法の開発
・高精度気象予測のためのレーザー観測情報の利用に関する基礎的研究
・パルスレーザーを利用したラマン分光法による、氷床コアに含まれる微粒子解
析の研究
・パルスレーザーを利用した極地氷床コアに含まれる微生物の分光解析
・SRS-LIBS を利用した極地氷床コア中の微量不純物分析技術の開発【レーザー計測研究チーム】
レーザー応用計測・分析技術の高性能化に資する技術開発を行った。
(1) レーザー超音波探傷技術に関する研究
─ 112 ─レーザー探傷装置の小型化を進め、新幹線トンネル内での実験を通して安定に欠陥を検出できることを実証した。また、この技術は大気中だけでなく、水中での欠陥検出にも展開できることを明らかにした。
(2) レーザーを用いた成分分析の研究
レーザーブレークダウン分光法によるコンクリートや碍子表面付着物の元素分析
ならびに、レーザーラマン分光法による CO 2 およびアセチレン検出実験を実施し、成分分析の高感度化を進めた。
［関連する主な受託・共同研究］
・レーザー計測機器の改良、設計評価、性能確認試験・評価、課題抽出・解決
・碍子表面の塩分計測研究
・レーザーを活用したサージタンク劣化調査手法の開発研究
・高感度ダイナミックホログラム・レーザー超音波法を用いた欠陥検出に関する研究
・レーザー探傷による補強橋梁床版欠陥部のリモートセンシング技術開発
・海底資源用物質に対する高強度レーザー分光開発
・レーザーラマン散乱を用いた海水溶存成分測定法の開発
・レーザーラマン法を用いた油中成分分析に関する研究【レーザーバイオ化学研究チーム】
化学、生物分野へのレーザー技術の応用を目標とし、超高速レーザー分光技術を用いた蛋白質等生体物質の光機能解明に関する研究を進めた。またレーザーの環境、省エネルギー関連技術への適用を目標とし、液中レーザーアブレーション法によるナノ粒子生成と水素生成に関する研究を進めた。
(1) フェムト秒分光計測による光応答性蛋白質、光機能性材料の光過程の研究
光活性黄色蛋白質(PYP)の超高速光反応過程を明らかとするため、サブピコ秒領域での時間分解円二色性計測法による観測を行い、蛋白質内で実際に機能する分子の構造が光励起後 1ps 以内に大きくねじれ、PYP の光反応効率に影響を及ぼすことを明らかとした。
(2) フラビン関連物質の光反応メカニズムの研究
ピロリ菌由来フラボドキシンのシミュレーション解析を進め、電子移動速度の分子間距離依存性を明らかにした。また、生体内でアミノ酸(セリン)の代謝を行うセリンヒドロキシ転移酵素(SHMT)とアミノ酸との反応性を蛍光寿命計測により観測し、光励起により SHMT の機能が促進される可能性を見出した。
(3) レーザーの環境、省エネルギー関連分野への応用
エネルギー分野へのレーザー技術の応用を目指し、パルスレーザーをエネルギー源とした鉄等の金属酸化物の還元とナノ粒子形成に関する研究を進めた。レーザー─ 113 ─

照射法の改良、還元鉄ナノ粒子を用いた水素発生実験等から比較的高い効率で水素生成が可能であることを明らかとした。
［関連する主な受託・共同研究］
・セリンヒドロキシ転移酵素(SHMT)の光反応過程の研究
・液相レーザーアブレーションによる活性金属ナノ粒子生成と水素生産への応用【理論・シミュレーションチーム】
各研究チームが行う実験研究を理論・シミュレーションにより支援した。レーザーアブレーション解析コード、放射流体コードなどを開発し、EUV(極端紫外)光源開発やレーザーアブレーションピーニング等の産業応用に有用なデータを提供した。
また、レーザー核融合プラズマ、核融合炉設計に関する理論的研究なども行った。
(1) EUV(極端紫外光)光源に関する理論的研究
放射流体コードの改良、状態方程式の高精度化、低強度領域のレーザー吸収モデルの改良を図り、スズドロップレットの挙動解析を中心にレーザープラズマ方式
EUV光源における発光効率の最適化を行った。
(2) レーザー生成圧縮プラズマの理論的研究
レーザー生成高密度プラズマの挙動を高精度に模擬可能な流体シミュレーション
モデル、高エネルギー粒子輸送モデルを開発し、効率的な核融合点火及び中性子源の可能性を評価した。さらに、高速点火レーザー核融合の加熱率向上を図るため、
高速点火核融合ターゲット特性の解析を行った。
(3) レーザーアブレーションとその応用に関する理論的研究
相変化や凝集などを含めてレーザーアブレーション過程を記述するシミュレーションコードの開発・改良を行い、大気中のみでなく、水中、及びガラスによる閉じ込め効果を考慮したピーニングのシミュレーションコード開発を行なった。
(4) レーザー核融合炉設計に関する理論的研究
レーザー核融合炉液体壁型チェンバー内のエアロゾルの形成過程および運動を理論的に解析し、チェンバー内環境を評価した。壁から蒸発した金属蒸気の挙動について、評価を行った。
［関連する主な受託・共同研究］
・EUV光源プラズマの基礎研究
・核融合流体シミュレーション【レーザー技術開発室】
高出力レーザーとその応用システムに共通する光学部品や光学材料の高性能化を
─ 114 ─

めざして基礎技術開発を行った。レーザー損傷評価試験を実施し、「高耐力光学素子研究会」を通して、レーザー損傷閾値のデータベース化を進めた。
(1) レーザー材料開発
太陽光励起レーザーで使用される Nd/Cr:YAG セラミックス材料の Cr から Nd へのエネルギー移乗過程について解析を進め、移乗効率、移乗時間等の温度による影響を明らかにした。また、広帯域発光が可能となる Nd:CNGG 材料の透明セラミッ
クス化試験を開始した。
(2) 高耐力光学部品開発
フェムト秒パルスレーザー用高耐力・広帯域ミラーの設計を行った。また、レーザー損傷閾値の温度依存性を評価し、その依存性がレーザー照射によって生成された電子の衝突電離過程に関連することを明らかにした。
(3) レーザー損傷評価試験
技術相談窓口と連携し、展示会、ホームページなどを通して積極的に広報を行い、７社からの依頼を受けた。また、損傷閾値のデータベース化を目的に、1064nm／
532nm 波長分離用ミラーを対象に第 9 回、第 10 回の評価試験を実施した。
［関連する主な受託・共同研究］
・高耐力ミラーの開発
・多層膜素子、光学材料の高耐力化に関するデータベースの構築

２．各種研究会活動
当研究所の研究開発活動を効率的・発展的に推進させるため、関連各界の意見・情報収集の場として、さらにはわが国の研究活動の方向性について提言を発信する場として、次のような研究会を開催し、当研究所の事業の活性化を図った。
［実施した主な研究会］
・次世代レーザー技術応用研究会
・高耐力光学素子研究会

３．産学官連携の推進
ホームページ上の技術相談窓口から、企業の技術開発・改良に対する技術支援、光学部品の損傷評価、微細加工、超音波診断などの相談・要望に積極的に取り組んだ。34 件の技術相談に対応し、そのうち 19 件が受託研究へ結び付いた。
また、広範に拡がるレーザー技術に関するニーズに対応するため、情報、人材、技術等の交流を推進した。
学界との連携に関しては、大阪大学レーザーエネルギー学研究センター等との共─ 115 ─

同研究をはじめ、国内外の大学と積極的に連携を図りながら研究を行った。
産学官との連携に関しては、企業、大学等と連携を図りながら、国等の公募事業に参画した。

４．関連団体との連携(独)宇宙航空研究開発機構(JAXA)、(独)日本原子力研究開発機構(JAEA)、(財)光産業技術振興協会(OITDA)、(財)大阪科学技術センター(OSTEC)、(財)近畿高エネルギ
ー加工技術研究所(AMPI)、 (財)製造科学技術センター(MSTC)、(社)レーザー学会(LSJ)、韓国原子力研究所(KAERI)、韓国光技術院(KOPTI)など関連団体とも積極的に情報交流や人的交流を図り、これら団体と連携してわが国のレーザー技術の発展と普及に寄与する活動を推進した｡
また、(財)大阪科学技術センターが主催している「カーボンナノ材料研究会」に参加し、ナノテクノロジー分野の情報収集、人脈形成に努めた。

５．公募研究国等が公募を行っている各種競争的研究資金の獲得に努め、本年度は下記の採択課題に参加、実施した。
(1) 次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト((独)新エネルギー・産業技術総合開発機構)(2) アダプティブパワーフォトニクスの基礎技術 (多層膜素子、光学材料の高耐力化
データベース)((独)科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 CREST タイプ)
(3) レーザー探傷による補強橋梁床板欠陥部のリモートセンシング技術開発((独)科学技術振興機構 研究成果最適展開支援プログラム A-STEP FS タイプ)

６．受託研究36 件の受託研究を実施した。(公募によるものを除く。技術相談によるものを含む。)

７．補助事業
文部科学省の科学研究費補助金や、民間団体の研究助成により、以下のような研究を実施した。

─ 116 ─(1) 高感度ダイナミックホログラム・レーザー超音波法を用いた欠陥検出に関する研究 (基盤研究 C)(2) 負の屈折率メタマテリアルによるコヒーレント放射光源研究開発（基盤研究 C）(3) パルスレーザーを利用したラマン分光法による、氷床コアに含まれる微粒子解
析の研究（若手 B）(4) 高速点火レーザー核融合における高速電子の発生と輸送の物理的制御（基盤研究 C）(5) パルスレーザーを利用した極地氷床コアに含まれる微生物の分光解析 (住友財団 環境研究助成)(6) メタマテリアルによる電子ビーム放射光の基礎研究 (光科学技術振興財団 研
究助成)

Ⅱ

普

及

啓

発

活

動

事

業

レーザー技術の普及啓発活動として、情報の発信・提供、人材交流などの事業を
下記のとおり実施した。
１．人材の育成
共同研究の相手先や技術相談依頼企業等の若手研究員に技術指導を行いながら研究を進めることにより、レーザー技術に関する人材育成を行った。

２．研究成果報告会
東京ならびに大阪において平成 23 年度の研究成果を報告する研究成果報告会(ILT2012)を開催した。
7月 5日
KKR ホテル東京 (東京)
7 月 18 日 千里ライフサイエンスセンター (大阪)

３．機関誌等の発行
機関誌「LASER CROSS」を月 1 回発行した。また、H25 年 1 月から電子メール
での情報配信サービスを開始し、広く情報の発信・提供を行った。

４．展示会への出展
関係団体が主催する光技術やレーザーに関する展示会へ積極的に出展し、当研究─ 117 ─所の広報活動に務めた。
LASER EXPO 20124 月 25 日～27 日

パシフィコ横浜 (神奈川)

５．国際交流海外のレーザー技術の開発動向や産業応用に関連した情報を収集し、また､レーザー関連団体や関係研究機関との情報交換・人材交流を図るため、計 15 の国際会議へ参加した。また、フランスボルドー大学や韓国原子力研究所(KAERI)、韓国光技術院(KOPTI)等との共同研究を実施した。主なものは以下のとおり。
(1) OPTICS & PHOTONICS International Congress (OPIC, 4 月, 日本)(2) The Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO, 5 月, アメリカ)(3) International Laser Rader Conference (ILRC, 6 月, ギリシャ)(4) High Energy Class Diode Pumped Solid State Laser (HEC-DPSSL, 9 月, ア
メリカ)(5) Laser Damage Symposium (9 月, アメリカ)(6) The International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics(ICALEO2012, 9 月, アメリカ)(7) 韓国原子力研究所(KAERI)共同研究 (12 月, 韓国)(8) 韓国光技術院(KOPTI)招待講演 (1 月, 韓国)(9) ボルドー大学共同研究 日仏交流促進事業 SAKURA プログラム (2 月, フランス)

─ 118 ─

Ⅲ

創

立

25

周

年

記

念

事

業

平成 24 年度に当財団が創立 25 周年を迎えたのを機に、レーザー技術のさらなる普及啓発活動を推進すべく、「ハイパワーフォトニクス」をテーマに創立 25 周年記
念事業を実施した。

１．記念講演会
・日時 ：平成 24 年 7 月 18 日(水) 15:00 ~ 17:00
・場所 ：千里ライフサイエンスセンター
・参加者 ：約 100 名【プログラム】① 開会挨拶
所長 井澤 靖和
② 泰山賞贈呈式◇レーザー功績賞 豊田 浩一 氏
「レーザーマイクロプロセスの研究とレーザー科学技術の発展に対する貢献」◇レーザー進歩賞 渡部 俊太郎 氏「超短パルス高強度レーザーとコヒーレント短波長光発生に関する先駆的研究」③ 記念講演◇「レーザー総研 25 年とレーザー産業」
所長 井澤 靖和◇「レーザー科学研究の将来」
光産業創成大学院大学 学長 加藤 義章 氏
④ 閉会挨拶
副所長 中塚 正大
２．記念祝賀会・日時 ：平成 24 年 7 月 18 日(水) 17:30 ~ 19:00
・場所 ：千里阪急ホテル クリスタルホール
・参加者 ：約 100 名
３．創立 25 周年記念誌の発行｢レーザー総研 25 年の進歩」(平成 24 年 7 月 18 日発行)

─ 119 ─

Ⅳ

そ

の

他

事

業

１．IFE（慣性核融合エネルギー：Inertial Fusion Energy）フォーラム活動
慣性核融合エネルギー開発事業の推進をめざし、レーザー核融合実験炉設計委員
会活動およびレーザー核融合関連技術の普及のための講演会等を支援した。

２．出版物の刊行
平成 23 年度の研究成果を年報にまとめ、刊行した。
・「ILT2012 年報」(2011～2012) (平成 24 年 7 月発行)

３．泰山賞の贈呈
創立 25 周年記念講演会にて第 4 回泰山賞の表彰式を行い、レーザー科学技術の分野で永年にわたり抜群の功績を上げた個人に功績賞を、近年著しい業績を上げた
個人に進歩賞を贈呈した。

─ 120 ─

組

織

図

構成員一覧

組

織

図

監
事

レーザーエネルギー研究チーム
評 選
議 定
員 委
員
会

レーザープロセス研究チーム
副

所

所
長

評
議
員
会

理

理

事

事

会

長
橋
本
德
昭

副
理

常
務

事

理

長

事

山
中
千
代
衛

レーザー計測研究チーム

長

井
澤
靖
和

中
塚
正
大

レーザーバイオ化学研究チーム
理論・シミュレーションチーム

レーザー技術開発室

中三
塚宅
正浩
大史

事
務
局
長

総 務 部
三
宅
浩
史

ＩＦＥフォーラム

レーザー核融合技術振興会（平成25年6月現在）
─ 123 ─構 成 員 一 覧
理事長
副理事長･名誉所長
所 長
常務理事
常務理事･副所長

橋本德昭
山中千代衛
井澤靖和
三宅浩史
中塚正大

【レーザーエネルギー研究チーム】

チームリーダー研究員

井澤靖和（兼務）
李 大治【レーザープロセス研究チーム】

主席研究員（チームリーダー）
副主任研究員
副主任研究員
研究員

藤田雅之
ハイク コスロービアン(兼務)
染川智弘
櫻井俊光

【レーザー計測研究チーム】

主任研究員
島田義則
（チームリーダー）
副主任研究員谷口誠治（兼務）
研究員
オレグ コチャエフ【レーザーバイオ化学研究チーム】

チームリーダー
副主任研究員
副主任研究員中島信昭
ハイク コスロービアン
谷口誠治【理論･シミュレーションチーム】

チームリーダー
主任研究員
研究員

井澤靖和（兼務）
砂原 淳
古河裕之【レーザー技術開発室】

主任研究員
（室長）
研究員

本越伸二
岸田知門

事務局長
総務部長
マネージャー
マネージャー
マネージャー
事務員
事務員
事務員

三宅浩史（兼務）
三宅浩史（兼務）
幸脇朱美
小野田理恵
高山大輔
諸白景子
中川道子
渡邊佳子

【総務部】

【特別研究員】

京都大学 名誉教授
元日新電機株式会社
元三菱電機株式会社
三重県立看護大学 名誉教授
元東京工業大学 准教授（財）豊田理化学研究所 フェロー
元（財）レーザー技術総合研究所

毛利明博
鈴木泰雄
田畑則一
田中文夫
糟谷紘一
中島信昭
今崎一夫

（平成25年6月現在）
─ 124 ─【共同研究員】
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学大学院工学研究科
大阪大学大学院工学研究科
大阪大学大学院工学研究科
大阪大学大学院基礎工学研究科
大阪大学大学院理学研究科
大阪大学接合科学研究所
大阪大学接合科学研究所
大阪大学
大阪工業大学工学部
大阪産業大学工学部
大阪市立大学大学院理学研究科
岡山大学大学院自然科学研究科
核融合科学研究所
核融合科学研究所
関西学院大学理工学部
関西大学システム理工学部
関西大学システム理工学部
北見工業大学
京都大学化学研究所
京都大学化学研究所
京都大学大学院理学研究科
京都大学大学院理学研究科
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部電気電子工学科
高知工業高等専門学校
高知工業高等専門学校
摂南大学工学部
大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立極地研究所
千葉大学
電気通信大学 企画調査室
電気通信大学レーザー新世代研究センター
東京工業大学大学院理工学研究科
東京工業大学大学院総合理工学研究科
東北大学大学院工学研究科
東北大学大学院理学研究科
奈良先端科学技術大学院大学
日本原子力研究開発機構敦賀本部レーザー共同研究所
日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門
日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門
光産業創成大学院大学
─ 125 ─

センター長
教授
教授
教授
教授
教授
准教授
准教授
准教授
准教授
助教
講師
名誉教授
特任教授
教授
教授
教授
教授
准教授
教授
准教授
名誉教授
教授
教授
教授
助教
准教授
助教
教授
教授
准教授
助教
教授
准教授
教授
教授
教授
教授
教授
准教授
准教授
准教授
教授
准教授
教授
特任教授
准教授
教授
講師
准教授
准教授
特任教授
所長
研究主幹
研究副主幹
准教授

疇地 宏
斗内 政吉
萩行 正憲
西村 博明
乗松 孝好
宮永 憲明
河仲 準二
坂和 洋一
藤田 尚徳
藤岡 慎介
椿本 孝治
藤本 靖
西原 功修
實野 孝久
兒玉 了祐
粟津 邦男
田中 和夫
宮坂 博
山中 千博
節原 裕一
塚本 雅裕
柳田 祥三
西口 彰夫
草場 光博
八ツ橋知幸
西川 亘
岩本 晃史
安原 亮
玉井 尚登
淺川 誠
佐伯 拓
古瀬 裕章
阪部 周二
橋田 昌樹
七田 芳則
大須賀篤弘
吉田 実
橋新 裕一
中野 人志
前田 佳伸
赤松 重則
芝 治也
田口 俊弘
藤田 秀二
久世 宏明
植田 憲一
西岡 一
矢部 孝
河村 徹
田中 秀治
柴田 穣
増原 宏
大道 博行
山川 考一
佐々木 明
藤田 和久

光産業創成大学院大学
大阪産業大学
兵庫県立大学大学院工学研究科
兵庫県立大学高度産業科学技術研究所
兵庫県立大学高度産業科学技術研究所
広島大学大学院工学研究科
広島大学大学院工学研究科
福井大学大学院工学研究科
福井大学大学院工学研究科
福岡工業大学工学部
北海道大学大学院工学研究院
北海道大学大学院工学研究院
宮崎大学産学・地域連携センター
山梨大学大学院医学工学総合研究部
山梨大学大学院医学工学総合研究部
立命館大学情報理工学部

特任教授
准教授
教授
特任教授
教授
教授
准教授
教授
准教授
教授
教授
教授
准教授
教授
助教
教授

三間 圀興
部谷 学
藤原 閲夫
望月 孝晏
宮本 修治
遠藤 琢磨
城﨑 知至
仁木 秀明
金邉 忠
河村 良行
足立 智
長谷川靖哉
甲藤 正人
張本 鉄雄
宇野 和行
陳 延偉

（平成25年6月現在）
─ 126 ─評

議員理 事・ 監 事
評議員選定委員
企

画

委

員

評

議

員
（敬称略）

評議員

礒嶋茂樹

住友電気工業株式会社 材料技術研究開発本部技師長

尾崎 博
加藤有一

富士電機株式会社
電力社会インフラ事業本部発電プラント事業部 原子力技術部長
一般財団法人電力中央研究所 常務理事

菅 博文

浜松ホトニクス株式会社 取締役

高杉政博

関西電力株式会社 執行役員

田中健一

三菱電機株式会社先端技術総合研究所 所長

西一般財団法人大阪科学技術センター 専務理事

亨

西 正孝

独立行政法人日本原子力研究開発機構関西光科学研究所 所長

東 邦夫

京都大学 名誉教授

望月孝晏

兵庫県立大学 特任教授

山中龍彦

大阪大学 名誉教授

山本修一

パナソニック株式会社 コーポレートR&D戦略室 理事（平成25年6月現在）
─ 129 ─

理

事 ・ 監

事
（敬称略）

理事長

橋本德昭

関西電力株式会社 常務取締役

理

山中千代衛

大阪大学 名誉教授

中塚正大

大阪大学 名誉教授

三宅浩史

公益財団法人レーザー技術総合研究所 事務局長

疇地 宏

大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター センター長

井澤靖和

大阪大学 名誉教授

梅田賢治

三菱重工業株式会社 原子力事業本部 原子力技術部 部長

佐藤正一

中部電力株式会社 技術開発本部 部長

佐野雄二

株式会社東芝電力システム社 電力・社会システム開発センター技監

鈴木幸司

日本電気株式会社 執行役員

豊留昭宏

富士電機株式会社 関西支社営業第二部長

山本俊二

三菱電機株式会社 電力・産業システム事業本部技師長

吉澤厚文

東京電力株式会社 原子燃料サイクル部長

岡田 勉

株式会社三井住友銀行 大阪本店営業第二部長

西原功修

大阪大学 名誉教授

日根野文三

日根野公認会計士事務所 所長

監

事

事

（平成25年6月現在）
─ 130 ─

評議員選定委員
（敬称略）
高杉政博

関西電力株式会社

執行役員

西原功修

大阪大学

三宅浩史

公益財団法人レーザー技術総合研究所

佐々木孝友

大阪大学

名誉教授

阪部周二

京都大学

教授

名誉教授
事務局長

（平成25年6月現在）
─ 131 ─

企

画

委

員
（敬称略）

委員長

大濱稔浩

関西電力株式会社 原子燃料サイクル室 原子燃料サイクル部長

委

粟津邦男

大阪大学 教授井上哲也

一般財団法人大阪科学技術センター 総務部 企画室長

植田憲一

電気通信大学 特任教授

大谷浩司

三菱電機株式会社 電力システム製作所 磁気応用先端システム部 次長

奥田泰弘
兒玉了祐

住友電気工業株式会社 エレクトロニクス・材料研究所
エレクトロニクス接続技術研究部 部長
大阪大学 教授

近藤公伯

独立行政法人日本原子力研究開発機構 先進ビーム技術研究ユニット長

白神宏之

大阪大学 教授

鈴木良和

オムロンレーザーフロント株式会社 技術統括マネージャー

竹辺晴夫

富士電機株式会社 エネルギー事業本部 事業企画部 担当部長

田中正人

関西電力株式会社 原子燃料サイクル室
サイクル事業グループ マネジャー
大阪大学 教授

員

斗内政吉
中熊哲弘

中島信昭

東京電力株式会社 原子燃料サイクル部
サイクル技術グループ マネージャー
株式会社日立製作所 電力システム社 原子力事業統括本部
原子力事業統括センタ 王禅寺センタ長
公益財団法人 豊田理化学研究所 フェロー

名倉準市

中部電力株式会社 技術開発本部 研究企画グループ長

西村博明

大阪大学 教授

濱崎 学

三菱重工業株式会社 原子力事業本部 原子力技術部次長

藤原閲夫

兵庫県立大学 教授

宮崎健創

京都大学 教授

宮永憲明

大阪大学 教授

向井成彦
森 勇介

株式会社東芝 電力システム社 電力・社会システム技術開発センター
電気計装システム開発部 部長
大阪大学 教授

横井賢二郎

関西電力株式会社 研究開発室 研究推進グループ マネジャー

富永研司（平成25年6月現在）
─ 132 ─⾥‫ޓ‬ഥ‫ޓ‬ળ‫ޓ‬ຬ
【建設業】【精密機器具製造業】

株式会社環境総合テクノス

有限会社岡本光学加工所

関電プラント株式会社

オムロンレーザーフロント株式会社

株式会社きんでん

株式会社片岡製作所
光伸光学工業株式会社【鉄鋼・非鉄金属製造】

ジオマテック株式会社

株式会社神戸製鋼所

株式会社島津製作所

住友電気工業株式会社

浜松ホトニクス株式会社

三菱電線工業株式会社【商社・その他】【金属製品製造業】

株式会社オプトサイエンス

原子燃料工業株式会社【銀行・その他金融】【電気機器具製造業】

株式会社三井住友銀行

ウシオ電機株式会社株式会社ダイヘン【電気・ガス業】

株式会社東芝大阪ガス株式会社

日新電機株式会社

関西電力株式会社

日本電気株式会社

中国電力株式会社

株式会社日本ネットワークサポート

北陸電力株式会社

パナソニック株式会社

日本原子力発電株式会社

株式会社日立製作所
富士電機株式会社【鉄道業】

三菱電機株式会社

西日本旅客鉄道株式会社【機械・輸送用機器具】【サービス業・その他】

三菱重工業株式会社

関電不動産株式会社株式会社ケイ・オプティコム

─ 133 ─【団体関係】
財団法人応用光学研究所
一般財団法人大阪科学技術センター
一般財団法人関西情報センター
一般財団法人電力中央研究所
一般財団法人光産業技術振興協会
一般社団法人レーザー学会

合計42社(他1社含む)（平成25年6月現在）
─ 134 ─

お わ り に
レーザー技術総合研究所年報第 25 巻 ILT2013（平成 24 年度成果報告書）を取りまとめました。7 月に東京と大阪で開催する成果報告会においてその内容をご報告し、皆様からご批判、ご教示を頂きたいものと願っています。
当研究所は、昨年創立 25 周年を迎え、同時に、公益財団法人レーザー技術総合研究所
として新たなスタートを切りました。現在、レーザーエネルギー、レーザープロセス、レーザー計測、レーザーバイオ化学、理論・シミュレーションの 5 研究チームとレーザー技
術開発室の体制で研究を進めております。また、一昨年、全所横断型の産業用レーザー開発プロジェクトチームを立ち上げました。
プロジェクトチームでは、小型、高出力、高効率、高ビーム品質の固体レーザー開発を目標に、小型の装置による基礎実験を進め、レーザー出力特性や熱解析の成果を下にして、高出力レーザー設計手法の確立をめざしています。また、多ビーム構成により更なる高出力を実現するため、新しいコヒーレントビーム結合方式を提案し、実証実験を進めています。
チーム研究では、フェムト秒レーザーによる CFRP 極薄板の溝切り加工で良好な性能が得られ、マスクパターン形成技術への適用に見通しが得られました。レーザー超音波探傷技術開発では、山陽新幹線トンネルにおける内部欠陥検出実地試験でその有効性を実証することができ、実用化に大きく一歩近づきました。白色光ライダー技術を発展させ、大気中だけでなく溶液中に溶存している不純物の遠隔計測をめざすラマンライダー、碍子表面の塩分量計測、次世代半導体リソグラフィ用 EUV 光源のシミュレーション研究でも、成果の順調な進展が見られました。溶液中でのレーザーアブレーションを利用した酸化還元
反応とナノ粒子生成、メタマテリアルを利用するテラヘルツ光源など、新しい研究の芽も生まれました。レーザー技術開発室では、産業界からの様々な技術相談に対応するとともに、光学素子の損傷評価や高耐力化の分野で貢献することができました。
今後は、公益財団法人としての責務を果たすべく研究開発活動を積極的に推進し、わが国の産業活力向上に貢献できるよう、鋭意努力する所存でございます。
長年にわたる皆様方のご指導、ご協力に深く感謝申し上げますとともに、これからも相変わりませず、ご支援、ご鞭撻下さいますようお願い申し上げます。
平成 25 年 7 月
公益財団法人 レーザー技術総合研究所所長
井 澤 靖 和─ 135 ─

ＩＬＴ2013

年報

平成 25 年度７月 発行

公益財団法人 レーザー技術総合研究所〒 550-0004 大阪市西区靱本町１丁目８番４号
大阪科学技術センタービル４Ｆ

TEL（06）6443-6311 ㈹