は じ め にレーザー技術総合研究所は 1987 年の創立以来、レーザーおよびその関連産業の振興を図り、わ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、人材の育成などの事業を推進してまいりました。この間、関係省庁、企業、大学等研究機関の皆様から多大なご指導、ご支援を賜りましたこと、厚く御礼申し上げます。
平成 30 年度は、全所横断型の「産業用レーザー開発」と「レーザー探傷技術開発」の 2 つのプロジ
ェクト、ならびに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ました。
産業用レーザー開発プロジェクトでは、固体レーザー材料のゼロフォノン吸収ライン励起がレーザ
ー媒質の発熱抑制と発振効率の向上に有効であることを実証し、室温動作で kW 出力を達成しました。
また、可視域で発振する Pr 添加フッ化物ファイバレーザー出力を波長変換し、高効率・高輝度の紫外光源開発研究を進めました。
レーザー探傷技術開発プロジェクトでは、コンクリート構造物の経年劣化を高速で検査し、健全性を評価する技術の開発を進め、鉄道トンネルや道路トンネルでその有効性を実証するとともに、実用化をめざして、ハード、ソフト両面から、装置の高性能化や検査結果の信頼性向上の研究を進めました。
また、落石可能性の検知や配管厚さの監視など、新しい分野への応用研究を開始しました。
チーム研究では、テラヘルツ波光源開発、レーザー加工、レーザー分光による微量成分分析、液中レーザーアブレーションと光化学、生体関連物質の機能研究、レーザープラズマシミュレーション研究、
光学素子の損傷評価や高耐力化研究などを継続し、併せて新しい応用分野の開拓をめざした試みも始めています。テラヘルツ光源開発では、これまでの理論研究の成果を実証すべく、金属の周期構造体と誘電体を組み合わせた複合構造体を試作し、電磁波の放射特性を計測して理論との整合性を確認しました。
レーザー加工では、木材や金属部材の塗装除去やクリーニング、コンクリート部材の切断・補修など、
土木建築分野での応用研究に着手しました。レーザー分光では、船舶に搭載可能なラマンライダー計測システムを開発し、海上からの水中観測に挑戦するなど、実環境での海洋計測をめざす活動を開始しました。また蛋白質の光機能性の解明研究、レーザーアブレーション現象や地震先行現象に関連するプラ
ズマ物理研究などでも成果が積み上げられました。光学素子の高耐力化や損傷評価では、産業界を中心とする皆様方からご相談やご依頼が増加しており、ご要望に対応できる体制などを検討してまいります。
当研究所は公益財団法人として、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通じ、成果を広く情報発信することに努めています。ここに平成30年度の成果報告書（ILT2019年報第31巻）
を取りまとめました。何卒ご高覧の上、ご助言、ご指導下さいますようお願い申し上げます。

令和元年 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ILT2019 年報（Annual Progress Report 2018-2019）
目 次
は

じ

め

に

研 究 報 告 書
レーザーエネルギー研究チーム
Waveform measurement system for novel terahertz radiation

1

レーザープロセス研究チーム
レーザープロセシングの新しい展開

4

常温動作キロワット出力 Yb：YAG レーザーの開発

10

Lasing Characteristics of Axicon Retro-Reflector Resonator

16

海上ラマンライダーによる海底面の測距の可能性

22

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欠陥検査：実用化を目指して

26

レーザー打音法によるコンクリート構造物内部欠陥高速検査技術の開発

32

Laser-based remote nondestructive inspection of metal water-pipelines

37

レーザーバイオ化学研究チーム
時間分解レーザー計測による蛋白質の光励起ダイナミクス

44

理論・シミュレーションチーム
レーザー核融合液体壁炉チェンバー内の金属蒸気の澱みの可能性の研究

48

レーザー技術開発室
小型・高効率 UV レーザー光源開発50

発表論文リスト
事 業 報 告 書

57

組
織
図
構 成 員 一 覧

81

評
議
員
理 事 ･ 監 事
賛 助 会 員

87

67
82
88
89

研 究 報 告 書

Waveform measurement system for novel terahertz radiation
Laser energy research group
Dazhi Li, Kosaku Kato1, Makoto Nakajima1, Makoto Asakawa2, Masaki Hashida3
Institute of Laser Engineering, Osaka University

1
2
3

1.

Faculty of Engineering Science, Kansai University

Advanced Research Center for Beam Science, ICR, Kyoto University

Introduction

Terahertz radiation source is actively studied since it plays ain vacuum f � 𝑐𝑐𝑘𝑘� ⁄2𝜋𝜋 , and in the dielectric �� �vital role in terahertz applications1, and high-efficiency terahertz

this mode exists above the light line of dielectric but below thatradiation device is pursued in any terahertz wave systems2-7. Weof vacuum, which means that they can radiate in the dielectric𝑘𝑘� 𝑐𝑐 ⁄𝑐𝑐𝑐√𝜀𝜀� are also plotted for comparison. It is shown that

proposed a configuration of slit-array with the dielectric
substrate to effectively generate terahertz radiation2. The novel
radiation mechanism is different from the well-known SmithPurcell effect and has been demonstrated to be potential indeveloping

terahertz

radiation

sources.

Forfurtherunderstanding the radiation physics happened in a radiation
scheme, we build a THz-TDS measurement system to observe
the radiations. With this system, we hope to get the waveformin the time domain, and then we can further understand thecharacteristics of the radiation physics that we are interested in.

Fig.1 Dispersion relation of the two-dimensional grating

In this report, we introduce our experimental setup and theconfiguration with a dielectric substrate. (resonancerecent progress.

occurs at the intersection of the beam line with the curveof mode)2.

Features of novel radiation
The model of the configuration consisted of a metal slit-arrayside and operate as surface waves in the vacuum region. A 35-

on a dielectric substrate 2 as shown in Fig. 1. We designed thekeV electron beam is assumed to travel near the surface of thestructural parameters as L=0.2 mm, W=0.1 mm, H=0.4 mm,

grating, and we also plotted the electron beam line � �substrate. We focus on the dispersion relation of this grating𝑘𝑘� 𝑐𝑐𝑐𝑐⁄𝑐𝑐𝑐 for comparison. From Fig.1 we know that theconfiguration, and our attention is confined to transverse

At the intersection of the beam line with the curve of the mode,

magnetic (TM) waves, for which the magnetic field in the z

resonant frequency 0.21 THz and the radiation angle 34 degrees

direction vanishes. By making use of the boundary conditions,can be predicted. According to these predictions, we designed athe dispersion relation between angle frequency 𝜔𝜔 andsubstrate with the form of wedge to output the radiation. The

and the permittivity 𝜀𝜀� =11.7 (Silicon) is used for the dielectric

electron beam can excite radiative waves in the dielectric region.

wavenumber 𝑘𝑘� can be directly derived2. With the parameters

direction of the radiation can be designed as expected by

given earlier, we numerically solved the dispersion equation andadjusting the angle of wedge. A simulation example of radiation

obtained predicted a TM mode as shown in Fig. 1. The light line

pattern is given in Fig. 2, where the radiation goes in the forward─1─measurement system works well or not. The beam 3 goes

direction.

through a delay device and is focused on another ZnTe crystal(denoted as ZnTe 2). When the THz wave irradiates ZnTe 2
simultaneously, the polarization of beam 3 is changed, and we

Fig. 2 Magnetic field in y direction of electromagnetic
wave to show the radiation pattern. (The wedge angle isdesigned to make the output wave go in the forward
direction)
3.

Fig. 3 Schematic of the experimental setup including

Waveform measurement system

the generation of terahertz radiation through electron

We have developed a compact electron gun based on a 40-

bunches and THz-TDS measurement system.

kV DC photo-injector to produce ultrashort, high-charge
electron bunches. A frequency-tripled Ti:sapphire laser beam

can know the intensity of THz wave at that moment by(λ=266 nm, hv=4.7 eV) irradiates a magnesium photocathodemeasuring the changes of polarization through two photodiodes.

(work function=3.64 eV) installed in the diode-type DC gun to

By adjusting the temporal delay, we finally can get the

produce photoelectrons. The repetition rate of the laser was 1

waveform of the THz wave in the time domain. After wekHz, and its pulse width fluctuated slightly in 95-105 fs range.

determine that the measurement system works normally, theThe laser beam is focused on the cathode, which is 20 mm inbeam 2 will be shut down, and let the THz radiation generated

diameter. The cathode is connected to a high-voltage DC powerfrom the electron bunches irradiate the ZnTe 2 to perform the

supply with a maximum voltage of -40 kV. The DC electric

actual measurements.

field accelerates the photoelectrons toward the anode electrode,

We have finished the measurement and the examination

and a dumper electrode placed immediately behind the anodesystems, and the examination experiments have been carriedelectrode, at which a radiation structure for generating terahertz

out. The terahertz wave generated by the optical rectification

radiation is installed.

effect was observed by the measurement system, and theBased on the electron gun, we are developing a THz-TDS

waveform in the time domain is shown in Fig. 4. It is shown thatmeasurement system as shown in Fig. 3. The laser generated

the measurement system works well, and the experiments forfrom the Ti:sapphire is divided into three beams, denoted aselectron bunches are underway.

beam 1, beam 2 and beam 3, respectively. The beam 1 isfocused by a lens placed outside the vacuum vessel to irradiate

4.

Conclusion

the cathode. The beam 2 is used to irradiate a ZnTe crystal

We found that a slit-array with dielectric substrate was(denoted as ZnTe 1) to produce THz wave through rectification

possible to provide a radiative electromagnetic mode that could

effect. We use this THz wave to examine whether the

be resonant with an electron beam. From the resonant

─2─mechanism we predicted a special radiation much stronger than

Fukui (H30FIRDM031A), the joint research project of thethe Smith-Purcell radiation, which is a powerful alternative inInstitute of Laser Engineering, Osaka University (2018B1-LI),developing terahertz radiation sources. And it can be expected

NSFC(61771117), The Futaba Research Grant Program of thethat an initially continuous beam could be bunched due to the

Futaba Foundation and KAKENHI (16k04987).

resonance and emit coherent radiation at the resonant frequency.
We have developed an experimental setup to further understand

Referencethe electromagnetic properties of the configuration.

[1] Gardelle, P. Modin, and J. T. Donohue, Phys. Rev. Lett.
105, 224801 (2010).
[2] D. Li, Y. Wang, M. Nakajima, M. Tani, M. Hashida, M.

Amplitude (arb.unit)

2

R. Asakawa, Y. Wei, and S. Miyamoto, Appl. Phys. Lett.

1110, 151108 (2017).
0[3] M. M. Cao, W. X. Liu, Y. Wang, and K. Li, Phys.

-1

Plasmas 21, 023116 (2014).
0

2

4

6

8

10

[4]

12

Time (ps)D. Li, Y. Wang, M. Hangyo, Y. Wei, Z. Yang, S.
Miyamoto, Appl. Phys. Lett. 104, 194102 (2014).

Fig.4 Terahertz wave generated by the optical[5] W. Liu, M. Cao, Y. Wang and K. Li, Phys. Plasmas 23,

rectification effect through the irradiation of beam 2 on

033104 (2016).

crystal ZnTe 1.

[6] Y. Wang, Y. Wei, D. Li, K. Takano, M. Nakajima: Phys.

Acknowledgement

Plasmas 22, 083111 (2015).

This work is partially supported by the Matsuo Research[7] S. Liu, C. Zhang, M. Hu et al., Appl. Phys. Lett. 104,

Foundation, the Cooperative Research Program of ResearchCenter for Development of Far-Infrared Region, University of

─3─

201104 (2014).

レーザープロセシングの新しい展開
レーザープロセス研究チーム
藤田雅之
マに吸収され、プラズマを介した熱伝導によって試料が１．はじめに加工ツールとしてのレーザーは、波長域として遠赤外加熱される 1)。パルスの繰り返し周波数が 1kHz 程度のから深紫外まで、照射時間（パルス幅）ではフェムト秒

フェムト秒レーザー加工では試料照射時にレーザーとパルスから連続光まで、また光学系を用いて照射スポップラズマとの相互作用が存在しないため、レーザーが固トを調整することで幅広くエネルギー密度を選択して体に照射されて起きる初期過程が加熱プラズマによっ使うことができる。これまで行ってきたレーザー加工研てかき消されることなく加工痕として観察される。図１

究の事例を図１に示す。レーザー加工の三要素と言われ中央付近のパルス幅の軸に沿って並べられた 3 枚の電

る波長、
パルス幅、
エネルギー密度を変えることにより、

子顕微鏡像（SEM 像）は、Si ウェハにパルス幅が (a) 100

非熱的穴開け加工、微細周期構造形成、レジスト剥離、

fs,、(b) 200 ps,、(c) 10 ns のレーザー光を照射した際の加多層ウェハのダイシングなどを手掛けてきた。本稿では、

工痕である。パルス幅が長くなるにつれて溶融領域が顕パルス幅の観点からこれらの加工事例を整理し、レーザ著になり、加工痕周囲に盛り上がりが観察される。
パルス幅が概ね 10 ps（プラズマが発生し膨張を始め

ープロセシングの可能性を紹介する。

る時間スケール）以下になると熱影響が無視できる加工
２．フェムト秒からピコ秒パルスが実現し、非熱的な超短パルスレーザー加工と呼ばれて物質にレーザー光が照射され、温度が上がっていくと、いる。このような現象はレーザー誘起破壊しきい値のパ

固体→液体→気体→プラズマへと状態が変化していく。

ルス幅依存性の研究によって見いだされ、米国次いで日

プラズマは電離気体と呼ばれ、イオンと電子で構成され本国内においても特許化され、ミシガン大学やミシガンる。パルスレーザー加工においてはレーザー照射後数ピ

州が特許権者であったため“ミシガン特許”と呼ばれてコ秒でプラズマが発生し、レーザーエネルギーはプラズ

いた 2)。発明者には、昨年ノーベル賞を受賞したモウロ

図１ 短パルスレーザーを用いた加工事例。レーザー光の波長、パルス幅、エネルギー密度を変えることにより、
穴開けや表面処理など様々な加工が可能となる。
─4─

(a)

(b)

図３ Al の加工しきい値以下で照射された共晶 Al-Si
合金表面の SEM 像 (a)と EDS 分析結果 (b). Si 結晶粒に相当する部分が凹んでいる.

図２ Al（●）と Si（▲）のアブレーションレート
の照射フルーエンス依存性；パルス幅 100fs、波長800nm.
図４ Al の加工しきい値以上で照射された共晶 Al-Si

ー博士が名を連ねている。
フェムト秒レーザーパルスはエネルギーが小さくて合金(a)と過共晶 Al-Si 合金(b)表面の SEM 像. Si 結晶

もピーク強度が高く、照射条件に応じて様々な加工現象

粒が突出している.

が発現することが知られている 3,4)。熱影響が無視できるアブレーション加工、サブミクロンの微細周期構造形とで、Si の結晶粒に相当する部分をへこませたり、Siの結晶粒を突出させたりすることが期待できる。

成、結晶構造の相変化等、産業的にも有益な加工方法と図３に Al の加工しきい値以下で加工した共晶 Al-Si

して注目されている。一例として、フェムト秒レーザー

合金試料の表面写真を示す。
波長 800nm、
パルス幅 100fs

によって微細構造を形成した Al-Si 合金表面が流体潤滑領域で著しい摩擦係数の低減効果を発揮した事例を以下に紹介する 5)。
Al-Si 合金は Al と Si が均一に混ぜ合わさっているものではなく、軽量で柔らかい Al 母材中に硬い Si が結晶粒として存在している。耐熱性、耐摩耗性に優れ、熱膨のチタンサファイアレーザーを用いて加工を行った。Siの結晶粒に相当する部分が凹み、微細周期構造が形成されている。図４に Al の加工しきい値以上でレーザー照射した試料表面の SEM 像を示す。微細周期構造が形成された表面に Si の突出が確認された。このように加工された試料の表面摩擦係数を測定したところ、摺動速度

張係数が小さく、鍛造材としてピストンやシリンダーヘ

0.56m/s において共晶 Al-Si 合金で 17％、過共晶 Al-Si

ッド等に用いられている。

合金で 27％の摩擦低減効果が確認できた。

微細周期構造はアブレーション加工しきい値近傍で形成されるために、Al と Si それぞれのアブレーション

３．10 ナノ秒パルス

特性を実験的に調べた。図２に Al と Si のアブレーショ
ンレートの照射フルーエンス依存性を示す。
Si の方が加工しきい値は低いが、加工レートは Al の方が数倍大きいことが分かる。すなわち、Al の加工しきい値以下では Si が選択的に加工され、Al の加工しきい値以上ではAl が加工されやすい。照射フルーエンスを制御するこ

最も産業界で普及している短パルス固体レーザーのパルス幅は 10 ナノ秒であろう。E/O（電気-光）Q スイ
ッチを用いて比較的容易に短パルスを発生させることができ、プリント基板の穴開けや金属等の微細加工で活躍している。ナノ秒パルスは、フェムト秒やピコ秒パル
スに比べて大きなパルスエネルギーが利用可能である─5─

イッチNd:YAGレーザーの2倍高調波（パルス幅10 ns、
波長 532 nm）である。この波長でのレジスト膜の吸収率は約 30％であり、透過したレーザー光は金属基板表面にも吸収される。図６に示すように、金属基板と高分子膜であるレジストの熱膨張率の差により過渡的に応力がかかり剥離が引き起こされたと考えられる。パルス
幅が 100 ns より長いレーザー光では剥離が困難となりレジストが基板上で溶けてしまった。立ち上がりが緩や
かなレーザーパルスを用いると、レーザーはレジストと共に基板を加熱するだけの熱源となる。一方で、パルス

図５ レーザーで剥離されたレジスト.

幅 2 ns という短パルスを用いた場合は、少ないエネルギーで剥離が可能であった。パルスの立ち上がりが剥離に重要な役割を果たしていることが確認されている。
剥離試験は 4 種類の異なる基板（42 アロイ、銅箔、ステンレス箔、ステンレス板）のサンプルに対して行われたが、いずれのサンプルに対しても基板にダメージを

図６ レジスト剥離の概念図.

与えることなくレジスト剥離が確認された。また、照射と同時に、多光子吸収を誘起するのに充分なピークパワ

条件も±5〜10％の範囲で剥離可能であり、実用性が高ーを有している。このような特徴を有するナノ秒パルス

い。 これまでにも、レジストに対して吸収率が高い紫レーザーをアブレーション加工では無く、化学薬品を用

外レーザーでアブレーションする方法や反応性気体中いたエッチング工程のドライプロセス化に適用した事でレジストを気化させる方法が提案されていたが、いず

6,7)

例を以下に紹介する 。

れもレジストを体積的に除去する手法であった。本手法

微細金属パーツをフォトリソグラフィを用いた化学は基板とレジストの界面にレーザー光を瞬時に照射しエッチングで製造する際には、金属基板上にレジスト膜

加熱するものであり、極めて効果的なパルスレーザーのを密着させており、最終工程でこのレジスト膜を除去す利用法であると言える。

る必要がある。従来技術では化学薬品で膨潤、あるいは溶解していた。作業環境の改善、環境汚染の点から、こ４．100 ナノ秒パルスのような行程のドライプロセス化が望まれていた。

同じ Q スイッチレーザーでも、A/O（音響光学）素子

レーザーを用いたレジスト除去の研究において、金属を Q スイッチに用いた場合には（E/O 素子に比べてス基板とレジスト膜からなる多層構造に対してレジスト

イッチングが遅くなるため）100 ナノ秒程度の短パルス

膜サイドから金属に損傷を与えない程度の適度な強度が発生する。また、近年開発が進展している Q スイッのパルスレーザー光を照射すると、レジスト膜が剥離す

チパルスファイバーレーザーのパルス幅も 100-200 ns

る現象が見出された。レジスト膜はレーザー照射により程度である。10 ns パルスに比べてピークパワーは低下

蒸散するのではなく、その形状を保ったまま基板から剥し熱加工が支配的となってくるが、対物レンズで微細ス離される。

ポットに集光すると多光子吸収による加工が可能とな

図５にレーザー照射により金属表面から剥離されたレジストの写真を示す。用いたレーザー光は E/O-Q ス

る。以下に、10〜200 ns パルスを用いた MEMS ウェハのレーザーダイシング事例を紹介する 8)。

─6─Glass/Si (3 mm × 3 mm)

Internaltransformation
100m

図７ パルス幅 10ns のレーザーで内部加工し、

図８ パルス幅 50ns のレーザーで Si 層のみ内部加チップ化したガラス/Si (300m/300m)の工し、チップ化したガラス/Si (300m/300m)の2 層構造体の SEM 像.

2 層構造体の SEM 像.

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機

偶然ではあるが、ガラスの内部加工をせずに Si だけ械システム)とは、微細な電気要素と機械要素を一つの内部加工すれば割断が可能であることが見いだされた。

基板上に組み込んだ素子であり、主に半導体製造技術を

ガラスは表面に傷を付けるだけで割断できることが知用いてウェハ上に数 mm 角のチップとして大量に製造られている。Si に内部加工を施した際に、ガラス/Si のされる。MEMS は内部に脆弱構造を有しており低スト

界面に少しでも傷が付いていれば同様の事（内部加工しレスかつドライでゴミの発生しない新たなダイシング

なくても傷に沿ってガラスが割断される）が起こるもの

手法の登場が望まれていた。MEMS ウェハの代表的なと推測される。図８にパルス幅 50ns の Nd:YVO4 レーザ

構造はガラス/Si 接合体である。光学的・機械的特性がーを用いてガラス/Si 多層試料（厚さ 300 m/300 m）の異なる 2 種類の材料が貼りあわされた試料をレーザー

Si 層だけに内部加工を施して機械的応力で割断を試みでダイシングする技術開発を行った。

た結果を示す。図７と比べれば、割断面の品質が飛躍的

デブリフリーでレーザー加工するために多光子吸収に向上した。

による内部加工を行った。
パルス幅 10 ns のレーザー（波

パルス幅の最適化のために、パルス幅 10 ns、50 ns、

長 1.06 m）を用いることで、ガラス、Si 共に一台のレ

100 ns の Nd:YVO4 レーザーとパルス幅 200 ns の Yb フーザーで内部加工を施すことができる。図７にシリコンァイバーレーザーを用いてガラス/Si 多層試料
（厚さ 300/パイレックスガラス(厚さ300 m /300 m)の2層構造試

m /300 m）の Si 層だけに内部加工を施して機械的応料の割断結果を示す。Nd:YVO4 レーザーをガラス側か力で割断を試みた。ガラス/Si の界面は若干加工されてら入射し、底面の Si 側から順に内部クラックを発生さいると思われるが、ガラスの内部加工は行わなかった。

せ、加工点を掃引してクラックを繋いでいくことで割断

割断に必要な曲げ応力を測定すると、パルス幅 10 ns、面を形成し、機械的応力を付与して分割した。表面アブ50 ns、100 ns、200ns に対して、80 MPa、22MPa、13MPa、レーションを行っていないためデブリフリーで割断で14MPa となり、パルス幅が長くなるほど小さな力で割きたが、ガラス内に形成したクラックのサイズが加工し断ができることが分かった。割断のための Si の内部加

きい値付近でも数 10 m となるため、割断面の粗さも工に関しては、パルス幅が長めのナノ秒パルスを用いてまた数 10 m となっている。

熱加工を施すことが有用であることが確認された。

─7─

また、高速掃引を可能とするガルバノスキャナが市販されており、CW レーザーであっても試料に対してパルス的なレーザー照射を行うことができる。例えば、直径
1 mm のスポットを 10,000 mm/s で掃引すると、試料が感じるレーザー照射時間は 100 s となる。ガルバノス
キャナはパソコンで制御され、テンキーとマウスクリッ
クで簡単に掃引速度を 4〜5 桁にもわたって変えることができる。
昨年の年報でも報告したが、CW レーザーと高速掃引を組み合わせて、塗装を除去する技術が注目を集めている。以下に、熱影響を観察しやすい木材を試料として
CW レーザーの掃引照射により塗装を除去した事例を

図９ (a) 塗装前の木材（松）の表面、(b) 塗装後の紹介する。

表面、(c) レーザー照射中の様子、(d) レーザー照射後の表面.

昨年の報告内容を再掲するが、木材の塗装除去を紹介

レーザースポット径は約 2 mm.

する。図９(a)に塗装前の木材（松）の表面、(b)に塗装
後の表面を示す。この塗装面にスポット径 2 mmΦで 154

５．マイクロ秒〜ミリ秒パルス
Q スイッチを使わずにYAG レーザーをパルス発振さWのレーザー光を集光し、掃引速度2,250 mm/sで20 mm

せようとすると、パルス幅は励起用フラッシュランプの角の領域を照射した。試料が受けた照射パルス幅は約

点灯時間に依存することになり、数 100 マイクロ秒から

0.9 ms に相当する。図９(c)に照射時の様子を示す（30 fps

ミリ秒のパルスが得られる。このような長パルスは溶接の動画の一コマ）。炎が吹き上がって塗膜が除去されてに使われたり、材料を溶かしてアシストガスで吹き飛ばいる状況が確認できる。図９(d)に照射後の表面を示す。

すことで厚板の切断に使われてきた。

図９(a)と比べると若干着色が見られるが、極端な炭化は

近年、ファイバーレーザーの高出力化と共に高輝度化起きていない。

が進み、連続波（CW）であっても 104〜105 W/cm2 の照

それでは、掃引速度を変えるとどうなるであろうか？

射強度を容易に実現することが可能となってきている。

図 10 に同じ試料に対して掃引速度を 225〜4,500 mm/s

従来は加熱用光源としてのミリ秒パルス或いは CW レ

まで変化させて 154 W の CW レーザーを照射した結果

ーザーであったが、光源の高輝度化によりアブレーショを示す。掃引速度が遅い場合は木材の炭化が見られ、早ンを伴う除去加工用としても使うことができるようにすぎると塗装の除去が不完全となる。最適な条件を選ぶなっている。

ことにより、下地の材料を再利用可能な状態で塗膜の除図 10 黒色に塗装された木材（松）に対して CW レーザーを掃引速度 (a) 4,500 mm/s、(b) 2,250 mm/s、(c) 1,125 mm/s、(d) 450 mm/s、(e) 225 mm/s で照射した結果. レーザースポット径は約 1 mm.
─8─レーザープロセシングの可能性が益々広がることが期
待される。

謝辞
Al-Si 合金の加工は KYB（株）との共同研究、レジス
ト剥離は東洋精密工業（株）との共同研究でおこないました。MEMS のレーザーダイシングは NEDO の助成を得て東北大学との共同研究で行いました。塗膜除去は天

図 11 図 10 (c) と同じ条件で鉄板のサビを除去した

田財団の助成を得て行いました。関係各位に感謝致しま

試料の表面写真.

す。
去を行うことができる。
興味深いことに、図 10 (c)と全く同じ条件で錆び付いた鉄板にレーザーを照射すると、綺麗にサビが除去でき

参考文献
1) 藤田 雅之：「レーザー加工の物理 3 〜光パルス幅と加工ることが確認された。試料の状態を図 11 に示す。高輝〜 〔解説）」, 光学, 36, pp.459-465, (2007).

度の CW レーザーと高速掃引技術を組み合わせること

2) 特許公報：特許第 3283265 号（登録日 2002.3.1）.

で様々な試料の表面除去（表面のアブレーション加工）3) 藤田雅之、井澤友策 : レーザー研究、36, pp.257-262 (2008).

が可能となることが分かる。

4) 藤田雅之: 応用物理、81, pp.380-385 (2012).
5) 尾崎 巧、染川智弘、藤田雅之、吉田 実、中瀬拓也、小林隆 : レーザー研究、42, pp.341-344 (2014).

６．まとめ
今日、様々なレーザー光源が加工応用に使われるよう

6) 藤田雅之、吉門章、堀邊英夫 : レーザー研究、33,

pp.452-455、(2005).

になってきた。照射時間（パルス幅）ではフェムト秒パ
ルスから連続光まで利用可能である。非熱的除去加工は

7) 特許第3853690 号、「フォトレジスト剥離除去方法」

もとより表面処理や、種々の複合・多層材料の効率的加8) 鶴見洋輔、井澤友策、菊地秀幸、末田敬一、中田芳樹、江刺工が実現している。レーザー加工の三要素と言われる波正喜、宮永憲明、田中秀治、藤田雅之:レーザー研究、37,

長、
パルス幅、
エネルギー密度を最適化することにより、pp.384-388 (2009).

─9─常温動作キロワット出力 Yb:YAG レーザーの開発
レーザー計測研究チーム 1、レーザープロセス研究チーム 2、
レーザーエネルギー研究チーム 3、レーザー技術開発室 4
谷口誠治 1、ハイク コスロービアン 2、李 大治 3、本越伸二 4、藤田雅之 2、井澤靖和

１．はじめには、これまでの成果に基づき、kW 級の高出力化

固体レーザー材料としての Yb:YAG は、励起量子効を実証することを目標に、高出力励起光源（波長率が大きく熱損失が小さい、蛍光寿命が長いためエネル

935 nm、最大出力＞2 kW）を用いたレーザー発振

ギー蓄積能力が高いなどの特長から、高出力、高パルス試験を行い、1 kW を越える出力を実証した。さエネルギー用のレーザー材料として期待される。当研究らに、得られた実験結果に基づき 10 kW 級のレー所では、Yb:YAG 層を底面に接合した YAG コンポジッ

ザー開発のためのスケーリング則について検討ト（Yb:YAG TRAM （Total-Reflection Active-Mirror、した。以下にその詳細について報告する。

全反射型アクティブミラー方式））（図１）をレーザー媒質に用いて、常温（〜300 K）で動作する高平均出力
固体 CW レーザーの開発を目標に研究を進めてきた。
高出力固体レーザー開発における最重要課題の一つ
はレーザー媒質の発熱対策であり、二つの手法について検討を行ってきた。第一は、媒質自体の発熱を抑制できるゼロフォノンライン（ZPL、969 nm）励起の導入である。ZPL 励起を用いた場合、励起波長と発振波長（1030nm）のエネルギー差が小さくなるため、通常用いられ

図 1 Yb:YAG TRAM の写真

る940 nm帯の励起に比べ発熱損失を約32 %抑制できる。
第二は、除熱性能の大きい冷却技術の開発であり、新た

２．1 kW 級レーザー出力条件の予測な手法として TRAM の裏面に冷却水の噴流を直接吹き

昨年度の研究では、
ZPL 励起と水ジェット冷却法を組付けて除熱を行う水衝突噴流（ジェット）冷却法の導入

み合わせ、Yb ドープ濃度および層厚が異なる数種のを進めてきた。この手法は、噴流により冷却面上の水をTRAM について、励起面積 0.04 cm2（~φ2.3 mm）、励

強制的に入れ替える（強制対流）ことで高い除熱性能が起パワー最大 600W の条件でレーザー発振試験を行っ得られ、また水の沸騰により冷却面上に発生する気泡をた 2)。その結果、ドープ濃度、層厚が共に薄い Yb 濃度

物理的に除去できるため、突沸（膜沸騰）による除熱能

5 at%、層厚 0.6 mm の TRAM が最も高い出力特性（発力の急激な低下を防止できるという利点がある。これま振しきい値、スロープ効率）示したため、高出力レーザでの研究で、
ZPL 励起による発熱の抑制とそれに伴う発ー発振試験に適用する媒質に選定した。

振効率の増加 1) や、水ジェット冷却による除熱能力

この TRAM の出力特性に基づいてレーザー出力を予の向上を実験で確認し、これらの手法がレーザー測しうるスケーリング則を検討し、kW 出力を実証するの高効率化、高出力化に有効であることを実証しための試験条件を求めた。レーザー出力の評価には、以た 2)。さらに試験結果の分析により、kW 級出力の達成

前に我々が作成した、レーザー媒質の温度（T）依存性に必要な具体的な条件も明らかになってきた。本研究で因子を取り入れた出力予測モデルを用いた 3)。モデル式

─ 10 ─

を式 (1)に示す。

して用いた。Ls については、TRAM 個々の光物性や共振器構成など実験条件に左右される因子であるため、実ܲ௢௨௧ ሺܶሻ ൌ ‫ܫܣ‬௢௨௧ ሺܶሻ

験値を再現するように値を変化させた。他の因子は、௏ൌ ߟ௦௟௢௣௘ ൫೑ ሺ೅ሻశ೑ೠሺ೅ሻ൯഑೐೘೔ ሺ೅ሻഓ೑ ሺ೅ሻ
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೓ഌ೛

೗

ቆ

ሺ݃଴ ሺܶሻ െ ݃௧௛ ሻ(1)

Yb:YAG の物性値 8) および実験条件から決定した。媒質温度（T）は、レーザー発振試験時に各励起パワーでの励起中心部の温度を蛍光分光法により同時計測し、媒

ここで、Pout (T)：レーザー出力（=AIout (T)、A：励起面積、質温度の励起パワー依存性を実験的に求めてモデル式

Iout (T)：出力強度）、ηslope：スロープ効率、V：励起体積、に導入した。

fl (T)：レーザー上準位占有率、fu (T)：レーザー下準位占

図2に、
水ジェット冷却下（冷却水温18 ℃（±1 ℃））、

有率、σemi (T)：レーザー発振波長（1030 nm）での誘導

ZPL 励起（最大 600 W、励起ビーム径 ~φ2.3 mm）で放出断面積、τf (T)：蛍光寿命、hνp : 励起光光子エネルギの TRAM（Yb ドープ濃度 5 at%、層厚 0.6 mm）のレー

ー、g0 (T)：小信号利得、gth：発振しきい値での小信号利

ザー出力特性と、出力予測モデルによる予測値を示す。

得である。ηslope 、g0 (T)、gth は、それぞれ式 (2)〜(4)でモデル計算は、ZPL 励起時（図中実線）と、高出力レー表される。

ザー発振試験に使用する励起光源の波長（935 nm）（図中太線）の両条件で行い、吸収強度に対する出力強度を݃଴ ሺܶሻ ൌଵሺ௙೗ ሺ்ሻା௙ೠ ሺ்ሻሻఙ೐೘೔ ሺ்ሻఛ೑ ሺ்ሻ ௉ೌ್ೞ ሺ்ሻ௛ఔ೛݃௧௛ ൌ ଶ௟ ሺʹ‫ܮ‬௦ ൅ ‫ܭ‬ሻ௄௏െ ݂௟ ሺܶሻߪ೐೘೔ ሺܶሻܰ଴

ߟ௦௟௢௣௘ ൌ ௄ା௅ ߟொ
ೞ

(2)

比較した。
ZPL 励起での計算結果は実験値をよく再現し(3)ている（Ls = 0.05）。この計算条件で励起波長のみを 935(4)

nm に変更した場合、ZPL 励起よりも出力特性（発振し
きい値、スロープ効率）は低下すると予測される。これ

ここで、N0：原子数×ドープ濃度、l：励起光路長、ηQ：は前年度の報告で述べたように、吸収パワーが同じ場合、

励起量子効率、Ls：レーザー共振器の光学損失、 K：

ZPL 励起の方が媒質の発熱量が小さく、媒質温度の上昇

出力結合鏡の透過率である。Pabs は、励起パワーPin とによる出力特性の低下が抑制されるためである 1)。kW

Yb:YAG の吸収断面積（σabs(T)）を用いて式 (5)で表わ級の出力を得る条件として、励起面積を 0.28 cm2（励起される。

ビーム径 φ6 mm）まで拡張して計算を行い、出力を予測した（図 2 右軸）。その結果 935 nm 励起では、約ܲ௔௕௦ ሺܶሻ ൌ ܲ௜௡ ൫ͳ െ ݁‫݌ݔ‬ሺܰ଴ ߪ௔௕௦ ሺܶሻ݈ሻ൯

(5)

8.5 kW/cm2 の吸収強度で1 kW 出力が可能と予測できる。
● 実験値

この中で、モデル計算を行うために必要な温度依存性因− ZPL 励起（予測値）

子は fl、fu、σemi 、τf、σabs である。fl,、fu については、Yb− 935 nm 励起（予測値）の励起状態（2F5/2）の 3 つのシュタルク準位、基底状態（2F7/2）の4 つのシュタルク準位のエネルギー4)を用い、各媒質温度について Boltzmann 分布則により算出した。
σemi はYb:YAG の温度依存性の文献値 5) から近似式を作成し、式(1)に導入した。τf についても同様に蛍光寿命
温度依存性の文献値 6, 7) から近似式を作成して用いた。

図 2 Yb 濃度 5 at%−層厚 0.6 mm TRAM の出力特性

σabs については、温度を調整した TRAM を用いてそれぞ（ZPL 励起、励起面積 0.04 cm2）と式 (1)により計れの光吸収率を実測し、温度依存性の実験近似式を作成算した励起面積 0.28 cm2 での出力予測（右軸）─ 11 ─

３．高励起レーザー発振試験

方向分布から蛍光ピーク強度の相対的な増加分を見積

3.1 実験手法

もった。その結果、2 段励起では 1 段励起の 1.5 倍、3

前項で示した予測に基づき、Yb 濃度 5 at%−層厚 0.6

段励起では 1 段励起の 1.85 倍であった。3 段目の励起でmm TRAM を用いた高励起条件でのレーザー発振試験のビーム径は他に比べやや小さいが、ほぼ予測通りの光を行った。試験配置を図 3 に示す。媒質の冷却には、吸収効率の増加が起こるものと考えられる。

噴流速度および冷却水の温度調整が可能な水ジェ

1 段励起

ット冷却装置を用いた。TRAM の背後から水を高速

２段励起

3 段励起
Y

で噴出させ、底面を直接冷却する。TRAM の近傍にダイクロイックミラー（DM 0 °）、
結合出力ミラー（OC、X

反射率 85 %）を配置し、共振器を構成した。励起光源には、ファイバー出力型高出力 LD（LE0247、浜松ホト

図 4 1〜3 段励起時の TRAM 励起面での Yb 蛍光プロ

ニクス、
中心波長 935 .5 nm、最大出力 2.36 kW）を用い、ファイル

光吸収効率を向上させるため 3 段励起方式（図中❶ ~❸）を導入した。さらに 935 nm LD の隣に最大 600 W

3.2 レーザー出力の冷却水温効果のファイバー出力型 LD（D4F4Q22-969. [0,6]-500C-

冷却性能がレーザー出力特性に与える効果について

IS45-VBG、DILAS）を配置して 4 段励起光学系を作成検討するため、冷却水温度を 7 ℃まで低下させた条件

し
（図中❹）
、
最大入力 2.96 kW の条件で試験を行った。

でレーザー発振試験を行い、出力特性を比較した。噴流

発振後のレーザー光はダイクロイックミラー（DM 45）

速度は一定（>> 5 m/s）とし、励起ビーム径はφ6 mm、で反射し、パワーメーター（カロリーメーター）により3 段励起方式（図 3）を用いた。図 5 にそれぞれの水温出力を計測した。
励起ビーム径はφ6 mmとした。
また、

における出力特性を示す。常温冷却時のスロープ効率は分光器（SP）により Yb の蛍光スペクトルを同時計測し0.58 で高い効率を示したが、7 ℃冷却時にはその効率はて励起中心部の温度を求め、光吸収率の温度依存性から0.62 とさらに向上し、低水温での冷却を行うことで媒質

吸収パワーを求めた。図 4 に、1~3 段励起時の TRAM

がより低温に保持され、出力特性に有利に働くことが明励起面上での Yb 蛍光のプロファイルを示す（励起ビー

らかとなった。
7 ℃冷却時の最大安定出力は940 W（2.36

ム径 φ6 mm、励起パワー10 W）。励起段数の増加に伴kW 入力時）であった。

い蛍光強度も増加する。光吸収パワーと蛍光強度は比例すると考えられるため、励起中心部での蛍光強度の Y

図 5 レーザー出力（3 段励起）の冷却水温効果

3.3 レーザー出力特性評価
図 3 高励起レーザー発振試験配置図

多段励起により光吸収率が低い媒質においても吸収─ 12 ─

パワーを増大させることが可能になったことから、Yb

りドープ 9.6 at%、層厚 0.2 mm の条件で出力を計算する

ドープ層の厚さがより薄い TRAM（Yb 濃度 9.6 at%−層と、実測値がほぼ再現された（図中緑実線）。

厚 0.2 mm）を用いたレーザー発振試験を行った。このTRAM の光吸収率はTRAM（Yb 濃度5 at%−層厚0.6 mm）○ 実験値9.6 at%−0.2 mm TRAM

よりも低いが、多段励起を用いると光吸収効率を増大さ● 実験値5at%−0.6 mm TRAM
… 予測値5at%−0.6 mm TRAMせることが可能となる。図 6 に 3 段励起、冷却水温 7 ℃
条件での出力特性を示す。最大出力は 866 W（2.36 kW
入力時）で、Yb 濃度 5 at%−層厚 0.6 mm TRAM よりも低いが、スロープ効率は 0.67 と高い値が得られた。

図 7 高励起レーザー発振試験におけるレーザー出力
特性と出力モデルによる予測値（図 2 参照）との比較（935 nm 励起）

3.4 キロワット出力レーザー発振試験
3 段励起による試験の結果、1 kW を越える出力を達
図 6 Yb 濃度 9.6 at%−層厚 0.2 mm TRAM のレーザー成するためには約 2.1 kW の吸収パワーを要すると予測される（図 7）ことから、4 段励起によるレーザー発振

出力試験を行った（図 4）。使用した TRAM（Yb 濃度 5 at%−
図 7 に、発振試験で得られたレーザー出力特性を予測

層厚 0.6 mm、Yb 濃度 9.6 at%−層厚 0.2 mm）励起ビーム値（図 2 参照）と比較したものを示す。実測値（Yb 濃

径および冷却条件（水温 7 ℃）など他の実験条件は 3

度 5 at%−層厚 0.6 mm TRAM）は予測出力よりも発振閾

段励起時と同一とした。図 8 に結果を示す。Yb 濃度 5値は低下しており、スロープ効率は増加した。この要因

at%−層厚 0.6 mm では最大 1070 W（入力 2.96 kW）のレとして、冷却水温の低下により冷却性能が向上したこと、ーザー出力が得られ、1 kW を越える出力を実証した。

共振器の光学損失（Ls）が低く抑えられたことが考えられる。出力予測モデルを用い、実際の試験条件（7 ℃冷却、Ls = 0.014）で出力を計算すると、実測値をよく再現することがわかった（図中青実線）。図 7 に、Yb 濃
度 9.6 at%−層厚 0.2 mm）TRAM で得られた出力特性を合わせて示す。Yb 濃度 5 at%−層厚 0.6 mm TRAM に比べ発振しきい値はさらに低下し、スロープ効率は増加した。発振しきい値の低下は主として媒質の厚さが薄くなることで励起体積（V）が減少することに起因し、スロープ効率の増加は、層厚（発熱部）が薄いことからジェット冷却による除熱効果が大きくなり、媒質温度の上昇

図 8 4 段励起によるレーザー出力（Yb 濃度 5 at%−が抑制されたためであると考えられる。予測モデルによ

層厚 0.6 mm TRAM、スロープ効率 0.61）

─ 13 ─

図 9 に、同一の実験条件で行った Yb 濃度 9.6 at%−層厚ルから予測された10 kW出力時の媒質温度は約85 ℃で、0.2 mm TRAM のレーザー出力特性を示す。最大出力は同じ吸収パワーでの 935 nm 励起時の予測温度（約1030 W（2.96 kW 入力時）であった。Yb 濃度 5 at%−層

110 ℃）に比べ約 25 ℃低いことから、ZPL 励起により厚 0.6 mmTRAM 時に比べスロープ効率が増加（0.67）

媒質の発熱を低減することで出力特性が向上するととしたため、2 kW 以下の吸収パワーで 1 kW を越える出

もに、媒質の高温化による光吸収率の低下を抑制できる力が得られた。

ものと考えられる。Yb 濃度 9.6 at%−層厚 0.2 mm TRAMにおいても ZPL 励起の優位性は変わらず、935 nm 励起における 10 kW の出力に必要な吸収パワーは 19.3 kW、
ZPL 励起では 17.7 kW で、必要な吸収パワーを抑制できることがわかった。また 10 kW 出力時の予測媒質温度は、935 nm 励起では約 55 ℃、ZPL 励起では約 30 ℃と媒質温度の上昇が抑制されており、Yb 濃度 9.6 at%−層
厚0.2 mm TRAMにおいてもZPL励起がレーザーの高出力化に対して有効であることが示された。

図 9 4 段励起によるレーザー出力（Yb 濃度 9.6 at%−層
厚 0.2 mm TRAM、スロープ効率 0.67）

４．10 kW 級高出力レーザーの開発に向けて
高励起レーザー発振試験により、1 kW を越えるレーザー出力が実証された。この結果は、レーザーのさらなる高出力化に向けたマイルストーンとなる。本項では、発振試験で得られた 1 kW 級レーザー出力特性（図 7）に基づき、出力予測モデルを用いて 10 kW 級出力のレ

図 10 出力モデル式による 10 kW 級出力予測（励起ビーム径φ2 cm）

ーザー開発に向けたパワースケーリングを行い、高出力化に必要な条件について検討した。同様に ZPL 励起条
件についても出力予測を行い、特性を比較した。図 10

５．まとめ

2
に、
10 kW 出力を得る条件として励起面積を3.14 cm（励本研究では、常温で動作する kW 級高平均出力 Yb:

起ビーム径φ2 cm）に拡張した場合の吸収パワーに対す

YAG TRAM レーザーの開発を目標に、レーザー媒質のる予測出力を計算した結果を示す。ZPL 励起条件では、

発熱対策として水噴流冷却方式を用い、波長 935 nm の励起波長に関わるパラメータのみを変更し、他の条件は高出力励起光源（>2 kW）を主として用いた高励起レー935 nm 励起時と同一として出力を計算した。Yb 濃度 5ザー発振試験を行い、その出力特性について検討した。

at%−層厚 0.6 mm TRAM では、935 nm 励起時は吸収パ

多段励起方式を用いてレーザー媒質の励起光吸収効率

ワーが 21 kW で 10 kW の出力が得られる。一方 ZPL 励

を増大させるとともに、冷却水温を 7 ℃まで低下させ起時は発振しきい値、スロープ効率とも向上し、10 kWて冷却性能を向上させた結果、Yb ドープ濃度および層の出力を得るために必要な吸収パワーは 18.5 kW と必厚が異なる 2 種の TRAM において 0.6 以上の高いスロ

要な吸収パワーを抑制できることがわかった。出力モデ

ープ効率が得られ、国内研究ではほぼ報告例がない 1

─ 14 ─

kW を越える CW レーザー出力（最大 1.07 kW）を実証参考文献した。さらなる高出力化に向け、実験結果に基づいて

1） 谷口誠治他、ILT 2018 年報、pp.9-12 (2018).

10 kW 級の出力予測を行った。その結果、媒質の発熱を

2） 谷口誠治他、ILT 2018 年報、pp.13-16 (2018).

抑制できるゼロフォノンライン（ZPL、969n m）励起を

3） 谷口誠治他、ILT 2017 年報、pp.9-13 (2017).

用いると、935 nm 励起に比べて出力特性が向上し発振

4） D. C. Brown, V. A. Vitali, IEEE J. Quantum Electronics, 47,
pp.3-12 (2011).

効率が増大する可能性が明らかにされ、レーザーの高出力化に対する ZPL 励起の有用性が示された。

5） J. Koerner, C. Vorholt, H. Liebetrau, M. Kahle, D.
Kloepfel, R. Seifert, J. Hein, M. C. Kaluza, J. Opt. Soc. Am. B,
29, pp.2493-2502 (2012).

謝辞
本研究は、安全保障技術研究推進制度（研究課6） J. Dong, M. Bass, Y. Mao, P. Deng, F. Gan, J. Opt. Soc.

題名「ゼロフォノンライン励起新型高出力 Yb:
YAG セラミックレーザ」）の支援を受けて実施

Am. B, 20, pp.1975-1979 (2003).
7） D. S. Sumida, T. Y. Fan, OSA proceedings on

した。噴流冷却システムの開発は、三菱重工業

Advanced Solid-State Lasers 1994, 20, pp.100-102

株式会社との共同研究として行われたものであ(1994).

る。ご協力頂いた西方伸吾様、森岡朋也様、濱本浩

8） T. Y. Fan, IEEE J. of Quantumn Electronics, 29, pp.1457-1459,

一様、池淵博様、大谷雄一様、金子毅様、醍醐浩之様に感謝いたします。

─ 15 ─

(1993).

Lasing Characteristics of Axicon Retro-Reflector Resonator
Laser Process Research TeamHaik Chosrowjan and Seiji Taniguchi
1．Introduction
The theory of laser resonator has been studied for many

tial polarizations.

years1). Resonator stability conditions and different cavity

Detailed knowledge of intensity distributions of p- and s-

geometries tailored for different active media and operation

polarization components in retro-reflected beam is essential for

regimes have been analyzed as well2). Noteworthy, most laser

designing and building resonators with retro-reflective

cavities are designed and constructed by combination of planecomponents. Moreover, polarization properties of retro-and spherical mirrors. However, for some specificreflected beams are also essential for modeling laser modeapplications3) requiring unique laser modes and polarization

formation inside the resonator.

conditions

such

as

Laguerre-Gaussian

modes

and

radial/tangential polarization, respectively, or for reduction ofthermally induced wave-front distortions in solid-state lasers,
non-standard resonators have been used, too. For instance,corner-cubes and metallic W-shaped reflective axicons (alsocalled Waxicons) have been used as reflectors in solid-state4)
and gas5) lasers, respectively.
Corner-cube retro-reflectors (CCR) and axicon lenses(AL) are optical components with interesting reflective andpolarization characteristics. One of their properties is that thecollimated radiation incident on both elements (arbitrary

Fig. 1 Comparison between (a) FP and (b) AL based

direction for CCR and normal incident for the AL with 90

resonators. For large excitation spots and multi-mode

degrees apex angle) is reflected in the direction that is

operation, in case (a) the areas in the beam profile likecounter-parallel to the incident beam. Another common

1 and 2 are not phase-locked, while in case (b) the

property of both elements is that the reflected beam has

areas 1 and 2 are phase-locked because of mutual

coherent properties, which could be used for passive

injection in the resonator. As a result, intra-resonatorintra-resonator coherent beam combining (CBC). This process

passive CBC may occur.

is schematically shown in Fig. 1 for AL and briefly describedin its caption. Various properties of the CCR have been

So, in one of our previous reports9), we have presented

already addressed theoretically in numerous previous

experimental and calculated results on the basic polarization

publications6). CCRs have been also used as total-reflecting

and reflection properties of the CCR and AL reflectors. Near-

mirrors in laser resonators7, 8). Recently we have suggested thatand far-field intensity distribution profiles for depolarized, p-

ALs with 90 degrees apex angle can be also used for suchand s- polarized outputs were also presented and analyzed. We

purpose. Moreover, using axicons as total reflection mirrors, it

have performed also case-calculations for several polarization

seems to be possible generating beams with radial- or tangen-states based on Fresnel equations and compared them with the─ 16 ─

based resonator has been addressed in our last report10) in

the critical angle 𝜽𝜽𝒄𝒄 , the phase shifts are nontrivial.9, 11) When

comparison with conventional Fabry-Perrot (FP) resonator.

coated base surface i.e. at 0 degree to the surface normal, theLaser threshold, slope efficiency, near- and far-field intensity

TIR angle 𝜽𝜽 for each 2 reflections in AL for axial rays is 45

experiments. Furthermore, the lasing performance of the CCR

the light rays enter the AL perpendicularly to the anti-reflection

distribution profiles have been monitored. Passive CBC effectdegrees (Fig. 2). Furthermore, an AL made by fused silica at

inside the CCR resonator was demonstrated based oneach reflection will produce phase shifts of 𝜹𝜹𝒑𝒑 = 49.8 and 𝜹𝜹𝒔𝒔

experimental results and mode calculations.

= 24.9 degrees for p- and s- polarized lights, respectively.

In this report, the lasing performance of the AL based
resonator has been addressed in comparison withconventional Fabry-Perrot (FP) resonator at cryogenic andambient temperatures. Lasing threshold, slope efficiency,
near- and far-field intensity distribution profiles have beenmonitored. Furthermore, lasing mode selection under highthermal load conditions for FP and AL resonators are also
discussed together with the possibility of passive CBC effectFig. 2 (a) Photograph of the AL with 90 degrees apex angle(b) Cross-section of the AL retro-reflector in XY planeinside the AL resonator.

showing also the azimuth angle ; and the incident
2．Total internal reflection based Axicons

Gaussian-beam cross-section perpendicular to the

Axicons are often fabricated using fused silica or various

propagation direction Z with two reflection points A andglass materials. For achieving retro-reflection of an optical

B in the AL for a given ray; (c) Same as (b) in 3

beam, one can coat the reflective surfaces with different

dimensions.

metallic or dielectric substrates or simply use them withwell-polished but uncoated surfaces. In the later case the total

It can be shown that in AL resonator a linearly polarizedinternal reflection (TIR), characterized by critical incidence

light ray after retro-reflection will be elliptically polarized andangle 𝜽𝜽𝒄𝒄 � ��𝒄𝒄𝒔𝒔�𝒏𝒏�𝒏𝒏𝟐𝟐 /𝒏𝒏𝟏𝟏 �, where 𝒏𝒏𝟏𝟏 � 𝒏𝒏𝟐𝟐 , is used for thecannot keep its polarization invariant after a round trip. In otherincidence beam retro-reflection. For high-power laser beamwords, there will be always both p- and s- polarized beam

applications retro-reflectors with coated surfaces are notcomponents in the resonator and no polarization selection isappropriate because of anticipated thermal degradation andpossible. This conclusion is also valid for ALs withdamage of the coated surfaces. Hence, we used an uncoatedpolarization maintaining (s = 0) metal coated reflection

AL with 90 degrees apex angle (fused silica, n = 1.45 at 1030

surfaces. Indeed, when s = 0, the linear polarization across thenm, 𝜽𝜽𝒄𝒄 � 43.6 degrees) where reflection is based on the TIR

beam is not invariant and the beam tends to become a radialphenomenon. Briefly, reflection of p- and s- polarized light at

the interface between two homogeneous and isotropic media isgoverned by well-known Fresnel equations.11) When both
media are transparent, the phase shifts that accompany partial
external or internal reflections assume the values of  or 0.
However, under TIR conditions at incidence angles 𝜽𝜽above

polarized one after many roundtrips.
On the other hand, in AL resonator a radial polarized beam
after retro-reflection keeps its polarization invariant (phasedifference between p- and s- components is zero) after a roundtrip. In other words, the eigenmode of the resonator with AL
has radial polarized component. This conclusion is also valid
for ALs with polarization maintaining (s = 0) metal coated─ 17 ─

reflection surfaces, i. e., a radial polarized beam is invariant
after retro-reflection from the polarization maintaining metal
coated AL.
3．Experimental results and discussion
The experimental resonator setup used in this study isschematically illustrated in Fig. 3.

Fig. 4 (a) A snapshot of the cryogenic Yb:YAG laser system.
The resonator is shown by a red solid line. (b) FP
resonator with conventional 100 % reflective mirror.
(c) AL resonator with 100 % reflective axicon lens.

Fig. 3 Experimental setup diagram for comparative
investigations of lasing characteristics for resonatorswith conventional high-reflecting mirror and an AL:
DM – dichroic mirror, W1, W2 – cryostat windows,
OC – output coupler, TRAM – total reflection active
mirror, d – Yb doped layer thickness. The cryostat
perimeter is marked with the dotted line.

In Fig. 5 the laser output power versus the absorbed pump
power for both FP and AL resonators at cryogenic
temperatures are presented. The result for CCR resonator isalso included for refence purposes.

Composite YAG total reflection active mirror (TRAM)
with 9.8 at % Yb doped and d = 0.2 mm thickness wasused as an active medium at cryogenic (LN2) temperatures.
The total length of the resonator was set to be 460 mm while
the LD excitation (Pmax ~ 200 W) spot was kept at ~ 1.8 mm indiameter. Conventional 100 % reflective mirror (Fabry-Perot(FP) resonator) and an AL were used as high reflective
elements in the resonator, respectively. On the other hand,

9.8 at% doped Yb:YAG TRAM with d = 0.6 mm
thickness was used as an active medium in lasing
experiments at ambient temperature. The LD excitation

Fig. 5 Output- vs. absorbed pump power dependences forlasers with conventional- (mirror), AL and CCR(Pmax ~ 600 W) spot was kept at ~ 5 mm in diameter.

high-reflective elements, respectively.

In Fig. 4 (a) a snapshot of the experimental laser setup ispresented. Fig. 4 (b) and (c) show the interchangeable
high-reflective mirror and AL elements used in FP and AL
resonators, respectively.

In these experiments the same 80 % reflective output
coupler (OC) was used. The laser threshold and the slope
efficiencies were measured to be about 0.7 kW/cm2 and 0.5 for─ 18 ─

the FP resonator, 1.15 kW/cm2 and 0.4 for AL, and 1.5

CCR resonators, we have performed also lasing experiments at

kW/cm2 and 0.33 for the CCR resonators, respectively. The

ambient temperature. The resonator configuration was similarobtained slope efficiency for FP resonator matches well withto the case when cryogenic cooling was applied (Fig. 2),

our previous result of 0.525 using 84.6 % reflective OC12). An

however, in experiments at ambient temperatures the cryostat

AL or CCR laser based on TRAM was constructed for thewas removed, and the TRAM was installed on a water jet

first time, so no effective comparisons can be made at this

impingement cooling system. In Fig. 7 (a) and (b) snapshots ofstage. Marked increase of the laser threshold and decrease of

the experimental laser setups for FP resonator withthe slope efficiencies for AL and CCR resonators areconventional 100 % reflective mirror, and AL resonator with

explained by the small beam diameter on those elements,

100 % reflective axicon lens, respectively, are presented.

incurring fractionally large losses due to scattering on the tip of
the AL and three corners of the CCR, respectively.
One of potential merits using AL or CCR instead of amirror in the resonator was based on the earlier observations
that at higher excitation powers the FP laser output undergoesa thermal roll-over, so application of AL or CCR could
possibly improve that detrimental thermal effect. In Fig. 6, NF
and FF output intensity distributions of AL and FP resonators
for two absorbed pump power cases are shown. It is seen that
thermal effects up to 90 W absorbed pump power hardly affectthe main features of the beam profiles. This is probably due tothe fact, that in the available TRAM sample (d = 0.2 mm) the

Fig. 7 A snapshot of the Yb:YAG TRAM laser system withwater jet impingement cooling. (a) FP resonator withconventional 100 % reflective mirror, and (b) AL
resonator with 100 % reflective axicon lens.
In Fig. 8 the laser output power versus the absorbed pump
power for both FP and AL resonators at ambient temperatures
Fig. 6 NF (top) and FF (bottom) intensity distribution patternsof a FP (right) and AL (left) laser beams for 55 W andare presented. We have done also lasing experiments using a
CCR resonator, but no lasing was observed up to the
maximum (~ 600 W) available pump power (~ 3 kW/cm2). In

90 W absorbed pump power cases, respectively.

all experiments at ambient temperature the same 90 %pump power (Pmax ~ 200 W) absorption ratio was only 0.45
and the thermal roll-over effect has not appeared at cryogenic
temperatures. To explore potential benefits of the AL andreflective OC was used. As it can be seen from the Fig. 8, thelaser threshold and the slope efficiency for the FP resonator,
both can be only roughly estimated to be larger than 720
W/cm2 and 0.3, respectively. This uncertainty is due to the─ 19 ─

nonlinear dependence of the output- vs. absorbed pumpincreased, the multi-mode operation of the laser dominated andpowers caused by the reabsorption effect of Yb3+ ion at aroundno reasonable measurements of M2 factor could be performed.

1030 nm lasing wavelength.13)

In case of the AL resonator, unfortunately, M2 factor
measurements were unsuccessful. This could be caused by the
donut-like beam profile of the AL resonator output. To
compare qualitatively the beam qualities of FP and AL
resonator outputs, an indirect method was adopted. Namely,
beam profile changes in near- and far-fields at increasing pump
powers (increasing thermal load in TRAM active medium)
were monitored and compared (Fig. 9).

Fig. 8 Output- vs. absorbed pump power dependences forlasers with conventional mirror and AL high-reflective
elements, respectively.
On the other hand, for the AL resonator, even roughestimation of the lasing slope and threshold could not be madedue to the inefficient and weak laser output. The reason formarked increase of the laser threshold and anticipated decreaseof the slope efficiency for AL vs. FP resonators at ambient
temperatures can be only partly explained by the fractionallyFig. 9 (top) NF and FF profiles of laser beam from FP
resonator at different pump powers; (bottom) NF andlarge losses due to scattering on the tip of the AL. Additional

FF profiles of laser beam from AL resonator at different

experiments are required for understanding the true nature ofpump powers.

the lasing efficiency drop in AL resonator case. Lasing
performance comparison between cryogenic (Fig. 5) andambient temperature (Fig. 8) cases reveals that the lasing
efficiency, as expected, is lower for the later case due toregressive material properties of Yb:YAG and reabsorption
increase from low- to higher temperatures.14)
Concerning the beam quality, we have tried measuring thebeam quality factor M2 for FP and AL resonator outputs (4-ISO-standard method, measured by BC106N-VIS/M(Thorlabs) instrument). For FP resonator at ~ 8 W output, theM2 factor for X- and Y- directions were 11.84 and 8.32 (M2mean ~ 9.92), respectively. As the laser pump/output power

Based on resonator configuration (no mode selection elements
involved) one can deduce that the FP resonator will operate atmulti-mode regime as the pump power increases. Indeed, atincreasing pump powers (Fig. 9, top raw), the NF and FF
profiles continuously change, indicating that the resonator
enters a multi-mode regime (higher order resonator modes are
not suppressed). On the other hand, for AL resonator even at
higher pump powers the NF and FF profiles do not change,
indicating that intra-resonator mode selection occurs, and highorder resonator modes are suppressed (Fig. 9, bottom raw).

─ 20 ─

Unfortunately, the coherence properties of the ALresonator output cannot be studied for the particular case of

systems with pulsed regime operation.

TRAM active medium configuration. This is because theoutput beam polarization for TRAM configuration cannot be

Acknowledgment
This work was partially supported by JSPS KAKENHI

controlled due to the phase jumps caused by total internalreflection.

Grant Number JP16K04986.

5．Summary and Conclusions

References

Lasing properties of axicon lens (AL, fused silica, n = 1.45

1)

at 1030 nm) retro-reflector based resonator in comparison with

H. Kogelnik, and T. Li: Proceedings of the IEEE, 54 (10), 1312
– 1329, 1966.

conventional Fabry-Perot resonator have been studied for the2)

A. G. Fox, and T. Li: Bell. Syst. Tech. J., 40, 453 – 488, 1961.

aim to characterize intra-resonator passive coherent beam

3)

R. Weber, A. Michalowski, M. Ahmed, V. Onuseit, V. Romin-

combining (CBC) phenomenon. At cryogenic temperatures,
The laser threshold and the slope efficiencies were measured toger, M. Kraus, and T. Graf: Phys. Procedia 12, 21 – 30, 2011.
4)

be about 0.7 kW/cm2 and 0.5 for the FP resonator, 1.15
kW/cm2 and 0.4 for AL, and 1.5 kW/cm2 and 0.33 for the

Chin. Phys. Lett., 32 (7), 074207: 1 – 3, 2015.
5)

CCR resonators, respectively. The maximum output power
achieved from the AL resonator was ~ 24 W. At ambient

B. Singh, V. V. Subramanyam, S. L. Daultabad, and A.
Chakraborty: Rev. of Sci. Instr., 81, 073110; 1 – 4, 2010.

6)

temperatures, although lasing for FP and AL resonators wereobserved, the laser threshold and slope efficiencies could not

J. Wu, Y.-L. Ju, T.-Yu. Dai, W. Liu, B.-Q. Yao, and Y.-Z. Wang:

W. He, Y. Fu, Y. Zheng, L. Zhang, J. Wang, Z. Liu, and J.
Zheng: Applied Optics, 52 (19), 4527 – 4535, 2013.

7)

V. K. Orlov, Ya. Z. Virnik, S. P. Vorotilin, V. B. Gerasimov, Yu.

be accurately estimated due to the insufficient pump power.

A. Kalinin, and A. Ya. Sagalovich: Sov. J. Quantum Electron., 8,

No lasing could be observed for the CCR resonator.

799 – 800, 1978.

Near-field and far-field intensity distribution profiles for FP

8)

and AL resonator outputs have been monitored and compared.
At cryogenic temperatures, thermal effects for applied pump

Applied Optics, 53 (15), 3267 – 3272 (2014).
9)

powers hardly affected the main features of the beam intensity
profiles. On the other hand, at ambient temperatures the NF

Y. Cheng, X. Liu, C. Tan, X. Chen, M. Zhu, C. Mi, and B. Sun:

H. Chosrowjan and S. Taniguchi: ILT2017 Annual Progress
Report, 14 – 19, 2017.

10) H. Chosrowjan and S. Taniguchi: ILT2018 Annual Progress

and FF profiles of FP resonator changed at increasing pump

Report, 17 – 20, 2018.

powers indicating that the resonator enters a multi-mode11) M. Born and E. Wolf: Principles of Optics, 7th Edition,

regime. On the other hand, for AL resonator even at higher

Cambridge University Press, Cambridge, UK, pp. 952, 1999.

pump powers the NF and FF profiles did not change,12) H. Furuse, J. Kawanaka, K. Takeshita, N. Miyanaga, T. Saiki,

indicating that intra-resonator mode selection occurs, and highK. Imasaki, M. Fujita, and S. Ishii: Opt. Lett. 34 (21), 3439 –order resonator modes are suppressed.

3441, 2009.

Although several characteristics of resonators with

13) T. Y. Fan, and R. L. Byer: IEEE J. of Quantum Electron.

retro-reflective elements have been already recognized, more

QE-23 (5), 605 – 612, 1987.

detailed investigations using CW systems are hindered by

14) T. Y. Fan, D. J. Ripin, R. L. Aggarwal, J. R. Ochoa, B. Chann,insufficient pump power densities. Potential benefits of AL

M. Tilleman, and J. Spitzberg: IEEE J. Sel. Top. Quantum

and CCR resonators could be further investigated in laser

Electron. 13 (3), 448 – 459, 2007.

─ 21 ─

海上ラマンライダーによる海底面の測距の可能性
レーザープロセス研究チーム
染川智弘
２．海上ラマンライダーシステム

１．はじめに
日本の領海・排他的経済水域は国土の面積の 12 倍程

図 1 に海上ラマンライダーの構成図と写真を示す。波度も大きく、レアアースに代表される海底鉱物資源やメ

長 355 nm、出力 120 mJ、繰り返し 20 Hz のレーザーパ

タンハイドレートの採掘、CO2 を海底地層に圧入して大ルスを鉛直下向きに海中に照射し、海中からの散乱光を規模削減を目指す CCS(Carbon dioxide Capture and

直径 20 cm の望遠鏡で集める。観測した散乱光はレンズ

Storage)等の有効な海底利用が期待されている。海底開でコリメートした後、波長 355 nm のエッジフィルター

発では資源探査手法の開発だけでなく、海底開発に伴うとノッチフィルターでレイリー光を除去し、光ファイバ

海洋生態系・環境への影響評価が重要とされている。単ーで光路 30 cm の分光器に導いた。分光器の測定ポート

純な採水測定法では評価の頻度や評価可能なエリアににはラマンスペクトル計測用の電子冷却CCD カメラと、限度があり、広範囲にわたる領域を短時間でモニタリン

ライダー信号を計測する光電子増倍管（PMT）を搭載しグできる手法の開発が望まれる。筆者らのグループでは、ている。分光器の光路上に設置したミラーの出し入れに

広範囲の海水領域を効率よくモニタリングすることをよって CCD と PMT の検出機器を切り替えることが可

目指して、海水中に含まれる CO2 ガスの濃度などを、遠能である。
海上でのライダーシステムの塩害防止のため、望遠鏡、隔から、ラマン散乱で測定するラマンライダー技術を開発中である。ライダーシステムを船舶に搭載し、レーザ打ち下ろしミラー以外のレーザー本体・電源、分光シス

ー光を船上から海へ照射可能な海上ラマンライダーシ

テム、オシロスコープなどは密閉型の容器内に設置し、ステムを開発し、沼津や竹富島近海での海上観測を実施

除塩フィルター付きのファンで容器内の大気を強制循してきた 1-7)。

環して排熱できるようにしている。本ライダーシステム

本報告では竹富島近海の海上観測結果で得られた水は2.8 kVA の小型の可搬型インバータ発電機1 台で全のラマンライダー信号による水中測距の可能性についシステムの電力が賄え、6 時間程度連続して船上での観て紹介する。海上ラマンライダーシステムでは、レーザ測が可能である。

ーパルス毎のレーザー強度のふらつきなどによる誤差を軽減させるために、水のラマン信号を校正信号として取得している。海の中では、海水は均一に分布しているために、水のラマンライダ―信号はレーザーの強度減衰などに依存する信号が得られるはずであるが、海底面にもピークが見られることがわかった。この海底面のピー
クは、それぞれの水深で生じた前方散乱が水中を伝搬し、海底面で反射した信号であると説明できる。波長 355
nm のレーザーで生じるラマン散乱波長が水の透過率が高い領域であることによる特有の現象ではないかと考
図 1 (a)海上ラマンライダーの(a)構成図と(b)写真えられる。

─ 22 ─

3.2 水のラマンライダー測定結果

３．竹富島近海での海上観測

図 3(a)に 3405 cm-1 の水のラマン散乱波長で測定した

3.1 ラマンスペクトルの測定
石垣島を中心とした八重山諸島にある竹富島の近海

光強度の時間変化、すなわちライダー信号を示す。ライ

には、水深が 20 m と比較的浅い海底からメタンガスを

ダー信号は 1000 回積算で取得した。「Deep」は水深が70%程度含む火山性ガスの湧出があり、竹富島海底温泉

約20 mの竹富島海底温泉の測定結果であり、「Shallow」と呼ばれている。平成 30 年の 2 月 19 日～23 日の 5 日

は水深が約 4 m の石垣港での測定結果である。レーザー

間にわたって、竹富島海底温泉での海上観測実験を実施

が海面に到達した時間を原点とし、その信号からの時間した。海上ラマンライダーシステムは大阪から石垣島ま遅れを水深に換算している。水深の計算には海水の屈折でコンテナ輸送したが、トラックや船での輸送による光率 1.343 を利用した。

軸ずれなどの影響はほとんど見られず、本ライダーシス

水のラマンライダー信号は、海面に到達したのち、レテムは特別な調整の必要なく、動作が可能であった。

ーザーの水中伝搬による強度減衰と、ラマン散乱光を望図 2 に竹富島海底温泉の真上にて実施したラマンス

遠鏡で観測する際の距離の 2 乗で減衰する信号を示す。

ペクトルの測定結果を示す。ラマンスペクトルは 1000

海面付近では望遠鏡の視野とレーザーが重なっていな

回積算で取得した。
～3400 cm-1 に見られる大きな信号がいために、信号が得られていない。海水は均一であるた水の対称伸縮振動によるラマン信号であるが、このラマめに強度減衰のみを反映した波形を示すことが予想さ

ン信号よりも比較的小さい～1600 cm-1 の水の変角振動れたが、
図3(a)の「Deep」
での挿入図のピークや、「Shallow」のラマン信号は識別が困難であった。また、メタンのの減衰波形に生じているピークのように、海底面に相当

2897 cm-1 でのラマン信号は検出できていない。

する水深にピークが見られることがわかる。水のラマン

本スペクトル計測システムでは、信号の時間分解計測

ライダー信号は対象ガスの濃度を評価する際の校正信を行っていないために、海面からの反射成分も信号とし号として利用する予定であったが、校正信号としてだけて取り込んでいる。実験中は波による太陽光の反射、散でなく海底面などの測距にも利用できる可能性がある

乱が時々刻々大きく変化するため、背景光雑音成分のゆことがわかった。

らぎが大きく、測定の積算時間を長くとっても SN 比の

この水のラマンライダー信号の海底面に相当するピークは、レーザー強度が大きい海表面付近などで生じた改善は困難であった。
今後は時間分解機能付きの ICCD カメラを検出器に

水のラマン散乱の前方散乱が海底面まで到達し、その前用いて、海中からのラマン散乱成分のみを測定する方式

方散乱の合計が海底面で反射することによって生じるなどの改善策を検討する予定である。

のではないかと考え、以下の簡単なモデルで検証した。
ラマン信号強度は、レーザーの出力のみに依存し、前6方と後方散乱の強度は同じであるとする。水の減衰係数

5Intensity (×105 count )（m-1）は Smith and Baker, 19818)のデータを内挿して、波4

長 355 nm では 0.048975、水のラマン散乱波長である

3403.8 nm (3405 cm-1)では 0.020371 と求められる。海表面

2での強度を 1 として、水深 L での強度は

1
0
1200

1600

2000

2400
2800
Raman shift (cm‐1)

3200

3600

I (L) = exp ( - σ355L ）図 2 竹富島海底温泉での海上ラマンライダーシステ
ムによるラマンスペクトルとなり、前方と後方にそれぞれ I (L)の強度のラマン散乱
─ 23 ─

Lidar signal (arb. unit)(a)

しても、生じた水ラマン散乱光の水による減衰が大きく、

1

0.01

海底面にはピークが立たない。したがって、この水のラDeepマンライダーによる海底面の測距は、水の透過率が比較
0.5

0

15

的高い領域でラマン散乱波長が存在する波長 355 nm の20

レーザーを利用した場合の特有な現象ではないかと考Shallow

0

(b)

0

えられる。
5

10
15
Water depth (m)2025

ある CH4 と濃度校正用の水のラマンライダー信号の計

1
0.03

Lidar signal (arb. unit)

現在の海上ラマンライダーシステムでは、対象ガスで測時に、分光器の回折格子を回転させて観測波長を選択する必要があるため、同時刻の観測が実施できないとい

0

0.5

15

う欠点がある。1000 回のレーザー照射を積算すること

20

で、レーザーパルス毎のレーザー強度の変動や海面から0の反射光強度の変動などの影響を排除できないかと考
0

5

10
15
Water depth (m)2025

えたが、3.1 で述べたように波による背景光の変化など

図 3 (a)竹富島海底温泉と石垣港での海上ラマンライが大きく、CH4 ガスによる信号かどうかを判断するのがダーシステムによる水のラマンライダー信号、困難であった。今後は、対象ガスと校正用の水の信号を(b)簡単なモデルでの水のラマンライダー計算結同時に取得可能とするような光学フィルターで波長を果分離するライダー信号受信系の開発を進め、室内実験で性能を評価した後、海上観測を実施する予定である。

を生じるとする。
後方散乱はそれぞれの水深 L での強度減衰（ exp ( -σ403L ））を受け、海表面まで戻る。それ４．まとめ

ぞれの水深での前方散乱 I (L)は、海底 20 m までの水の海底開発が海中の環境に及ぼす影響を効率よく評価

減衰（ exp ( -σ403( 20 – L ) )） ）を受けながら海底面で反することを目的として、海水中に含まれるガスの種類や射され、海表面に戻るまでの水による減衰（ exp(-

濃度をラマン散乱で測定するラマンライダー海中モニ

σ403( 20 )） ）を受けて望遠鏡で観測されるとし、海表面

タリング手法の開発を行っている。対象ガスの濃度校正まで戻ってくる光は距離の 2 乗で減衰するとした。 計用に水のラマンライダー信号の取得を計画していたが、算は観測と同じ 0.15 m 間隔での水深で生じた前方散乱

波長 355 nm の水のラマンライダーでは海底面に相当す

強度の合計が海底面で反射する。海底面での反射率は文る位置にピークが見られ、測距にも利用できる可能性が献値を外挿し、1％とした 9)。

わかった。

図 3(b)にこの簡単なモデルでの水のラマンライダー

今後はこの海上観測で得られたラマンスペクトル、ラの計算結果を示す。20 m 以降は信号強度を 0 として、

マンライダー測定のそれぞれの問題点を改善するとと見やすいように線を滑らかにつないだ。観測視野の重なもに、海上観測が容易になるように装置の小型化・省電り関数を考慮していないので、近距離の形状が異なるが力化に取り組む予定である。

海底面にピークが現れることがわかる。ここで、仮に波長 532 nm のレーザーを用いたとすると、水の減衰係数

謝辞

は波長 532 nm で 0.053592、水のラマン散乱波長である
649.7 nm (3405 cm-1)では 0.355101 となる。同様の計算を本研究は JSPS 科研費 JP25871083, JP15H05336,
JP18H01929 の助成を受けて実施した。

─ 24 ─

参考文献

Abstracts of the 24th Congress of International Commission

1）

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T. Somekawa, A. Tani, and M. Fujita: Appl. Phys. Express, 4,112401, 2011.

6）2）

T. Somekawa, and M. Fujita: Proc. of ILRC26, S10-06, 2012

3）

T. Somekawa, T. Takeuchi, C. Yamanaka, and M. Fujita:

01021, 2017.
7）

Proc. of SPIE, 9240, 92400J, 2014.
4）

5）

T. Somekawa and M. Fujita, EPJ Web of Conferences, 176,

T. Somekawa, S. Kurahashi, J. Kawanaka, and M. Fujita,
Proc. SPIE, 10791, 1079104, 2018.

T. Somekawa and M. Fujtia: EPJ Web of Conference, 119,

8）

R. C. Smith and K. S. Baker, Appl. Opt., 20, 177, 1981.

25017, 20169）灘岡和夫, 二瓶康雄, 横山智子, 大見謝辰男, 下地和幸,
海岸工学論文集, 44, 1291, 1997.

T. Somekawa, T. Kitamura, and M. Fujita: Extended

─ 25 ─

レーザーを用いたコンクリート欠陥検査：実用化を目指して
レーザー計測研究チーム
島田義則、オレグ コチャエフ、倉橋慎理、保田尚俊 1、御﨑哲一 2
1
2

京都大学

西日本旅客鉄道（株）
を与え、その応答を捉えて欠陥診断を行う点では、

１．はじめに
高度成長期に建設されたトンネルや橋梁などの構

原理的に打音検査法と同じ検査手法であり、トンネル点検

造物が高経年化し、検査維持管理技術の確立が、近において、今まで蓄積された打音検査データをそのまま継年、大きな社会的問題となっている。老朽化による承できる上に、遠隔からの計測が可能であること、コ

事故を未然に防ぐためには、構造物の健全性を精度

ンクリート曲面の計測が容易に行えること、さらに、短時よく検査できる技術の開発が望まれている。

間で検査可能である等の利点がある。

トンネルなどの検査には、現在、打音検査法 1)が主に用いられている。この手法は、重労働で高所作

２．レーザー打音法開発の経緯と実用化の課題

業の危険を伴うことや、データの定量性が乏しいた

図 2 にレーザー打音法の振動計測方法を示す。コンクリ

め、劣化の進行状況を判断しにくいことなどの問題

ートに衝撃を与える衝撃波励起用レーザーには Q スイッがある。これらを解決するため、高速で客観的なデチ Nd:YAG レーザー、コンクリートの表面振動検出用レーータを取得できる新しい検査方法の開発が求められ

ザーには Nd:YVO4 レーザーの 2 倍高調波（緑色光）を用ている。

い、ヘテロダイン検波方式のレーザー干渉計を構成した。

打音検査法に代わる検査方法として(1)接触式超音波探2)3)傷法 や(2)電磁波検出法 、(3) 赤外線検出法

4)

検出可能なひび割れ深さや内部空洞のかぶり厚はおよび衝撃波励起用レーザーのエネルギーで決定され、数本稿で述べる(4)レーザーを用いた検査方法 5),6)（以降、レジュール程度なら 3～10 センチメートル程度であーザー打音法）等が研究開発されている。(1)と(2)はコンる。打音検査法でも検出できる深さは 10 センチメー

クリート表面への近接が必要であるが、深部の欠陥検査にトル程度であるので、これと同程度が検出できれば適している。一方、(3)および(4)はコンクリート表面剥離などの欠陥を遠隔から検査できるという特長がある。最近
では、ピストン型ハンマーと収音機をドローンに搭載して打音検査を行うドローン打音法 7)も提案されている。
図 1 にレーザー打音法の概念を示す。衝撃波励起用のパルスレーザーをコンクリート表面に照射してコンク
リート表面を振動させる。振動スペクトルは欠陥の有無により変化するため、その振動を検出用レーザーにより計測し、検査を行う。コンクリートへの照射位置はミラーを回転させることで、また、装置を車両に積載して自走させることにより、覆工コンクリート表面全体を検査

図 1 レーザーを用いたトンネル覆工コンクリート

することができる。この手法はコンクリートに振動─ 26 ─

検査技術(レーザー打音法)の概念

図 2 振動検出原理
8) コスト、経済面での合理性の確立十分である。
当研究所では、長年にわたり JR 西日本などと協力等が挙げられる。

してレーザー打音技術の開発を行ってきた。まず、

欠陥判定アルゴリズムの良否はレーザー打音法の開発したレーザー打音装置を軽自動車に搭載し、山信頼性を評価する上で極めて重要なファクターであ陽新幹線橋梁床版部の欠陥検出実験を実施 5)した。

り、これまで熟練の作業者が打音法で判定してきた

ついでディーゼル機関車が牽引する車両に搭載可能判定基準による評価結果と一致する評価結果が得らなレーザー打音装置を開発し、山陽新幹線トンネル

れるアルゴリズムが望まれる。

の欠陥検査実験を実施した 8)。両実験を通してレー
ザー打音法がトンネルコンクリート欠陥検出に適用

2.1 レーザー打音装置の小型化可能であるという原理実証に成功し、その後実用化を目指した研究開発を実施した。

装置の小型化を例にとって、ハード面から、実用化へ向けての努力の流れを見てみよう。

レーザー打音法を実用化するためには、ハードおよびソフト面で多くの課題がある。ハード面では先に紹介した原理実証実験では、新幹線トンネルの線路上を走行する車両搭載型のレーザー打音装置

1）装置の小型化を用いたが、装置の小型化を目指して、上下線路の2）装置を検査現場まで長距離運搬する際の振動中央に設けられている幅１m の点検用中央通路を走や温湿度などの環境変動によっても光軸の狂行できる車両に搭載可能な装置を開発した。

いが生じない堅牢な光学系の構築

トンネルの中央通路を走行して検査を行う装置の3）検査現場での振動や騒音に耐える防振、防音

外観を図 3 に示す 9)。検査システムは 4 両編成で、1 両目と 4 両目が前後に移動するための牽引車、中機構の付加
4）架線やトンネル付帯物がレーザー照射を受けないようにする安全対策

央の 2 両がレーザー打音装置を搭載した車両である。装置には振動、騒音、雨、および湿度等への対

5）あらかじめ設定した検査領域をレーザーで走査して検査できる自動検査機構策を施した。車両上部に設けたレーザー照射窓を開き、そこからコンクリート面に向けてレーザーを照などが必要であり、ソフト面では射する。コンクリート表面までの距離をレーザー測6）受信した干渉信号波形からコンクリートの劣距計で測定し、レーザーの焦点位置が常にコンクリ化の度合いを迅速に判定できる欠陥判定アルート表面になるように制御した。このレーザー測距

ゴリズムの開発はコンクリート以外の架線等付帯物にレーザーが照7）作業員による打音検査との整合性の実証

射される誤照射を防ぐ役目も果たす。装置の電源に

─ 27 ─

LSCF 法(Least Square Complex Frequency Domain)が提案されており、現在は LSCF 法を欠陥判定アルゴ
リズムとして使用している。
LSCF 法では、欠陥による振動減衰波形を、特定の固有振動数と特定の減衰率を有する複数の振動減衰波形の和で近似的に表現する。そして時系列波形をフーリエ変換して得られる周波数スペクトルに現れる固有振動数毎に減衰振動の確実性を推定して欠陥を判定する方式である。詳細については文献 12)-15)に譲るが、この方法は計測データの減衰振動波形の有無を判定に利用しているため、ノイズに強く、また、計算速度が速いなどの特徴がある。

３．トンネル覆工コンクリート検査の現状
中央通路走行型レーザー打音装置と LSCF 法による欠陥判定アルゴリズムを用い、トンネル覆工コン
図 3 トンネル内での実験状況

クリート表面を複数点照射してコンクリート異音部を検査する実験を行った。図 4 a)は検査を実施した

はバッテリーを用いた。バッテリーは各車両に設置

ひび割れ箇所の写真である。写真中央部の四角形にされており、トンネル内の中央通路を走行して現地

チョーキングした部分は、点検員が事前にハンマーまで移動し、さらに数時間の検査が可能となるよう

で打音検査し、異音が有ると判断した箇所である。

な容量がある。レーザーの照射や計測などのシステ

ただし、浮き（異音部）の大きさを正確に表していム制御は牽引車から行うようになっている。

るものではない。写真中央部の少し下側に○印と□印がある。○印はこれから照射する衝撃波励起用レ

2.2 欠陥判定アルゴリズムの開発

ーザーの照射点、□印はこれから照射する検出用レ

欠陥の判定には、干渉信号の時系列波形とそれをーザー照射点である。

フーリエ変換して得られる周波数スペクトル波形を衝撃波印加点と計測点の位置関係は非常に重要併用するのが一般的である。欠陥部の振動周波数はで、計測したい位置に対して、最も振動を生じさせ健全部に比べて低周波で、振動の持続時間も一般的る箇所に衝撃波励起用レーザー照射する必要が有に長くなる。開発の初期には、スペクトル強度が最る。このため、この装置では、コンピューター画面

大となる振動周波数から良否を判定するスペクトル上の画像を用い、最も振動を生じさせやすいと考え

ピーク法や、スペクトル強度が最大となる振動周波られる衝撃波励起用レーザー照射位置と、振動を最数付近の面積割合を用いる方法、およびスペクトルも検出しやすいと考えられる検出用レーザーの照射

強度と減衰時間を考慮に入れたウェーブレット法

10)

位置を複数点選択し、オペレーターが事前にその位などを検討してきた。その後は 2 kHz を境として低置を画面上で登録する。測定を開始すると、装置は周波側と高周波側のスペクトル面積を求めその比を最初の照射位置にレーザーが照射されるよう光軸を判定に用いる方法 11)など様々な方法を検討した。最自動調整してその箇所をレーザー照射し、次々と照近では、ノイズに強い欠陥判定法の一つとして、射位置を変えて照射を続け、選択された照射位置全─ 28 ─

てへの照射が終了すると自動的に装置の運転を停止

すい箇所であるかも分かる。

することができる仕組みになっている。○印と□印

この実験では検査システム全体の動作試験やの相対距離は検出用レーザーが計測できる信号の大LSCF 法による欠陥判定アルゴリズムの試験も兼ねきさに依存しており、コンクリート表面上で 30～70て、打音検査で異音部と判定された箇所を詳細に調mm に設定した。

べたが、欠陥判定を行うだけならば 20 箇所もの照射

図 4 b)は登録した○印、および□印の照射点に両は必要なく、数ショットで十分であるため、必要なレーザーを照射し、測定結果から欠陥判定アルゴリ

検査時間は数秒である。現状の打音検査で点検員がズムを用いて健全性の度合いを評価し、度合いに応バケットを動かして、検査場所にたどり着き、ハンじて異なる色で表示した写真である。□印の各照射

マーで打音して計測する時間に比べると、レーザー箇所において、振動モードの周波数が 500 Hz 以下の打音検査で必要な検査時間は十分短く、高速での検低周波数なら赤色、500 Hz から 2500 Hz の中間周波査が可能であると思われる。

数なら黄色、2500 Hz を越える高い周波数なら緑色とした。ただし、ここに示した基準周波数は現在の検討で利用している数値であり、今後の研究の進展

チョーキングエリア

によってはさらなる最適化が図られる可能性があ
る。

ひび割れ

図 4 b)内の“ポイント 1”におけるスペクトル(赤実線)と LSCF 法を用いた場合の減衰振動の確実性

衝撃波励起用を図 5 a)に示す。横軸は周波数、縦軸は LSCF 法をレーザー用いて判定した減衰振動の確実性を示すパラメータ検出用である。図中で△印や〇印が同一周波数（縦方向に）レーザーに多くプロットされている場合には、固有の減衰振

照射位置

照射位置

動の存在が確実で、欠陥と判定される。
図 5 a)では 200, 500, 900, および 1600 Hz 付近減衰a)

異音箇所の写真振動があると判定された 。そして、最低周波数が 200
Hz と低いため、図 4 b）の“ポイント 1”は赤色の判定となった。
図 5 b)に示す“ポイント 2”におけるスペクトルでも、図 5 a)と同様のスペクトル波形と判定結果が得“ポイント２”られ、赤色と判定された。
“ポイント 3”のスペクトルを図 5 c)に示す。
“ポ“ポイント１”

イント 3”のスペクトルでは卓越した周波数は無く、△印、〇印も無いので、この箇所は緑色と判定された。
図 4 b)に戻って、図中に示した赤色及び緑色の照“ポイント３”

射箇所数は 20 程度である。この写真より、覆工コン
クリートのどこの部分が浮いているかが判断できb) レーザー打音検査の結果る。また、周波数の違いによりどの箇所が剥落しや図 4 異音箇所をレーザー打音検査した結果

─ 29 ─

４．まとめ
本稿では、レーザー打音法を用いてトンネル覆工
コンクリート異音部を高速で検査する装置の開発の現状について述べた。事前に設定した検査箇所リストに従い、レーザー照射位置を自動的に走査できるシステムとすることで、検査時間を大幅に短縮することができた。また、異音部判定に LSCF 法を用いることで減衰振動波形の確実性を評価することができ、ノイズに対して強く、かつ、高速での判定処理

Frequency (Hz)a) “ポイント 1”が可能となった。
本装置を用いることにより、トンネル覆工展開図
や写真から危険そうな箇所を事前に割り出し、そこを遠隔、高速で検査することができる。現在はその実現のために多くの現場試験を行い、装置性能や耐久性を評価中であり、近い将来の実用化を目指して
いる。

参考文献
1）

鎌田敏郎、淺野雅則、国枝稔、六郷恵哲：土木学会
論文集 V、704, pp.65-79, 2002.

Frequency (Hz)b) “ポイント 2”2）

村瀬豊、魚本健人：生産研究, 56(2), pp.172-175, 2004.

3）

田中正吾、門脇正法：電気学会論文誌 C, 125(1),pp.50-56, 2005.

4）

柳内睦人、魚本健人：土木学会論文集, 442, pp.91100, 1992.

5）

島田義則、オレグコチャエフ:電気学会論文誌 C,
129, pp.1192-1197, 2009.

6）

島田義則、オレグコチャエフ、内田成明、篠田昌弘、
大村寛和、御崎哲一、近藤健一、坂本保彦:レーザー研究、38(10), pp.749-753, 2010.

7）古賀文隆、山田圭一、田中雅敏、和田秀樹:日本機
械学会 九州支部 第 70 期総会・講演会論文集、1017, p.327, 2017.

Frequency (Hz)c)8）

“ポイント 3”

島田 義則、オレグコチャエフ、篠田 昌弘、坂本 保

図 5 異音、健全箇所でのスペクトルと LSCF 法を彦、御崎 哲一、髙橋 康将、江本 茂夫:土木学第 67

用いた卓越周波数、減衰率の確実性

回年次学術講演会予稿集、VI-267、pp.533-534, 2012.
9）─ 30 ─

島田義則：電気学会誌、135(12), pp.834-837, 2015.

10）

11）

羽矢洋、羅休、魚本健人：土木構造物の非破壊検査

13）

Verboven, P., Cauberghe, B., Parloo, S., Vanlanduit, S.

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12）

14）

15）

保田

尚俊、御崎

哲一、島田

義則、江本

茂夫、

Spitznogle, F. R., and Quazi, A. H.: The Journal of the

金田

道寛、武岡

学、田中

幸司、石田

信孝、

Acoustical Society of America, 47(5A), pp.1150-1155,

高山

宜久、曽我

寿孝：土木学会論文集 F1（ト1970.

ンネル工学）、74(1), pp. 58-69, 2018.

Van der auweraer, H.,

Guillaume, P., Verboven, P. and16）

島田義則、オレグコチャエフ、倉橋慎理、保田尚俊、

Vanlanduit, S.: ASME Journal of Dynamic Systems,

御崎哲一、高山宜久、曽我寿孝：電気学会

Measurement, and control, 123(4), pp.651-658, 2001.

C、139(2), pp.131-136, 2018.

─ 31 ─

論文誌

レーザー打音法によるコンクリート構造物内部欠陥高速検査技術の開発
レーザー計測研究チーム
倉橋慎理、島田義則

１．はじめに活用した高性能・非破壊劣化インフラ診断技術の研究開

道路橋やトンネル、河川管理施設などの社会インフラ発」と題する研究を理化学研究所（理研）、量子科学技と呼ばれるコンクリート構造物の多くは 1950~1960 年

術研究開発機構（量研）、日本原子力研究開発機構（原代の高度経済成長期から 2000 年代前半までにわたって研）と共同で実施してきた。平成 27 年度には量研の開

集中的に整備されており、高経年による老朽化が懸念さ発した高出力高繰り返しレーザーと当研究所が開発しれている。施設の耐用年数は一般的に 50 年程度とされた遠隔探傷技術を組み合わせて、従来の計測速度の約ているが、建設から 50 年以上が経過するインフラは今50 倍に相当する秒間25 点の速さでレーザーを走査させ

後加速度的に増えていくと見込まれており、現状では道ながら欠陥を計測することに成功した６)。平成 28 年度

路橋の約 4 本に 1 本、トンネルの約 5 本に 1 本がそれには速度をさらに倍の秒間 50 点に向上させ、加えて検1)に相当しているとの報告がある 。耐用年数を超過した査装置を実験室外に持ち出し、屋外試験を実施した７)。

社会インフラは本来ならば全面的な建替えや改修など

平成 29 年度は検査装置の車載化を行い、静岡県富士市

により計画的に更新されることが望ましいとされるが、にある施工技術総合研究所（施工総研）が所有する模擬現状ではコスト面などの問題から点検や補修など適切

トンネルまで移送、実証試験を実施し、模擬トンネルにな維持管理を施すことでインフラの延命化を図るもの

生じた欠陥の検出に成功した 8)。平成 30 年度は専用車が多い。インフラによって人々にもたらされる恩恵を次両を設計して装置を搭載し、実際に使用されている道路

世代へ継承していくためにも、社会全体として老朽化問

トンネルにおいて、実証試験を実施した。本稿では、実題に取り組んでいくことが求められている。

証試験の概要について述べる。

このような現状を受け、当研究所では鉄道トンネルや高架橋などコンクリート構造物の欠陥をレーザーで遠２．屋外高速検査装置の開発

隔探傷する技術の開発を進めてきた 2, 3)。パルスレーザ

2.1 検査装置の概要

ー照射によりコンクリートに振動を励起し、その表面振実証試験には平成 28 年度に開発した高速検査装置を

動をレーザー干渉計で検出し、振動の周波数分析などを用いた。装置は、打音検査におけるハンマーに相当する

通して欠陥の有無を評価するものである。室内実験の成振動励起レーザー、同じく人の耳に相当するレーザー干果を基にして野外実験が可能な装置の開発を行い、山陽

渉計、ならびに二つのレーザー光を高速で走査する高速新幹線トンネルや高速道路における試験を実施し、その走査ユニットからなる。振動励起レーザーには、量研が有効性を確認した 4, 5)。現在実用化に向けて、欠陥探傷開発した高エネルギー、高繰返しパルスレーザー（4J、装置の小型化と信頼性向上、検査の高速化など、研究開50Hz）を用いた。振動の検出を行うレーザー干渉計には発を加速している。

当研究所が構築したレーザードップラー振動計を用い当研究所は、平成 26 年度より、内閣府主導の戦略的た。レーザードップラー振動計は、コヒーレント長の長

イノベーション創造プログラム（SIP）のインフラ維持

い連続発振Nd:YVO4レーザーの第2高調波（波長532nm）

管理・更新・マネジメント技術において、「レーザーをを光源とし、光音響型変調素子、復調装置を組み合わせ─ 32 ─

図 1. 自走式レーザー打音検査装置(a) 移動時の様子 (b)計測時の様子

たヘテロダイン検出型レーザー干渉計の構成となってそれぞれの装置や電源類をユニット化したことで、積みいる。光源の出力は検査対象の表面状態に応じて任意に下ろしや移設にかかっていた時間の大幅な短縮に成功調整できるようにした。高速走査ユニットは、検査対象した。トラックの荷台はエアーサスペンション機構を有までの距離を測るレーザー距離計、距離に連動して照射しており、装置の移送時に路面から受ける振動の影響を

光学系の焦点位置を調整する電動ステージ、検査面を高低減できる。
また、移送時における風雨の影響を考慮し、速に走査するためのガルバノミラーから構成されてい専用の着脱が容易な巻き上げ式の幌を設計、装着した。

る。検査領域を大きく変更する場合には二軸ミラーでレ

これらを採用したことで、レーザー干渉計の光学系にはーザー光の出射方向を変える方式を採用しており、二軸再調整の必要があるレベルのずれは生じなかったこと

ミラーには検査範囲を観察するための光学カメラが、円を確認した。図 1 に自走式レーザー打音検査装置を示

周方向の回転に対して同軸になるよう搭載されている。

す。ディーゼル発動機は別途用意した 2 トントラック上に設置し、100V、200V の二系統で分電盤と接続した。

2.2 検査装置の専用車両への搭載

検査装置全体の制御と操作はトラックの助手席から行

平成 29 年度には構築した検査装置を 4 トントラック

えるようなっている。

に搭載し、模擬トンネルにおける実証試験を実施した。
検査装置の運搬は大型精密機器の運送業者に依頼し、現

2.3 防音カバーの特性試験地でレンタルした 4 トントラックに搭載する方式を採レーザー干渉計を用いた振動計測では、干渉計を構成用したため、装置の移送にかかるコストが大きかった。

する光学部品が外部から何らかの影響を受けて共振がまた、搭載後に電源周りや光学系の調整を必要としたた生じた場合、検査面に生じた振動との区別ができない。

め、現地に到着後すぐに試験に取り掛かることができな共振が生じる原因になりうるものとして、音による影響

いといった課題があった。そこで、平成 30 年度は 4 トが挙げられる。この影響を低減するため、図 2 に示す防ントラックの荷台を改造し、装置類を予め搭載した自走音カバーをレーザー干渉計が収納されている筐体に装式レーザー打音検査装置の構築を行った。前節で述べた

着した。防音カバーは鉄板と吸音材からなっており、欠検査装置一式を防音、防振筐体に収納し、レーザー打音

陥判定に使用する帯域である 500kHz~10kHz の外部か装置として、車両後部に設置した。レーザー駆動用の電らの雑音を減衰するよう設計されている。これまでに得源や、冷却水、計測や制御に必要な電子機器類は専用にられた知見より、環境騒音などの背景雑音成分はその大設計したコンテナ内に収納し、車両中央部に設置した。

きさにもよるが、一桁程度低減されることが望ましいと─ 33 ─

図 2. 防音カバー

考えられ、前述の帯域において 20dB 以上の減衰が望まれる。防音カバーによる減衰性能を確認するための実験を行った。50Hz 程度までの低音域を再生可能なウーファーを搭載したスピーカーを用いて、広い帯域にわたって成分をもつノイズ音を再生し、防音カバーによってそ
図 3. （上）収録された音の信号波形

れらをどの程度低減できるのかを確認した。

（下）得られた振幅スペクトル

レーザー干渉計用の筐体内に集音マイクを設置し、防音カバーを外した場合と、装着した場合において、それぞれデータ収録を行った。また、得られた信号波形を高速フーリエ変換し、振幅スペクトルを得た。図 3 にそれぞれの状態で収録された音の信号波形と得られた振幅スペクトルを示す。音の大きさに相当する信号波形の振幅が、防音カバーの有無によって大きく異なることが確
認でき、また、防音カバーを装着したことで、500Hz 以

図 4. 防音カバーの減衰特性上の帯域における周波数成分を大きく低減できていることが確認できた。
防音カバーを外した状態と、装着した状態における振実際に使用されている道路トンネルにおいて、それぞ

幅スペクトルの差分を求め、得られたスペクトルを防音れの自治体と協力し、以下の三ケ所において実証試験を

カバーの減衰特性とした。防音カバーの減衰特性を図 4実施した。

に示す。防音カバーにより、500Hz 以上の帯域において、① 奈良阪トンネル、奈良市青山市道 697 号線、
2018/05/31-06/01

平均して20dB 以上の減衰が可能であることを確認した。

② 天王第一トンネル、大阪府能勢町国道 173
2018/06/14-06/249)

３．道路トンネルにおける屋外実証試験

─ 34 ─

③ 尾崎トンネル、静岡県富士宮市県道 190 号線、
2018/12/17-12/1810),11)
本稿では、天王第一トンネルでの実証試験の結果について報告する。天王第一トンネルを図 5 に示す。
本実証試験では、トンネルの全面点検を行うのではな
く、予め検査会社が点検した結果のうち、国土交通省により策定された道路トンネル定期点検要領 12)における対策区分判定Ⅱb 以上の変状をレーザー打音装置で検出可能であることを実証するのが目的である。対策区分
はⅠ～Ⅳで分けられており、Ⅰ<Ⅱ(Ⅱb<Ⅱa)<Ⅲ<Ⅳの順

図 6. レーザー打音法による検査結果の一例に危険度が高くなる。対策区分判定Ⅱb は、道路トンネ
ルの機能に支障は生じていないが、予防保全の観点から剥離が生じていることが確認でき、境界面が浮いている

日常巡視等で状態を把握しておくことが望ましい変状

かどうかを検査した。中央部正方形のカラー画像は、外に対して下される判定である。また、変状とは、トンネ

枠の大きさ 500 x 500mm の領域を一度のデータ取得でル本体工の覆工、坑門、天井板本体等に発生した不具合

走査・検査した領域をあらわし、背景画像と重ね合わせの総称をいう。

て出力して、緑色が健全部、赤色が欠陥部であることを振動励起用パルスレーザーエネルギー3.4J、繰返し

表示している。参考としてカラーマップを非表示にした50Hz、振動検出用レーザー光出力 1W の条件で、3-6m

検査領域の様子を図右上に示した。二軸ミラーに取り付

離れた位置から、壁表面 500mm×500mm の領域を約けられたカメラで検査範囲の光学画像を取得し、実際に33mm の間隔で検査した。計測点数は 16×16 = 256 点で走査した範囲と各照射点における診断結果を一つの画あった。時系列のレーザー干渉波形と FFT による周波像として出力できるようにした。赤色部と緑色部の代表

数変換データを用いて、欠陥の有無を判定し、ディスプ的な測定点における振動の時系列信号波形と振幅の周レイ上に欠陥の位置を表示するという一連の作業を行

波数スペクトルを併せて図中に挿入した。

っている。

健全部と欠陥部の判定には周波数スペクトルの最大

図 6 に検査結果の一例を示す。背景の写真は壁表面の強度とスペクトル面積の違いを利用した。それぞれのパ写真撮影画像で、コンクリートの目地に沿って縦方向にラメータで閾値を適切に設定し、値に応じて赤から緑の間の色を割り振っている。欠陥を含む領域では、その欠陥の大きさと厚みなどから決定される固有振動数で揺れる板振動が励起されやすいため、スペクトルの最大強度が大きくなる。また、打音検査の結果から、落下の危
険性が高い欠陥部は、低音部のスペクトルが強調されるという定性的な結果を用いている。つまり、スペクトルに卓越したピークがあり、なおかつ低周波側に存在するような信号波形が得られる領域ほど赤く示される。健全部では板振動が励起されず、上記の値は小さくなるため、

図 5. 天王第一トンネル

このような領域は緑色で示される。
検査会社の打音検査員による検査結果との比較を図 7
─ 35 ─

図 7. レーザー打音法（左）と打音法（右）による検査結果比較に示す。図の左側がレーザー打音法による検査結果で、管理・更新・マネジメント技術「レーザーを活用した高スキャン複数回分の結果を重ね合わせて表示した。右側性能・非破壊劣化インフラ診断技術の研究開発」の下でが検査ハンマーによる打音法の結果を示す。黄色くチョ実施した。試験の実施に尽力いただいた量研機構関西研ーキングされた箇所が打音法で欠陥と判定された部分の錦野将元氏、長谷川登氏、近藤修司氏、岡田大氏、北を示しており、レーザー打音法による検査結果と良い一

村俊幸氏、三上勝大氏、河内哲哉氏に感謝致します。

致を示した。実際のトンネルに生じた欠陥に対しても、本研究で開発した検査装置は打音検査と同等の検査が参考文献可能であることを実証できた。

1） 国土交通白書 20182） 島田義則 他: 非破壊検査, 61, 519-524, 2012．
3） 倉橋慎理 他：レーザー研究 42, 849-,2014.

４．まとめ
検査装置の小型化と専用車両への搭載を進め、検査

4） オレグコチャエフ 他：LASER CROSS, No.355

現場まで移動可能で、広い範囲のトンネル壁面を高速

5） 島田義則：ILT2017 Annual Progress reportで検査できる装置を開発し、実際に使用されている道

6） S.Kurahashi et al. : J. Appl. Remote Sens.12(1),015009 (2018)

路トンネル内において実証試験を行った。道路トンネ

7） 倉橋慎理 他：ILT2017 Annual Progress report

ルに生じた欠陥と予め判定された領域を対象として検8） 倉橋慎理 他：ILT2018 Annual Progress report査を実施し、欠陥部と健全部の判断を高速で行うこと

9） 朝日新聞 2018 年 6 月 24 日朝刊 31 面 などに成功し、打音検査と同等の検査が出来ることを実証

10） プレスリリース 理化学研究所、レーザー技術総合研究した。

所「インフラの長寿命化を支える先進レーザー診断技術の実証試験に成功」2018 年 12 月 19 日
11） 読売新聞（2019 年 1 月 4 日）など

謝辞
本研究は、総合科学技術・イノベーション会議の SIP

12） 国土交通省 道路トンネル定期点検要領 平成 31 年

（戦略的イノベーション創造プログラム）インフラ維持

─ 36 ─

2月

Laser-based remote nondestructive inspection of metal water-pipelines
Laser measurement team
O. Kotyaev, Y. Shimada, S. Kurahashi
1. Introduction
In this report, experimental results on laser-based technology forremote nondestructive measurement of metal pipe wall thickness
are presented. Moving fluids always affect the inner surface ofpipeline. For example, boiling water flowing inside the pipeline
erodes the metal surface; or mixed liquid containing solid elements
scratches the inner surface, as shown in Fig.1. As a result, pipe wallFig. 2. Laser-based evaluation of metal wall thickness.

thickness will be reduced. Preventing dangerous situation causedby thinner walls, periodical evaluation of wall thickness isimportant. Laser-based inspection is considered as a promising

The approaching wave will be reflected again and again by outer

technique of remote nondestructive high-speed inspection forand inner surfaces. Multiple reflections of initiated acoustic wave

metal pipes [1].

will be detected. Resonant frequency of acoustic multiple
reflections in pipe wall is given by Fmr = V/2d, where V is soundvelocity in pipe material, d is pipe wall thickness. If pipe is made ofmaterial with sound speed of 6 km/s, and wall thickness is 5 mm,then Fmr = 600 kHz. If pipe wall becomes thinner, then Fmr will
increase. Detection of increased frequency of multiple reflections

Fig. 1. Metal pipe with rocks-in-water inside.

in inspected pipe will reveal potentially dangerous situation.
It should be noted that, during actual inspection procedure, pipes

In the present report, principle possibility of pipe wall thickness

are supposed to be filled with water. Presence of water inside pipe

measurement by laser vibration meter is demonstrated. Influence

should result in decreasing amplitude of initiated resonant vibrationof inner water on measurement results and problems of pipe

but its frequency should remain the same. This effect will bedamage caused by laser impact are considered.

demonstrated experimentally.

2. Idea of thickness measurement

3. Experimental setup

The measurement procedure is based on laser initiation and laser

A pulsed Nd:YAG laser was used as a source of laser impact.

detection of resonant acoustic waves between inner and outer

Output laser energy is up to 1J and pulse duration is 8 ns. Detection

surfaces of pipe wall [2]. Figure 2 shows general principle of laser-of initiated vibration was performed by commercially available

based thickness measurement. Impact laser hits outer surface oflaser vibrometer OFV-505 manufactured by Polytec Co.

pipe wall and initiates acoustic wave inside the wall. This wave isreflected by inner surface of the pipe wall and comes back to outersurface.

─ 37 ─

Impact beam spot

40 mm

Probing beam on
counter-reflecting tapeFig. 4. Impact/detection configuration on pipe surface.
4. Pipe wall thickness measurement

Fig. 3. Metal pipes used in the experiments.

Signal waveforms detected with the use of the impact/detection

Three pipe samples were provided for the experiments (Fig. 3).
These are 1-meter long pieces, 165.2 mm in diameter. The pipes
are made of steel. Pipe wall thickness: 7.1, 5.0 and 3.7 mm. Outersurface is covered by protecting paint.
In these experiments, pipe samples were installed on separate
table 6 meters away from the inspection system. From this distance,
probing radiation scattered by original pipe surface and used as aworking signal appeared to be very low. To increase signal power,
counter-reflecting tape was used in the probing point in most partof the experiments. However, in reality, only original surface issupposed to be used. So, for the final system design, special
experiments have to be carried out with original pipe surface
without using counter-reflecting tape to find maximum inspection
distance, where signal-to-noise ratio is still acceptable.
Mainly, impact beam size was 5 mm in diameter (square wasabout 0.2 cm2). With the use of 1-J laser pulses, energy density andintensity of laser impact beam on pipe surface was 5 J/cm2 and 625
MW/cm2, respectively. In these conditions, ablation took place on
pipe surface producing strong acoustic noise in air. To avoid
influence of acoustic noise, impact/probe distance was set to be 40
mm (Fig. 4).

configuration described above look complicated. For example,
Figure 5 shows waveforms and spectra detected in the pipe sample
with 3.7-mm wall. Moment of impact takes place at t = 0 s. The
wave signal appears at 13 s after laser impact. This delay
corresponds to surface wave propagation time over 40-mm
distance between impact and probe points. If sound velocity in steel
is 5900 m/s, then surface wave velocity is about 3000 m/s,
propagation over 40-mm distance will take about 13.3 s which
agrees with the observed delay.
The signal between 13 s and ~ 30 s (hereafter we call “signal
beginning”) contains mixture of surface wave and non-stationary
multiple reflections. It was found that clear stationary resonant
reflections appear about at 30 s after laser impact. It lasts about 50
s until strong oscillation starts at ~ 80 s after laser impact. Impact
by Nd:YAG laser induces surface ablation as mentioned before,
and shock wave in air is produced by laser ablation. The strong
oscillation after ~ 80 s (hereafter we call “acoustic noise”) is due
to acoustic vibration in air caused by shock wave. Speed of theshock wave seems to be supersonic: about 500 m/s.
Both non-stationary signal beginning and acoustic noise
influence on spectra of detected signals, which makes extraction of
useful information (here, frequency of multiple reflections) difficult.

─ 38 ─

One can see the whole waveform spectrum shown in Fig. 5-a has

waveforms are results of 10-record averaging. To illustratea peak at 800 kHz which corresponds to multiple reflection

influence of non-stationary vibration acoustic noise, two

resonance. However, the peak is surrounded by high-amplitude

waveforms are demonstrated for each pipe: whole detected

spectra of the signal beginning (Fig. 5-b) and acoustic noise (Fig. 5-

waveform and 50-s waveform cut between 30-th and 80-th s.

c). The clearest recognition of resonant multiple reflections is

The 50-s cuts without initial non-stationary vibration and acoustic

possible in the 50-s waveform cut between signal beginning andnoise are most useful for measurement of frequency of multiple

acoustic noise (Fig. 5-d).

reflections in current conditions. Actually, all whole waveform

Figure 6 presents waveforms and corresponding spectra detected

spectra have peaks corresponding to multiple reflections frequency.

for pipes with wall thicknesses of 7 mm (a) and 5 mm (b). All

However, spectra of 50-s cuts have the clearest peaks.

a)

b)

c)

d)
Fig. 5. Waveform and spectra detected in tests of the pipe sample with 3.7-mm wall: a) - whole waveform, b) - signal beginning, c) acoustic noise, d) - 50-s cut between signal beginning an acoustic noise.
Pipe wall thickness – 3.7 mm; detected resonant frequency of multiple reflections – 800 kHz.

─ 39 ─

a)Pipe wall thickness – 7.1 mm; detected resonant frequency of multiple reflections – 420 kHz.

b)

Pipe wall thickness – 5.0 mm; detected resonant frequency of multiple reflections – 610 kHz.

Fig. 6. Waveforms (whole waves and 50-s cuts) of detected resonant vibration and corresponding spectra (scales in spectra are varying).
Table 1. Multiple reflections in steel pipe samples.
Expected multiple reflections

Detected multiple reflections

frequency, kHz

frequency, kHz

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420

1.011

5.0

590

610

1.034

3.7

797

800

1.003

Thickness, mm

Detection/expectation ratio

As mentioned above, the provided pipes are made of steel. If

detected frequencies of multiple reflections. So, laser-based

sound velocity in steel is 5900 m/s then frequency of multiple

evaluation of metal pipe wall looks reliable and should be used inreflections should be as shown in Table 1.

real applications.

One can see there is good accordance between expected and─ 40 ─

5. Influence of inner water on pipe wall thickness
measurement
As mentioned above, a pipe under inspection in real conditions
will be filled with water. The presence of water should affectamplitude of initiated resonant reflection. So, it is important
information whether it is possible to detect multiple reflections andevaluate pipe wall thickness at the presence of water.
To measure pipe wall thickness in water-filled conditions, a 20cm piece of the pipe with 3.7-mm thickness was used (Fig. 7). One
end of the pipe was sealed with plastic plate; and the resulting pipe“cup” could be filled with water.

Fig. 7. Water-filled piece of pipe under testing.

Figure 8 presents comparison in whole waveforms and spectra
between the two cases: empty pipe and pipe filled with water.

Fig. 8. Waveforms and spectra of multiple reflections in pipe wall: empty pipe (top) and water-filled pipe (bottom).
As it was expected, spectral amplitude of detected signal indestruct pipe wall, however it produces damage of protection

water-filled pipe is lower than in case without water. Difference ispainting covering outer surface of pipes. The damaged spots areabout 2 times. This difference is caused by difference of acoustic

clearly seen in Fig. 4. Even with the use of bigger impact beam sizereflectivity from steel/air and steel/water boundaries. Actually, theand decreased pulse energy (producing practically non-detectable

experimental configuration was not intended for studying acoustic

vibration signal) painting damage takes place (Fig. 9). Moreover,properties, so correct quantitative evaluation of acoustic reflectivity

applying multiple impact in one and the same position (10 shots,

here is not possible. Good news is that detection of multiple

mainly) for data accumulation and averaging to improve signal-to-reflections in water-filled condition is still possible.

noise ratio results in just painting removal. This effect probably is
not acceptable in real inspection.

6. Non-destructive impact with the use of CO2 laser
Laser ablation produced by Nd:YAG laser impact does not─ 41 ─

Fig. 9. Pipe painting damage produced by 10-mm impact beamand 0.5 J energy: left – single shot, right – 10-shot accumulation.

Pipe under test

CO2 laser
Fig. 10. Test of CO2 laser impact.
Fig. 11. CO2 laser beam spot on thermal paper (top) and pipe
To check possibility of really nondestructive pipe inspection, asurface after 10-shot impact accumulation.

CO2 laser was used instead of the Nd:YAG laser. The CO2 laser
generates pulses with 5 J energy and 90 ns duration. It should bepresents waveforms and spectra of multiple reflections detected in

noted the available model of CO2 laser is not designed for long-

the three pipe samples. It was found that with the use of thermal

distance operation. So, to check CO2 laser impact, shorter distance

impact produced by CO laser, initial non-resonant vibration(about 1 m) was used (Fig.10).

(“signal beginning”) is shorter than in the experiments with ablation

It was found that CO2 laser impact beam with 35 x 30 mm size

impact produced by Nd:YAG laser. Here, only 6-s parts of signal

produced noiseless thermal impact and did not make any

waveforms with initial non-stationary vibration are cut off.

noticeable damage on pipe painting, even in 10-shot accumulation

Thermal mode of laser impact does not produce acoustic noise, so,(Fig. 11). Nevertheless, it initiated detectable resonant multiple

the rest waveforms can be used without additional cuts.

reflections which allow to measure pipe wall thickness. Figure 12

─ 42 ─

a)b)c)Fig. 12. Waveforms and spectra of resonant multiple reflections in metal pipe walls obtained with the use of CO2 laser impact. Pipe wall
thickness and corresponding resonance frequency: a) 7.1 mm and 420 kHz, b) 5 mm and 610 kHz, c) 3.7 mm and 800 kHz.
The results of pipe wall thickness measurement obtained with theimpact source providing really nondestructive impact. Possible

use of the CO2 laser are similar to ones summarized in Table 1. So,

candidate is CO2 laser with pulse energy about 5 J and pulse

CO2 laser is probable alternative of Nd:YAG laser as a source ofduration about 0.1 s. It has been demonstrated, if impact beam size

laser impact in real nondestructive inspection. However, CO2 lasersquare is about 10 cm2 then this kind of laser is capable to initiate

should be properly designed for long-distance operation.

detectable resonant vibration without noticeable painting damage.
So, safe parameters of energy density and intensity of CO2 laser

7. Discussion and conclusions

impact are 0.5 J/cm2 and 5MW/cm2, respectively.

The experiments have verified principle possibility of remote

According to Fig.1, thinnest part of long time used pipe will belaser-based inspection of metal pipes. In real inspection, it will beon the pipe bottom. That means, if there is no clear space undernecessary to provide appropriate level of signal power for

inspected pipe, it may be technically difficult to deliver laser beams

acceptable signal-to-noise ratio. As well, it will be necessary toto pipe bottom. In this case, another physical phenomenon could be

optimize impact/probe configuration to minimize influence ofused for pipe inspection, for example, initiation and detection of

initial non-stationary vibration and possible acoustic noise

eigenmodes in inspected pipes. This idea will be one of the topics

produced by ablation impact.

of further study.

Another important effect which should be taken into account isThis research was supported by the Obayashi Corporation.

about 50% decrease of laser-initiated vibration amplitude wheninspected pipe is filled with water. So, when developing real system,

8. References

it would be a good idea to have some reserve in signal-to-noise ratio.

1） Nondestructive testing hand book. ASNDT, 1991,

Ablation impact produces damage of protection painting. If it is2） C.B. Scruby. Laser Ultrasonics. Technique and Application, 1990.

not acceptable, the real inspection system should be equipped with
─ 43 ─

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1ƗK. Fukui, H. K. Park, T. Kawazoe, K. Ono, S. Iwana, Y.

ĲÚ" ĽôýŶ 0&ƌÃĲŵÒÓ6ĝ

Tomita, K. Yorita, T. Sakai and Y. H. Kong, Flavins andĚŦĨ!ŝú6Ŕ œÉ¯6ŞĹ]Bıó

Flavoproteins, 2005, pp.853-860 (2005).

ƆŝœŞĐ×14ÇƔăů#Ľû

2ƗR. Miura et al., J. Biochem., 122, pp.825-833 (1997).

ŞĹÇƔ$ƏÐ"Ŏ lŌ6įhDAAO Ąđ

3ƗŨ£Ťćz ILT2015 Ñ¹pp.44-49 (2015).

Čo 2 ƂƂč¦ĘÞđÄÇƔ×

4ƗF. Tanaka, N. Tamai and I. Yamazaki, Biochemistry, 28,

14 47 ps235 ps #œÉ¯44 2 Ƃ 0&Ƃ#ŪÉ¯"ÏÌ3đČo# hDAAO #pp.4259-4262 (1989).
5ƗR. A. Marcus, Journal of Chemical Physics, 24, pp.966-978(1956).

ƖFAD ¬´#ƗýŶĽôýŶlŌ3 $ƒ~ÛƏÐ"ƕ 5  !141#ŝú

6ƗT. Kakitani, N. Mataga, J. Phys. Chem., 89, pp.8-10 (1985).

6Ŕ -"$øùđČo#ŒħýŶ6ĝ 3

7ƗA. Nueangaudom, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S.

Ɓř3đČo#ŒħũýŶ6×3-#ãĈ"$

Kokpol, N. Nunthaboot, F. Tanaka, Phys. Chem. Chem. Phys.,X Łër6ĝ đČo#ýŶ6Çƈ"śĐ3ãĈ/

14, pp.2567-2578 (2012).

ÃÅĈ6ĝ đČoýŶ6ĚŦĨ"tĐ3ã

8ƗA. Nueangaudom, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S.

Ĉń 143đČo#ŒħýŶ6ÇĐ3ãĈ

Kokpol, N. Nunthaboot, N. Tanaka, S. Taniguchi, H.

ę¶X ŁÊŜërĈƖSAXSƗĊĩ4 3Chosrowjan, RSC Adv., 4, pp.54096-54108 (2014).

─ 47 ─

レーザー核融合液体壁炉チェンバー内の金属蒸気の澱みの可能性の研究
理論・シミュレーションチーム
古河裕之、中井光男 1
1

大阪大学レーザー科学研究所

１．はじめにアブレーションで生成される金属蒸気は、第一壁の高速点火レーザー核融合炉発電プラント「KOYO-fast」

表面からチェンバー内に向かって飛散していく際に、では、厚さ 3 mm から 5 mm 程度の液体リチウム鉛が第ほぼタイル面に垂直な方向に飛散する。チェンバー内

一壁に沿って滝状に流下する液体壁構造により、第一の第一壁近傍では、隣接する 2 つのタイルから飛散す壁を保護している 1-4)。液体壁は、核融合燃焼により生るプルーム同士は 15 °の角度で衝突する。2017 年度

じた X 線、 粒子及びデブリ粒子により、液体からは、実際のチェンバーのサイズを考慮し、DSMC 法を中性気体、部分電離プラズマへと相変化を伴いながら用いた金属蒸気同士の衝突のシミュレーションを行っ

アブレーションする。生成されたプルームがチェンバた。2018 年度は、考慮するタイルの枚数を 3 枚とし、ー中心付近で衝突すると、エアロゾル等が生じ、金属蒸飛散する金属蒸気同士の衝突のシミュレーションを、

気の排気、引いては核燃焼反応にとって大きな妨げとDSMC 法を用いて行った。「KOYO-fast」は、4 Hz 動

なる、ことが予想される。高速点火レーザー核融合炉発作で設計されており、アブレーションで生成される金電プラント「KOYO-fast」では、図 1 に示すように、第属蒸気が 250 ms 以内に排気されることが、極めて重一壁から飛散したプルームがチェンバー中心部に集中要である。特に、チェンバー中心付近で金属蒸気が澱むしないように、第一壁を角度を付けたタイル構造にしことは、レーザー伝搬、ターゲット供給の観点からも、ている 4)。

避けなければならない。

２．DSMC 法によるプルーム同士の衝突の評価 5)
チェンバー内の金属蒸気同士の衝突に関し、DSMC法を用いてシミュレーションを行った。中性粒子からなる希薄分子気体の解析においては、Boltzmann 方程核燃焼式を解く必要がある。気体を構成する各々の分子について、並進運動と分子間衝突を直接追跡する DSMC
（Direct Simulation Monte Carlo, 直接モンテカルロ）法

デブリ粒子

プルーム
x

は、汎用性が高く、希薄分子気体の解析において非常に有用な手法の一つである。チェンバー内の24 枚のタイ
ルの内、3 枚のタイルに着目しシミュレーションを行y
30 degreeった。液体壁がアブレーションし、金属蒸気が 5 cm 飛

Tile
6m

散した時点を初期位置とした。初期に粒子が存在している領域の圧力は、0.05 Torr とした。図 2 は、金属蒸気の初期位置である。
① の粒子の初期速度は、次式で与えた。

図 1 KOYO-fast の液体壁チェンバー第一壁のタ

vx  t 0 
0.1v0  0.9 v0  x  xmin  /  5 cm 

イル構造の概念図

─ 48 ─

(1)

v y 
t 0
 0

(2)

300

②の粒子の初期速度は、①の粒子の初期速度を 15 °200

回転して与えた。③の粒子の初期速度は、①の粒子の初期速度を 30°回転して与えた。v0 = 10 km / s とした。

端の値を表す。

y (cm)(1) 式中の xmin は、図 2 中の①の粒子の初期位置の左

100

-100

300

y (cm)

0

-300
-300

①

-200

-100

②

0

x (cm)

100

200

300

100

200

300

300

③

200

-200

100

-200

図2

-100

0

x (cm)

100

200

300

y (cm)

-100

-300
-300

1.213 ms

-200

200
100

0

0

-100

金属蒸気の初期位置

2.287 ms-200

３．シミュレーション結果

-300
-300

図 3 は、粒子位置の時間発展である。金属蒸気同士が衝突し、軌道を変えながら対向壁に向かって進行

-200

-100

0

図3

粒子位置の時間発展x (cm)

し、最終的には対向壁に吸着される様子が表れている。2.287 ミリ秒時には、飛散していた金属蒸気は、

参考文献

ほぼ全て液体壁に再付着している。チェンバーの中心

1) H. Furukawa、T. Norimatsu : Plasma and Fusion Research、11近傍、半径 50 cm 程度の範囲では、金属蒸気が澱む

1405084-1 - 1405084-5, 2016.

危険性は低い、ことを示唆する結果が得られた。

2) 古河裕之, 乗松孝好: プラズマ核融合学会誌, 87, 51-55,
2011.

４．結言と今後の課題

3) 古河裕之, 城﨑知至, 神前康次, 乗松孝好, 疇地宏, 西川雅

チェンバー内の金属蒸気同士の衝突に関し、DSMC

弘, 田中和夫, 三間圀興, 苫米地顕, 山中千代衛:

法を用いてシミュレーションを行った。チェンバー内の 24 枚のタイルの内、3 枚のタイルに着目しシミュレ

プラズマ核融合学会誌, 82, 617-627, 2006.
4) 神前康次, 乗松孝好, 古河裕之, 林巧, 惣万芳人, 西川正史,

ーションを行った。液体壁がアブレーションし、金属蒸気が 5 cm 飛散した時点を初期位置とした。チェンバ

苫米地顕: プラズマ核融合学会誌, 83, 19-27, 2007.
5)

Shinji Kawamoto, and Kenichi Nanbu ;ーの中心近傍、半径 50 cm 程度の範囲では、金属蒸気IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, 27 (1999)

が澱む危険性は低い、ことを示唆する結果が得られた。

1389-1397.

─ 49 ─

小型・高効率ＵＶレーザー光源開発
レーザー技術開発室
本越伸二、藤本靖 1、中原正盛 2、佐藤毅 2、Paul Binun2
1

千葉工業大学2（株）金門光波る。固体レーザーの発振波長は近赤外域（～1 m）に

１．はじめに1960 年レーザーの発明 1)以来、様々なレーザー光が提存在するため、紫外光を得るには、2 回の波長変換過程

案され、実用化されている。その形態は、固体、液体、を経る必要がある。非線形光学結晶を用いた高調波発生

気体と様々で、光の波長も X 線から赤外まで幅広く、では、基本波レーザーの特性、結晶の品質、温度、角度

用途に応じて選択することが可能である。

などが、変換効率や出力の安定性などに大きく影響を及

紫外（UV）領域に注目すると、半導体露光に使用さぼす。言い換えると、これらの僅かな変化がそのまま紫れる ArF、
KrF エキシマレーザー（波長 193 nm、248 nm）、

外光出力に影響を及ぼすことになり、装置の安定性を下表面加工や色素レーザーの励起源に使用する XeCl エキ

げる要因となる。

シマレーザー（308 nm）、非線形光学結晶による波長変Fujimoto らは、これまでに青色半導体レーザー励起に換を使用した固体レーザー（266 nm、355 nm）など、平

よる希土類ドープ耐候性フッ化物ファイバレーザーの均出力数 W~kW クラスのパルスレーザーが様々な応用開発を行ってきた 2)。2012 年には波長 638 nm、出力 1.2

分野で利用されている。一方、連続波（CW）レーザー

W のレーザー発振に成功している 3)。このフッ化物ファ

では、半導体レーザー（LD、波長 375nm）の進展が著

イバからのレーザー光（638 nm）であれば、1 回の波長

しく、単一モードで数 10 mW、マルチモードで 100 mW

変換過程で紫外光（319 nm）が得られる。結果、装置のが可能となっている。

小型化、安定化、そして高効率の UV レーザー光源が期

表 1 に、紫外光を発生する CW 固体レーザー、半導待できる。

体レーザー装置の市販品の一例を示す。ここでは、微小

我々は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

領域に集光できる紫外光の特徴を活かすために、ビーム

プロジェクト「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」

品質 M2 値の良い製品だけをまとめた。半導体レーザー（2016 年～2021 年 3 月）に参画し、「革新的小型・高は出力が向上したとは言え、波長は 375 nm が限度であ

効率 UV レーザー光源の開発」を進めている。本報告で

表 1 市販されている CW 紫外光固体レーザー装置
品名

波長
[nm]

出力
[mW]

サイズ
[mm3]

重量
[kg]

品質
M2

特記

Azure

266

230

367x592x177

48

1.3

4 倍高調波Genesis CX-STM

355

250

281x156x85―

1.2

3 倍高調波

スペクトラフィジックス

Excelsior 375

375

70

98x28x36.5

―

1.5

LD

金門光波

KAL-50C-A

37550

175x46x62

0.55

1.2

LD

サイバーレーザー

ALTAIR 266

266

500

―

―

1.3

4 倍高調波オキサイド

Frequad-HP

266

1000

240x840x160―

1.2

4 倍高調波

メーカー

コヒーレント─ 50 ─

1）高出力用フッ化物ファイバの開発

は、昨年度までの成果をまとめ、今後の展開を紹介する。

2）励起用 LD 光の高密度集光光学系の開発
２．耐候性 Pr 添加フッ化物ガラス

3）第 2 高調波発生用高効率外部共振器開発

フッ化物ガラスは、酸化物ガラスでは蛍光を発しない

4）高耐力・低損失コーティング膜の開発

希土類元素でも発光が得られることから蛍光母材としなどである。当研究所は課題 4）を担当し、フッ化物フての優位性がしばしば指摘されてきた。しかし、BeF24)

ァイバ端面のコーティングならびに外部共振器用ミラ

や ZBLAN（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF）といったフッ化

ーのコーティング技術開発を進めている。

物ガラスは、著しい潮解性と、BeF2 においてはその毒性によって使用範囲が制限されてきた。1991 年、AlF3

３．高耐力共振器ミラーの開発をベースにしたフッ化物ガラスが開発された 5,6)。この

図 1 の Pr 添加フッ化物ガラスの吸収および蛍光スペ

ガラスでは大気中の OH 基と反応しやすい ZrF4 を使用

クトルから、波長 442 nm で励起し、波長 638 nm のレーしないため、表面の散乱やクラックを抑制できることがザー発振を得るためには、以下のような共振器ミラーが報告されている 5)。

要求される。

図 1 に Pr イオン添加の耐候性フッ化物ガラス（Pr 濃①波長 442 nm に対して吸収、反射損失が少ない。

度 3000 ppm）の吸収・蛍光スペクトルを示す。波長 442②波長 638 nm に対して高反射率を有する。

nm に大きな吸収ピークがあり、蛍光スペクトルはガラ③波長 638 nm 以外の強い蛍光波長に対して反射率がス特有の不均一広がりのため、可視光のほぼ全領域に亘小さい。

っている。その量子効率は 80-90％と高い。

波長442 nmでは、
高屈折率材料は僅かに吸収をもつ。

NEDO プロジェクトでは、蛍光スペクトルの中で比較

そのため、比較的吸収の少ない材料を選択する必要があ

的強い蛍光強度を持つ波長 638 nm でレーザー発振させ、る。また、励起光を高密度に集光し、フッ化物ガラスをその高調波変換により 319 nm の UV レーザー光を得る

励起する必要があるため、局所的な温度上昇による応力、ことを試みている。この波長は、He-Cd レーザー（波長損傷にも注意が必要である。

322 nm）と近いため、既存の光学部品をそのまま使用す

図 1 に見られるように、
フッ化物ガラスは波長 638 nm

ることができ、He-Cd レーザー装置の置き換えが期待で以外に、490 nm、523 nm、610 nm、720 nm にも強い蛍きる。

光を持つ。そのため、波長 523 nm などでも容易にレー

プロジェクトではUV出力2 Wを目標に開発を進めてザー発振に至る 7)。高効率で波長 638 nm のレーザー発おり、主要な課題は

振を得るためには、他の波長での発振を抑制する必要がある。特に、波長 610 nm の蛍光は、目標である 638 nmに近く、その蛍光強度は強い。波長 610 nm の光が共振器内で往復することが無いように、共振器ミラーの反射率を十分に下げることが要求される。
図 2 に設計した共振器ミラーの分光透過特性を示す。
低屈折率材料にはSiO2、高屈折率材料にはTiO2、
Ta2O5、
ZrO2、Al2O3 を採用し、31 層の積層で設計した。励起波
長 442 nm では透過率 99.8%以上、発振波長 638 nm では

図 1 Pr 添加フッ化物ガラスの吸収・蛍光スペクトル

透過率 0.4%（反射率 99.6%）が得られる。になった。
発振を抑制したい波長610 nm に対しては90%以上の透─ 51 ─

100

80

励起
442 nm60
40
発振
638 nm20

図 3 Pr 添加ファイバレーザーの入出力特性

0
400

450

500

550

600

650

700

750

波 長 [nm]

これはファイバ全体の温度が上昇したためと考えられ
図 2 励起側ファイバ端面コーティングの分光特性る。今後、高出力化に向けて、冷却効率の改善等が必

（設計値）

要である。

過率が得られ、638 nm とは 10 倍以上のコントラスト比4.2 第二高調波（319 nm）出力になった。

可視光から紫外光を発生するための非線形光学結晶には、市販の KDP、BBO、LBO、CLBO などが候補と

４．発振実験

なる。CW レーザー光は、光強度が低いため、高効率変4.1 基本波（638 nm）のレーザー出力換をするためには、大きな非線形光学定数、長い結晶長

レーザー媒質には、ファイバ化した Pr 添加フッ化物が必要になる。本研究では、比較的非線形光学定数が大ガラスを用いた。ファイバはダブルクラッド構造であり、きいBBO結晶（Type-I: 位相整合角37.65°）
を選択した。

コア径 8.2 µm、内クラッド径 25.5 µm である。また、PrBBO 結晶に入射する基本波レーザー強度を上げるため

濃度は 3000 ppm、ファイバ長 100 mm であった。コア

に、外部共振器を構成し、BBO 結晶は共振器内部に設と内クラッドの NA は 0.04 であり、その値から算出さ置、調整した。

れる V-number（1.61）よりシングルモードで発振可能で

図4に励起半導体レーザーパワーに対する高調波（319あると判断された。ファイバの片端には図 2 で示したミnm）の出力特性を示す。この実験では、励起パワーをラーをコートし、もう一方には反射防止コートを施し、500

励起には、波長 442 nm の半導体レーザー（出力 3.5W）
2 台を使用した。偏波合成した励起光は、集光レンズを通してファイバの内クラッド 25.5 m 内に入射した。
図 3 に励起半導体レーザーパワーに対する基本波レーザー（638 nm）の出力特性を示す。レーザー発振し
きい値 300 mW から励起半導体レーザーパワーの増加

高調波出力パワー [mW]

外部出力ミラーと結合するように構成した。ファイバのに従い、基本波出力も増加し、最大励起入力 6.6 W に対して基本波レーザー出力 2.01 W を得た。この時のスロープ効率は 36.2%であった。励起パワーが 6.0 W を
超えた領域で、レーザー出力が飽和する傾向が現れた。
─ 52 ─

400
300
200
100
0

0

2000

4000

6000

8000

励起半導体レーザーパワー [mW]

図 4 BBO 結晶を用いた高調波出力特性

4.0 W までに制限したが、UV 出力 413 mW を得た。図
3 の基本波レーザー出力と比較すると、BBO 結晶の変換効率は 30%を超え、励起半導体レーザーからの入出力効率も 10%を超えている。
UV 出力 413 W でも出力飽和は見られないので、更に励起パワーを増加することにより、0.5 W の UV 光出力達成が期待できる。
５．プロトタイプ機の製作
実験室では、上述したように、基本波（638 nm）出力
2.0 W、高調波（319 nm）出力 0.4 W を達成し、UV 出
力 0.5 W の達成も可能であることが分かった。これら実図 5 UV ファイバレーザー装置プロトタイプ（波長験室での開発研究と並行して、製品化の開発も進めてい319 nm、出力 100 mW）

る。図 5 に製品化プロトタイプ機の外観を示す。プロトタイプ機では、波長 319 nm で 100 mW を、長時間連続して、出力できることを目指している。
現在、
出力特性、
安定性、耐環境性などのデータを取得中で、2019 年度
出荷を目指している。今後、ユーザーからの評価を下に

参考文献
1）

T.H.Maiman、 Nature 187、 493 (1960).

2）

Y. Fujimoto、 J. Nakanishi、 T. Yamada、 O. Ishii and M.
Yamazaki: Prog. Quantum Electron. 37 (2013) 185.

して、更なる高出力化、高性能化を行い、実用化開発を3）展開していく予定である。

J. Nakanishi、 T. Yamada、 Y. Fujimoto、 O. Ishii and M.
Yamazaki: Proc. 、Conference on Lasers andElectro-Optics: 2012、 CM2N.4.

６．まとめ
UV レーザー光源は、良好な集光特性、高い光子エネ

4）(1926) 127.

ルギー特性を利用して、半導体露光、微細加工、アニー
リング、分光計測など、様々な分野で広い応用が期待さ5）れている。同時に、高出力化、高効率化、小型化、高品質化など、レーザーの性能向上に対する要求も大きい。

T. Iqbal、 M. R. Shahriari、 G. Merberg and G. H. Sigel: J.
Mater. Res. 6 (1991) 401.

6）

本研究で開発中の UV レーザー光源は、小型で高効率動作が可能であることが実証され、さらに高出力化へ可能

V. M. Goldschmidt: Skrifter Norske Vid. Akad. (Oslo) 8

Y. Wang、 N. Sawanobori and S. Nagahama: J. NonꞏCryst.
Solids 128 (1991) 322.

7）

性も高い。
製品化をめざした開発を進める一方で、今後、高出力化に向けた開発や応用分野の開拓展開も合わせて行う予定である。

謝辞
本研究は、NEDO「高輝度・効率次世代レーザー技術開発」プロジェクトの委託を受けて行われた。
フッ化物ガラスファイバの開発、供給をして頂いた株
式会社住田光学ガラス様に感謝の意を表します。

─ 53 ─

J. Nakanishi、 Y. Horiuchi、 T. Yamada、 O. Ishii、 M.
Yamazaki、 M. Yoshida and Y. Fujimoto: Opt. Lett. 36(2011) 1836.

発 表 論 文 リ ス ト

発表論文リスト○レーザーエネルギー研究チーム
D. Li , T. N. K. Phan, K. Kato, M. Nakajima, M. R. Asakawa, M. Hashida , M. Tani , W. Liu ,著
者
Y. Wei,
題
目 Development of Terahertz Radiation Source with Slit-Array Structure
論文誌名 IEEE Xplore, DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2018.8510392
K. Mori, M. Hashida, T. Nagashima, D. Li, K. Teramoto, Y. Nakamiya, S. Inoue,
著者
and S. Sakabe
題
目 Increased energy of THz waves from a cluster plasma by optimizing laser pulse duration
論文誌名 AIP Advances 9, 015134 (2019)
S. Fang, J. Xu, X. Jiang, X. Lei, P. Yin, Q. Yang, T. Guo, G. Wu, Q. Li, C. Ding, R. Yang,
著
者
G. Zhao, H. Yin, L. Yue, D. Li, W. Wang, Y. Wei
題目 0.65 THz Sheet Beam Traveling-wave Tube Based upon Truncated Sine Waveguide
論文誌名 IEEE Xplore, DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2018.8510521
著者 C. Ding, Y. Wei, Q. Li, X. Lei, S. Fang, G. Wu, R. Yang, J. Xu, W. Wang, Y. Gong, D. Li
題
目 3-D printed Ka-band sine waveguide slow-wave structures
2018 IEEE International Vacuum Electronics Conference proceedings、DOI:
論文誌名
10.1109/IVEC.2018.8391564
著
者 G. Wu, G. Wu, Y. Wei, Q. Li, X. Lei, C. Ding, G. Guo, X. Niu, L. Yue, Y. Gong, D. Li
題
目 Design of a cascade high-power source with high efficiency
2018 IEEE International Vacuum Electronics Conference proceeding, DOI:
論文誌名
10.1109/IVEC.2018.8391538
著
者 P. Yin, J. Xu, S. Fang, N. Shi, G. Zhao, W. Wang, H. Yin, L. Yue, Y. Wei, D. Li, L. Zhang
題
目 0.22THz Ridged Sine Waveguide BWO and Sheet Beam Electron Optical System
論文誌名 IEEE Xplore, DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2018.8509851
D. Li, M. Nakajima, M. Tani, J. Yang, H. Kitahara, M. Hashida, M. Asakawa, W. Liu,
著
者
Y. Wei & Z. Yang
題
目 Terahertz Radiation from Combined Metallic Slit Arrays
論文誌名 Scientific Reports, 9, 6804, (2019)著者 李大治、本越伸二
題目 テラヘルツ波による絶縁材料欠陥検出研究
論文誌名 電気評論、103巻、7号、pp.19、（2018）著者 李大治、本越伸二
題目 テラヘルツ波によるポリマー碍管内部欠陥検出研究
論文誌名 電気材料技術雑誌、27巻、1号、pp.5、（2018）○レーザープロセス研究チーム
M. Fujita, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, D. Li, S. Motokoshi, Y. Izawa, S. Nishikata,著
者
T. Morioka, K. Hamamoto, H. Ikebuchi, Y. Ohtani, T. Kaneko, H. Daigo
題
目 Zero-phonon line pumped Yb:YAG TRAM laser oscillator with direct jet impingement coolingProc. SPIE 10896, Solid State Lasers XXVIII: Technology and Devices, 108961Z (7 March
論文誌名2019),Vol. 10896,1 - 6,（2019）著
者 H. Chosrowjan, S. Taniguchi, H. Yoshida, N. Miyanaga
題目 Lasing Characteristics of Resonators with Retro-Reflective Elements
論文誌名 IEEE Xplore Digital Library,DOI:10.1109/LO.2018.8435216,73-74,（2018）─ 57 ─

谷口誠治、ハイクコスロービアン、李大治、藤田雅之、井澤靖和、西方伸吾、森岡朋也、
濱本浩一、池淵博、大谷雄一、金子毅、醍醐浩之
題目 ゼロフォノンライン励起Yb: YAG TRAM レーザーの出力特性
論文誌名 レーザー学会第527回研究会報告、No. RTM-18-59、29-34、（2018）
著
者 H. Chosrowjan, S. Taniguchi, H. Yoshida, N.Miyanaga
Polarization and Laser Properties of Resonators with Corner-Cube and Axicon
題目Retro-Reflectors
論文誌名 OPIC2018, ALPS'18, The 7th Advanced Lasers and Photon Sources, ALPSp-16, 1, （2018）
著
者 T. Somekawa, S. Kurahashi, J. Kawanaka, and M. Fujita
題目 Development of the Marine Raman Lidar System
論文誌名 SPIE Remote sensing, 10791, 10791-4, （2018）
著
者 T. Somekawa, M. Fujita
Raman spectroscopy measurement of CH4 gas and CH4 dissolved in water for laser remote題目sensing in water
論文誌名 EPJ Web of Conference, Vol. 176, 01021, （2018）
著
者 K. Fujioka, X. Guo, M. Maruyama, J. Kawanaka, N. Miyanaga
題
目 Room-temperature bonding with post-heat treatment for composite Yb:YAG ceramic lasers
論文誌名 Optical Materials, 91, 344-348 (2019); doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.032
著者 藤田雅之、染川智弘、宮永憲明、兒玉了祐
題
目 建築部材等のレーザー加工
論文誌名 レーザー学会第527回研究会報告、RTM-18-56、pp.13-17、（2018）
著者 藤田雅之題目 短パルスレーザーを用いた炭素繊維強化複合材の微細加工技術の開発
論文誌名 天田財団機関誌「FORM TECH REVIEW 2017」、27巻、pp.89-94、（2018）
著者○レーザー計測研究チーム
保田尚俊、御崎哲一、島田義則、江本茂夫、金田道寛、武岡学、田中幸司、石田信孝、
著者
高山宜久、曽我寿孝
題
目 レーザーを用いたコンクリート構造物の非接触健全性評価
論文誌名 土木学会論文集F1（トンネル工学）、74(1)、pp.58-69、（2018）
長谷川登、岡田大、近藤修司、三上勝大、北村俊幸、 錦野将元、河内哲哉、倉橋慎理、
著
者
島田義則
題
目 レーザー打音法の道路トンネルにおける実証試験について
論文誌名 レーザー学会第523回研究会報告、18巻，21号、pp.19-22、（2018）
著者 倉橋慎理、オレグコチャエフ、島田義則
題目 レーザー超音波リモートセンシングによる構造物検査
論文誌名 超音波TECHNO、vol.30, No.6、pp.55、（2018）著
者 島田義則、オレグコチャエフ、倉橋慎理、保田尚俊、御崎哲一、高山宜久、曽我寿孝
題目 レーザによるコンクリート剥離検査技術開発
論文誌名 電気学会 論文誌C、Vol.139, No.2、pp.131-136、（2019）著
者 島田義則題
目 レーザーを用いたコンクリート欠陥検出の技術開発
論文誌名 検査技術、2019年1月、pp.49-52、（2019）─ 58 ─

○レーザーバイオ化学研究チーム
A. Nueangaudom, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S. Kokpol, N. Nunthaboot, F. Tanaka,
著
者
S. Taniguchi, H. Chosrowjan
Comparative Study on the Mechanism of Photoinduced Electron Transfer from Tryptophan
題目
168 to Excited Flavin in T169S and Wild-type Pyranose 2‐Oxidase
論文誌名 ACS Omega, 4, pp.593-605, （2019）○レーザー技術開発室
Y. Honda, S. Motokoshi, T. Jitsuno, K. Fujioka, M. Nakatsuka, M. Yoshida, T. Yamada,著
者
J. Kawanaka, N. Miyanaga
題目 Temperature dependent fluorescence decay and energy transfer in Nd/Cr:YAG ceramics
論文誌名 Optics materials, Vol.90, pp.215-219, （2019）著
者 本越伸二題
目 石英ガラスのレーザー損傷
論文誌名 プラズマ・核融合学会誌、94巻、10号、pp.501-504、（2018）─ 59 ─

国際学会発表リスト○レーザーエネルギー研究チーム
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名

D. Li, K. Sugimoto, S. Miyake, M. R. Asakawa, K. Kato, T. N. K. Phan, M. Nakajima,
M. Hashida,
Research on Terahertz Radiation from Femtosecond Electron Bunches
The 11th Asia-Pacific Laser Symposium，28-31 May, 2018,Xi'an,China
D. Li, T. N. K. Phan, K. Kato, M. Nakajima, M. R. Asakawa, M. Hashida, M. Tani, W. Liu,
andDevelopment of Terahertz Radiation Source with Slit-Array Structure
43rd International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz waves，9-14 September,
2018,○レーザープロセス研究チーム
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

H. Chosrowjan, S. Taniguchi, H. Yoshida, N. Miyanaga
Polarization and Laser Properties of Resonators with Corner-Cube and Axicon Retro-Reflectors
OPIC2018, ALPS'18, The 7th Advanced Lasers and Photon Sources International Conference，
23-27,April, 2018,Yokohama,Japan
H. Chosrowjan, S. Taniguchi, H. Yoshida, N. Miyanaga
Lasing Characteristics of Resonators with Retro-Reflective Elements
18th International Conference Laser Optics 2018 (ICLO2018)，4 - 8 June, 2018,St. Petersburg,
Russian Federation
M. Fujita, M. Yoshida, N. Miyanaga
Formation of laser-induced periodic surface structure on transparent materials with metal
coating by femtosecond lasers
19th International Symposium on LASER PRECISION MICROFABRICATION，
25-28 June 2018,Edinburgh,UK
T. Somekawa, S. Kurahashi, M. Fujita, J. Kawanaka
Development of the Marine Raman Lidar System
SPIE Remote Sensing，10-13 September 2018,Berlin,Germany
M. Fujita, T. Somekawa, N. Miyanaga, R. Kodama
Cutting and Welding of Construction Materials
37th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics，14-18 October
2018,Orland,USA
M. Fujita, S. Taniguchi, H. Chosrowjan, D. Li, S. Motokoshi, Y.Izawa, S. Nishikata,
T. Morioka, K. Hamamoto, H. Ikebuchi, Y. Ohtani, T.Kaneko, H. Daigo
Zero-phonon line pumped Yb:YAG TRAM laser oscillator with direct jet impingement cooling
SPIE. Photonics West LASE，3-7 February 2019,San Francisco,USA○レーザー計測研究チーム
著

者

題

目

会議名

M. Nishikino, N. Hasegawa, T. Kitamura, H. Okada, S. Kondo, K. Mikami, S. Kurahashi,
Y. Shimada, T. Kawachi
Demonstration of High-speed Defect Inspection Technique for Simulated Tunnel using Laser
Hammering Method
OPIC2018 LSSE2018，2018, April 24-27,Yokohama,Japan─ 60 ─

○バイオ化学研究チーム
著

者

題

目

会議名

T. Saiki, R. Ishi, S. Taniguchi
Recyclable Air Fuel Cells Using Sintered Nanopastes with reduced Zn nanoparticles preparedby Pulse Laser Ablation in Liquids
Laser Solutions for Space and the Earth 2018，24-27 April, 2018,Yokohama,Japan○レーザー技術開発室
著

者

S. Motokoshi, Y.Takemura, H.Ogawa, M.Yoshimura, K.Fujioka, T.Jitsuno, M.Yoshida

題目

Study of laser-induced damage and defect by multiple pulses irradiation for silica glasses

会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題 目
会議名
著 者
題 目
会議名

Pacific-rim Laser Damage 2018，25-26 April 2018,Yokohama,Japan
K.Yoshida, T.Okamoto, T.Mikami, H.Yoshida, J.Kawanaka, N.Miyanaga, S.Motokoshi,
T.Jitsuno
Development of adaptively mixed thin film (AFTF) deposited by a dielectric material anda plastic
Laser damage 2018，23-26 Sep., 2018,Boulder,USA
T. Jitsuno, H. Yoshida, J. Kawanaka, N. Miyanaga, S. Motokoshi, T. Okamoto, T. Mikami,
K. YoshidaHigh-reflectance mirror using a porous MgF2 coating
Laser damage 2018，23-26 Sep., 2018,Boulder,USA
S. Motokoshi, K. Fujioka, T. Jitsuno, M. Yoshimura
A study of laser-induced damage and color center formation by multiple laser-pulses irradiation
Laser Application Conference，7-8 November 2018,Boston,US─ 61 ─

国内学会発表リスト○レーザーエネルギー研究チーム
著 者 李大治、中嶋誠、楊金峰、谷正彦
題 目 高効率テラヘルツ電磁波放射体研究
会議名 応用物理学会秋季学術講演会、2018年9月20日、名古屋国際会議場
著 者 李大治、Phan ThanhNhat Khoa、加藤康作、中嶋誠、北原英明、谷正彦、 楊金峰
題 目 新型テラヘルツ電磁放射研究
会議名 GHz～ＴHz帯発振源の開発と応用研究会、2019年3月4日、核融合科学研究所○レーザープロセス研究チーム
著 者 藤田雅之
題 目 短パルスレーザーを用いた炭素繊維強化複合材の微細加工技術の開発
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

天田財団第二回レーザプロセッシング助成研究成果発表会、2018年4月25日、パシフィコ横浜アネックスホール
藤田雅之
短パルスレーザーを用いた炭素繊維強化複合材の微細加工技術開発
千葉県複合材料技術研究会特別講演会、2018年7月30日、千葉県産業支援技術研究所天台庁舎
藤田雅之
短パルスレーザーを用いた炭素繊維複合材料の微細加工
JPC関西5周年記念講演会、2018年7月31日、大阪大学レーザー科学研究所
藤田雅之
パルスレーザー加工の基礎、シミュレーションで見るパルスレーザー加工、CFRPのレーザー加工事例
レーザ加工の基礎と最適加工技術および量産における品質保証への応用セミナー、2018年8月29日、日本テクノセンター研修室
染川智弘、倉橋慎理、河仲準二、藤田雅之
海上ラマンライダー技術の開発
第36回レーザセンシングシンポジウム、2018年9月7日、茨城県立県民文化センター
櫻井俊光、染川智弘、松下拓樹、高橋丞二、井澤靖和、松澤勝
超短パルスレーザーによる道路構造物に利用される金属の撥水性付与技術に関する研究
第79回応用物理学会秋季学術講演会、2018年9月18日、名古屋国際会議場
染川智弘、倉橋慎理、河仲準二、藤田雅之
ラマンライダーによる海中モニタリング技術の開発
第79回応用物理学会秋季学術講演会、2018年9月19日、名古屋国際会議場
谷口誠治、ハイク コスロービアン、李大治、本越伸二、藤田雅之、井澤靖和、西方伸吾、
森岡朋也、濱本浩一、池淵博、大谷雄一、金子毅、井上直樹 、醍醐浩之
ゼロフォノンライン励起Yb:YAG TRAMレーザーの出力特性
第79回応用物理学会秋季学術講演会、2018年9月19日、名古屋国際会議場
ハイク コスロービアン、谷口誠治、宮永憲明
コーナキューブとアキシコンレトロリフレクター共振器のレーザー特性
第79回応用物理学会秋季学術講演会、2018年9月20日、名古屋国際会議場

題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者 藤田雅之
題 目 ロボットフォトニクスによる産業創出
会議名 第79回応用物理学会秋季学術講演会、2018年9月20日、名古屋国際会議場

─ 62 ─

著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目

藤田雅之
社会を変えるパワーレーザー 〜レーザー加工からインフラ診断まで〜
パワーレーザー キックオフシンポジウム、2018年11月1日、銀杏会館
藤田雅之、染川智弘、宮永憲明、兒玉了祐
建築部材等のレーザー加工
レーザー学会第527回研究会、2018年12月11日、高知市文化プラザかるぽーと

谷口誠治、ハイクコスロービアン、本越伸二、李大治、藤田雅之、井澤靖和
ゼロフォノンライン励起Yｂ:YAG TRAMレーザーの出力特性
レーザー学会第527回研究会「新レーザー技術」、2018年12月11日、会議名
高知市文化プラザかるぽーと
著 者 染川智弘、倉橋慎理、藤田雅之、河仲準二
題 目 ラマンライダーによる海上観測
会議名 レーザー学会学術講演会第39回年次大会、2019年1月13日、東海大学高輪キャンパス
著 者 染川智弘、倉橋慎理、藤田雅之、河仲準二
題 目 ラマンライダーによる海上観測
会議名 第44回リモートセンシングシンポジウム、2019年3月8日、千葉工業大学

著 者 染川智弘、ハイクコスロービアン、谷口誠治、李大治
題 目 共鳴ラマンライダーに向けた深紫外波長可変光源の評価
会議名 第66回応用物理学会春季学術講演会、2019年3月9日、東京工業大学大岡山キャンパス
谷口誠治、ハイク コスロービアン、李大治、本越伸二、藤田雅之、井澤靖和、西方伸吾、

著 者 森岡朋也、濱本浩一、池淵博、大谷雄一、金子毅、醍醐浩之
題 目 水衝突噴流冷却を用いたYb:YAG TRAMレーザーの出力特性
会議名 第66回応用物理学会春季学術講演会、2019年3月9日、東京工業大学大岡山キャンパス○レーザー計測研究チーム
著 者 長谷川登、岡田大、近藤修司、三上勝大、北村俊幸、錦野将元、倉橋慎理、島田義則
題 目 レーザー打音法の道路トンネルにおける実証試験について
会議名 レーザー学会第523回研究会 「レーザー応用」、2018年9月3日、ホテルグリーンピア南阿蘇著 者 島田義則
題 目 ロボットフォトニクスによるインフラ診断
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

光とレーザーの科学技術フェアー2018併設セミナー／光フォーラムサミット、2018年11月14日、科学技術館
北村俊幸、岡田大、近藤修司、倉橋慎理、三上勝大、長谷川登、島田義則、錦野将元
道路トンネル検査用レーザー打音装置の開発
レーザー学会学術講演会第39回年次大会、2019年1月12日、東海大学高輪キャンパス
倉橋慎理、北村俊幸、岡田大、三上勝大、近藤修司、長谷川登、錦野将元、河内哲哉、
島田義則
レーザーを用いたコンクリート構造物内部欠陥高速検査技術の開発
レーザー学会学術講演会第39回年次大会、2019年1月13日、東海大学高輪キャンパス
倉橋慎理、北村俊幸、岡田大、三上勝大、近藤修司、長谷川登、錦野将元、河内哲哉、
河中準二、島田義則
レーザーを用いたコンクリート構造物内部欠陥 検査手法の高速化と屋外検査装置の開発
平成31年電気学会全国大会、2019年3月14日、北海道科学大学
御崎哲一、保田尚俊、島田義則
トンネル覆工コンクリートにおけるレーザー計測データの傾向
土木学会全国大会、2018年8月31日、北海道大学

─ 63 ─

○レーザーバイオ化学研究チーム
著 者 松田晶平 、中島信昭、横山啓一、八ツ橋知幸、ハイク コスロービアン、谷口誠治、染川智弘
題 目 アルコール溶液中での多光子励起による Eu3+の光還元反応
会議名 2018年光化学討論会、2018年9月7日、関西学院大学上ヶ原キャンパス○理論・シミュレーションチーム
著 者 古河裕之、山中千博、近藤斎、杉浦繁貴
題 目 斜め磁場効果の導入、異方性を持つ電気伝導度の導入等の新しいシミュレーション
会議名 地震先行現象研究会、2018年12月24日、コンポン研究所
著 者 古河裕之、大道博行
題 目 レーザー加工時に発生するエアロゾルに関する理論的解析
会議名 原子力学会シンポジウム、2019年3月20日、茨城大学水戸キャンパス○レーザー技術開発室
著 者 小川遼、本越伸二、吉村政志、實野孝久、藤岡加奈、今西正幸、森勇介
題 目 繰返しパルス照射による石英ガラスのレーザー損傷の温度依存性
会議名 第79回応用物理学会秋季学術講演会、2018年9月19日、名古屋国際会議場
著 者 村上太朗、藤岡加奈、本越伸二、宮永憲明、山本和久
題 目 Cr3+/Nd3+/Yb3+:YAGセラミック粉体におけるエネルギー移乗過程の解析
会議名 第79回応用物理学会秋季学術講演会、2018年9月19日、名古屋国際会議場
著 者 本越伸二
題 目 高出力レーザー用光学薄膜の現状と今後の期待
会議名 光交流会オプトフォーラム、2018年10月17日、ココリサーチ本社
著 者 本越伸二
題 目 高出力レーザー用光学薄膜とレーザー損傷
会議名 第30回光学薄膜研究会、2018年11月16日、機械振興会館
著 者 本越伸二、藤岡加奈、吉村政志、實野孝久
題 目 高耐力光学薄膜とその応用
会議名 レーザー学会学術講演会第39回年次大会、2019年1月12日、東海大学高輪キャンパス

─ 64 ─

事 業 報 告 書

事

業

報

告

書

（平成 30 年度）
概況

レーザー技術総合研究所は、レーザー及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 30 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 30 年度の主な成果】
産業用レーザー開発プロジェクト研究においては、kW 級大出力固体レーザーの開発を進め、1kW を越える CW レーザー出力を実証したほか、高効率 UV レーザ
ー光源の開発や、レーザー光を遠距離伝送する際に受ける大気擾乱による影響を補償する技術の開発、ビーム結合技術に関する研究等を実施した。
コンクリート構造体の健全性評価技術開発プロジェクト研究では、トンネル覆工
コンクリートを対象として、構造物の経年劣化を高速で検査し、その健全性を評価する技術の開発を進め、道路トンネルにおける実証実験に成功した。
レーザーエネルギー分野においては、レーザーエネルギーの新しい応用分野の開拓を目指し、レーザーコンプトン散乱γ線の高度化や新型テラヘルツ光源の開発に関する研究等を実施した。
レーザープロセス分野では、短パルスレーザーを用いて金属・半導体等各種材料の加工特性に関する研究を進めるとともに、建築業界へのレーザー技術の普及を目指し、インフラ構造物へのレーザー加工適用性に関する研究を行った。また、レー
ザーによるナノ粒子生成技術の研究を進めた。
レーザー計測分野においては、インフラ構造物の健全性を診断する技術の高度化を進めるとともに、表面付着物や溶液の成分分析を目標としたレーザー誘起ブレー
クダウン分光法等を利用した高感度検出技術の研究や、レーザーリモートセンシン
グを利用した大気や海中環境の評価技術の研究等を実施した。
レーザーバイオ化学分野では、創薬、光機能素子などへの応用を目的とし、蛋白質・酵素の機能解明および薬剤による機能抑制に関する研究を進めた。

─ 67 ─

理論・シミュレーション分野においては、レーザーと物質の相互作用に関する理論的研究を幅広く行い、各研究チームが進める実験研究を支援した。また、地震先行現象が電離層に及ぼす効果をプラズマ物理の観点から評価した。
レーザー技術開発室においては、高出力レーザーとその応用システムに共通して利用される光学材料や光学部品の高性能化を目的に、光学素子の高耐力化研究や、光学素子メーカー等からの依頼によるレーザー損傷評価試験等を実施した。
普及啓発活動では、研究成果報告会の開催(7 月、11 月)、機関誌「レーザークロス」の発行(月刊)、ホームページおよびメール配信による情報発信、レーザーEXPO2018 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．役員等の異動（理事）年月日
H30.4.2
H30.5.2
H30.5.2
H30.5.2
H30.5.2
H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）H30.6.26（改選）（監事）
年月日
H30.5.2

就 任
野田 英智
安食 和英
各務 浩文
佐藤 俊志
外井 康宏
大石 富彦
井澤 靖和
中塚 正大
安食 和英
井上 哲也
上原 拓也
各務 浩文
北島 尚史
兒玉 了祐
佐藤 俊志
野田 英智
外井 康宏

退 任
小森 憲昭
宮口 仁一
山本 俊二
豊留 昭宏
中田 洋介

就 任
福田 浩之

退 任
小林 英生

─ 68 ─

（評議員）
年月日
H30.11.2

就 任
重松 昌行

退 任
礒嶋 茂樹

２．役員会等の開催(1)理事会
第 26 回理事会 （平成 30 年 4 月 18 日 みなし決議）
決議事項
・臨時の第 20 回評議員会の招集及び目的である事項
報告事項
・第 19 回評議員会の決議内容
第 27 回理事会 （平成 30 年 5 月 30 日 関電会館）
決議事項
・平成 29 年度事業報告書
・平成 29 年度財務諸表
・内閣府への定期報告
・定時評議員会の日時及び場所ならびに目的である事項
報告事項
・職務執行状況の報告
・第 20 回評議員会（臨時）の決議内容
第 28 回理事会 （平成 30 年 7 月 12 日 みなし決議）
決議事項
・理事長及び副理事長並びに常務理事の選定
報告事項
・第 21 回評議員会の決議内容
第 29 回理事会 （平成 30 年 10 月 23 日 みなし決議）
決議事項
・臨時の第 22 回評議員会の招集及び目的である事項
第 30 回理事会 （平成 31 年 3 月 11 日 関電会館）
決議事項
・平成 31 年度事業計画書
・平成 31 年度収支予算書及び資金調達及び設備投資の見込みについて
・臨時の第 23 回評議員会の招集及び目的である事項
報告事項
・職務執行状況の報告
・第 22 回評議員会（臨時）の決議内容(2)評議員会
第 19 回評議員会 （平成 30 年 4 月 2 日 みなし決議）
決議事項

─ 69 ─

・理事の選任
報告事項
・第 25 回理事会（臨時）の決議内容
第 20 回評議員会 （平成 30 年 5 月 2 日 みなし決議）
決議事項
・理事の選任・監事の選任
報告事項
・第 26 回理事会（臨時）の決議内容
第 21 回評議員会 （平成 30 年 6 月 22 日 関電会館）
決議事項
・平成 29 年度財務諸表の承認
・改選期に伴う理事の選任
報告事項
・第 27 回理事会の決議内容
・平成 29 年度事業報告
第 22 回評議員会 （平成 30 年 11 月 2 日 みなし決議）
決議事項
・評議員の選任
報告事項
・第 28 回理事会（臨時）の決議内容
・第 29 回理事会（臨時）の決議内容

３．賛助会員状況
平成 30 年度末会員数

40 社

４．学会および論文発表
学会発表
論文発表

52 件 （国内：36 件、国外：16 件）
37 件 （国内：26 件、国外：11 件）

５．特許等出願件数
平成 30 年度出願件数
平成 30 年度末特許保有件数

5件
28 件 （登録済：19 件、公開済：20 件）

─ 70 ─

82.5 口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】
産業用レーザーの高性能化のため、レーザーの大出力化、短波長化に取り組むとともに、波面制御に関する研究を開始した。
(1) 大出力レーザーの開発
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寄与するため、kW 級
大出力固体レーザーの開発を進め、1kW を超える CW レーザー出力を実証し、さらなる高出力化の検討を行った。
(2) 高効率 UV レーザー光源の開発
可視域で発振する Pr 添加フッ化物ファイバーレーザーを用いた高効率・高輝度
紫外光源の開発を進め、ファイバー端面コートの反射率の向上を図り、励起 LD の結合効率を改善することにより、中間目標値を達成した。
(3) 波面補償技術の開発
レーザー光を遠距離伝送する際に受ける大気擾乱による影響を補償するため、レーザー光の波面を制御する可変形鏡の開発に着手した。
(4) ビーム結合に関する研究
レーザーの大出力化に有効なビーム結合技術に関し、コーナーキューブや円錐レンズを用いた光共振器を構築し、出力レーザーの共振器内コヒーレントビーム結合効果を検証した。
［関連する主な受託・共同研究］
・ゼロフォノンライン励起新型高出力 Yb:YAG セラミックレーザ
・高速移動物体への遠距離・高強度光伝送のための予測的波面制御の開発
・アキシコンを用いた共振器内コヒーレントビーム結合技術開発と応用
・革新的小型・高効率UVレーザー光源の開発【コンクリート構造体の健全性評価技術開発プロジェクト研究】
トンネル覆工コンクリートを対象として、コンクリート構造体の経年劣化を高速で検査し、健全性を評価する技術開発を進めた。当研究所が開発したコンクリート

─ 71 ─

高速診断技術と量子科学技術研究開発機構が開発した高繰り返しレーザー技術を組
み合わせた車載型レーザー高速検査装置を構築し、大阪府や奈良市の道路トンネルにおいて実証実験を行った。浮き欠陥の高速検査に成功し、ハンマーによる打音検査との整合性もよいことを確認した。
［関連する主な受託・共同研究］
・レーザーを活用した高性能・非破壊劣化インフラ診断技術の研究開発【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、テラヘルツ波の光源開発と、電力設備等の診断や検査への適用に関する研究を行った。
(1) レーザーコンプトン散乱γ線の高度化と核変換に関する研究
コンプトン散乱γ線の高輝度化をめざして多重レーザービームの発生機構を検討した。エネルギー回収型加速器との組合せでγ線出力の改善が期待できる。
(2) テラヘルツ波の発生と応用に関する研究
金属周期構造とメタマテリアルの複合構造体からの電磁波放射機構を理論とシミュレーションにより解析し、高強度、単色テラヘルツ波発生の可能性を示した。複合構造体を試作し、電磁モードの検証実験や電子線駆動による放射実験を実施した。
［関連する主な受託・共同研究］
・テラヘルツ光源の開発研究
・複合放射構造体を用いた放射光発生の基礎研究【レーザープロセス研究チーム】
レーザー加工特性の評価試験、基礎技術開発を行うとともに、レーザープロセス
技術の高度化に資する基盤技術を開発した。
(1) 短パルスレーザー加工に関する研究
フェムト秒からナノ秒領域のパルスレーザーを用いて金属・半導体等各種材料の加工特性に関する研究を進めた。
(2) インフラ構造物へのレーザー加工適用性に関する研究
建築業界へのレーザー技術の普及を目指し、CW ファイバーレーザーを用いたインフラ構造物の切断、補修、表面クリーニングに関する研究を行った。
(3) レーザーによるナノ粒子生成技術の研究
高融点材料のナノ粒子作製成技術の研究を進めるとともに、核廃棄物処理を目的

─ 72 ─

としたアクチノイドイオンの液中レーザー還元技術の基礎研究を開始した。
［関連する主な受託・共同研究］
・インフラ構造物へのレーザー加工適用性の研究【レーザー計測研究チーム】
高架橋や建築物などのインフラ構造物の健全性評価や環境中の微量物質分析に適用できる新しいレーザー計測技術の開発研究を進めている。
(1) 非破壊診断技術の高度化研究
インフラ構造物の欠陥検出に利用するレーザー干渉計のロバスト化を進め、鉄道
トンネルなどの実環境で安定した振動計測が可能な装置を構築し、現場試験でその有効性を確認した。また、AI を取り入れた欠陥判定アルゴリズムの構築を進めた。
(2) レーザーを用いた成分分析技術の研究
表面付着物や溶液の成分分析を目標として、レーザー誘起ブレークダウン分光法、エリプソメトリーやラマン分光法を利用した高感度検出技術の基礎的・開発的研究を実施した。また、共鳴ラマン効果を用いた多種多様な有害物質の遠隔計測をめざして、深紫外波長可変光源を利用した共鳴ラマン効果の研究を開始した。
(3) レーザーを用いた環境評価技術の研究
レーザーリモートセンシングを利用して、大気中の有毒エアロゾル・ガスの遠隔検知や、海底開発における海中環境影響評価に向けた研究を実施するとともに、有毒ガスの漏えいモニタリングなどの産業応用に向けた研究を実施した。
［関連する主な受託・共同研究］
・レーザー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と実用化
・海底開発における環境影響評価に向けた水中ライダーシステムの開発
・レーザーを用いた水中油検出可能性の検討
・コンクリート構造物表面の遠隔塩分濃度評価手法の開発
・レーザーによる安定液の自動計測に関する研究
・フェムト秒レーザーを用いたレーザー誘起ブレークダウン分光法に関する研究
・共鳴ラマン効果による大気中微量有害物質遠隔計測技術の開発【レーザーバイオ化学研究チーム】
創薬、光機能素子などへの応用を目的とし、蛋白質・酵素の機能解明および薬剤による機能抑制に関する研究を進めた。
(1) 薬剤分子によるフラビン酵素の機能抑制に関する研究─ 73 ─

統合失調症などの要因となるヒト由来フラビン酵素について、薬剤分子によってその機能が抑制される過程を蛍光分光計測により調べた。
(2) 時間分解レーザー計測による光合成関連酵素の機能研究
光合成初期過程で触媒として働くフェレドキシン:NADP+ 還元酵素の機能が、環境条件で変化する様子を明らかとするため、時間分解蛍光計測により蛋白構造の観測を試みている。
［関連する主な受託・共同研究］
・ 超高速レーザー分光によるフェレドキシン:NADP還元酵素の構造予測と反応解
析【理論・シミュレーションチーム】
レーザーアブレーションやプラズマ生成など、レーザーと物質の相互作用に関する理論的研究を幅広く行い、各研究チームが進める実験研究を理論・シミュレーシ
ョン面から支援した。また、地震先行現象が電離層に及ぼす効果をプラズマ物理の観点から評価した。
(1) 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
アブレーション過程の中で取扱の困難であった相変化、応力、固体中の圧力伝搬、
残留応力生成などを含めて、大気中や水中の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を継続して進めている。コードの精緻化、多次元化を図り、レーザー加工性能の評価に適用して産業界に有用なデータを提供した。
(2) レーザー核融合炉設計に関する理論的研究
液体壁型レーザー核融合炉内部の金属蒸気の動的挙動を解析し、レーザー核融合
炉設計技術の研究進展に貢献した。
(3) 地震先行現象の物理メカニズム研究
地震の発生に先立って起こる地震先行現象が電離層に及ぼす効果をプラズマ物理の観点から検討し、巨大地震先行現象の解明をめざしている。
［関連する主な受託・共同研究］
・地震先行現象の物理メカニズム研究【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して利用される光学材料や光学部品の高性能化をめざして基礎技術開発を行っている。レーザー損傷評価試験を実施し、「高耐力光学素子研究会」を通じて、レーザー損傷しきい値のデータベース構築を─ 74 ─進めた。
(1) 光学素子の高耐力化研究
紫外レーザー光を石英ガラスに照射すると内部に欠陥が形成され、レーザー損傷の原因となるが、ガラスを加熱することにより、欠陥の生成に伴う透過率低下が抑制され、レーザー損傷しきい値が最大 1.3 倍向上することを確認した。
(2) レーザー損傷評価試験
光学素子メーカー等からの依頼により、18 件のレーザー損傷評価試験を行った。また、第 19 回、20 回レーザー損傷しきい値データベース化試験で、波長1064nm 用光学素子に対して、繰返し 5Hz パルスによる 100-on-1 試験を行った。

２．各種研究会活動
当研究所の研究開発活動を効率的・発展的に推進するため、関連各界の意見・情報収集の場として、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等で受け付けた、企業の技術開発・改良に対する支援、光学部品の損傷評価、微細加工、超音波診断など 70 件以上の相談・要望に対し、積極的に取り組んだ。
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。
学界との連携では、大阪大学レーザー科学研究所等との共同研究をはじめ、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。
産学官の連携では、企業、大学等と連携を図りながら、国や(国)新エネルギー・
産業技術総合開発機構(NEDO)などが主導する産学官連携プロジェクト研究に参画した。

４．関連団体との連携(国)日本原子力研究開発機構(JAEA)、(国)量子科学技術研究開発機構(QST）、(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)、(社)レーザー学会(LSJ)、(社)レーザープラ
ットホーム協議会(LPF）、(特非)光科学アライアンス、(特非)日本フォトニクス協議─ 75 ─

会関西支部(JPC 関西）など関連団体とも積極的に情報交流や人的交流を図り、これらの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｡

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、本年度は以下の採択課題に参加した。
(1) レーザー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と実用化((国)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 産学共同促進ス
テージ ハイリスク挑戦タイプ)(2) レーザーを活用した高性能・非破壊劣化インフラ診断技術の研究開発((国)科学技術振興機構 戦略的イノベーション創造プログラム SIP)
(3) 革新的小型・高効率 UV レーザー光源の開発((国)新エネルギー・産業技術総合開発機
構高輝度・高効率次世代レーザー技術開発)(4) ゼロフォノンライン励起新型高出力 Yb:YAG セラミックレーザ(安全保障技術研究推進制度)(5) 共鳴ラマン効果による大気中微量有害物質遠隔計測技術の開発(安全保障技術研究推進制度)(6) 高速移動物体への遠距離・高強度光伝送のための予測的波面制御の研究(安全保障技術研究推進制度)

６．受託研究展示会、ホームページなどを通じて受託研究の広報を行い、技術相談窓口等で依頼を受け、レーザー損傷評価試験も含め 33 件の受託研究を実施した。(公募によるものを除く。)

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を活用し、以下のような研究を実施した。
(1) グラフェン表面プラズモンを用いたテラヘルツ広帯域電磁波発振器と増幅器の研究開発(基盤研究 C)(2) 海底開発における環境影響評価に向けた水中レーザーリモートセンシング手法の開発(基盤研究 B)(3) アキシコンを用いた共振器内コヒーレントビーム結合技術開発と応用(基盤研─ 76 ─究 C)(4) 超高速レーザー分光によるフェレドキシン：NADP 還元酵素の構造予測と反応
解析(基盤研究 C）(5) インフラ構造物へのレーザー加工適用性の研究(天田財団 一般研究開発助成)(6) 高効率テラヘルツ光源を目指す新型電磁放射原理の実験検証(双葉電子記念財
団 自然科学研究助成）

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以下のとおり実施した。
１．人材の育成大学、関連研究機関、企業などとの共同研究や技術相談を通じ、若手研究員の技術指導を行うことによりレーザー技術に関する人材育成に貢献した。

２．研究成果報告会
大 阪 な ら び に 東 京 に て 、 平 成 29 年 度 の 研 究 成 果 を 報 告 す る 研 究 成 果 報 告 会(ILT2018)を開催した。
・ 7 月 20 日 千里ライフサイエンスセンター (大阪)・11 月 13 日 科学技術館 (東京)３．機関誌等の発行
機関誌「Laser Cross」の月 1 回の発行および電子メールでの情報配信により、当研究所の研究成果やレーザーに関する国内外の研究開発動向など、幅広い情報の提供を行った。

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、当研究所の広報活動に努めた。
・レーザーEXPO 20184 月 25 日～27 日 パシフィコ横浜 (神奈川)・第 3 回レーザー科学技術フェア 11 月 13 日～15 日 科学技術館（東京）─ 77 ─

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するとともに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 6 の国際会議へ参加した。
(1) OPIC 2018 (4 月，日本)(2) 18th International Conference on Laser Optics (ICLO 2018) (6 月，ロシア)(3) 19th International Symposium on Laser Precision Microfabrication 2018(6 月，英国)(4) SPIE Remote Sensing 2018（9 月，ドイツ）(5) Laser Applications Conference 2018（11 月，米国）(6) Photonics West LASE 2019（2 月，米国）

Ⅲ

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
レーザー核融合によるエネルギー開発に向けた有識者会議や産学共創を目指す委
員会活動などを支援した。

２．出版物の刊行
平成 29 年度の研究成果を年報にまとめ、刊行した。
・「ILT2018 年報」(2017～2018) (平成 30 年 7 月発行)

３．泰山賞の贈呈
7 月の成果報告会にて第 10 回泰山賞の表彰式を行い、レーザー科学技術の分野で近年著しい業績を上げた 2 名に進歩賞を贈呈した。

─ 78 ─

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

レーザープロセス研究チーム
副

所

所
長

員

事

事

会

長

副
理

常
務

事

理

長

事

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

井澤靖和

大塚茂樹

レーザー技術開発室

井上哲也
中塚正大

会

理

中塚正大

議

理

長
井澤靖和

評

レーザー計測研究チーム

総
務

局

部

長

長

ＩＦＥフォーラム

レーザー核融合技術振興会

─ 81 ─

井上哲也

事
務

総 務 部

構 成 員 一 覧
理事長
副理事長・所長
常務理事
常務理事･副所長

大塚茂樹
井澤靖和
井上哲也
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
主席研究員【レーザープロセス研究チーム】

主席研究員
藤田雅之
（チームリーダー）
上席研究員
染川智弘
副主任研究員ハイク コスロービアン(兼務)【レーザー計測研究チーム】

主任研究員（チームリーダー）
副主任研究員
副主任研究員
研究員

島田義則【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】

チームリーダー研究員

井澤靖和（兼務）
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

事務局長
総務部長
マネージャー
マネージャー
事務員

井上哲也（兼務）
井上哲也（兼務）
幸脇朱美
小野田理恵
藤田淑子

【総務部】

【特別研究員】

元日新電機株式会社
三重県立看護大学 名誉教授
元東京工業大学 准教授
大阪市立大学 特任教授
大阪大学 名誉教授
元日本原子力研究開発機構

井澤靖和（兼務）
藤田雅之（兼務）

谷口誠治（兼務）
オレグ コチャエフ
倉橋慎理

坂本高保

鈴木泰雄
田中文夫
糟谷紘一
中島信昭
宮永憲明
大道博之

（令和元年 7 月現在）
─ 82 ─

【共同研究員】
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
大阪大学レーザー科学研究所
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
大阪工業大学工学部
大阪産業大学工学部
大阪産業大学
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
京都大学大学院工学研究科
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部
近畿大学生物理工学部
摂南大学工学部
国立研究開発法人土木研究所 寒地土木研究所
千葉大学環境リモートセンシング研究センター
千葉工業大学
電気通信大学 企画調査室
電気通信大学大学院情報理工学研究科
株式会社電気評論社
東京工業大学大学院総合理工学研究科
東京工業大学大学院情報理工学研究科
東北大学大学院工学研究科
東北大学大学院理学研究科
台湾国立交通大学
光産業創成大学院大学
光産業創成大学院大学
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

─ 83 ─

所長
教授
教授
教授
教授
教授
教授
准教授
准教授
講師
助教
招へい教授
特任教授
招へい教授
教授
教授
准教授
教授
教授
教授
教授
教授
教授
助教
准教授
助教
教授
教授
准教授
准教授
教授
准教授
教授
助教
教授
教授
教授
助教
教授
研究員
教授
教授
特任教授
教授
常務取締役
講師
教授
教授
准教授
講座教授
教授
特任教授
客員教授
教授
准教授

兒玉了祐
斗内政吉
山本和久
河仲準二
重森啓介
千徳靖彦
藤岡慎介
坂和洋一
中嶋 誠
時田茂樹
椿本孝治
疇地 宏
乗松孝好
實野孝久
粟津邦男
宮坂 博
山中千博
節原裕一
塚本雅裕
西口彰夫
草場光博
部谷 学
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
大須賀篤弘
保田尚俊
吉田 実
橋新裕一
中野人志
三上勝大
田口俊弘
櫻井俊光
久世宏明
藤本 靖
植田憲一
西岡 一
松村宏治
河村 徹
廣瀬壮一
田中秀治
柴田 穣
増原 宏
藤田和久
三間圀興
望月孝晏
遠藤琢磨
城﨑知至

福井大学大学院工学研究科
福井工業大学工学部
福岡工業大学工学部
福岡工業大学情報工学部
防衛大学校システム工学郡
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
山梨大学大学院総合研究部工学域
山梨大学大学院総合研究部工学域
立命館大学情報理工学部
立命館大学総合科学技術研究機構
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学研究部門
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学研究部門
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学研究部門
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学研究部門
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学研究部門
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学研究部門

─ 84 ─

教授
教授
教授
教授
准教授
教授
教授
准教授
教授
准教授
教授
客員教授
レーザー医療応用研究
グループリーダー

上席研究員
主幹研究員
グループリーダー

主席研究員
主幹研究員

金邉 忠
西村博明
河村良行
中村龍史
篠田昌弘
足立 智
長谷川靖哉
甲藤正人
張本鉄雄
宇野和行
陳 延偉
七田芳則
山川考一
佐々木明
長谷川登
錦野将元
近藤修司
岡田 大

(令和元年7月現在）

評

議

員

理 事・ 監 事
賛

助

会

員

評

香川秀司

議

員

（敬称略）
パナソニック株式会社 ライフソリューションズ社 ものづくり革新本部
生産技術開発センター 所長

河内哲哉

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
関西光科学研究所長

佐々木孝友

大阪大学

重松昌行

住友電気工業株式会社

田中健一

三菱電機株式会社

西内誠

一般財団法人大阪科学技術センター

原勉

浜松ホトニクス株式会社

東

邦夫

水田

仁

京都大学

量子ビーム科学研究部門

名誉教授

技術開発本部

開発本部

技師長

技術統轄

常務取締役

専務理事

中央研究所長

名誉教授

関西電力株式会社

原子燃料サイクル室長

美濃由明

一般財団法人電力中央研究所

望月孝晏

兵庫県立大学山田裕之

富士電機株式会社

理事

名誉教授

発電プラント事業本部

─ 87 ─

発電事業部

副事業部長

（令和元年7月現在）

理 事・監 事
（敬称略）
理事長

大塚茂樹

関西電力株式会社

理

井澤靖和

大阪大学

名誉教授

中塚正大

大阪大学

名誉教授

井上哲也

公益財団法人レーザー技術総合研究所

上原拓也

東芝エネルギーシステムズ株式会社
パワーシステム事業部 原子力先端システム設計部

監

事

事

常務執行役員

関西支社

常務理事

参事

各務浩文

三菱電機株式会社

原子力部長

北島尚史

東京電力ホールディングス株式会社
東京オリンピック・パラリンピック プロジェクト統括室

兒玉了祐

大阪大学

齋藤公秀

日本電気株式会社

関西支社

官公第一営業部長

佐藤俊志

富士電機株式会社

関西支社

営業第二部長戸塚猛喜

中部電力株式会社

技術開発本部

中原

三菱重工業株式会社

隆

レーザー科学研究所

所長・教授

技術企画室長パワードメイン原子力事業部

西原功修

大阪大学

日根野文三

日根野公認会計士事務所

福田浩之

株式会社三井住友銀行

室長

原子力技術部長

名誉教授

所長

大阪本店営業第二部長

─ 88 ─

（令和元年7月現在）

賛 助 会 員（50音順）
会社・団体名一般財団法人大阪科学技術センター

大成建設株式会社

有限会社岡本光学加工所

株式会社ダイヘン

株式会社オプトサイエンス株式会社竹中工務店

オムロンレーザーフロント株式会社

一般財団法人電力中央研究所

鹿島建設株式会社

東芝エネルギーシステムズ株式会社

株式会社片岡製作所

西日本旅客鉄道株式会社

株式会社環境総合テクノス

日新電機株式会社

一般財団法人関西情報センター

日本電気株式会社

関西電力株式会社

パナソニック株式会社

関電不動産開発株式会社

浜松ホトニクス株式会社

関電プラント株式会社

一般財団法人光産業技術振興協会

株式会社きんでん

株式会社日立製作所

株式会社熊谷組

富士電機株式会社

光伸光学工業株式会社

前田建設工業株式会社

株式会社神戸製鋼所

株式会社三井住友銀行

ジオマテック株式会社

三菱重工業株式会社

株式会社島津製作所

三菱電機株式会社

清水建設株式会社

株式会社レイソルテクノロジーズ

住友電気工業株式会社

一般社団法人レーザー学会

合計38社

─ 89 ─

（令和元年7月現在）

ＩＬＴ2019

年報

令 和 元 年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 ㈹