は じ め に
公益財団法人レーザー技術総合研究所の令和元年（平成 31 年）度成果報告書（ILT 2020 年報 32
巻）を取りまとめました。何卒ご高覧の上、ご指導、ご助言賜りますようお願い申し上げます。
昨年度は、三つのプロジェクト研究と、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、レーザー技術開発室の体制で研究活動を推進しました。
「革新的小型・高効率 UV レーザー光源の開発」プロジェクトでは中間目標値の達成と試作機の開発に貢献することができ、「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」プロジェクトでは高速波面制御をめざす可変形鏡試作機の設計・製作が本格化しました。
また、「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」プロジェクトでは深紫外域での高出力波長可変レーザーを開発し、共鳴効果により微量物質の検出感度が向上することを実証いたしました。
レーザーエネルギー分野では、パワーレーザーの新しい応用分野の開拓をめざし、原子炉廃止措
置や素粒子研究で必要とされているレーザー関連技術の開発研究を開始しました。レーザープロセ
ス分野では、土木・建築業界でのレーザー技術の応用・普及をめざし、短パルスレーザーによる各
種材料の加工特性研究、インフラ構造物へのレーザー加工適用性研究、レーザーによるナノ構造体形成研究などを進めました。レーザー計測分野では、レーザー打音法によるインフラ構造物の健全性診断技術の高度化研究を進め、併せて、落石の予知や工事用配管の減肉検査など新しい分野へのレーザー打音法の適用研究を開始しました。また、海中環境の評価、表面付着物の分析、溶液中の粒度分析など、環境計測に関連する研究開発を実施しました。レーザーバイオ化学分野では、生物・医療・創薬へのレーザー応用をめざして、蛋白質や酵素の生理活性構造の解明研究を進め、核廃棄物分離に適用可能なランタノイドイオンの光還元研究を実施しました。理論・シミュレーション分
野では、レーザー加工の基礎となるレーザーと物質の相互作用研究を幅広く進め、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理論的に解析しました。レーザー技術開発室
では光学材料・素子の高耐力化研究を進め、産業界からの依頼によるレーザー損傷評価試験を実施しました。
このように活発な研究活動を推進することができましたのは、偏に皆様方からのご支援によるものであり、厚く御礼申し上げます。所員一同、これまで以上に努力を積み上げ、成果の社会還元をめざしてまいります。今後ともなお一層のご支援、ご鞭撻を賜りますようお願い申し上げます。
2020 年 8 月
公益財団法人 レーザー技術総合研究所所長

井 澤 靖 和当研究所では、例年、大阪と東京で成果報告会を開催し、本報告書に記載の成果をご報告して、皆様から研究内容や今後の方向性などについてご意見を頂戴してまいりました。残念ながら今年は、新型コロナ感染症の影響で、大阪での成果報告
会は中止のやむなきに至り、また、東京での報告会も 11 月開催をめざして準備中ではございますが、確実な見通しがつかない状況にあります。この報告書をご一読頂き、当研究所ホームページなどを通して、ご質問、ご助言などを頂戴できれば幸いでございます。

はILT2020 年報（Annual
ILT2020 年報（Annual
Progress Report
Progress
2019-2020）
Report 2019-2020）
目 次
じ

め

には

じ

め

目 次

に

研 究 報 告 書
研 究 報 告 書
レーザーエネルギー研究チーム
レーザーエネルギー研究チーム
レーザー加工における微粒子発生過程の考察
レーザー加工における微粒子発生過程の考察

1―福島第一原子力発電所廃炉に向けた基礎研究――福島第一原子力発電所廃炉に向けた基礎研究―

レーザープロセス研究チーム
レーザープロセス研究チーム
月の模擬砂を用いた建設材料の作製
月の模擬砂を用いた建設材料の作製

6

高速・高光耐性可変形鏡の開発
高速・高光耐性可変形鏡の開発

9Deformable Mirror Control
Deformable
Model
Mirrorfor Open-loop
Control Model
Applications
for Open-loop Applications

16

共鳴ラマンライダーを用いた大気中微量有害物質検知に向けた深紫外波長可変光源の開発
共鳴ラマンライダーを用いた大気中微量有害物質検知に向けた深紫外波長可変光源の開発

22

レーザーラマン分光を利用した水中油の遠隔計測技術の開発
レーザーラマン分光を利用した水中油の遠隔計測技術の開発

25

レーザー計測研究チーム
レーザー計測研究チーム
レーザー打音法による高架橋床版コンクリートの欠陥検査
レーザー打音法による高架橋床版コンクリートの欠陥検査

29

レーザーを用いた浮石検知技術の開発
レーザーを用いた浮石検知技術の開発

34

Non-destructive laser-based
Non-destructive
inspection
laser-basedof metal inspection
pipelines withof metal
the usepipelinesof pipewith
eigenmodes
the use of pipe eigenmodes

39

レーザーバイオ化学研究チーム
レーザーバイオ化学研究チーム
フェムト秒レーザー計測による蛋白質の機能メカニズムの解明
フェムト秒レーザー計測による蛋白質の機能メカニズムの解明

46

理論・シミュレーションチーム
理論・シミュレーションチーム
地球上の非定常電荷が電離層に及ぼす影響の研究
地球上の非定常電荷が電離層に及ぼす影響の研究

52

超短パルスレーザー加工の統合シミュレーションコードの開発
超短パルスレーザー加工の統合シミュレーションコードの開発

58

レーザー技術開発室
レーザー技術開発室
繰返しパルス照射による石英ガラスのレーザー損傷
繰返しパルス照射による石英ガラスのレーザー損傷

発表論文リスト
発表論文リスト
事 業 報 告 書
事 業 報 告 書
組
織
図
組
織
図
構 成 員 一 覧
構 成 員 一 覧
評
議
員
評
議
員
理 事 ･ 監 事
理 事 ･ 監 事
賛 助 会 員賛 助 会 員

62
69
77
93
94
99
100
101

研 究 報 告 書

レーザー加工における微粒子発生過程の考察－福島第一原子力発電所廃炉に向けた基礎研究－
1

レーザーエネルギー研究チーム、2 理論シミュレーション研究チーム
大道博行 1、山田知典 3.4、伊藤主税 4、宮部昌文 4、
柴田卓弥 4、古河裕之 2、長谷川秀一 53（公財）若狭湾エネルギー研究センター、4（国研）日本原子力研究開発機構、5 東京大学

１．はじめに2011 年 3 月に過酷事故を起こした東京電力福島第一原子力発電所（福島第一）の廃炉現場では溶け落ちた核
燃料と構造物との混合物である燃料デブリの調査が行われている。これを踏まえ 2021 年度中に燃料デブリの取出しが開始される予定になっている 1）。このような中、遠隔制御装置との相性の良いレーザー加工技術に対し、新しい廃炉技術の一つとして関心が高まりつつある 2-6）。
こういった中で、文部科学省が原子力機構に委託する
競争的資金、英知を結集した原子力科学技術・人材育成

図 2 レーザー生成微粒子と大気中の代表的な微粒子推進事業に東大、原子力機構、レーザー総研が連携して等の大きさと捕集フィルター

応募した課題名”レーザー加工により発生する微粒子の解析と核種同定手法の開発”が 2018 年度に採択された。

レーザー切断工法は幅の狭い照射部に高いパワーを

東大大学院工学系研究科原子力専攻の長谷川秀一教授

集中できることから、切断幅の狭い切断が可能であり、代表の下、3 年間のプロジェクトを実施することになっそれに伴う廃棄物の量はその分小さくなる 4）。図 1 に金ている。

属切断の一例を示す。一方、高い照射パワーにより、溶融部の飛散による微粒子、さらに溶融を通り越して発生する蒸気に由来する微粒子が発生する。図 2 に各種微粒
子のサイズ、捕集フィルターを示す 7) 。この中で 0.1μm 以下のサイズの α 核種を含む放射性飛散微粒子（α ダスト）は肺胞を通過することにより人体の器官に取りこ
まれ 8）、そこでα線を放出し続けるとされており、特に危険性が高い 9）。核物質を含む微粒子の飛散、移行過程
およびその抑制に関する研究は福島第一の廃炉にとって特に重要である。この課題は原子力損害賠償・廃炉支
援機構の重点研究開発課題の一つ（4 番目の課題）に挙

図 1 CW 4 kW ファイバーレーザー（紙面下向き照射）による厚さ 3ｃｍの炭素鋼切断

本プロジェクトではこれらを含む種々げられている 10）。の微粒子発生を基礎に立ち戻って検討するとともに、微粒子を捕集し、その大きさ等を測定し、さらに微粒子を構成する核種をレーザー分光技術によりオンライン
─1─

計測するための原理実証装置の開発を行うことを目的

ラフの撮影も行った。さらに高速度カメラで撮影されたとしている。本報告では、本事業の中のレーザー総研が飛散する微粒子の一部を捕捉して電子顕微鏡により観分担している微粒子発生過程の観察を中心に研究の現察した。この結果と高速度カメラの観察結果との比較を状を報告する。

進めている。

２．実験方法原子力機構・楢葉遠隔技術開発センターに設置されている QCW(パルス幅 10 ms、繰り返し 10 Hz)ファイバーレーザーを用い各種サンプルへのレーザー照射実験を行った。同センターに設置されている高速度カメラを用いレーザー照射によるステンレス鋼、アルミナ、重コン
クリートの各サンプルから噴き出したプルーム（レーザ
図 3 レーザー照射部を中心にした実験配置図

ー照射部の発光領域）や微粒子の観察・記録を行った。
種々の機械的特性を有するセラミックス材料の中でこ
こではアルミナを取り上げた。性質の異なるセラミック
ス材料を順次取り上げる予定である。図 3 にレーザー総研が原子力機構、東大と連携して進めている実験の概略図を示す。QCW ファイバーレーザーのレーザーパワー
は最大 3ｋW である。レーザー光は光ファイバーにより図 3 上部のヘッドに伝送され、そこで集光されサンプルに照射される。レーザー照射の F 数は 60 であり、長焦点集光光学系となっている。レーザーパワー2 kW の場合サンプル表面での照射強度は～106 W/cm2 である。
この照射強度では、金属表面の温度がその沸点を超え蒸気が大量に発生する。ただしプラズマが顕著に発生し、金属表面にレーザー光が達するのを遮断する照射強度

図 4 図 3 に対応する実験装置の写真。サンプルからには達していない 11)。実験目的により、高速度カメラは飛散する微粒子群の高速度カメラによるシャドー

同時に 2 台配置することができる。またプルームの電離グラフ撮影の配置

度や温度の評価のため近紫外から近赤外をカバーする分光器をセットした。高速度カメラを用いてプルームの

３．実験結果セルフエミッションの撮影や図 4 に示す半導体レーザ

レーザーパワー 1.8 kW で照射したときのプルームのーによる準単色インコヒーレント光照明によるシャド

セルフエミッションの一例を図 5、図 6 に示す。レーザ

ーグラフの撮影を行った。写真には散乱する照明光が写ー光は図中上から下に向かって照射された。時間・空間っている。QCW レーザーは写真上部のレーザーヘッド

的に発光プロセスの全体像を観察するためにビデオカで集光され照明光の部分にセットされたサンプルに照メラを用いて撮影を行った。発光部分の時間・空間的振射される。また半導体レーザーに替えて He-Ne レーザ

る舞いの詳細を観察するため図 3、図 4 に示す高速度カーを用いた単色コヒーレント光照明によるシャドーグ

メラを用いた撮影を行った。図 5、図 6 中(a)に示すス

─2─テンレス鋼 (SUS304)のプルームはレーザー照射光軸の周囲を蛇行する。図 5、図 6 中 (b)にアルミナにレーザーを照射したときのプルームを示す。ステンレス鋼のプルームに比べ直進する成分が主で、飛散する発光粒子の数が多いのが特徴である。図 5、図 6 中(c)に示す重コン
クリートのプルームも直進する成分が主で、飛散する発光粒子の数が多く、サイズの大きい発光体が狭い角度に集中して飛散しているのが特徴である。

図 6 高速度カメラで撮影したプルームの発光像（撮影速度：10,000 フレーム/秒）、(a) ステンレス
鋼、(b) アルミナ、(c) 重コンクリート

図 7 に図 6 に示したセルフエミッション部の飛散する微粒子群のシャドーグラフを示す。このとき照射レー
ザーパワーは 1.8 kW である。中心波長 640 nm、スペク
トル幅±10 nm の準単色インコヒーレント光によりサンプル周辺を照明し、照明光スペクトルと同じ波長の透過フィルターをセットした高速度カメラで微粒子群を撮影した。撮影結果は、そのままではコントラストが低いので、ノイズ成分を引き去ることのできるソフト（ImageJ）を用いて画質の改善を行った。およそ 10μm
図 5 ビデオカメラで撮影したプルームの発光像（撮影

以上のサイズの粒子が判別可能であり、それ以下のサイ

速度：30 フレーム/秒）、(a) ステンレス鋼、(b)ズの微粒子は煙状の飛散物として観察される。レーザー

アルミナ、(c) 重コンクリート

照射による微粒子には図 7(a)に示したステンレス鋼からの煙状の集団に対応する蒸気に由来するもの 12)、溶融池からの飛散に由来するもの 13)がある。アルミナ、重コンクリートでは物質内部の応力破壊に由来すると考─3─

えられる粒径数十μm 以上の大きな破砕物と蒸気、溶融

直径 1μm 程度の球状粒子や大きさ数十μm 以上の物由来の物が混在して吹き出し、飛散する結果となった。

破砕片などが混在して観察されている。これらの結果は

図 7(b),(c)にそれぞれアルミナ、重コンクリートから飛他のセラミックス材料のレーザー照射、観察等と合わせ散する粒子のシャドーグラフを示す。

てデータベース化に向け実験を継続する予定である。

４. 考察
高速度カメラで記録されたステンレス鋼とアルミナから噴射する微粒子の振る舞いの違いを検討するため、物質内部の応力分布が計算可能な 1 次元流体シミュレ
ーションコード 14)を用いてそれぞれのサンプルの温度分布、固相、液相、気相の分布、それに伴う応力分布の計算を行った。ステンレス鋼は靭性の高い金属であり内部応力による破砕は起こりにくい。一方、アルミナは脆性物質であり、
硬いが脆い。
応力による破壊限界も1 GPa
以下である 15)。アルミナは室温では熱伝導率が高く、ス
テンレスと同等である。しかし温度特性が金属と逆であり、1000℃になるとステンレス鋼の約 1/6 になる。このことから照射部で溶融が起こりつつも、熱伝導が抑制された中、急峻な温度勾配により発生する応力により破砕が起こると考えられる。捕集した微粒子の電子顕微鏡による観察を含めた実験結果と計算結果の比較対比等により、物質の機械的性質の違いにより、図 7 のように飛散する微粒子の性質に大きな違いが生じることが示唆された。一方、重コンクリートは約 400 ℃近辺で化学変化が起こるなどして機械的性質が大きく変化する。レー
ザー照射により重コンクリートを構成するシリコンが溶融することや液滴状粒子の噴出物が確認されている
16)。ステンレス鋼と同様にアルミナ、重コンクリートサ

図 7 単色シャドーグラフ（撮影速度：10,000 フレー

ンプルでも、煙状の微粒子群が観察される。これはレーム/秒）、(a) ステンレス鋼、(b) アルミナ、(c)

ザー照射部から断熱膨張する蒸気が急冷され、蒸気の凝重コンクリート

集により微粒子発生に至ったものや、溶融部の圧力勾配による液滴の飛散が起源と考えられる、
直径数μm を中

各種粒子の一部は捕捉され、電子顕微鏡で観察された。

心とした粒子が、どのサンプルでも観察できる。準単色

ステンレスでは蒸気に由来すると考えられる直径数十のインコヒーレント光源に加え波長 633 nm He-Ne レー

nm の球状の粒子がブドウの房のように群れとなって観ザーの単色コヒーレント光を用いたシャドーグラフを察されている。またそれらは大気雰囲気で酸化物になっ高速度カメラにより撮影している 17)。これらの異なっていることが示唆された。アルミナやコンクリートではた撮影法による結果を比較対比することにより詳細な

─4─

微粒子発生過程の観察が可能になっている。さらにこれ

3） 原子力機構プレス発表2017 年 4 月27 日；T. Yamada et al.,

ら観察と捕集した種々の微粒子や照射痕等の顕微鏡観

J. Nucl. Sci. Technol. 56, No. 12, 1171 (2019).

察とを合わせて、粒子生成過程の物理的検討およびデー

4） 中村保之他、JAEA-Technology 2015-045.

タベース化を進める予定である。

5)

大道博行、電気学会誌136, 422(2016).

6)

大道博行、電気評論 2020 年 8 月号.

7)日本エアロゾル学会編、高井幹二著、エアロゾル学の基礎、

５．まとめ
福島第一の廃炉に向けたレーザー加工技術の課題の一つである微粒子発生過程の高速度カメラ等による観

森北出版、2003
8)

E. Porcheron et al., Proc. 14th Triennial International Conference

察結果とシミュレーション等も活用した検討結果を述on Liquid Atomization and Spray System (ICLASS 2018),

べた。レーザー照射により発生し、飛散する種々のサイ

Chicago Illinois USA, July 22-26, 2018.

ズの微粒子の観察と発生メカニズムを整理することは

9)

空気中濃度限度 (09-04-02-15)、
原子力百貨辞典ATOMICA、廃炉技術のみでなく、レーザー加工技術の高度化、安全

https://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_09-04-02-15.html

さらにはレーザーと物質の相互作用の研究
性の向上 18)、10) 原子力損害賠償・廃炉等支援機構（NDF）、６つの重要研
究開発課題の今後の基本的方向性について 2017年12月に貢献する重要で魅力ある課題である。

12 日 http://www.dd.ndf.go.jp/jp/decommissioning-research/drcommittee/materials/06/doc1-2.pdf

謝辞 本報告に紹介した研究の一部は、日本原子力研究開発機構「英知を結集した原子力科学技術・人材育成推11) J. F. Ready, Industrial Application of lasers, Academic,

1978, New York.

進事業」の中の課題名「レーザー加工により発生する微粒子の解析と核種同定手法の開発」の支援により実施さ

12) B. S. Luk`yanchuk et al. Phys. 8, No. 1 (1998).

れた。

13) R. Hergenroder, Spectrochimica Acta Part B 61, pp.284-300(2006).

参考文献

14) 古河裕之、部谷学、中野人志、レーザー研究42, 784(2014).

1） 廃炉・汚染水対策関係閣僚等会議、東京電力ホールディ

15) C. B. Carter and M. G. Norton, Ceramic Materials Science andングス(株) 福島第一原子力発電所の廃止措置等に向けた
中長期ロードマップ 、2019 年 12 月 27 日.

Engineering, Springer, Berlin, 2007.
16) N. P. Long et al., J. Laser Appl. 29, 041501 (2017).

https://www.meti.go.jp/earthquake/nuclear/pdf/20191227.pdf

17) H. Daido et al., Generation of particles and fragments by2） 東電プレス発表、東電福島第一原子力発電所における新技

quasicontinuous wave fiber laser irradiation of stainless steel,

術「レーザー除染によるフランジタンク解体時のダスト抑制対策について」2019 年7 月1 日.

alumina and concrete materials, submitted for publication.
18) 山根國秀、溶接学会誌 75, 7 (2005).

─5─

月の模擬砂を用いた建設材料の作製
レーザープロセス研究チーム
藤田雅之、真木 隆太郎 1、兒玉了祐 1、田島孝敏 2、新村 亮 2
1

大阪大学工学研究科、2 大林組
す。
フジクラ社製CWファイバーレーザー（波長1095 nm,

１．はじめに惑星探査や火星移住など宇宙での人類活動に際して、最大出力 300 W）を光源として使用し、常温常圧、ア基地建設を含むインフラ整備が必要となる。地球からのシストガス無しで実験を行った。レーザー光を焦点距離

物資の運搬は高いコストや輸送能力の限界があるため、

1 m の平凸レンズで集光し、スポット径が約 1 mm とな

大量の建設材料を現地で入手して製造することが求める位置に試料をセットした。

られる 1,2)。我々は建設材料を月面で調達するために、試料として、玄武岩を粉砕して模擬月土「FJS-1」2) に月の表土をファイバーレーザーで焼成・溶融させて積層類似する砂を製造した。
SiO2 が51.5%、
Al2O3 が17.6% をする方法に着目した研究を進めている。同様の研究は、占める化学組成で 50%粒径 D50 が 0.041 mm のものを

太陽光やマイクロ波を用いて行われているが 3)、レーザ実験に用いた。全体の 99%が粒径 1 mm 以下となっていーを用いた手法では，現在実用化されている選択的な加る。模擬砂の焼結および溶融温度は、それぞれ 1100℃、熱による 3 次元造形の技術の転用が期待できる 4,5)。ま1200℃と僅かに 100℃の差しかないため、高出力レーザ

た、ファイバーレーザーは取り扱いが容易であり、将来ーで瞬時に加熱すると焼結よりも溶融が支配的になる

的には宇宙での利用が期待される太陽光励起レーザーと考えられる。
模擬砂を敷くために M30 の六角ボルトとナットを組との置換も考えられる。
本研究では月面での建設材料の作製を地産地消で実み合わせた冶具を用意した。M30 ネジのピッチは 3.5

現することを目指し、月の表土を模擬した砂を用いてmm、ナットの内径は約 26 mm であり、ナットを 1/6 回

CW ファイバーレーザー照射による立体物作製の基礎

転させると約 600 m 厚、直径 20mm 強の砂を敷くこと実験を行った。

ができる。図３に積層の手順を示す。(a) 敷きならされた砂に、(b) ガルバノスキャナーを用いてレーザーを掃引照射することで焼結・溶融層を形成し、(c) ナットを

２．実験方法
実験配置を図１に、レーザー照射中の様子を図２に示

回転させて、(d) 固まった層の上に砂を敷きならし、レ

図 1. 実験配置図

図 2. レーザー照射中の様子
─6─

図 3. 積層の手順。(a) 敷きならされた砂に、(b) ガルバノスキャナーを用いてレーザーを掃引照射することで焼結・溶融層を形成し、(c) ナットを回転させて、(d) 固まった層の上に砂を敷く工程を繰り返した。

隙が確認できる。また、熱が集中する中心付近に細い柱ーザーを照射する工程を繰り返して積層した。
レーザーパワー、スポット径、1 照射当たりの積層高状の溶融固化部分が存在している。一方、高パワー

さ、掃引速度、ハッチング距離といったパラメータの最（190W）では大きな溶融物の固まりが生じるために、適な条件の導出を目的として、単〜数層の焼結・溶融物

一層当たり 1.75 mm ずつ積層していった。低パワー

生成ならびにその評価を行った。

（50W）に比べて、パワーは約 4 倍であるが掃引速度は
約 1.5 倍程度であるため、溶融固化が支配的となりガラス化した滑らかな表面が観察される。

３．立体物の作製
円形にレーザー光を掃引しながら徐々に半径を変え

ちなみに、さらに掃引速度を 1/4 倍にして過剰照射すて円盤状の溶融物を形成・積層することで図４に示すよると全体が一つのガラス固化物となり、硬度はあるもの

うな 直径 2 cm、高さ 1.8 cm 程度の円柱状固形物の作製の容易に破断した。

に成功した。図４(a) は、レーザーパワー50 W、最小掃引速度 560 mm/s、ハッチ間隔 28 m で、図４(b) はレー

４．圧縮強度試験

ザーパワー190 W、最小掃引速度 890 mm/s、ハッチ間隔

作製した立体物を建設材料として評価するために、圧28 m で作製した。尚、中心部では熱が集中しやすいた

縮強度試験を行った。円柱形状の試料に上から圧力をかめ、掃引速度 v は半径 r が小さくなるにしたがって増大

け、破壊するまでの圧力とひずみ（圧縮率）を測定した。

させた。図４(a) の場合は v〜1/r、(b) の場合は v〜1/r1.5

加圧面の水平性・平行度を確保するために、試料の上下とした。

面に石膏でキャッピングを施した上で試験を行った。

低パワー（50W）では一層あたり約 0.25 mm ずつ積層

図５に高パワー（190W）で作製した 4 つの試料の圧していったが、細かい焼結・溶融体の固まりや層間の空縮強度試験結果を示す。最も高い圧縮強度は、試料 No.1
で得られた 14.9 N/mm2 であった。この強度は JIS れんが
2 種（15 N/mm2 以上）に匹敵する。一方で、試料 No.2の圧縮強度は低い（8.4 N/mm2）ものの、15％のひずみに耐えている。これは、ポーラス状のガラス固化物が徐々に破壊されつつも形状を保ち、ひずみがある限界を越えた時点で破壊が進展したものと考えられる。
図６に今回作製した試料（7 個）の密度と圧縮強度の

図 4. レーザーパワー (a) 50 W、(b) 190 W で作製し関係を示す。低密度の 3 点が低パワーでの作製試料に相た直径 2 cm、高さ 1.8 cm 程度の円柱状固形物。

当する。低パワーで作製した試料は空隙が多くなってお─7─

図 5. 高パワー（190W）で作製した試料の圧縮強度試験結果.
り密度が低く圧縮強度も小さい。一方で、高パワーで作の1/6程度の重量の月面で使用できる可能性が示された。

製した試料は溶融の割合が増えて密度が高く圧縮強度

生成物の密度と圧縮強度で正の相関を持つことが確かが高くなっている。照射条件の最適化により、さらに高められるとともに、より大きな密度と圧縮強度を達成で密度、高強度の試料を作成できると期待される。

きる余地があることが示唆された。本手法はレーザーを用いた宇宙応用の新分野を切り開くポテンシャルを秘
めている。

５．まとめ
月面での探査・移住の際に必要不可欠となるインフラ整備のための建設材料を現地調達・地産地消することを参考文献

念頭に踏まえ、月面表土（レゴリス）の模擬砂を用いた

1) 齊藤 亮介 他, コンクリート工学 54 (2016) 971.

レーザー加熱による立体物製造の実験を行った。その結

2) 田島 孝敏 他, 大林組技術研究所報 No.81 (2017).

果、数 cm オーダーの立体物の製造に成功した。一般

3) Miranda Fateri and Andreas Gebhardt. “Process Parameters

的なレーザー照射による 3 次元造形よりも層厚を大きDevelopment of Selective Laser Melting of Lunar Regolith for

くしても製造に成功した。JIS れんが 2 種相当の圧縮強

On-Site Manufacturing Applications”, Int. J. Appl. Ceram.

度を持つ立体物を作製できることが明らかになり、地球Technol., 12 [1], pp.46–52 (2015).
4) Athanasios Goulas, Daniel S. Engstrøm, Ross J. Friel, “Laser
Additive Manufacturing Using Indigenous Lunar Resources”, 7thEuropean Lunar Symposium, 2019.
5) Athanasios Goulas, Jon G.P. Binner, Daniel S. Engstrøm, Russell A.
Harris, Ross J. Friel, “Mechanical Behaviour of Additively
Manufactured

Lunar

Regolith

Simulant

Components”,

Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L : J.
of Materials : Design and Applications, ISSN 1464-4207, 2018.

図 6. 今回作製した 7 個の試料の密度と圧縮強度の関係。青線は近似直線。
─8─

高速・高光耐性可変形鏡の開発
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、
レーザー技術開発室 3
谷口誠治 1、ハイク コスロービアン 2、稲田順史 2、本越伸二 3、藤田雅之 2

１．はじめに反射鏡面

当研究所は平成 30 年度から、国立研究開発法人理化駆動素子学研究所の委託を受け、三菱重工業（株）とともに防衛
装備庁：安全保障技術研究推進制度（研究課題「高速移基板動物体への遠距離・高強度光伝送のための予測的波面制
図 1 可変形鏡の断面図

御の研究」）に参画している。本研究の目的は、大気中を高速移動する移動体への遠距離レーザー伝送技術の開発、およびその原理実証である。この技術の開発によ

波面の歪み

り、光通信伝送距離を飛躍的に増大させることが可能と波面センサーなり、遠距離無線給電 1)や地上レーザーを用いた宇宙デビームスプリッタ補正された波面ブリ除去 2)、高精度天体観測といった応用にも期待できる。この技術を確立するための要素技術として現在、レ波面情報

ーザー伝搬経路の波面擾乱（じょうらん）予測手法の確
可変形鏡（波面補正素子）

立、高速波面センサーの開発、高速・高光耐性可変形鏡
制御装置の開発、光伝送に用いる高出力 CW レーザーの開発等を行っており、その中で当研究所は、主として伝送レー

図 2 可変形鏡を用いた一般的な補償光学系（開ルー

ザーの波面を制御する高速、高光耐性可変形鏡の開発をプ制御）の概念図。波面センサーの情報に基づ進めており、本稿ではその開発状況について報告する。

き反射光の歪みを打ち消すような逆向きの歪み

可変形鏡（deformable mirror）とは、薄く柔軟性のあるを可変形鏡に与えることで入射光波面の歪みを鏡の背面に伸縮する駆動素子を複数配置し、電気的な信補正する。

号などにより、鏡の表面形状を変形させることが可能な反射鏡（図1）のことを指す。入射光波面の歪みを補正

２．高速・高光耐性可変形鏡の開発

する補償光学系でよく利用される波面補正素子の一種

2.1 予測的波面制御である。図2に、開ループ制御方式を用いた一般的な補本研究で提案する波面制御法（予測的波面制御）4) の償光学系の概念図を示す。補償光学系は通常、光の波面

概略図を図 3 に示す。遠方の伝送ターゲットに向けて先歪みを計測する波面センサー、その歪みを補正する可変に探索ビームを照射し、波面センサーにより探索ビーム

形鏡、波面センサーからの信号を利用して可変形鏡の形の後方散乱光を計測する。これにより、大気の擾乱（大状を変化させる信号を作り出す制御装置によって構成気の対流により空気の密度や温度などが時間とともにされる。その基本動作は、波面センサーからの情報に基変動する現象）、およびサーマルブルーミング 5)（光路

づき、反射光の波面歪みを打ち消すような逆向きの歪み

内の空気の熱膨張により起こる光屈折効果）に起因してを波面補正素子上に与えるものである。

発生する波面の歪みを予測する。次に、計測で得られた
─9─

情報に基づき伝送中の波面の歪みを補正するよう可変位を得る積層圧電アクチュエータ（ピエゾアクチュエー

形鏡の表面を変形させる。伝送レーザーの波面を可変形タ）、圧電セラミックス板を 2 枚貼り合わせることで屈鏡により予め歪ませておくことで、伝送地点でのレーザ

曲変位を発生させるバイモルフ素子、電極間の静電気力

ー波面が補償され、高いエネルギー効率での光伝送が可を利用した静電マイクロアクチュエータ（MEMS）、電能となる。

磁石を応用したボイスコイルアクチュータなどがある

本システムに用いる可変形鏡には、大気擾乱およびサが、この中で高速駆動時（~10 kHz）の安定動作が唯一

ーマルプルーミングの変化をリアルタイムで補正可能

報告されているピエゾアクチュエータを駆動素子に選な駆動速度が必要となる。大気擾乱およびサーマルプル

択した。ピエゾアクチュエータの負荷電圧に対する応答

ーミングの変化速度は、伝送距離や大気の風速や温度、速度は、以下の式で近似される。

伝送レーザーの出力（光強度）などの要因に左右される。

݂ ൎ ‫ܫ‬௔ Ȁሺ‫ܸܥ‬௣௣ ሻ

本研究では、伝送距離数キロメートル、最大風速 10 m/s、

ここで、f は最大応答周波数（Hz）、Iaは平均増幅電

伝送レーザー出力 10 kW を想定している。さらに光伝流（A）、Cはアクチュータの静電容量（μF）、Vppはピ

送ターゲットが大気中を高速移動することを考慮して、

エゾ電圧（peak-to-peak）（V）である。この式から、応可変形鏡の開発目標値を最大駆動速度 10 kHz、口径 100

答周波数を大きくするためには、静電容量の小さいアクmm、光耐性 10 kW、最大変位量 7μm に設定し、そのチュエータを用い、さらに電流増幅を大きくすることが構成要素である駆動素子、反射鏡面基板の特性について重要となる。またアクチュエータの選定には変位の大き検討した。

さも考慮する必要がある。アクチュエータの（縦方向）
変位（ΔLlong）は、以下の式により推定される。
伝送地点での波面を補償ο‫ܮ‬௟௢௡௚  ൌ ݊݀ଷଷሺீௌሻ ܸ（大気擾乱、サーマルブルーミング
による）波面の歪み

ここで ΔLlong は縦方向変位（m）、d33(GS)は縦方向の圧電大信号変形係数（m/V）、n は積層されているセラミ後方
散乱光

ック層数、V は動作電圧（V）である。ピエゾアクチュ
エータの縦方向変位は主にピエゾ素子の積層数、つまり探索ビーム

予測データに基づく波面補正

素子の大きさと負荷電圧により決定される。

レーザー光波面（歪みなし）

波面センサー

これらのパラメータを考慮して3種のピエゾアクチュ

波面情報ータ（P.840.10（PI 社製、図 4（左））、AD0505D16F

伝送レーザー

制御装置

制御信号（TOKIN 社製、図 4（中））、AE02304DF（TOKIN 社

可変形鏡

図 3 予測的波面制御システムの概略図。先に探索ビー

製、図 4（右）））を選定し、その駆動特性を比較した。

ムを遠方に照射し、後方散乱光を波面センサーによ特性表を表 1 に示す。ピエゾアクチュエータは共振周波り観測する。これにより伝送地点までの波面の歪み

数が高いものほどより高速での駆動が可能であるものを予測し、可変形鏡を変形させておくことで伝送レの、高速駆動時には素子への充電時に一定の割合で生じーザー光の波面を補償する。

る発熱の蓄積や、積層面の剥離などによる破損が起こる
ことから、安定動作が可能な実際の駆動速度は一般的に2.2 駆動素子の特性評価

共振周波数の 10〜30 %とされている。P.840.10 と可変形鏡の性能を左右する最も重要な要素は駆動素

AD0505D16F はともに外形が大きく、変位量は最大約子であるとされる。これまで可変形鏡に用いられてきた

15 μm と大きいが、共振周波数が低く高速駆動時に安定駆動素子には、圧電セラミックスを積層し厚み方向の変動作が得られない可能性がある。一方 AE02304DF は外─ 10 ─

表 1 ピエゾアクチュエータの特性
製品名
P.840.10
AD0505D16F
AE02304DF

外形(mm)
φ12×30
5×5×20
2×3×5

変位量
(μm)
15
17.4
4.2

最大負荷電圧
(VDC)
100
150
150

共振周波数
（kHz）
18
59
261

発生力
（N）
1000
850
200

Photo
Diode

静電容量
（μF）
1.5
1.4
0.09

MirrorOscilloscopeCW YAG laser
Input

Quarts glass plate
OutputPiezo actuater

図4 ピエゾアクチュエータの写真。
（左）P.840.10（PI）、Wave function
generator

Piezo
amplifer（中）AD0505D16F（TOKIN）、（右）AE02304DF（TOKIN）

図5 ピエゾアクチュータ応答速度計測実験配置図

形が小さく変位量は4.2 μmであるが、共振周波数は大きAE02304DFをピーク電圧90 V、周波数それぞれ1 kHz、5く高速での駆動が可能であると考えられる。

kHz、10 kHzの正弦波で駆動した際のPD電圧の時間変化

ピエゾアクチュエータの高速動作時の応答速度を評を示す。設定した周波数の増加に合わせて駆動周波数も価するため、フォトダイオード（PD）を用いた計測を増加している。アクチュエータの駆動周波数を算出する行った。実験配置図を図5に示す。アクチュエータに厚ため、それぞれの計測データをFFT解析した結果を図9

さ1 mmの石英ガラス板を貼り付け、その端部にCWに示す。駆動周波数のピークはそれぞれ設定した周波数

YAGレーザー（出力30 mW）を照射して反射させた。

と完全に一致し、
AE02304DFは周波数10 kHzでの高速駆

任意波形ジェネレータ（WW5064、Tabor Electronics）お動が可能であることがわかった。

よび増幅器を用いてアクチュエータを駆動して石英板の角度を変え、反射光のポインティングを変化させた。
ポインティングの変化により入射光量が変わるよう約6m遠方にPDを配置し、電圧の時間変化を計測した。これにより、波形ジェネレータにより設定した周波数と実

図6 周波数100 Hz（正弦波）駆動時のピエゾアクチュエータ（P.840.10）のPD電圧の時間変化

際の駆動周波数の差を計測できる。図6に、ピーク電圧
90 V、周波数100 Hzの正弦波によりP.840.10を駆動させた際のPD電圧の時間変化を示す。電圧変化の周期は100Hzであり設定した周波数と一致した。図7に、周波数を7 kHzまで上げ、設定値に対して得られた駆動周波数をプロットしたものを示す。設定した周波数と実際の駆動
周波数はいずれも誤差 3.3%以内で一致しており、
P.840.10は7 kHz（共振周波数の38 %）までの周波数領域

図7 ピエゾアクチュエータ（P.840.10）における設定しで設定した周波数に対して遅延なく駆動できることがた負荷電圧の周波数（横軸）と実際の駆動周波数（縦わかった。図8 (a)、(b)、(c)に、ピエゾアクチュエータ軸）との相関─ 11 ─

Piezoactuater

z
x

Input

y
OutputWave function
generator

Piezo
amplifer
High speed
cameraPC

図10 ピエゾアクチュータ変位特性計測実験配置

図11 (左)P.840.10、（右）AD0505D16Fの変位計測時の写真

ることにより、実際にアクチュエータが駆動する様子が
図8 周波数(a)1 kHz、(b)5 kHz、(c)10 kHz、ピーク電圧確認された。
図12に、ピーク電圧をそれぞれ90 V、
60 V、

90 V の正弦波によりピエゾアクチュエータ

40 V、10 Vとした正弦波により駆動した際のP.840.10の（AE02304DF）を駆動した際のPD電圧の時間変化

変位量を示す。駆動周波数は1 Hz、撮影速度は100 pps（picture per second）である。室内振動によるノイズの影響はみられるものの、変位の時間変化は正弦波をほぼ再現しており、変位量についても負荷電圧に比例して小さくなっていることがわかる。比較のため、
AD0505D16Fを用いて実験を行った結果を図13に示す。
ピーク電圧90 V、周波数1 Hzでそれぞれ矩形波、正弦波

図9 図8(a)、(b)、(c)のFFT解析結果。計測した駆動周波を入力した際の変位量を示す。変位の時間変化はそれぞれ正弦波、矩形波を再現している。AD0505D16Fは負荷数と設定した周波数は良く一致した。

電圧150 Vで 17.4 μm変位するため、90 Vでの変位量は次にピエゾアクチュエータの変位特性について検討

10.4μmと算出される。計測で得られた最大変位は10〜するため、ハイスピードカメラを用いた計測を行った。

11μmで、計算値とほぼ一致した。このことから、2種の実験配置を図10に示す。任意波形ジェネレータおよび増アクチュエータの変位は低速駆動時にはそれぞれの変幅器を用いてピエゾアクチュエータを駆動し、駆動時の位特性と一致することを確認した。次に高速駆動時の変変位量（図中X方向）の時間変化をハイスピードカメラ

位量を計測するため、ピエゾアクチュエータ（MEMRECAM Q1V、ナックイメージテクノロジー製）

AE02304DFを用いて変位特性を評価した。
周波数10 kHz、により撮影した。変位量の解析には、運動解析ソフト

ピーク電圧120 Vの正弦波により駆動させた際の変位量（MOVIAS Neo SP-623、ナックテクノロジー製）を用の時間変化を図14に示す。変位量の周期は10 kHzでありいた。観測時の写真（1 Hz駆動時、撮影速度100 pps）を設定した周波数に対して遅延なく駆動しており、周期毎

図11に示す。アクチュエータの先端部を拡大して撮影すの変位量は最大2.6 μmであった。AE02304DFの負荷電圧

─ 12 ─

120 V時の変位量は3.4 μmと予測される（表 1を参照）のため、材質、直径、厚さおよびHRコーティングなど

が、高速駆動時には変位量が低下するものと考えられる。

の条件を変化させた計10種の基板を用意してレーザー

この結果は、ピエゾアクチュータの変位量を設定するた干渉計（Zygo Verifire Dynaphase、アメテック）による計

めには駆動速度（周波数）を考慮する必要があることを測を行い、それらの表面形状を基板表面の高さの最大値示している。

と最小値の差（Peak to Valley, PV値）、および面精度（最小二乗平均、RMS）で比較した。計測光の波長λは633 nmである。図15、図16に、直径10 cm、厚さ1 mm、光学研
磨および片面にHRコートを施した石英製円形基板の写真、および表面形状の計測結果をそれぞれ示す。基板の表面形状は端部に比べ中央部が高い凸面状となってい

図12 ピエゾアクチュエータ（P.840.10）の正弦波による駆動時（1 Hz）の変位量の時間変化

る。PV値は37.47λ、RMSは19.54λであった。変形の主な要因は、厚さが薄い基板の光学研磨に起こる表面歪み、およびHRコーティング時に起こる歪みであり、歪みの大きさはミラー基板の素材、大きさ、厚さにより異なる。

図13 ピエゾアクチュエータ（AD0505D16F）の正弦波
および矩形波による駆動時（ピーク電圧90 V、1 Hz）

図15 直径100 mm、厚さ1 mmの石英製ミラー基板（片面HRコート）の写真の変位量の時間変化

図14 ピエゾアクチュエータ（AE02304DF）の10 kHz駆動時（ピーク電圧120 V、正弦波）の変位量の時間変化

図16 直径100 mm、厚さ1 mmの石英鏡面基板（片面HR

2.3 反射鏡面基板の評価
可変形鏡に使用する鏡面基板はアクチュエータによコート）の表面形状。（a）実測データ、（b）基板り形状を変化させるため、特に高速駆動させる場合にはの表面形状（2次元表示）、（c）基板の表面形状（3基板の厚さがより薄い方が有利である。一方、基板の口

次元表示）、(d)基板表面の高さの変化（図(c)白線上）、径が大きい場合には厚さが薄くなるほど光学研磨の精

横軸（x)は観測画面の画素（pixel）番号、縦軸（Z）

度が低下し、またレーザー光波長の高反射（HR）コー

は高さの変化をλ単位（λ=633 nm）で表示したもの）

ティング（誘電体多層膜コーティング）による基板の歪みが発生する可能性がある。本項では、鏡面基板の選定
─ 13 ─

表2に、10種の基板のPV値およびRMSを示す。素材に

は、光学ミラーの素材に用いられるホウケイ酸クラウン

を凹面または凸面状に歪ませることで、光伝送時に大気ガラス（BK-7）、合成石英およびサファイアガラスを

擾乱およびサーマルプルーミングにより起こるビーム選定した。基板の直径は50 mm、100 mmの2種、厚さは径の拡がり（デフォーカシング）を補償する仕様である。

アクチュエータ制御を行うことを考慮して、1 mm、2

アクチュータは AD0505D16F（図 4（中））をベースに、mmの2種とした。素材が同じ場合で比較すると、基板

アクチュエータの伸縮時に起こる破損を防ぐため与圧の直径が小さく、厚さが大きくなるとPV、RMSとも値を与える平行バネ機構を加えたものを新たに設計、作製

は小さくなり、表面形状は平面に近づく傾向にある。ました。鏡面基板には平面度が最も高い直径 50 mm、厚さた素材間で比較すると、基板の直径、厚さが同一の場合、

1 mm、HR 片面コートのサファイアガラス製のものを使

例えば直径50 mm、厚さ1 mmのPV、RMSはBK-7、合成

用し、アクチュエータの先端部と基板は鏡を透過したわ

石英に比べサファイアガラスが最も低く、最も平面に近ずかな光を吸収しないよう光透過性エポキシ樹脂を用い表面形状となっている。サファイアガラスは他の素材いて接着した。今後は試作品の高速動作試験やさらなるに比べてヤング率や剛性率、ヌープ硬度などが大きな

多チャンネル化など改良を進めるとともに、可変形鏡の「硬い」素材であり、研磨やHRコーティングによる変大口径化（直径 100 mm）に向けた取り組みを進めてい形が小さくなるためであると考えられる。HRコーティ

く予定である。

ングの表面形状への影響については、片面、両面HRコーティングをそれぞれ行った合成石英基板（直径50 mm）
で比較した。その結果両面コート時の方が片面コート時の変形を抑制でき、PV値、RMSはより小さくなることがわかった。

表 2 鏡面基板の表面形状（PV 値、RMS）
材質

直径
/mm

厚さ
/mm

HRコ
ート

PV値
/λ

BK-7
BK-7
BK-7
BK-7
合成石英
合成石英
合成石英
合成石英

50
50
100
100
50
100
50
50

1
2
1
2
1
１
1
2

片面
片面
片面
片面
片面
片面
両面
両面

10.34
2.84
50.39
18.69
25.76
37.47
6.38
2.47

RMS
/λ
3.04
0.81
13.88
5.12
7.05
19.54
1.54
0.60

サファイ
アガラス
サファイ
アガラス

50

1

片面

2.86

0.75

ーマルプルーミングによる光波面の歪みを補償可能な

50

2

片面

0.75

0.17

高速・高光耐性の可変形鏡の開発を目指して、駆動素子

図17 可変形鏡試作品（ピエゾアクチュエータ7 本支持）の（左）外観、（右）鏡面基板とピエゾアクチュ
エータ接着部の写真

３．まとめ
本研究では、高速移動物体への遠距離・高出力レーザ
ー伝送技術の実現のため、伝送時に起こる大気擾乱やサに選定したピエゾアクチュエータの高速動作特性、およ2.4 可変形鏡の設計・試作

び鏡面基板の表面形状について評価口径 50 mm の可変駆動素子および鏡面基板の特性評価の結果に基づき、形鏡の設計・試作を行った。今後、試作品の高速動作試

可変形鏡の設計・試作を開始した。図 17 に、可変形鏡

験、および多チャンネル化などの改良を進めるとともに、の試作品の写真を示す。口径は 50mm で、鏡面基板の可変形鏡制御システムの高速化、当初の目標である可変中心部とその周囲をピエゾアクチュエータ計 7 本（7 チ

形鏡の大口径化（直径 100 mm）に向けて研究を推進しャンネル）で支持している。アクチュエータにより鏡面ていく。

─ 14 ─

参考文献

謝辞：
本研究は、防衛装備庁安全保障技術研究推進制度

1)

JPJ004596（研究課題「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」）の支援の下

270-278 (2020).
2)行われた。ご協力頂いた国立研究開発法人理化学研究所、
三菱重工業（株）の関係者各位に謝意を表します。

宮本智之, 電子情報通信学会論文誌, J103–C, pp

T. Ebisuzaki et al., Acta Astronautica, 112,pp.102 -113
(2015).

3)

Y. Hayano et al., Proc. SPIE, 7736, p.21 (2010).

4)

特開–2020-80367 (P2020-80367A).

5)

F. G. Gebhardt and D. C. Smith, IEEE J. Quant. Elect.,
QE-7, pp.63-73 (1971).

─ 15 ─

Deformable Mirror Control Model for Open-loop Applications
Laser Process Research TeamHaik Chosrowjan, Seiji Taniguchi, Yoshifumi Inada and Masayuki Fujita
1．Introduction

thin mirror surface, while all the other actuators are constrained

Many optical systems suffer performance degradation due

at their nominal positions, and determining the effect of thatto the distortion of the light wavefront (WF). When an opticaldisplacement on the shape of the whole DM. The normalized

wave propagates through an inhomogeneous medium such as

shape of the DM when poking a single actuator is called thethe atmosphere, differences in the index of refraction along theinuence function5) (IF). In general, the IF can be determined bypropagation path cause phase distortions. Adaptive Optics (AO)

ab-initio calculations, modelling, and/or direct measurements.

techniques are often used to compensate such phase aberrations.

Here we will describe two model cases, namely, with- andAO systems often consist of an active optical element such as awithout a cross-talk between the neighboring PAs in the DM.

deformable mirror (DM) to correct the dynamic WF distortions.
While AO has its roots in the astronomy1), it is currently used ina wide variety of medical and industrial applications2).
There are two main AO approaches for the optical WF
correction. Indirect approach3): In this case a WF corrector,
but no WF sensor is used. A performance metric (M2, Strehl
ratio, or PIB (power in the bucket)) is defined, and stochastic
optimization methods are used to improve the performance
metric hence, indirectly correcting the WF distortions. Direct
approach4): It is implemented with a WF corrector, a WF
sensor to measure the aberrations present in the incoming beam,
and a feedback control algorithm to link these two elements inreal time. Both approaches are based on a “closed-loop”
negative-feedback technique hence, relatively slow because of

2．Deformable mirror structure and influence function
In Fig. 1, the arrangement and numbering of the PAs
spiraling from the center, are shown in the frontal (X, Y) profileof the DM. The coordinates of each PA are easily determinedfor d = 1 [cm]. To obtain the IF of a given PA experimentally,
one maximally displaces that single PA, while no voltages areapplied to other actuators. Then the whole shape of the DM,
which is related to the IF for that given PA, is measured. For a
DM with 61 PAs, 61 IFs must be determined. Often, thedisplacement of a given PA affects only its closest neighbors, so
the IF can be determined around the immediate vicinity of thegiven PA. This is schematically illustrated in Fig. 2 for 2 PAs(PA0 and PA26).

convergence time requirements for multi-channel DMs. In
specific AO applications with the DM corrector, where fast (~10 s) convergence is required, “closed-loop” approaches areoften not applicable. In contrast, by an “open-loop” approachhigh operation bandwidth could be achieved, if accurate WF
measurement, data transfer and exact control of the DM
response are fulfilled.
In this report, a control model for hexagonally arranged 61
piezo-actuator (PA) DM is described for “open-loop”
applications. Such control is achieved by a prior displacement
mapping of each single DM actuator along the normal to theFig. 1. The position distribution and numbering of hexagonallyarranged 61- element PAs (small yellow-red circles) in
the DM. d is the distance between the closest neighbors.

─ 16 ─

of the DM are shown: no voltage is applied to the PAs (right)
and equal voltages are applied to intermittent PAs (left). No
cross-talk between neighboring PAs means that the left- andright PAs (xi-1, xi+1) from the ith PA (xi) to which a voltage isapplied, do not move. Mathematically, for ith PA displacement
this can be expressed as follows:

𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭 𝒙𝒙𝒊𝒊 � 𝒂𝒂 � 𝒙𝒙 � 𝒙𝒙𝒊𝒊 � 𝒂𝒂 𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂 𝒚𝒚𝒊𝒊 � 𝒂𝒂 � 𝒚𝒚 � 𝒚𝒚𝒊𝒊 � 𝒂𝒂

𝒁𝒁𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚� � 𝑪𝑪𝒊𝒊 ∗ 𝑽𝑽𝒊𝒊 ∗ 𝑰𝑰𝑰𝑰𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚�

Fig. 2. Schematic procedure for determining the IFs for a DM.
Left panel: View of the DM when PA0 (top) and PA26

(2a)

𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭𝑭 𝒙𝒙𝒊𝒊 � 𝒂𝒂 � 𝒙𝒙 ; 𝒙𝒙 � 𝒙𝒙𝒊𝒊 � 𝒂𝒂 𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂𝒂 𝒚𝒚𝒊𝒊 � 𝒂𝒂 � 𝒚𝒚 ; 𝒚𝒚 � 𝒚𝒚𝒊𝒊 � 𝒂𝒂

𝒁𝒁𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚� � 𝑪𝑪𝒊𝒊 ∗ 𝑽𝑽𝒊𝒊 ∗ 𝑰𝑰𝑰𝑰𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚� � 𝟎𝟎(bottom) are displaced. Right panel: Displacement of(2b)

PA0 (top) and PA26 (bottom) and corresponding DM
shapes in lateral view. Red colored curves on the rightpanel indicate the DM surfaces while the yellow coloredbars indicate individual PAs, respectively.
The DM displacement Zi(x, y) is related to the corresponding

Fig. 3. Schematic description of the no cross-talk case: (left) No
voltage is applied to individual PAs; (right) Equal

influence function IFi(x, y) by the following equation:

𝒁𝒁𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚� � 𝑪𝑪𝒊𝒊 ∗ 𝑽𝑽𝒊𝒊 ∗ 𝑰𝑰𝑰𝑰𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚�

voltages are applied to intermittent PAs. Zi(x, y) is thedeformation of the DM surface when Vi voltage is(1)applied only to the ith PA. Z(x, y) is the total deformationof the DM surface when Vi voltages are applied toHere the Ci [m/Volts] is the ith PAs response constant, Viintermittent PAs (… xi-4, xi-2, xi, xi +2, xi+4 …). Note that

[Volts] is the externally applied voltage to the ith PA, and IFi(x,the Z axis is in m units while the X axis is in cm.

y) is the unitless normalized influence function of the ith PA. For
each PA at (xi, yi) coordinates, the corresponding value of the IFi
at (xi, yi) is unity, i. e., the IFi(xi , yi) = 1. Hence, from eachmeasured Zi(x, y) both Ci and IFi(x, y) for the i PA can bethdetermined, if the value of the externally applied voltage Vi is

From above considerations it follows that for any j ≠ i,
IFj(xi , yi) = 0. Hence, the total deformation of the DM surface
can be expressed as the sum of the deformations caused by the
N individual PAs when operated separately, i. e.

known. Next, we will consider modelling of the DM control for
two cases: with- and without the cross-talks between theneighboring PAs.

���
𝒁𝒁�𝒙𝒙, 𝒚𝒚� � ∑���𝒊𝒊 � 𝟎𝟎 𝒁𝒁𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚� � ∑𝒊𝒊 � 𝟎𝟎 𝑪𝑪𝒊𝒊 ∗ 𝑽𝑽𝒊𝒊 ∗ 𝑰𝑰𝑰𝑰𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚� (3)This case is desirable for reproducing a given random
3．Modeling the DM

wavefront by N discrete PAs. The shape of the IFi(x, y) is a

3. 1 Case I: No cross-talk between the neighboring PAspriori given and is determined by the DM material parameters

This case is schematically illustrated in Fig. 3, where two states
─ 17 ─

(stiffness, roughness, etc.), thickness and radius of the mirror,

3. 2. 1 Calculation procedure for determining Vi Voltages

distances between individual PAs, etc. These parameters cannot

for a DM with cross-talk components

be changed by applying an external voltage. Hence, the mostLet’s assume that the wavefront to be reproduced is accurately

optimal control of the DM with N PAs would be moving eachmeasured, and Ci coefficients and IFi(x, y) functions for all PAs

ith PA to the position where Z(xi , yi) = Zi(xi , yi) = Ci*Vi*IFi(xi ,in a DM are known. To consider the cross-talk contributionsyi) = Ci*Vi , because IFi(xi , yi) = 1.

from the neighboring PAs, a set of linear equations has to becomposed and solved. This is illustrated in Fig. 5 for 2 PAs

3. 2 Case II: Cross-talk between the neighboring PAs(number 0 and 60) and the group of 61 Eqs. 4.

This case is schematically illustrated in Fig. 4, where two states
are shown: No voltage is applied to the PAs (right) and equal
voltages are applied to intermittent PAs (left). Cross-talkbetween neighboring PAs means that the left- and right PAs (xith1, xi+1) from the i PA (xi) to which a voltage is applied, moveeven without applying an external voltage to them.

Fig. 5.

Illustration of the cross-talk contributions of theneighboring PAs on 0th and 60th PA, respectively, inFig. 4. Schematic description of the cross-talk case: (left) No
voltage is applied to individual PAs; (right) Equal
voltages are applied to intermittent PAs. Zi(x, y) is thedeformation of the DM surface when Vi voltage isapplied to the ith PA. Z(x, y) is the total deformation of
the DM surface when Vi voltages are applied tointermittent PAs (… xi-4, xi-2, xi, xi +2, xi+4 …). Even no
voltages are applied to the neighboring PAs (… xi-5, xi-3,
xi-1, xi +1, xi+3 …) they are displaced due to the material
properties and geometry of the DM. Note that the Z axis
is in m units while the X axis is in cm.
In this case, moving each ith PA to the position where Z(xi ,yi) = Zi(xi , yi) = Ci*Vi, would be erroneous and will not
reproduce the desired Z(x, y) shape due to the non-zerocontributions from neighboring PAs (IFi-1(xi , yi) and IFi+1(xi , yi)
are not zero). In other words, the condition given by the Eq. (2b)is not fulfilled. Hence, to control a DM with cross-talk between
the neighboring PAs, one needs to take into consideration thecontributions from the neighboring PAs.

a hexagonally arranged DM with 61 PAs.

𝒁𝒁𝟎𝟎 �𝒙𝒙𝟎𝟎 , 𝒚𝒚𝟎𝟎 � � �𝟎𝟎 𝑽𝑽𝟎𝟎 � �𝟏𝟏 𝑽𝑽𝟏𝟏 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟏𝟏 �𝒙𝒙𝟎𝟎 , 𝒚𝒚𝟎𝟎 � � �𝟐𝟐 𝑽𝑽𝟐𝟐 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟐𝟐 �𝒙𝒙𝟎𝟎 , 𝒚𝒚𝟎𝟎 � ���𝟑𝟑 𝑽𝑽𝟑𝟑 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟑𝟑 �𝒙𝒙𝟎𝟎 , 𝒚𝒚𝟎𝟎 � � �𝟒𝟒 𝑽𝑽𝟒𝟒 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟒𝟒 �𝒙𝒙𝟎𝟎 , 𝒚𝒚𝟎𝟎 � � �𝟓𝟓 𝑽𝑽𝟓𝟓 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟓𝟓 �𝒙𝒙𝟎𝟎 , 𝒚𝒚𝟎𝟎 � ���𝟔𝟔 𝑽𝑽𝟔𝟔 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟔𝟔 �𝒙𝒙𝟎𝟎 , 𝒚𝒚𝟎𝟎 �(4)

𝒁𝒁𝟔𝟔𝟔𝟔 �𝒙𝒙𝟔𝟔𝟔𝟔 , 𝒚𝒚𝟔𝟔𝟔𝟔 � � �𝟔𝟔𝟔𝟔 𝑽𝑽𝟔𝟔𝟔𝟔 � �𝟑𝟑𝟑𝟑 𝑽𝑽𝟑𝟑𝟑𝟑 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟑𝟑𝟑𝟑 �𝒙𝒙𝟔𝟔𝟔𝟔 , 𝒚𝒚𝟔𝟔𝟔𝟔 � ���𝟑𝟑𝟑𝟑 𝑽𝑽𝟑𝟑𝟑𝟑 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟑𝟑𝟑𝟑 �𝒙𝒙𝟔𝟔𝟔𝟔 , 𝒚𝒚𝟔𝟔𝟔𝟔 � � �𝟓𝟓𝟓𝟓 𝑽𝑽𝟓𝟓𝟓𝟓 𝑰𝑰𝑰𝑰𝟓𝟓𝟓𝟓 �𝒙𝒙𝟔𝟔𝟔𝟔 , 𝒚𝒚𝟔𝟔𝟔𝟔 �

In the group of Eqs. 4, the Zi(xi , yi) are the resulting
displacements of 61 PAs (referred as Z – displacement vector).
Vi(xi , yi) are the voltage signals to 61 PAs (referred as V –voltage vector). Let us look at the first equation in the group of
Eqs. 4. The total displacement of the 0th PA is resulted by theapplied voltage to the 0th PA, and contributions from the 1st, 2nd,
3rd, 4th, 5th, and 6th PAs. In Fig. 5 it is illustrated by a black dotted
circle. Similarly, the total displacement of the 60th PA is resulted
by the applied voltage to the 60th PA, and contributions from the─ 18 ─

36th, 37th, and 59th PAs, respectively. In Fig. 5 this is alsomodelling the DM control procedure analytically, we

illustrated by a black dotted circle. In analogy, the total

approximate the influence functions of 61-element DM piezo-

displacement of any ith PA is resulted by the applied voltage toactuators in a form of circularly symmetrical Gaussian

the ith PA, and contributions from the neighboring PAs. As a

distribution as follows:

result, one will get a set of N linear equations with N variables
Vi , (i = 0…60), and by solving it, one will get the values of the

𝑰𝑰𝑰𝑰𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝒚𝒚� � ��� ����𝜺𝜺� ∗ �𝟐𝟐��𝒙𝒙�𝒙𝒙𝒊𝒊 �𝟐𝟐 ��𝒚𝒚�𝒚𝒚𝒊𝒊 �𝟐𝟐
𝒅𝒅

𝝈𝝈

� �

(7)

Vi voltages required for reproducing a given DM surface Zi. It is

Here (xi , yi) are the location coordinates of the ith PA,  is thevery convenient to write the system of linear equations (Eqs. 4)

influence (coupling) ratio between the neighboring PAs and its

in a matrix formalism, i. e.

value is set within 0 <  < 1 interval, d is the distance between

�����

(5)

the PAs, and  is the Gaussian index which value can bevaried depending on the used deformable mirror material
parameters, geometry, thickness, radius, distances between
individual PAs, etc. As an example, let us analyze the profile ofthe IF given by the Eq. 7 for the following conditions: xi = 0, yi= 0, y = 0. The Eq. 7 will be reduced to:|𝒙𝒙| 𝝈𝝈

Here Z is the displacement vector, V is the voltage vector and

𝑰𝑰𝑰𝑰𝒊𝒊 �𝒙𝒙, 𝟎𝟎� � ��� ����𝜺𝜺� ∗ � � �𝒅𝒅

M is the DM response (influence) matrix of the (N x N) size -(8)unique for each real DM. Note that the structure of the M matrix

In Fig. 7, main properties of the analytical IF, given by the Eq.

depends on the geometry of the DM and the line-up of the PAs.

8, are presented. As one can see (Fig. 7, left), for fixed  and d,

The physical meaning of the M matrix structure is easy toincreasing  means stronger cross-talk between the neighboring

comprehend; on the ith line (or row) are all those components

PAs. On the other hand, for fixed  and d (Fig. 7, right),

which affect (or affected by) the displacement of the ith PA. The

increasing means more flat-top, but steeper sides of the IF

Mij component of the M matrix shows the influence component

profile. Summarized, the flexibility of the analytical IF functionof the jth PA on the ith PA.

given by the Eq. 7 makes possible addressing different DMs

Finding the solution of the Eq. 5 is straightforward:

and control cases. In Fig. 8, (x, 0) profiles of typical model
influence functions with- and without cross-talk, used in our� � ��� � �(6)calculations, are presented.

Here M -1 is the inverse matrix of M. Summarized, when M
matrix is known, for each given Z – displacement vector it isstraightforward to determine the V – voltage vector.
4. Analytical model for the influence function IF

Fig. 6. Analytical influence function profile IF0(x, 0) for d = 1

To determine the V – voltage vector, one needs to know the

cm; left: IF0(x, 0) for fixed  and varying ; right: IF0(x,influence functions IFi(x, y) for all PAs (i = 0 … 60). For a real0) for fixed  and varying . The numbers on the x – axis

DM, the IFi(x, y) is determined experimentally. However, forindicate the distances and positions of individual PAs.

─ 19 ─

components has been measured:Z(x, y) = 0*Z0 + 0.09*Z1 - 0.08*Z2 - 0.021*Z3 - 0.536*Z4+ 1.149*Z5 - 0.075*Z6 + 0.745*Z7 - 0.275*Z8 + 0.19*Z9 0.035*Z10 + 0.16*Z11 + 0.21*Z12 - 0.065*Z13 - 0.1*Z14(9)Here Z(x, y) is the phase distortion of the measured WF in munits. Z0 … Z14 are the first 15 Zernike polynomials multiplied
Fig. 7. Influence function profile IF0(x, 0) for d = 1 cm; redwith randomly chosen Zernike coefficients. We intend

curve: describing the case I (no cross-talk between thecompensating Z(x, y) by a DM (Fig. 1) which is set at 5 degrees

close neighbors); blue curve: describing the case II (10 %to the normal of the incident beam with diameter D = 8 cm.

cross-talk between the close neighbors). Corresponding

Influence functions of 61 PAs are described by the Eq. 7 with

IF parameters are shown in the figure insets. The

parameters:  = 0.001,  = 3.3, and the distance d between

numbers on the x – axis indicate the distances andclosest PAs is 1 cm. The results are summarized in the Fig. 8.

positions of individual PAs. The PAs aligned along the x– axis (thick green segments) are also shown for clarity.
In the following, we will present and discuss two modelcalculation examples of the random wavefront distortioncompensation by the DM control technique described above.
This will be done using influence function parameters given in
the inset of Fig. 7, describing the cases with- and without cross-Fig. 8. An example of random wavefront distortion

talk, respectively. Furthermore, it will be shown that in mostcompensation by the DM with 61 PAs; Case I: 0.1 %cases, when non-negligible cross-talk effect between the( = 0.001) cross-talk between the closest

neighboring PAs exists but is neglected in the calculations,neighboring PAs. See the figure insets and text forerroneous sets of V – voltage vectors are obtained. In all

more details. The color code in both A (desired

examples, the Single Index Zernike polynomials are usedshape) and B (achieved shape) wavefronts is theaccording to the definition of the ANSI Z80.28/ISO 24157

same for easy visual comparison. On the right panel,standard6), hence they are not redefined again in this report. We(x, 0) profiles of A and B shapes are presented.

note also that the roundtrip and incidence angle effects on the
DM control have been included in the calculations. All

Summarized, good reproduction of the desired shape of the DM

calculations were performed using a code written for PTC

could be achieved in Case I (negligible cross-talk) for random

Mathcad Prime 3.0 software.

sets of Zernike coefficients (Eq. 9), indicating successful controlof DM with Case I characteristics. In most cases, however, the5. Calculation examples for WF compensation

cross-talk between the neighboring PAs is not negligible and5. 1 Case I: No cross-talk between the neighboring PAs

has to be taken into consideration for successful control andLet us assume that a WF with the following Zernike

operation of the real DM.

─ 20 ─

5. 2 Case II: 10% cross-talk between the neighboring PAs

effect between the neighboring PAs is included in the

Let us assume that a WF with the following Zernike

calculations (Fig. 9B), however, when the 10 % cross-talk effectcomponents has been measured:

exists, but is neglected in the calculations (Fig. 9C), thereproduction of the desired shape is not satisfactory. In that caseZ(x, y) = 0*Z0 + 0.35*Z1 - 0.35*Z2 + 0.3*Z3 - 0.7*Z4 +erroneous sets of V – voltage vectors are calculated (often an

0.2*Z5 + 0.5*Z6 + 0.2*Z7 + 0.24*Z8 + 0.22*Z9 + 0.3*Z10 -overshoot in the generated voltages occurs). This is also clearly

0.4*Z11 + 0.5*Z12 - 0.34*Z13 + 0.5*Z14

seen in the bottom panel of the Fig. 9, where (x, 0) profiles of A

(10)

and B shapes, as well as A and C shapes are presented forHere Z(x, y) is the phase distortion of the measured WF in mcomparison, respectively.

units. Z0 … Z14 are the first 15 Zernike polynomials multipliedwith randomly chosen Zernike coefficients. We intend

6．Summary and Conclusions

compensating Z(x, y) by a DM (Fig. 1) which is set at 5 degrees

A DM control model based on prior determination of theto the normal of the incident beam with diameter D = 8 cm.

Influence Functions (IF) of individual PAs is described for

Influence functions of 61 PAs are described by the Eq. 7 with

“open-loop” applications. A model analytical IF in a form ofparameters:  = 0.1,  = 2, and the distance d between closest

circularly symmetrical Gaussian distribution is introduced. Two

PAs is 1 cm. The results are summarized in the Fig. 9.

model cases, without- and with a cross-talk between theneighboring PAs in the DM, are elucidated. Calculations showthat for random sets of Zernike coefficients, good reproductionof the desired shape of the DM could be achieved in the casewhen negligible cross-talk between neighboring PAs is present.
However, when the cross-talk between the neighboring PAs is
not negligible, it has to be taken into consideration for successful
control and operation of the real DM.
Acknowledgment
This work was supported by the Innovative Science andFig. 9. An example of random WF distortion compensation by
the DM with 61 PAs; Case II: 10% ( = 0.1) cross-talk

Technology Initiative for Security, ATLA, Japan.

between the closest neighboring PAs. See the figure
insets and text for more details. The color code in all

References

three shapes A (desired shape), B (achieved shape

1)

P. W. Milonni: Am. Journal of Physics, 67 (6), 476 – 485, 1999.

including cross-talk), and C (achieved shape neglecting

2)

A. Greenaway, and J. Burnett: IoP Publishing Ltd., Bristol, 2004.

cross-talk) is the same for easy visual comparison. On

3)

M. S. Zakynthinaki, and Y. G. Saridakis: Numerical Algorithms,

the bottom panel (x, 0) profiles of A and B shapes, aswell as A and C shapes are presented for comparison.

33 (1), 509 – 520, 2003.
4)

M. Rais, J.-M. Morel, et al.: Appl. Opt., 55 (28), 7836 – 7846, 2016.

5)

M. B. Roopashree, A. Vyas, and B. R. Prasad: ACEEE Int. J. on

From Fig. 9 it can be seen that the reproduction of the desired
DM shape (Fig. 9A) is quite good when the 10 % cross-talkControl System and Instrumentation, 03 (02), 10 – 14, 2012.
6)

─ 21 ─

https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:24157:ed-1:v1:en

共鳴ラマンライダーを用いた大気中微量有害物質検知に向けた
深紫外波長可変光源の開発
1

レーザープロセス研究チーム、2 レーザー計測研究チーム
染川智弘 1、ハイクコスロービアン 1、谷口誠治 2

１．はじめに共鳴ラマン効果の原理検証と検知システムの開発を担

大気中の微量有害物質の遠隔検知については、民生分

当し、電中研が集光系（望遠鏡）開発、ラマン分析（物野、防衛分野を問わず多種多様な物質を対象としてニー

質同定）手法開発、レーザー総研がピーク強度の大きい

ズがあり、リアルタイムで、分子種・状態が異なる様々

深紫外波長可変レーザーシステムの開発を担当し、深紫な微量有害物質に適用可能な計測手法が望まれている。

外共鳴ラマンライダー技術の実現に向けた研究開発を遠隔からリアルタイムな成分分析を可能とする手法と実施している 1,2)。

してラマンライダーがあるが、ラマン散乱現象が微弱で

深紫外波長領域で波長が可変なレーザー光源として、あるために、特に遠隔での微量分析は困難であった。そOPO 方式と Ti:S 方式と呼ぶ 2 種類のレーザーシステム

こで、対象物質の吸収帯に一致した波長で発振するレーを検討している。OPO 方式は Nd:YAG レーザーの第 3

ザー光を用いることで、ラマン散乱光が著しく増大する

高調波（波長：355 nm）をベースとし、光パラメトリッ

共鳴ラマン効果に着目し、共鳴ラマンライダーによる大ク発振（Optical Parametric Oscillation: OPO）を利用して気中微量有害物質遠隔計測技術の開発を（株）四国総合

波長 410 nm 以上で発振する波長可変レーザー光を発生研究所、（一財）電力中央研究所、（公財）レーザー技

させ、その第 2 高調波変換により 210～300 nm で発振す

術総合研究所の 3 所で開始した。

る深紫外波長可変レーザーを得るシステムである。また、

SO2、NH3 などの有害物質は、分子構造が比較的シン

Ti:S 方式は、波長 700～1000nm の広帯域で発振波長がプルであり、光吸収帯は主に深紫外領域（200～300nm）

可変であるチタンサファイア（Ti:S）レーザーをベースに存在する。そのため、多種多様な有害物質を共鳴ラマとし、それを第 2、第 3、第 4 高調波と波長変換して、ンライダーで識別するには、深紫外波長領域で光吸収帯

深紫外波長領域で発振波長が可変なレーザー光を得るに同調可能な光源の開発、受光系の開発、ならびに共鳴システムである。OPO 方式はパルス幅の短いレーザー

ラマン効果の原理検証が必要である。四国総研は紫外域を得るのに適した方式であるのに対し、Ti:S 方式では発振線幅が狭く、ビーム品質が良いレーザー光を得られるという特長がある。四国総研での共鳴ラマン効果の原理
検証実験において、レーザー波長を測定対象の吸収帯に一致させる共鳴ラマン測定では、発振線幅の狭いレーザーが有効であるとの結果を受け、現在は Ti:S 方式での開発を主に進めている。

２．深紫外波長可変光源の発振線幅による SO2 の共鳴ラ
マンスペクトル測定
図 1 共鳴ラマンライダーによる大気中微量有害物質
検知のイメージ

共鳴ラマン散乱では、対象物質の吸収線にレーザーの─ 22 ─

発振波長を一致させる必要があるため、共鳴ラマン散乱

50 mm のレンズでフローガスセル内に集光照射される。

光強度が最大となるように、レーザーの発振線幅を最適

この誘電体ミラーは波長 213 nm を中心として、217 nm

化することが重要と考えられる。波長可変 Ti:S レーザ

程度までは 95%程度の反射率を示し、残り 5%は透過すーは、共振器内にエタロンを挿入することで、発振線幅る。より長波長の 220 nm 以上では 10%以上の透過率をを狭くすることが可能である。実際に SO2 の共鳴ラマン示す。発生した後方ラマン散乱は集光照射に用いた同じ実験を実施し、エタロン挿入の有無が、散乱光強度に及焦点距離 50 mm のレンズで集められコリメートされたぼす影響を検討した。

後、誘電体ミラーと波長 220 nm のエッジフィルターを

表 1 にエタロンあり・なしによる波長可変 Ti:S レー

通り、焦点距離 50 mm のレンズを用いて光ファイバー

ザーの発振特性を示す。基本波の波長は 868 nm で、そに集光され、CCD カメラ付き分光器に導かれる。波長の第4 高調波の波長217 nm がSO2 の吸収線に一致する。

213 nm の誘電体ミラーでは、入射レーザー光と同じ波発振線幅の測定にはハイフィネス社のスペクトラムア

長の、光学素子による反射光やレイリー散乱光などはほ

ナライザ LSA UV-II/VIS を利用した。線幅の測定限界は

とんどレーザーシステムの方向に反射される。一方、励

5 pm である。エタロンを入れない際のパルスエネルギ

起レーザー波長よりも長波長のラマン散乱成分はこのーは 21.4 mJ、発振線幅は 55 pm であり、エタロンを入誘電体ミラーを透過する。透過したラマン散乱光は、エれるとパルスエネルギーは 9.73 mJ まで減少し、発振線

ッジフィルターでさらに反射光やレイリー光成分を除

幅は測定限界以下の 5 pm 以下となった。この基本波パ

去した後、光ファイバーに導入される。

ルスを第 4 高調波まで波長変換すると、エタロンなしの

図 2(b)にフローガスセルの写真を示す。
N2 ガスをバッ場合では、パルスエネルギー0.922 mJ、発振線幅 10.2 pm

ファガスとし、1%の SO2 ガスを 500 cc/min.などの一定が得られた。一方、エタロンありの場合は、パルスエネの流量でフローさせることが可能である。ガスセルを通

ルギー0.167 mJ、発振線幅 5 pm 以下となった。基本波か過後の SO2 ガスは、N2 ガスで希釈された後、SO2 ガスをら第 4 高調波への変換効率はエタロンあり、なしで、そ吸着させ、無害化させる除害筒を通って、屋外に放出されぞれ 1.72、4.32%となった。

れる。ガスセルには開口径 30 mm の合成石英製の窓がこのエタロンあり・なしの 2 種類の条件と、エタロン
なしで第 4 高調波の波長変換結晶の角度を少しずらして、パルスエネルギーを 0.345 mJ とした条件で、SO2 の共鳴ラマン測定を実施した。
図 2 に SO2 ガスの共鳴ラマン散乱測定光学系のブロック図とフローガスセルの写真を示す。レーザー光は波長 213 nm の誘電体ミラーで 90°曲げられて、焦点距離表 1 エタロンあり・なしによる波長可変 Ti:S レーザ
ーの発振特性
パルスエネルギー（線幅）変換効率（868→217）

868 nm

217 nmエタロン
あり

9.73 mJ(< 5 pm)

0.167 mJ(< 5 pm)

1.72%

エタロン
なし

21.4 mJ(55 pm)0.922 mJ
(10.2 pm)4.32%

図 2 (a) SO2 ガスの共鳴ラマン散乱測定光学系のブロック図と(b)フローガスセルの写真
─ 23 ─

4 面に取り付けられている。また、ガスセルには連成計も取り付けており、ガスを陽圧で封じ切って測定することも可能である。
図 3 に波長可変 Ti:S レーザーの共振器内にエタロンを出し入れし、レーザー発振線幅を変化させた場合に得られた SO2 の共鳴ラマンスペクトルを示す。スペクトル測定は 1000 回平均で実施し、em-ICCD の gain は 1000とした。スペクトルには SO2 ガスによるラマン信号だけ

図 4 共鳴ラマン強度（2279 cm-1）とパルスエネルギ

でなく、複数の蛍光スペクトルも現れているが 3)、エターの関係

ロンあり・なしによって得られるスペクトル形状に変化がないことから、同じ共鳴ラインを励起できていると考慮すると狭帯域化を実施する必要がないことがわかっえられる。1151 cm の SO2 ガスのラマンピークはレイた。

-1

リー波長成分の裾に位置しており、それによるベースラ
イン強度が高く、ラマン成分の評価が難しいことから、

３．まとめ

2279 cm-1 のラマン信号を利用して、エタロンあり・なし

大気中の微量有害物質の遠隔検知に向けた共鳴ラマのパルスエネルギーとラマン信号強度の関係を評価しンライダーの光源として、深紫外波長可変光源を開発した（図 4）。

ている。発振線幅が狭い Ti:S レーザーの第 3、4 高調波

黒●の 2 点はエタロンなしの場合の測定点、赤▲はエによって深紫外波長の出力を得ることが可能であり、実タロンありの場合の測定点である。点線はエタロンなし

際に SO2 の共鳴ラマン測定を実施することによって、発の黒●2 点の線形近似直線で、原点を通る直線となる。

振線幅が共鳴ラマン効果に与える影響を評価した。今後

エタロンありの場合もこの直線上に乗ることから、発振は短パルス化、高出力化試験を実施し、高ピーク強度な

線幅を狭くしても、得られるラマンスペクトル強度が増

紫外波長可変レーザーシステムを実現したい。

加するなどの傾向はないことがわかる。これより、波長217 nm の SO2 ガスの共鳴線の幅は 55 pm よりかなり大謝辞

きいと考えられ、レーザーの発振線幅を 55pm から 5 pm

本研究の一部は、防衛装備庁安全保障技術研究推進制

以下に狭くすることは共鳴ラマン効果の利用には有効度委託事業の一環として行ったものである。関係各位にではなく、エタロン挿入による波長変換効率の減少を考深く感謝の意を表します。

参考文献
1）

T. Somekawa, G. Khosrovian, S. Taniguchi, and D. Li, Proc.
SPIE, 11160, 11160-27, 2019.

2）

I. Asahi, S. Sugimoto, Y. Ichikawa, M. Ogita, H. Kodama, S.
Eto, T. Higo, T. Somekawa, H. Chosrowjan, S. Taniguchi,
Proc. SPIE, 11166, 11166-33, 2018.

3）

図 3 エタロンあり・なしの SO2 ガスの共鳴ラマンス
ペクトル─ 24 ─

B. Parsons, L. J. Butler, D. Xie, and H. Guo: Chem. Phys. Lett.
320, 499, 2000.

レーザーラマン分光を利用した水中油の遠隔計測技術の開発
レーザープロセス研究チーム
染川智弘
１．はじめにた。
使用したレーザー光は波長 532 nm、
パルス幅 10 ns、

日本の領海・排他的経済水域は国土の面積の 12 倍程

繰り返し 10 Hz、パルスエネルギー20 mJ である。この度も大きく、レアアースに代表される海底鉱物資源やメレーザーを集光せずに光学セルに照射し、後方約 25°

タンハイドレートの採掘、CO2 を海底地層に圧入して大の位置からラマン散乱を測定している。集光光学系には規模削減を目指す CCS(Carbon dioxide Capture and532 nm のエッジフィルターを挿入し、背景光となる波

Storage)、石油などのエネルギー資源を輸送する海底パ

長 532 nm のレイリー光をカットしている。光ファイバ

イプラインなどの有効な海底利用が期待されている。海ーでミニ分光器（BroLight, BIM-6703）まで導き、スペク

底開発では資源探査手法の開発だけでなく、海底インフトルを測定した。
CCD カメラの露光時間は4 ms であり、ラのメンテナンスや事故の早期発見、海底開発に伴う海100 回積算信号の 5 回平均のスペクトルを取得した。測洋生態系・環境への影響評価が重要とされている。現状

定の波長分解能は 1.4 nm である。

の採取・採水測定では評価の頻度や評価可能なエリアに

図 1(b)に油のラマンスペクトルを示す。1290 cm-1 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

1450 cm-1 がそれぞれ、C-H と CH3-CH2 の変角モードにグできる手法の開発が望まれる。筆者のグループでは、

よる散乱信号である。
1660 cm-1と1750 cm-1がそれぞれ、

広範囲の海水領域を効率よくモニタリングすることをC-C と C=O の対称伸縮モードであり、2910 cm-1 に見ら目指して、海水中に含まれる CO2 ガスの濃度などを、遠れる大きな信号が C-H の対称伸縮モードによるもので隔から、ラマン散乱で測定するラマンライダー技術を開ある 9-11)。また、これらのラマンスペクトルは油の構造発中である。ライダーシステムを船舶に搭載し、レーザに由来するために、油種の識別も可能である 12)。

ー光を船上から海へ照射可能な海上ラマンライダーシ
ステムを開発し、沼津や竹富島近海での海上観測を実施してきた 1-7)。
本報告では、新たな水中レーザーリモートセンシング
手法の発展を目指し、海底パイプラインからの油流出事
故の遠隔検出を目標として実施したレーザーラマン分
光実験の結果を紹介する 8)。水中に置いたガラスセル内の油試料に対して、2910 cm-1 の C-H の対称伸縮モードのラマン散乱信号を利用して、油量の定量評価が可能であることがわかった。

２．油試料のラマンスペクトル
図 1(a)に油試料の測定光学配置を示す。本実験では、
キャノーラ油（植物油）をサンプルに利用した。油試料は光路長が5 mm の4 面が研磨面である蛍光セルに入れ

図 1 油試料の(a)測定光学配置と(b)ラマンスペクトル─ 25 ─

ペクトル（露光時間：4 ms）を取得した。

３．長水槽による水中油の遠隔計測実験
これまで、水中のガスをラマン散乱で検出する場合、スペクトルは、観測視野に含まれる水がほぼ均一であ

散乱光強度が大きい波長 355 nm のレーザーを利用してるために、3400 cm-1 に見られる水のラマン信号（O-H のきた。ところが、油に波長 355 nm のレーザーを照射す

対称伸縮モード）で規格化し、見やすいように、信号強ると蛍光が生じ、ラマン信号に対する信号雑音比度にオフセットをかけて並べてある。油からは信号強度（signal-noise ratio: SN 比）が低下する。そこで、油の検の大きな 2910 cm-1 の C-H の対称伸縮モードが水のラマ出には蛍光の影響が少なく、また水に対する吸収が比較

ン信号の裾に観測されている。挿入図に油の 2910 cm-1

的小さく遠方まで伝搬可能な波長 532 nm のレーザーを部分の拡大図を示しているが、光路長に応じて油のラマ利用することとした。

ン信号が大きくなっていることがわかる。したがって、

図 2 に長水槽による水中油の遠隔実験の様子、図 3(a)水中にある油に対してもラマン法による測定は可能でに光学配置図を示す。長水槽は 30 cm 角の開口であり、あり、海底パイプラインの油流出事故を遠隔から観測で長さは 6 m である。入出射の窓には合成石英を利用してきる可能性を示した。

いるため、紫外光の入射も可能である。長水槽は水道水

図 4 に油試料の光路長と 2910 cm-1 の油と 3400 cm-1 ので満たしている。使用したレーザーは上記の油試料の測水のラマン信号強度比との関係を示す。誤差は 5 回連続定と同じであるが、レーザーのパルスエネルギーは 100して測定した結果の標準偏差である。光路長 5, 10, 20

mJ である。油試料は光路長が 5、10、20 mm の蛍光セ

mm の 3 点の結果は、点線で示す直線近似でフィットす

ルに入れ、水中伝搬距離が 2 m の位置に設置した。ラマることが可能であるが、原点を通っていない。

ン散乱光は口径 20 cm の望遠鏡で集め、エッジフィルタ

これは、2910 cm-1 の油のラマン信号は、信号強度の大ーでレイリー光を除去した後、ミニ分光器で観測していきな水の裾に位置しており、水のラマン散乱信号強度のる。レーザーは蛍光セルに垂直に入試させ、観測視野中

ゆらぎ以下の信号は検出できないためだと考えられる。

のレーザーと油の相互作用長を変化させることで、測定する油の量を変化させた。
図 3(b)に長水槽による水中油の遠隔計測実験でのラマンスペクトルを示す。100 回積算信号の 5 回平均のス

図 3 長水槽での水中油遠隔計測実験の(a)光学配置図
図 2 長水槽による水中油の遠隔計測実験の様子と(b)ラマンスペクトル（光路長：5, 10, 20 mm）
─ 26 ─

られるラマン信号強度は大気中と比べて半分程度になる。そのため、より遠距離での観測を実施するには、レーザーの高出力化が必要になる。

４．まとめ
レーザーを利用したリモートセンシング手法の新たな応用を目指して、海底パイプラインでの油漏えい事故
図 4 油試料の光路長と 2910 cm-1 の油と 3400 cm-1 の水を遠隔から評価する手法を開発している。水中にある油でも 2910 cm-1 などの油由来のラマン信号を利用するこのラマン信号強度比との関係とで遠隔から識別可能であることを示した。今後は、検出限界はこの近似直線の X 軸との交点とすると、油ICCDカメラを利用した時間ゲートスペクトル測定だけの長さにして約 5.0 mm である。

でなく、油のラマン信号波長でのライダー観測も実施し今回の実験では、遠隔操縦型の ROV（Remotely

たい。

Operated Vehicle）や自律航行型 AUV（Autonomous
Underwater Vehicle）などに装置を搭載することを想定し謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP25871083, JP15H05336,て、小型の分光器を利用したため、信号強度の大きな
2910 cm-1 の信号しか観測できなかったが、ダークカウン

JP18H01929 の助成を受けて実施した。

トが少なく、感度の高い分光システムを利用すれば、検出感度が向上するだけでなく、図 1(b)に示した 1290～

参考文献

1750 cm-1 に見られる微細なラマンスペクトルの観測

1）

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

も可能になり、より詳細な油の識別が実施可能になるのではないかと考えている。 また、スペクトル強度ゆら

2）

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

ぎはスペクトル強度の平方根に比例するために、レーザ

3）

T. Somekawa, T. Takeuchi, C. Yamanaka, and M. Fujita:
Proc. of SPIE, 9240, 92400J, 2014.

ー出力の増加によっても検出感度の向上は期待できる。
本実験では、
散乱信号を取得する時間ゲート幅を4 ms

4）としているために、6 m 分の水からの散乱信号をすべて取得している。ICCD カメラを利用して、時間ゲート幅

T. Somekawa and M. Fujtia: EPJ Web of Conference, 119,25017, 2016.

5）

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

を 5 ns に短縮したとすると、水のラマン散乱信号は1.5

Abstracts of the 24th Congress of International Commission

m 分と小さくできる。水のラマン信号強度を減少させ、

for Optics, P3-08, 2017.

それに伴う強度ゆらぎの影響を小さくすることが可能

6）01021, 2017.

となるため、検出感度の向上や、より詳細なラマンスペ
7）クトル測定も可能となる。
波長 532 nm のレーザー光に対する水の減衰係数は0.0533 m-1 であり、水中を 2 m 伝搬すると、レーザーのT. Somekawa, S. Kurahashi, J. Kawanaka, and M. Fujita,
Proc. SPIE, 10791, 1079104, 2018.

8）

出力は約 90%に減少する。一方、2910 cm-1 の油のラマ
ン光（629 nm）に対する水の減衰係数は 0.319 であり、T. Somekawa and M. Fujita, EPJ Web of Conferences, 176,

染川智弘, 伊澤淳, 藤田雅之, 河仲準二, 久世宏明, 第67 回応用物理学会春季学術講演会, 15p-B409-2, 2020.

9）

2 m の水中伝搬による減衰は約 53%に達する。水中で得─ 27 ─

T. Somekawa, M. Kasaoka, F. Kawauchi, Y. Nagano, M.
Fujita, and Y. Izawa, Opt. Lett. 38, 1086, 2013.

10）

Nagano, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 22, 229, 2015.
11）

Yin, J. Raman Spectrosc. 42, 1784, 2011.

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

染川智弘, 笠岡誠, 中井政明, 藤田雅之, 井澤靖和, レーザー研究, 44, 272, 2016.

X. F. Zhang, M. Q. Zou, X. H. Qi, F. Liu, C. Zhang, and F.

─ 28 ─

レーザー打音法による高架橋床版コンクリートの欠陥検査
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、大久保義晴 1)、橘吉宏 1)、嘉指登志也 1)、
加賀谷悦子 1)、石川裕一 1)、
1

中日本ハイウエイ・エンジニアリング名古屋（株）
図 1 にレーザー打音法の概念を示す。パルスのイ

１．はじめに
高度成長期に建設されたトンネルや高架橋などのンパクトレーザーをコンクリート表面に照射してコンク

構造物が高経年化し、近年、検査維持管理技術の確

リート表面を振動させ、その振動を検出用レーザーにより立が大きな社会的問題となっている。老朽化による計測する。振動スペクトルは内部欠陥の有無により変化す

事故を未然に防ぐためには、構造物の健全性を精度るため、振動波形を解析して、欠陥の有無を判定する。図

よく検査できる技術の開発が望まれている。

1 内のミラーを回転させることにより、コンクリート表面

トンネルや高架橋床版などの検査には打音検査法

上でレーザー照射位置を走査でき、また、装置を車両にが主に用いられている。ハンマーなどでコンクリ積載して自走させることにより、コンクリート表面

ートに振動を与え、振動音を作業員が耳で聞いて欠全体を検査することができる。

陥の有無を判定するものである。重労働で高所作業

この手法はコンクリートに振動を与え、その応答の危険を伴うことや、データの定量性に乏しく、劣を捉えて欠陥診断を行う点では、原理的に打音検査法

化の進行状況を判断しにくいことなどの問題がある。

と同じ検査手法であり、トンネルや高架橋床版の点検におこれらを解決するため、高速で客観的なデータを取いて、今まで蓄積された打音検査データをそのまま継承で得できる新しい検査方法の開発が求められている。

きる上に、遠隔からの計測が可能であること、短時間当研究所では打音検査法に代わる検査方法としてレーザで検査可能である等の利点がある。高架橋では下部に防ーを用いた検査方法 2),3)（以降、レーザー打音法という。
）

鳥ネットが張り巡らされていることが多いが、レーザー打を開発し、トンネルや高架橋での欠陥検出実験を実施し、音法ではネットを取り外す必要がなく、そのままの状態で実用化をめざして研究を進めてきた。

も計測が行える。

1)

本稿では、レーザー打音法を用いて高架橋床版コンクリートの欠陥検査を行った結果について紹介する。

２．レーザー打音装置
高架橋床版の浮き欠陥を検出に用いたレーザー打音装
置を図 2 a) に示す。コンクリート床版に衝撃を与えるイ
ンパクトレーザーには Q スイッチ Nd:YAG レーザー、表面振動検出用レーザーにはレーザードップラーシフト干
渉計を用いた。インパクトレーザーと同軸上に可視レーザ
図 1 レーザー打音法の概念ーを通し、インパクトレーザーの照射位置を肉眼で確認で─ 29 ─きるようにした。インパクトレーザー用電源やチラー、そ

陥深さは数 cm 程度である。図 2 b)はレーザー打音

れらを制御する制御盤、ならびに発電機をトラックに積載装置から橋梁床版に向けてレーザーを照射している

し、検査位置まで移動して検査を行える。発電機を備えてときの写真である。赤い点がインパクトレーザー、いるので、外部電源のない場所での検査も可能である。

緑色の点が振動検出用レーザーの照射位置である。

検出可能なひび割れ深さや内部空洞のかぶり厚はインパクトレーザーのエネルギーで決定される。こ

３．実験結果のレーザー打音装置で用いているインパクトレーザ

欠陥箇所にレーザー照射を行った場合の実験結果

ーの出力エネルギーは最大 2J であり、検出可能な欠を図 3 に示す。図 3 a)は欠陥箇所の写真である。赤と緑のレーザー照射点の下側にひび割れが見られる。打音検査ではこの部分で異音が検出されており、剥落の危険性があると判定されている。
図 3 b)はレーザー照射時に観測された振動波形である。インパクトレーザーは横軸の 0 ms の時点で照射されている。インパクトレーザー照射に伴うアa) 各コンポーネント

変位速度 (a.u.)a) 欠陥箇所の写真

時間 (ms)スペクトル強度 (a.u.)b) 欠陥部分を照射した場合の信号波形
SPmaxAft

SPaverAft

周波数 (kHz)c) b)から求めたスペクトル強度分布
図 3 欠陥部分を照射した場合の結果

b) レーザー照射の状態
図 2 レーザー打音装置
─ 30 ─

ブレーション音によりスパイク状の雑音信号が発生るが、レーザー照射直前にも振動波形を取得して、するため、レーザー照射から 0.5 ms までの時間帯のスペクトル強度分布を求め、平均値と最大値を算出

振動波形を除去している。図 3 b)の振動波形から求する。
このように、振動を特徴づける数値として、レーめたスペクトル強度分布を図 3 c)に示す。0.5, 1.1,
3.9, 4.2 kHz に卓越振動が現れている。

ザー照射直前のスペクトル強度分布の平均値

図 3 a)に示した欠陥近傍の健全箇所を照射した

SPaverBef と最大値 SPmaxBef、レーザー照射時の平場合の結果を図 4 に示す。図 4 b)では信号波形に振均値 SPaverAft と最大値 SPaverAft の数値を用いて動が見られず、図 4 c)にも卓越振動は現れなかった。

判定基準を検討することにする。次の 4 個のパラメ

このように欠陥個所と、健全箇所では明らかに振動ータを考える。
第 1 は、レーザー照射によって励起された振動のスペクトルが違うことがわかる。

エネルギーがどれほど大きいか（あるいは増加したか）の指標となるパラメータAver_Aft/Bef である。

４．欠陥の判定基準
測定箇所が欠陥部か健全部かを判定するため、ススペクトル強度の周波数積分（面積）は振動の大き

ペクトル強度分布より二つの特徴的な数値を取出しさの物理的指標となる。Aver_Aft/Bef はスペクトルて検討することにする。図 3 c) に示したように、強度分布の平均値を用いて(1)式で表示される。

第 1 はスペクトル強度分布の平均値 SPaver であり、

Aver_Aft/Befが大きいほど、レーザー照射により大き第 2 はスペクトル強度分布の最大値 SPmax である。

な振動が励起されたことを示す。

図 3 c)はレーザー照射時のスペクトル強度分布であ
Aver_Aft/Bef ൌୗ୔ୟ୴ୣ୰୅୤୲

ୗ୔ୟ୴ୣ୰୆ୣ୤

(1)

Aver_Aft/Befは剥離したコンクリートの容量が小さく、よく振動する欠陥の判定には有効なパラメータと考えられる。

第 2 は、レーザーで励起された振動の中で、最大の強度をもつ卓越振動モードにエネルギーが集中しa) 健全箇所の写真ているかの指標となるパラメータ DominAft であり、(2)式で表示される。

DominAft ൌୗ୔୫ୟ୶୅୤୲

ୗ୔ୟ୴ୣ୰୅୤୲

(2)

第 3 は、レーザーで励起される卓越振動モードb) 健全部分を照射した場合の信号波形のスペクトル強度に関する指標となるパラメータ
MaxAft/Bef で、(3)式で表示される。
MaxAft/Bef ൌc) b)から求めたスペクトル強度分布

ୗ୔୫ୟ୶୅୤୲

ୗ୔୫ୟ୶୆ୣ୤

(3)

MaxAft/Bef は、剥離しているコンクリートの厚

図 4 健全部分を照射した場合の結果

─ 31 ─

さが均一で、単一周波数で振動し、スペクトル強度

表 1 図 3、図 4 の結果から求めた４つのパラメータが大きくなる欠陥の判定に適したパラメータである。
第 4 のパラメータは AverAft/Bef とMaxAft/Befの

AverAft/Bef
DominAft
MaxAft/Bef
DefRec

積で、(4)式で表示する。

DefRec ൌୗ୔ୟ୴ୣ୰୅୤୲

ୗ୔ୟ୴ୣ୰୆ୣ୤

ൈୗ୔୫ୟ୶୅୤୲

ௌ୔୫ୟ୶୆ୣ୤

(4)

DefRec は、剥離部の容積が小さく、鉄筋付で剥離した厚みが均一な欠陥の判定に有効である。

欠陥部
健全部(図 3 c) （図 4
c）
25.4
2.0
3.7
3.2
37
2.0
936
4.0

欠陥部／
健全部
12.7
1.2
18.5
234

別の数 10 箇所の欠陥部に対して同様の計測を実施し、得られたスペクトル強度分布に対して

図 3c）と図 4c）のスペクトル強度分布の結果かAverAft/Bef 〜DefRec のパラメータを計算した。そら 、 (1) 〜 (4) 式 を 用 い て 計 算 し た パ ラ メ ー タの結果、DefRec で欠陥部と健全部の識別度が最も大AverAft/Bef 〜 DefRec の 値 を 表 1 に ま と め た 。

AverAft/Bef と MaxAft/Bef では欠陥部と健全部での差が大きく出るが、DefRec ではその差が際立ったもきくなることを確認した。

５．ペイント処理した高架橋床版の検査のになっている。

高架橋では、高架下を一般車両や人が通行する可能性があるため、コンクリート片の落下防止用にコンクリート表面にペイント処理を施す場合がある。
図 5 はペイント処理を施した部分に発生した浮き欠陥である。表面にひび割れは見られないので、内部の鉄筋が錆びて、その周りのコンクリートに、表面と平行に、ひび割れが発生したものと思われる。インパクトレーザーを照射してもレーザーが照射された痕、「レーザー痕」は発生しなかった。ここにレーa) コンクリート表面にペイント処理した部分に発生した欠陥

ザーを照射したときの振動波形とスペクトル強度分
布を図 5 b)、c)に示す。2kHz の位置に卓越振動が見られる。
図 6 はペイント処理されている健全部 a)に対してレーザー照射したときの振動波形 b)とスペクトル
強度分布 c)である。図 5、図 6 よりパラメータ W のb) 欠陥部分を照射した場合の信号波形

大きさを評価（計算でもよい）した結果、欠陥部に対してはDefRec = 34.8が得られ、健全部に対しては
DefRec = 7.6c) b)より求めたスペクトル強度分布
図 5

ペイント処理したコンクリート表面に発生が得られた。欠陥部では健全部の〜5 倍大きいとなった。

した欠陥部分を照射した場合の結果
─ 32 ─

のパラメータ W の定量化を進めていきたい。
欠陥判定のアルゴリズムには、京都大学が提案する LSCF 法 4)や、ウェーブレット法 5)がある。ここで提案したパラメータ DefRec もアルゴリズムに成長していく可能性がある、今後、AI 等を用いた判定ア
ルゴリズムも登場するであろう。いずれにせよ、ノ
イズに左右されない正確な欠陥判定アルゴリズムの構築がレーザー打音技術には必要である。

a) ペイントした処理したコンクリート表面

本研究で開発したレーザー打音装置を用いることの健全部

により、橋梁床版の写真等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。

b)健全部を照射した場合の信号波形

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.

2）c) b)から求めたスペクトル強度分布

129, pp.1192-1197, 2009.

図 6 ペイント処理したコンクリート表面健全部3）を照射した場合の結果

島田義則、オレグコチャエフ:電気学会論文誌 C,

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

６．まとめ

ー研究、38(10), pp.749-753, 2010.

本稿では、レーザー打音法により高架橋床版の欠4）

陥検査を行った結果を報告した。レーザー照射によ保田 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、り励起された高架橋床版の振動信号波形から求めた

高山 宜久、曽我 寿孝：土木学会論文集 F1（トスペクトル強度分布を下にして、欠陥判定に利用可ンネル工学）、74(1), pp. 58-69, 2018.

能と思われる 4 個のパラメータを検討した。数 10 箇
所の欠陥での計測結果から、パラメータ W の有効性5）を確認することができた。

羽矢 洋、羅 休、魚本健人：Study on Impact
Acoustic Method and System Development Basedon Wavelet Analysis, 土木構造物の非破壊検査法

今後さらにデータを蓄積し、欠陥判定基準として

─ 33 ─

国際会議（NDT-CE2：ベルリン）, (2003).

レーザーを用いた浮石検知技術の開発
レーザー計測研究チーム
倉橋 慎理、島田 義則、コチャエフ オレグ
１．はじめに変化が生じ肌落ちにつながる恐れがあるため、作業は迅火山地や丘陵地を含むと国土の７割以上が山地であ速に行われる必要がある。浮石の確認作業など、作業員るとされる日本の道路整備において、トンネルは交通のがやむを得ず切羽に近づく機会があるが、これを低減す

不通区間や到達時間の増大などの問題の解決に寄与し、るための機械化や遠隔化などの技術が防護対策として急峻な斜面における自然災害の回避や災害時の緊急道

望まれている。

路としての役割を担う重要な構造物である。また、都市（公財）レーザー技術総合研究所では、これまでレー部においては交通需要に対する環境保全や、地下空間のザーによるトンネルコンクリートの欠陥検査技術の開活用など土地の有効利用が注目されており、今後もトン発を行っており、実際の鉄道トンネルや道路トンネルにネルの新規工事の重要性は高まるとされている。

おいて、コンクリートの浮きを検出する実証試験を行っ

山岳トンネルの工法は、矢板と呼ばれる土留め用の板てきた 4),5),6)。切羽における浮石も、原理的にはコンクリを掘削面にあてがい、支保工により支え、これらをコンートの浮きと同様に、浮石の形状や周囲との接触の状態

クリートで巻き立てることにより土圧を覆工で支持すによって決まる固有のモードで振動することが予測さる矢板工法（在来工法）
による施工が一般的であったが、れる。振動の様子をレーザーで計測することが出来れば、1980 年代以降は、掘削後直ちにコンクリートを吹き付

浮石の状態を遠隔検知することが可能となると考えら

け、支保工、ロックボルトを併用し地山の保持力を利用れることから、レーザー技術の導入が期待されており、してトンネルを保持する工法を用い、掘削に伴う変形がその可能性を実証すべく基礎実験を実施してきた。本稿収束した後で覆工を施す、NATM （New Austrian

では、山岳トンネルの切羽に比較的近い構造を模擬でき

Tunneling Method）と言われる施工が主流となった。

る砕石場の切羽において実施した浮石検知の実証試験

全建設業の二倍近い値を示していた山岳トンネル建について報告する。

設工事の災害発生頻度は、工法の変化に伴い大幅に減少
し全建設業の頻度に漸近はしたが、依然として高い状態

２．実証試験

にあることが問題となっている。

2.1 実証試験実施場所

切羽とよばれる山岳トンネル工事における掘削の最山岳トンネルの切羽を模擬した検査対象として、京都先端では地山が露出しており、浮き石と呼ばれる地山か府にある砕石場において、現在は砕石作業の終了していら剥離した岩石の落下等（肌落ち）による労働災害がたる区画の一部を借り、浮石検知の模擬試験を実施した。

びたび発生している。作業員が切羽に近づいて実施する

図１に砕石場の上空からの様子と、試験を実施した 3 箇

装薬、支保工建込などの作業で災害発生が多い 2),3)。肌所の様子を示す。3 箇所はそれぞれ岩盤の硬さが異なり、落ち防止対策の一つに、浮石落とし（「こそく」とも呼B 点の岩盤が最も硬く、A 点の岩盤の風化が最も進んでばれる。）がある。「こそく」はブレーカー等の建設機いる。

械を用いて比較的小さな浮石を予め落とす作業のことを示す。「こそく」に多くの時間がかかると、掘削した2.2 実験配置

地山を長時間大気に開放することとなり、地山の状態に─ 34 ─

これまで開発を行ってきたレーザーによるトンネル

図 1 砕石場の様子
コンクリートの欠陥検査技術においては、振動の励起、スキャナそれぞれのコントローラはPCにより制御され検出ともにレーザーを用いて行ってきた。覆工コンクリる。レーザー振動計により計測された振動波形はオシロートの浮きに比べて、切羽における浮石は一般にサイズ

スコープにより記録される。また、検査面を打撃したタが大きく、また、トンネル建設工事の現場では粉塵等がイミングを決定するために集音マイクを利用し、ブレー多いため、レーザーで十分大きい振幅の振動を生じさせカーが岩盤を打撃した際に発生した音をトリガ信号とようとすると、出力エネルギーの大きいパルスレーザー

して用いた。

が必要となり、コストの増大が避けられないと考えられる。そこで、現場にあるブレーカー等の建設機械を用い

2.3 実験方法
図３に示すように 5 m × 5 m の領域を検査領域としてて岩盤を打撃し、その際生じる振動をレーザーで遠隔計

設定し、その領域を 1 m 間隔で区切り、各メッシュ内の測して浮石の検知を行う手法を提案した。
図２に実験配置図を示す。検査対象である岩盤をブレ

浮石の検査を行った。事前に高所作業車と岩検ハンマー

ーカーとよばれる先端にのみのついた建設機械により（ピックハンマー）を用いて検査領域の浮石の有無を確

打撃し、生じた振動を 10～15 m 離れた位置に設置した認し、その結果をもとに提案手法の評価を行った。

レーザー振動計測装置により検出する。配置図におけるブレーカーを用いて検査領域近傍の健全と判断され赤の破線がレーザー光を示している。プローブ光としてた岩盤を打撃し、各メッシュ内に設定した点検箇所にお検査面に照射し、散乱光として戻ってきた光を信号光とける振動の様子を、レーザー振動計を用いて計測した。

して検出する。レーザー振動計と計測位置を走査するた

ブレーカーによる打撃位置を固定した状態で、スキャナ

めの二軸スキャナが除振台の上に設置されており、それを用いてそれぞれの点検箇所にレーザー光を照射し、振らが防音防塵筐体に格納されている。レーザー振動計、動の様子を計測した。一つの検査対象につき打撃位置は

─ 35 ─

図 2 実験配置

二か所とし、同一の点検箇所において、打撃位置が与える影響を確認した。
図１に示す A,B,C の３箇所の検査地点で、上記と同様の計測を行った。

2.4 実験結果と考察
図 3 に検査対象 A 点の様子を示す。図中に①、②と示された箇所は打撃位置を表す。メッシュで区切られた領域には便宜上 A-E 列、1-5 行で番地を指定した。メッシ
ュ内に示されたマーカーはハンマーによる打音検査の結果を示しており、それぞれ、赤（×印）がハンマーで

図 3 検査対象 A の様子も強くたたいたら落ちそうなレベルの欠陥、緑（□印）が健全、青（△印）がハンマーでは落ちそうにないが、ーブレット変換することで得られたスカログラム、高速重機等で打撃すると落下しそうな欠陥を表している。

フーリエ変換することで得られた振幅スペクトルをそ

図 4 に検査対象 A の②の位置を打撃したときの検査

れぞれ示す。時刻 0 秒がマイクによるトリガタイミング

領域 1-E において計測された振動の波形と、それをウェを示す。振動計測装置設置場所への音の到達時刻に比べ─ 36 ─

て、検査点への振動の到達時刻が早いため、振動計測装
置では負の時刻に振動波形が検出されている。スカログ
ラムは各時刻、各周波数における振動の強さを示しており、赤に近づくほど振動が相対的に強いことを示す。振幅スペクトルは縦軸に振幅、横軸に周波数を取り、フーリエ変換適用時間内の振幅の強さを示す。100 Hz 以下の成分からなる重機による振動に重畳する形で 300400Hz 程度の振動が確認されており、これが浮き石の存在を示していると推測される。
図5 に①の位置を打撃した場合の検査領域1-E において計測された振動の波形と、それをウェーブレット変換
することで得られたスカログラム、高速フーリエ変換することで得られた振幅スペクトルをそれぞれ示す。②を

図４ 検査対象 A の②を打撃したとき 1-E にお打撃した時に得られた振動波形（図４）とは異なること

いて計測された振動波形（上）、スカログが確認できる。浮石部の固有振動数と推定された 300-

ラム（中）、振幅スペクトル（下）400Hz 程度の振動は励起されておらず、打撃位置によって計測結果が異なる場合があることを示した。これは、打撃位置から計測箇所まで振動が伝播する際に減衰するなどして消失する成分があることを示唆しており、計測に際して適切な打撃位置と計測箇所の関係が存在することを示している。
図６に検査対象 B の様子を示す。図中の③と示された箇所が重機による打撃位置を表す。対象 A と同様、番地分けと、打音検査の結果が表示されている。
図７に検査対象 B の③の位置を打撃したときの検査
領域 1-D、1-E において計測された振動の波形と、それをウェーブレット変換することで得られたスカログラ
ム、高速フーリエ変換することで得られた振幅スペクト
ルをそれぞれ示す。欠陥判定された 1-E において、振動

図５ 検査対象 A の①を打撃したとき 1-E にお励起から 100 ミリ秒程度続くようなゆっくりとした振いて計測された振動波形（上）、スカログ

動が計測されており、このような挙動を示す浮石は落下

ラム（中）、振幅スペクトル（下）の危険が高いと考えられる。
すぐ横の番地である 1-D 健
全部では同様の長周期の振動が励起されていないこと

３．まとめが確認できる。打撃位置と計測位置が離れていても、浮現場にあるブレーカー等の建設機械を用いて岩盤を石の状況や岩盤の質によっては、計測が可能であること

打撃し、その際生じる振動をレーザー振動計で計測するが分かった。岩質が硬く、浮石の固有振動数が低い場合

ことで、遠隔より浮石の検知を行う手法を提案し、実証に起こりやすい現象と考えられる。

試験を実施した。ブレーカーで岩盤を打撃したとき、そ─ 37 ─

図 6 検査対象 B の様子の振動が、岩盤内で 5ｍ程度範囲離れた位置まで伝播することを確認した。また、その振動をレーザー振動計により 10ｍ程度離れた位置から検出することが出来た。
事前に浮石と判定された箇所と、健全な箇所の計測結果を比較し、浮石であるため生じたであろう挙動をいく
つか確認することが出来た。また、打撃位置との距離によっては励起されにくい帯域が存在することが分かった。打撃位置と計測箇所間の距離、ひび割れなど不連続面の存在、硬さなどの岩質、など様々な要素により周波数応答が異なると考えられるため、統一的な指標を示す
手法の開発が求められる。ブレーカーにより入力された振動を計測するなどして、計測箇所のより正確な応答を知ることなどが今後の課題として挙げられる。

謝 辞
本研究は株式会社大林組からの受託研究として実施

図７ 検査対象 B の 1-D において計測された(a)振された。研究の遂行にご協力いただいた新村亮氏、鈴木

動波形、(b)スカログラム、(c)振幅スペクト

健一郎氏、谷口信博氏、奥澤康一氏に感謝いたします。

ル、(d)1-E において計測された振動波形、(e)スカログラム、(f)振幅スペクトル

参考文献
1）

2）

3）

前郁夫，花安繁郎：トンネル建設工事における労働災

らの肌落ちによる労働災害の調査分析と防止対策の害の動向，産業安全研究所技術資料 (1974)

提案、労働安全衛生総合研究所技術資料(2012)

厚生労働省： 山岳トンネル工事の切羽における肌落

4）

オレグコチャエフ 他：LASER CROSS, No.355

ち災害防止対策に係るガイドライン

5）

島田義則：ILT2018 Annual Progress report（独法）労働安全衛生総合研究所：トンネルの切羽か

6）

S.Kurahashi et al. : J. Appl. Remote Sens.,12,015009 ,2018.

─ 38 ─

Non-destructive laser-based inspection of metal pipelines with the useof pipe eigenmodes
Laser measurement team
O. Kotyaev, Y. Shimada, S. Kurahashi
1. Introduction
In a site of construction, metal pipes are used to carrywater which contains solid elements such as rocks and/or
sands. Usually the inner surface of pipeline is affected bymoving fluids resulting in the decrease of wall thickness
especially at the bottom side of pipeline, as shown in Fig.1.
Preventing dangerous situation caused by thinner walls,
periodical inspection of wall thickness is necessary.
Fig.1. Bottom part of metal pipe is getting thinner.

We have developed a laser-based system for remotesensing of pipe wall thickness via measuring the multiple
reflection frequency of laser induced ultrasonics between
the outer and inner surfaces of pipe wall, as described in
the previous ILT report [1]. The experimental results haveverified that the multiple reflection frequency is inversely
proportional to the wall thickness, and this technique canbe applicable to the pipeline, even it is filled with water.
It should be noted, this sensing system requires that thelaser beams for initiation and detection of ultrasonic

Fig.2. The first fundamental eigenmode of ring pipe

vibration shall be injected vertically to the bottom surface

cross-section natural vibration.

of pipeline. However, sometimes, bottom side ofinspected pipe is just not accessible for laser beams.
In this report, we present a new method which is freefrom this requirement. The method allows to evaluate pipe
conditions with the use of initiation and detection of pipe
vibration eigenmodes instead of multiple reflection inpipe wall. After impact, pipe ring cross-section undergoes
some deformation and relaxation. In Fig.2, the lowest
eigenmode of pipe is shown. Actually, many moreeigenmodes will be initiated by laser impact. We plan to
use the fact that eigenmode spectrum depends on pipe
cross-section geometry [3]. If inspected pipe gets thinner
bottom part as shown in Fig.1, then corresponding
spectrum will have eigenmodes with lower frequencies.

Obviously, applying laser beams to the pipe bottom
where degraded wall is comparatively thinner willproduce eigenmode vibration with higher amplitude, and,correspondingly, the inspection procedure will be moresensitive. However, to initiate pipe vibration eigenmodes,
laser impact can be applied to any part of pipe crosssection. That means, there is no need to deliver impact andprobe beams just under the pipe to its bottom part. Bothlaser beams can be delivered to any accessible part ofinspected pipe (for example, pipe side), and spectrum of
initiated eigenmode will provide information of the pipe
condition. So, the main task of the present tests is to verify

─ 39 ─

capability of pipe inspection when impact and probe

impact to initiate eigenmodes. No focusing and imaging

beams are delivered horizontally to the pipe side which is

was used in the impact beam path. Resulting impact beam

most probable situation in real operation.

size was about 8 cm. In this case, no surface damage wasAnother task of the research is to initiate and detectproduced, however, even in these conditions, it was

vibration eigenmodes in a pipe filled with water.

possible to initiate detectable eigenmodes. Laser vibration

Experimental results of influence of water presence on

meter PDV-100 (by Politec Co.) was used for the

eigenmode amplitude and frequency will be presented.

detection of initiated eigenmodes. No counter-reflecting
tape was used in the probing point, the probe beam was

2. Initiation of eigenmodes by laser impact.

positioned on original surface only. Impact and probe

Three pipe samples were provided for the experiments.

beams were delivered horizontally to the pipe side in the(Fig. 3). These are 1-meter long pieces, 165.2 mm in

middle area between pipe holders in order to minimize

diameter. The pipes are made of steel. Pipe wall thickness:

influence of the holders on eigenmode initiation.

7.1, 5.0 and 3.7 mm. Outer surface is covered byprotecting paint. These samples were used in the previous

PDV-100

research of pipe wall thickness measurement.[1].

Pipe sample

Impact and probe position

Fig.4. Laboratory pipe sample under testing.
Results of the tests are presented in Fig.4. As it was
expected, in three pipe samples with different pipe wall
(a)

(b)

thickness,(c)

spectraofinitiatedeigenmodes

look

Fig. 3. Metal pipes used in the experiments.

significantly different. The thinner pipe wall the lower

Wall thickness: 5.0mm (a), 3.7mm (b) and 7.1 mm (c).

eigenmode frequency (see Table 1). So the idea of using
pipe eigenmodes for nondestructive testing has been

The inspected sample was set 6 meters away from thebasically verified.

laser inspection system (Fig.4). CO2 laser with pulse
energy of 5J and pulse width of 100ns was used for laser─ 40 ─

a)Pipe sample with wall thickness of 7.1 mm;b) Pipe sample with wall thickness of 5 mm;c)

Pipe sample with wall thickness of 3.7 mm;

Fig.5. Waveform and spectra of eigenmodes initiated in laboratory pipe samples.

Table 1. Frequency of the first two eigenmodes initiatedin the laboratory pipe samples.
Pipe wall thickness
1-st
mode
2-nd
mode

7.1 mm

5 mm

3.7 mm750 Hz550 Hz350 Hz2050 Hz

1400 Hz1050 Hzpipeline. It is covered with thick layer of rust and its
thickness is varied from 9.5 to 11.5 mm.

Pipe wall
thickness:
11.5 mm

Pipe wall
thickness:
9.5 mm

3. Initiation of eigenmodes in real pipe samples.
In the next step, the tests of pipe samples used at the realconstruction site have been performed. Two 400-mm longsamples with 354.5 mm in diameter were prepared, as
shown in Fig.6. One of the samples is a piece of unused

Fig.6. Real pipe samples: left - unused one; right – taken

pipe. It practically has no rust, and its wall thickness isfrom actual water pipe line.

11.8 mm. The other one was cut off from actual water─ 41 ─

CO2-laser

PDV-100

Real pipe sample

impact and probe beams are directed not to the pipe“bottom” but to the “side” of inspected pipe line: the mostdegraded part of pipe sample wall corresponding to realpipe bottom was rotated 90° relative to the laser beam
position.
Figure 8 shows obtained waveform and spectrum. Thevery promising result is that it is really possible to initiate
detectable eigenmodes in this kind of pipe. Vibration
amplitude and corresponding peaks in the spectrum are

Fig.7. Pipe sample under tests.

much higher than noise level, so the idea of using

Test of real pipe sample is shown in Fig.7. The same
CO2 laser was used as a source of laser impact foreigenmode initiation, and vibration meter PDV-100 wasused for vibration detection. Probe beam was set on
original surface without any counter-reflecting tape.

eigenmodes looks very feasible for real pipe inspection.
In Fig.8, the records with 1-second duration arepresented to visualize entire relaxing vibration. In Fig.9,
rescaled spectra of eigenmodes initiated in unused andused pipe samples are compared.

Piece of used pipe was set emulating situation whena)Unused pipe sample.

b) Used pipe sample.
Fig.8. Waveforms and spectra obtained in unused (a) and used (b) pipe samples

─ 42 ─

Fig. 9. Comparison of eigenmode spectra. Blue – unused pipe, red – used pipe.
It is clearly seen that eigenmode spectra of unused andused pipes are very different: frequencies of used pipe
eigenmodes are significantly lower than frequencies ofunused pipe eigenmodes. (The first coincident peaks
around 70 Hz correspond to bouncing of the pipe as awhole). This fact is very promising: frequency set
difference can be reliably detected in real inspection andindicate current conditions of inspected pipe.
4. Test of eigenmodes in water-filled pipe.
In real construction site the water pipe line is filled withwater. The presence of water should affect amplitudes andFig. 10. Pipe sample filled with water is underinspection.

frequencies of initiated eigenmodes. So, it is important
information whether it is possible to initiate detectableeigenmodes and evaluate pipe conditions at the presenceof water.
In the final step of experiments to test influence of wateron pipe eigenmodes. the pipe sample shown in Fig. 3 (b)was used. Figures 10 and 11 show the water-filled pipe
under inspection.
At first, the pipe sample was tested without water, andafter that it was filled with water (Fig.11) and tested again
under the same conditions.
Figure 12 presents waveforms and spectra of initiatedeigenmodes without water and with water.
Fig.11. Pipe sample filled with water.

─ 43 ─

a)

Empty pipe sample.

b) Pipe sample filled with water.
Fig.11. Waveforms and spectra obtained in empty (a) pipe and pipe filled with water (b).

Fig. 12. Comparison of eigenmode spectra. Red – pipe without water, blue – pipe with water.
First of all, the good news is that detectable eigenmodes

sets between empty pipe and pipe filled with water. As it

still can be initiated in water-filled pipe. Although

was expected, filling pipe with water resulted inamplitude of waveform looks noticeably lower in thedecreasing frequencies of initiated eigenmodes. Moreover,water-filled case, natural vibration is still clearly visible.

only low-frequency eigenmodes can survive. However,This result is very promising for real pipe inspection.

amplitude of the first three eigenmodes is high enough for

In Fig. 12, rescaled spectra of initiated eigenmodes arereliable detection.

compared. There is significant difference in frequency

─ 44 ─

5. Discussion and conclusions.

eigenmode detection is still possible and reliable.

The presented tests have verified the idea thateigenmodes in metal pipes can be initiated and used for6. Acknowledgements.
The presented research has been carried with the support

pipe condition inspection.
Degradation of pipe walls leads to noticeable decrease

from Obayashi Corporation. We would like to thank ourcolleagues from Obayashi Corporation for providingof eigenmode frequencies.
To evaluate current condition of inspected pipe with thenecessary materials and participating in useful discussions.

use of vibration eigenmodes, it is not necessary to direct
impact and probe beams just under the pipe bottom, where

7. References

the most significant degradation of pipe wall may happen.

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

It is enough for this purpose to investigate eigenmode
spectrum obtained when laser beams are positioned on the2019.
2） C.B.

side part of pipeline.

Scruby.

Laser

Ultrasonics.

Technique

Application, 1990.

Filling pipes with water results in lowering eigenmode3） Nondestructive testing hand book. ASNDT, 1991.

frequencies with decreased amplitudes. However,─ 45 ─

andフェムト秒レーザー計測による蛋白質の機能メカニズムの解明
レーザーバイオ化学研究チーム 1、特別研究員 2谷口誠治 1、ハイク コスロービアン 1、田中文夫 2
１．はじめにており、基質よりも酵素との結合性の高い分子（=薬剤）

本研究チームでは、創薬への応用や光機能性素子の開をウィルスや細菌内の酵素と作用させてその機能を抑発を目指し、生体内で様々な機能を果たす蛋白質や酵素制し増殖を抑制したり、体内で異常に活性化した酵素をなどの生体関連物質の光初期反応メカニズムおよびダ

不活性化し疾病を治療したりすることなどを目的としイナミクスを、パルスレーザーを用いた時間分解計測法

た、機能抑制薬の開発手法でもある。

により明らかにする研究を行ってきた。蛋白質の主な機酵素の機能抑制効果の研究に関して最近、D-アミノ

能の一つに、栄養物の吸収や不要物の分解、エネルギー酸酸化酵素（DAAO）のアミノ酸濃度調整機能が代謝など生体内で起こる化学反応を触媒する機能があ注目を集めている。DAAO は補因子にフラビンア

り、このような蛋白質は酵素と呼ばれる。酵素の大きな

デニンジヌクレオチド（FAD）を持ち、生体内で特徴は、一種類の酵素は基本的に生体内に存在する一種

D-アミノ酸を選択的に D-イミノ酸へと分解する類の分子（基質と呼ばれる）のみを選択的に触媒すると反応を示す（図 1）が、FAD が安息香酸など種々いう点にあり、反応効率も非常に高い。酵素は数百〜数の人工合成分子と結合して錯体を形成するため、十万のアミノ酸がペプチド結合したアミノ酸鎖と、補因薬剤による機能抑制効果が顕著に見られること子と呼ばれる基質と化学反応する分子で構成され、アミでも知られる 1)（図 2）。しかし一方で、生体は本ノ酸鎖が補因子を取り囲むようにそれぞれの酵素に特来 L-アミノ酸のみによって構成されるため、その具体

有の立体構造を形作っていることから、酵素が示す高い的な役割はよくわかっていなかった。これに対し近年、反応効率と分子選択性は酵素が持つ蛋白構造そのもの

福井ら（徳島大）は、DAAO の異常活性により統合失に起因する、つまり酵素内に特定の基質のみを取り込み、調症患者の脳内 D-アミノ酸濃度が健常者よりも低下し補因子との反応を促進させるような環境場を酵素が有ていることをつきとめるとともに、機能抑制薬の投与がしているためであると考えられている。

脳内 DAAO の反応活性を抑制し、脳疾患の治療に有効

酵素の機能解明のためよく行われている研究手法に、であると報告した 2)。この報告は、生体内での DAAO

酵素に基質とは分子構造が異なる分子を添加し、その反の役割を明確なものにするだけでなく、様々な脳疾患に応を観測することで酵素の機能性の主要因を明らかに対する治療薬開発の足がかりとなるという意味で非常しようとするものがある。例えば基質分子が持つ置換基に重要な意義を持つ。

を除去または異なる置換基と入れ替えた分子や、芳香環

一方、DAAO は光科学の観点からみても興味深い酵素の導入などによりサイズを変えた分子などを酵素と反である。DAAO の補因子 FAD は分子の構成要素として応させ、基質添加時の反応との変化を比較することで、イソアロキサジン環（Iso）を含み、Iso は青色領域の光

基質内の分子サイズ、置換基の種類や分子内配置など、を吸収して 530 nm 付近の緑色の蛍光を発する。蛍光強どの要素が酵素反応に最も強く関与しているかが具体度やスペクトル形状、また減衰寿命は蛋白質の反応を敏的に明らかとなる。またこれらの研究により得られた知感に反映して変化するため、それらを分光学的手法によ見を応用すれば、生体内には本来存在しない人工合成分

り観測すれば、その機能メカニズムに関する有益な情報子を用いて酵素反応を人為的に制御することも可能にを得ることができる。この観点から我々は、DAAO のなる。このような手法は薬学分野においてよく用いられ蛍光過程と機能抑制効果の関連性や、抑制効果の判別に─ 46 ─

命の決定など超高速蛍光減衰成分の詳細な分析は困難であった。このため本研究では、ブタ腎臓 DAAO 内に
人為的に o-AB を内包させた複合体（DAAO – o-AB 複合体、以下複合体と表記）を用い、フェムト秒蛍光の観測を行った。DAAO に抑制分子を添加した試料とは異なり、複合体は化学的な処理により DAAO と o-AB を
図 1 DAAO の D-アミノ酸酸化スキーム。DAAO が D-作用させた後、錯体形成したもののみを精製して作成すアミノ酸を取り込み、FAD により脱水素化してる 4)。このため DAAO と抑制分子の錯体形成率は非常

D-イミノ酸に分解する。生成した D-イミノ酸は加に高い（〜100 %）と予測されることから超高速蛍光減

水分解により D-ケト酸に分解される。FAD は細胞衰成分のみを観測でき、これまでより具体的な知見が得内に存在する酸素を水素化し元の状態へと戻る。

られるものと考えられる。

図 2 機能抑制薬による DAAO の機能抑制スキーム。
抑制薬が DAAO 内に優先的に取り込まれ FAD と錯体を形成することにより、D-アミノ酸の酸化反図 3 （◯）DAAO のみ、（▲）o-AB（18 mM）添加、応を抑制する。

（□）o-AB（71 mM）添加試料のフェムト秒蛍光と 4 成分指数関数によるフィッティング曲線 3)

対する時間分解蛍光計測法の有効性を検証することなどを目的に、無添加および機能抑制分子を添加した
DAAO の光励起ダイナミクスをフェムト秒蛍光計測法

２．実験（蛍光アップコンバージョン法）により検討してきた。

実験に用いた複合体は、熊本大学大学院生命科学部か

これまでにブタ腎臓由来 DAAO を用いた研究を進め、ら提供を受けた。DAAO の発現には大腸菌を利用し、2-アミノ安息香酸ナトリウム（o-AB）を機能抑制分子と陰イオン交換カラム（DE52）、ハイドロキシアパタイ

して DAAO 水溶液（160μM）に添加した試料において、トの 2 種のクロマトグラフィーによる精製を行った 4)。

寿命 100~300 fs の超高速蛍光減衰成分が生成すること

酵素を水中で溶存させるために用いる緩衝液には 100を見出した。また抑制分子の添加濃度の増加に伴い、そmM リン酸カリウム緩衝液（pH 7.6）を用いた。
FAD（Iso）、の成分比も増加することがわかった 3)（図 3）。このこ

o-AB の分子図を図 4 に、複合体の結晶構造（Protein Dataとから、超高速蛍光減衰は DAAO と抑制分子が結合しBank, ID number : 1AN9）および FAD 近傍の構造を拡大て生成する電荷移動（CT）錯体（図 2）に由来するもの

o-AB はFAD 中のIsoしたものを図5 にそれぞれ示す 5)。

と考えたが、抑制分子の大過剰添加（71 mM）時にもの近傍に位置しており、それぞれの分子の芳香環が互い

DAAO 錯体形成率は 100％とはならず、錯体を形成しなに平行に位置していることから、芳香環のスタッキング

い DAAO の蛍光減衰成分が同時に観測されたため、寿によるπ-π電子相互作用が CT 錯体形成に有利に働く─ 47 ─

ものと考えられる。吸収スペクトルの観測には紫外可視部が o-AB から Iso に移ることにより形成されると考え

分光光度計 U-best 50（JASCO）を用い、蛍光スペクトられている 9)。384、445 nm にピークを持つ吸収帯も同ルの計測には分光蛍光光度計 F-2000 （HITACHI）を用様に CT 錯体の吸収帯に帰属されている 8)ものの、明確いた。フェムト秒蛍光の計測には、Ti:サファイアレー

な根拠はなく、スペクトル形状が DAAO（内の Iso）のザー Mira-800（Coherent）を光源に用いた自作の蛍光ア

一重項電子励起状態（S1 状態）のそれと類似しているこップコンバージョンシステム 6)を使用した。励起波長はとから、CT 錯体を形成しない複合体が一部存在し、そ410 nm、システムの時間分解能は約 120 fs である。

の吸収帯が重複している可能性もある。565 nm（CT 錯体）で励起しても蛍光は観測されなかったが、410 nmで励起すると、図 6、太線で示すように、514 nm にピークを持つ蛍光帯が僅かに観測された。この蛍光帯は、
DAAO のみの試料のピーク波長 530 nm のスペクトル 3)と形状は類似しているものの、スペクトル全体が約 15
nm 程度短波長側にシフトしていることがわかった。

図4 (a)補因子FAD とFAD 中のイソアロキサジン環（Iso）、(b) 2-アミノ安息香酸ナトリウム（o-AB）の分子図

図 6 DAAO– o-AB 複合体の吸収スペクトル（図中実線）と蛍光スペクトル（図中太線、励起波長 410
nm）

3.2 フェムト秒蛍光ダイナミクス
図 5 (a) DAAO – o-AB 複合体全体の結晶構造、(b) 補因図 7(a)、(b)に、波長 514 nm と 500 nm で観測したフェ子 FAD（Iso）周辺の構造を拡大表示したもの

ムト秒蛍光計測結果をそれぞれ示す。図 7 (a)は蛍光ピー（Protein Data Bank, ID number : 1AN9 より）5)ク波長での計測結果であり、DAAO に o-AB を添加した際に観測された寿命100 fs 程度の超高速減衰成分（図3）３．結果と考察が明確に観測された。寿命が 10 ps 以上の長寿命成分も3.1 吸収、蛍光スペクトル

わずかに観測されているが、この成分の要因については、

図6 に、複合体の緩衝液中での吸収スペクトルを示す。

試料にわずかに含まれる o-AB が配位していない

565 nm にピークを持つブロードな吸収帯 7, 8)が顕著に観

DAAOや蛋白構造が解けたFAD など何らかの蛍光性の測されたことから、複合体は液中において高い比率で不純物、レーザー励起により酵素が分解して FAD が水CT 錯体を形成していることがわかる。DAAO と o-AB

溶液中に露出したものなど様々な可能性があり明確での CT 錯体は、Iso が電子受容体、o-AB が電子供与体とはなく、また超高速蛍光減衰成分に比べて成分比が著しして働き、分子間のπ-π電子相互作用により電荷の一く小さい（<5%）ため複合体の主な励起過程との関連性

─ 48 ─

は低いと考えられるため、以後議論しない。装置応答関4.1 章で示したように、複合体はで 565 nm に吸収ピーク数を考慮したコンボリューションフィッティングの結を持つ CT 錯体を形成するが、384、445 nm にピークを果、蛍光は指数関数で減衰し、その寿命は 130 fs である

持つ吸収帯はIsoのS1吸収帯とピーク波長および形状がことがわかった。蛍光ピーク波長より短波長側の 500

類似しており、また 514 nm にピークを持つ蛍光帯が観nm でも同様の超高速蛍光減衰が観測されたが、フィッ測されることから、この吸収帯は CT 錯体に帰属される

ティングから得られた寿命は 100 fs であり、ピーク波長

ものではないと考えられる。しかし一方で、DAAO のの蛍光よりも速く減衰することがわかった。このような、みの試料での蛍光スペクトルのピークは 530 nm 3)であ

実際の光反応寿命を示す蛍光ピーク波長での減衰寿命

り、複合体の蛍光ピークはこれより約 15 nm 短波長側によりもピーク波長の両側での減衰寿命がより短くなる

シフトしていることから、この吸収帯を o-AB が結合し現象は、蛍光スペクトルのナローイングと呼ばれ、蛋白ていない（複合体ではない）Iso の S1 吸収に帰属するこ質環境場における電子移動、異性化などの超高速光反応

とも難しい。このことから、複合体は水溶液中においてにおいて特徴的にみられる挙動である（1）結晶構造と同様の蛋白構造（CT 錯体）、（2）o-AB

10, 11)。

と Iso 間の配向が変化してπ-π電子相互作用が小さくなり CT 錯体を形成しなくなった構造、の 2 種の構造を持つものと考えられる。DAAO が水溶液中で 2 種の蛋白構造を持つ可能性に関しては、DAAO の水溶液中での蛋白構造を分子動力学法により計算した結果報告されている 12)。この報告では、水溶液中では互いに異なる構造を持つ DAAO 同士が 2 量体を形成することでエネ
ルギー的に最も安定となることが示されており、このことから複合体においても同様に構造の異なるもの同士が 2 量体を形成している可能性がある。波長 410 nm の励起では、CT 錯体の吸収帯と、CT 錯体を形成しない構造（以後 LE（Locally Excited）状態と表記）の吸収帯とが共に励起されるが、CT 錯体の励起状態（CT*と表
図 7 励起波長 410 nm での複合体のフェムト秒蛍光デ記）からは蛍光（CT 発光）を示さなかったため、514 nmータ（◯）と指数関数によるフィッティング曲線付近の蛍光は励起 LE 状態（励起 S1 状態と区別するため（ (a) 観測波長 514 nm（減衰寿命 130 fs）、(b) 観

以後 LE*と表記）からの蛍光のみが観測されるものと考

測波長 500 nm（減衰寿命 100 fs））。わずかに観えられる。

測される長寿命成分（10 ps）については由来が明フェムト秒蛍光計測時の複合体の濃度は約 120 μM

確ではないが、超高速減衰成分に比べて成分比がと高いため、複合体は水溶液中ではほぼ 2 量体として存著しく小さい（<5%）ため複合体の主反応とは関在していると考えられる 13)。DAAO のみの場合、 2 量連性が低いものと考えられる。

体の蛍光は Iso*とその周囲の芳香族アミノ酸残基（Tyr（チロシン）224、Tyr228、Tyr55 他）との光誘起電子

3.3 複合体の超高速光反応過程

移動反応による消光過程を示し、蛍光は寿命 3.7 ps と 38

吸収・蛍光スペクトルおよびフェムト秒蛍光の観測結

ps の 2 成分指数関数で減衰する 3)（図 3）。これに対し果から、複合体の超高速光反応過程について考察する。

複合体では o-AB が Iso のごく近傍に位置しており、分─ 49 ─

子間距離は芳香族アミノ酸残基よりも小さくなるためは一般的にピコ秒（ps）以上の（遅い）時間領域で起こ

反応はさらに高速化すると予測される。このことから、ることから、電子移動と競争して反応が起こる可能性は

超高速蛍光減衰は LE*から Iso と o-AB 間で起こる何らあるものの、観測された fs 領域での超高速蛍光減衰のかの光反応に起因するものと考えられる。

主な要因にはならないと考えられる。また、励起 CT 状

予測される光反応を、縦軸をそれぞれの過渡種が持つ態（CT*）からも電子移動反応が起こる可能性があるが、エネルギーとして図式化したもの（光反応スキーム）をこれについては明確ではない。これらに関するさらに詳

図 8 に示す。LE から起こりうる光反応には、o-AB から細な知見を得るためには、過渡吸収法を用いたイオン対

Iso へと 1 個の電子が移動しイオン対（Iso- o-AB+）を形および CT 錯体の生成・減衰過程の直接的な観測が有効成する電子移動反応と、Iso と o-AB の分子間配向が変であると考えられる。

*

化し、電荷の一部が o-AB から Iso へと移動して CT 錯体（CT*（Isoδ- o-ABδ+））を形成する錯形成反応の 2 種

４．まとめ類があると考えられる。電子移動反応については、我々本研究では、
脳内で D-アミノ酸を酸化分解する機能をはこれまで、Iso を含む FAD または FMN（フラビンモ

持つ D-アミノ酸酸化酵素（DAAO）の機能抑制効果のノヌクレオチド）を補因子に持ち、周囲のアミノ酸残基メカニズムについて検討するため、人為的に機能抑制分（トリフトファン、チロシン）が Iso と近接した配置を子（2-アミノ安息香酸ナトリウム（o-AB））を内包させ持つフラボドキシン、FMN 結合蛋白質など種々のフラ

た DAAO 複合体（DAAO- o-AB 複合体）を用い、フェビン蛋白質（）において、光励起により Iso とアミノ酸

ムト秒蛍光計測による検討を行った。複合体は高い比率

残基との間で寿命100 ~ 200 fs の超高速電子移動が起こ

で非蛍光性の CT（Charge Transfer）錯体を形成するが、Iso と o-AB が近接してることを明らかにしており 14, 15)、

励起 S1 状態からのものと類似した蛍光が同時に観測さいる複合体においても同様に超高速電子移動反応が起れた。このことから複合体は、水溶液中において DAAO

こる可能性は高い。一方錯形成反応では、LE*においての補因子 FAD（Iso）と o-AB のπ-π電子相互作用によIso と o-AB 間の配向が変化、つまり分子自体が動くこり CT 錯体を形成する蛋白構造と、π-π電子相互作用とが必要になる。このような励起分子の動き（または分が小さく CT 錯体を形成しない蛋白構造（LE 構造）の 2

子のねじれ）により CT 錯体を形成する光分子反応は種の蛋白構造を持つ可能性が高い。フェムト秒蛍光計測

TICT（Twisted Internal Charge Transfer）あるいは PICT

では寿命 130 fs の超高速蛍光減衰が観測されたことか（Planar Internal Charge Transfer）と呼ばれ、これまでにら、LE 構造を持つ複合体では光励起により Iso と o-AB

多くの報告例がある 16)。しかしながら、励起分子の動き

間での超高速電子移動反応が起こるものと考えられる。
今後、過渡吸収法による CT 錯体およびイオン対状態のダイナミクスの直接観測、分子動力学法よる水溶液中での複合体の蛋白構造計算、および得られた構造を用いた
電子移動速度の計算などを行うことにより、さらに定量的な検討を進めていく予定である。

謝辞
図 8 複合体（水溶液中）の光反応スキーム。光励起で生

本研究で用いた DAAO 複合体は、熊本大学大学院生成された LE'からは電子移動と錯形成の 2 種の反応

命科学研究部分子酵素化学玉置春彦助教から提供を受が起こると考えられる。

けたものである。ご協力に心より感謝いたします。
─ 50 ─

参考文献
1)

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pp.40987 -40998 (2011).

─ 51 ─

地球上の非定常電荷が電離層に及ぼす影響の研究
理論・シミュレーションチーム
古河裕之、山中千博 1、近藤斎 2、杉浦繁貴 2
1

大阪大学大学院理学研究科、2（株）コンポン研究所

殻の電気分極変動があれば、地震動の発生前に、

１．はじめにレーザー技術総合研究所では、大阪大学大学院

分極電荷による電磁場発生が起こり、電離層の電理学研究科、（株）コンポン研究所と共同で、地子密度分布等に影響を与えることが想定できる。

球上の非定常電荷が電離層に及ぼす影響の研究

我々は、定量的にその可能性を探るために、地球を行っている。2011 年 3 月 11 日の東北地方太平上の非定常電荷による電気分極を仮定して、それ

洋沖地震（MW=9.0）において、北海道大学の日置が震源域上空電離層へ与える影響を評価するこにより、地震発生 40 分前から震源上空の電離層とを考えた。
2018 年度までは、プラズマ近似（局所的電荷中総電子数（TEC：Total Electron Content）の増大が。一般に、測位衛星性近似）5) に基づいてシミュレーションを行って（GNSS）から地上局に向けて発する電波が、電離

いたが、それでは磁力線に平行な方向の電場の効

層電子によって遅延を受けることを利用し、その果を取り入れることができず、HEKI TEC の結果

視線方向の総電子数を算出する手法を GPSTEC

を理論的に説明できなかった。2019 年度は、磁力法と呼び、この手法を用いて見いだされた現象で線に平行な方向の電場の効果を取り入れるためある。日置は、1994 年から 2015 年までの Mw=8に、2 流体シミュレーションコードを開発し、パ級以上の地震について震源上空の TEC を解析し、ラメーターを変えながら、HEKI TEC の観測デー

磁気嵐の時期を除いて、過去 18 回のすべての例

ターとの整合性を考えた研究を実施した。

あったことが報告された

1)で地震発生直前数十分以内において TEC 異常があったことを示した 2-4)。この「Heki-TEC 異常現２．2 流体シミュレーションコード開発の背景
本研究では簡単のため、平面地球で、プラズマ象」は、初めて科学的に意味のある地震先行現象の成分は電子と水素のみ、擾乱のない静かな電離ではないか、と考えられ始めている。
地震前兆としての電磁気現象は、過去、電波の層を仮定し、地球磁場は Bearth = 25000 nT とした。

伝搬異常や雑音混入、電子機器の誤動作や電磁場

電荷量が単調増加するような地球上の非定常分

変動、地電流の変化といったものが知られている

極電荷を仮定した。非定常分極電荷が作る電場のが、「Heki-TEC 異常現象」は新しく知られた現象

時間発展をビオサバールの法則により求め、非定である。またこの現象を説明できる物理モデルは

常の外部電場、及び地球磁場のもとで、電離層及まだ存在しておらず、根拠となるモデルの構築がび大気層のプラズマの流体運動、及びプラズマの求められている。

分極による誘導電場を連立して解き、プラズマの「Heki-TEC 異常現象」が地震活動と関連するな

密度の時間発展等を求める。先行研究としては、

らば、それは地殻の状態変化に影響されたと考え

Kuo らによる電流注入モデル計算 6) があり、このるべきで、地震の直前においては、震源地殻に対ほか、Kerry による地上電場の電離層影響仮説 7)する応力変化が進み（震源核形成）、その変動にがあるが、実際に外部電場のもとで、数 100km 立

伴い圧力の変化が臨界的になっていることが考方の空間と数十分の時間幅で計算を実施したのえられる。そこで、圧力変化（ゆらぎ）に伴う地は我々が初めてである。

─ 52 ─

プラズマを流体として取り扱う場合は、そのほ

ここで、nn (z) は、中性分子密度の高度分布であぼすべての場合で「プラズマ近似（局所的電荷中

り、MSIS モデルにより求められる。
図 2 は、MSIS性近似） 」を行い、イオンのみの 1 流体近似で解モデルにより求めた、中性分子密度の高度分布でいている。しかし、プラズマ近似の最大の問題点

ある。

5)

1000

は、外部電場（地球上の非定常電荷による電場）に対するプラズマの応答が考慮できないことで

N2

800

O

ある。そこで本研究においては、物理モデル及びz (km)

数値計算上のモデルを詳細に検討し、2 流体近似
でシミュレーションを行った。

図 1 は、地球磁場の傾きと、地球磁場に沿った

図 2

地球磁場の傾き＝約45°

6

10

10

10

14

10

18

10

22

10
-3

Number Density (m )26

10MSIS モデルにより求めた中性分子密度の
高度分布

y’
y

x

400

0
2
10

座標系の概念図である。

z’

O2

200

３．地球磁場に沿った座標系の導入

z600

５．2 流体シミュレーションの基礎式
電子のサイクロトロン半径と、イオンのサイク
ロトロンの半径を求める。磁力線に垂直な方向の
北

速度を v⊥とすると、SI 単位系で電子のサイクロ
トロン半径 Rce と、イオンのサイクロトロン半径

図1 地球磁場の傾きと、地球磁場に沿った座標
系の概念図

Rci は、次式で表される。
me v 2.275  107 v
Rcee By 

Heki TEC に基づいて得られたトモグラフィーRciの結果と比較するため、本研究では、南緯 45°の地点でマグニチュード 9 の地震が起こった、と仮定し、シミュレーションを行った。

mi v
 4.1769  104 v
e By 

(3)(4)(3) 式と(4) 式から、電子のサイクロトロン半径
Rce と、イオンのサイクロトロン半径 Rci は、0 と置いても差し支えない、ことが分かる。これは、x 方向と z’ 方向の速度を 0 とすることに相当

４．イオンと中性分子の衝突の効果の導入
大気中、及び電離層中では、プラズマだけでなする。

く中性分子も存在しており、電子と中性分子の衝

基礎式を x - y’-z’ 座標系で書き直し、磁力線に突、及びイオンと中性分子の衝突の効果は無視で平行な方向である y’ 成分のみを記す。添え字の e

きない。中性分子を、半径 rn の剛体であると近似

は電子、i はイオンを表す。質量保存式は、次式

すると、電子と中性分子の衝突周波数、及びイオで表される。

ンと中性分子の衝突周波数は、次式で表される。

en

 nn  z   r v
2
n

e

(1)

 i  n  nn  z   rn2 vi(2)─ 53 ─

 v ey  nen v ey   e  ne
t
 y
 y

(5)

 viy  ni
n
 v iy  i  ni
t
 y
 y

(6)

運動方程式は、次式で表される。
 v ey  v ey e tot
 v ye  E y    ye n v ey 

t
y
me

 ye n  nn  z   rn2 vey viy e tot
 viy   
E y    yi  n viy t y  mi nn  z   r v
2
n

i
y

個の電子の運動方程式は、以下のように書け
る。
d vxe
e


 Ex  vze By    xe n vxe
dt
me

(9)

d v ey 
dt(10)

SI 単位系で Maxwell 方程式を記す。
B
 E  t H j (7)(8)

 viy iny

電子と中性分子の衝突の効果を考慮すると、1

D
td vzee Ez '  vxe By    zen vze
dt
me

(11)
(12)

e
E y   ye n v ey me

間で平行速度に達する、と仮定し、(19) 式 (21) 式D  0 E  P   0 E(14)において左辺を 0 と置く。
e
Ex  vze By     xe  n vxe
0


me

(11) - (14)式より、変位電流を無視すると、次式e0 Ez '  vxe By    ze n vzemeが得られる。
j E      E   0
 
t

vze


(16)

(17)

(16) 式を、x - y’-z’ 座標系で書き直し、y’ 成分(18)６．磁力線に垂直な方向への、電子とイオンのドvze  Ex / By

ジオメトリーである。

z’d viy
e
E y   yi  n viy

dt
mi

(29)

d vzi e
 Ez '  vxi By    zi  n vzi 
dt
mi

(30)

中性分子を、半径 rn の剛体であると近似する

B
×と、イオンと中性分子の衝突周波数は、次式で表

Ey’
×

される。

 i  n  nn  rn2 vi

x
Ex

(31)

磁力線に垂直な方向への電子の運動に関して、シミュレーションの時間刻みと比べ、十分短い時

図 3 ドリフト運動の導入のために用いたジオメ
トリー

(27)

1 個のイオンの運動方程式は、以下のようになる。
d vxi
e
(28)
E x  vzi  By     xi  n vxi


dt
mi

図 3 は、ドリフト運動の導入のために用いた

y’ ×

(25)

イオンと中性分子の衝突の効果を考慮すると、リフト運動の導入

Ez’

Ex me  xe  n e
vx

By 
e By 

び (25) 式は、通常の E x B ドリフト速度になる。
vxe   Ez  / By 
(26)

のみ記す。
 jy
 2
 2  tot 1  ctot

E 
 0

2
2  y
 z t 0  y  y

(23)

電子と中性分子の衝突を無視すると、(24) 式及全電流密度 j は、以下により求める。

j e ni v i  e ne v e(22)(22) 式及び (23) 式から vxe, vz’e を求める。
e 2 Ez ' By   e Ex me  ze n
e
vx 
(24)
 e 2 By2  me2  ze n  xe  n(15)(13) 式と(14) 式を(15) 式に代入する。
1j
2 E 
 c   0

t
0

(21)

シミュレーションの時間刻みと比べ、十分短い時

(13)

2

(20)

磁力線に垂直な方向への電子の運動に関して、

  D  c
分極は小さいと仮定した。

(19)間で平行速度に達する、と仮定し、(28) 式 (30) 式
において左辺を 0 と置く。

─ 54 ─

0eEx  vzi  By     xi  n vxi

mi

(32)

0

e
 Ez '  vxi By    zi  n vzi 
mi

(33)

８．地球上の非定常分極電荷の発生モデル
時刻 t における地下の電荷量 Q(t) は、以下の(32) 式及び (33) 式から vxi, vz’i を求める。
 e 2 Ez ' By   e Ex mi  zi  n
vxi 
(34)
e 2 By2  mi2  xi  n  zi  n
Ex mi  xi  n i
v
vx


By 
e By 
iz

方程式に従うとした。 は、再結合による電荷消滅の寿命である。
d Q  t  Qmax Q



dt
tc

d Q t (35)

る。衝突の効果により、電子とイオンは異なるドリフト速度になる。

Qt  tc(42)(41) 式、(42) 式は、双方とも、解析的に解が求
まる。

Q 
t

 Qmax Q  tc

 Qmax  t 
1  exp      t  tc Q  t  Q  tc  exp    

７．2 流体シミュレーションの基礎式のまとめ

5 章、及び 6 章の考察に基づき、基礎式をまとt  tctc(44)

 tc  
1  exp      
tc(43)t  tc

本研究では、Qmax = 0.01 C、tc = 40 分,  = 4 分める。磁力線に垂直な方向の速度を考慮すること
により、質量保存式である(5) 式、及び(6) 式は、

(41)



dt

イオンと中性分子の衝突を無視すると、(34) 式及び (35) 式は、通常の E x B ドリフト速度になt  tcとした。

次式に変更される。

地球上の非定常分極電荷の発生モデルとして、

  v ey  vze 
 ne
n
n
 v ey  e  vze  e  ne 
  y   z  
t
 y
 z



次のようにした。図 4 は、概略図であり、図 5 は、地下の正電荷の移動の様子を示したものである。

(36)
i
i 

 v y   vz 
 ni
n
n
 viy   i  vzi   i  ni 





t
y
z
  y  z  (37)

L0 は南北方向の震源域の長さ ( 575 km )、W0 は
東西方向の震源域の幅 ( 144 km )である。震源深さは 24 km とした。正電荷（正孔）が x の正の方向（東）に移動する速度は、W0/ tc とし、シミ磁力線に平行な方向の運動方程式は、 (7) 式 -ュレーションを行った。時刻 t=0 で発生した負電(10) 式で表される。磁力線に垂直な方向の電子の荷（電子）は、固定され動かないとした。時刻 tc

速度は、(24) 式、及び(25) 式で表される。磁力線= 40 分時に正電荷は震源域の東の端に到達する。

に垂直な方向のイオンの速度は、(34) 式、及び(35)電荷量の時間変化は、(43)、(44) 式の通りである。

式で表される。
電場に関する方程式である(16) 式を、x - y’-z’
座標系で書き直す。
 2j 2  tot

E 
0 x

2
2  x
 z t  y
2

tot
c

X

θ0

 jy

負電荷（固定）
v0

Y
L0

(38)

 
  tot 1   0 E y 2yz 2 t 0  y

 jy
 2
 2  tot 1  ctot

E 
 0

2
2  y



z 
t
0  yy2

P (Y, Z)

Z

正電荷

W0

図 4 モデルの概略図
負電荷（固定）

(39)

正電荷
北
Y

(40)

(7) 式- (10) 式、(17) 式、(24) 式、及び(25) 式、(34) 式- (40) 式が、本シミュレーションの基礎式

東

v0

W0

X

L0

図 5 地下の正電荷の移動の様子である。
─ 55 ─

図 8 は、40 分時の電場分布である。地表付近

９．シミュレーション結果
先に述べた地下（地表）電荷の移動に伴う上空では、0.002V/m 程度、電離層下部 (z~200km) での電子密度高度分布の変動を計算した。図 6 は、は、（図では確認できないが）10-4 V/m 程度の電初期の電子密度の高さ方向の分布である。

場強度である。

z (km)

1000

500

0 7
10

図 6

8

10

9

10

10

10

ne0 (m-3)

11

10

12

10

図 8 40 分時の電場分布
図 9 は、高さ方向 ( 0 < z < 1000 km) で積分し初期電子密度の高さ方向の分布

た電子数の時間発展と、地下の分極電荷の時間発
図 7 は、地球側の電荷密度のピークとなる 40展である。図 9 中の c は y = L0 / 2 の上空での積分時、およびその後減衰が進んだ 60 分時におけ分値を表しており、LA は 0 < y < L0 の上空でのる、電子密度初期分布からの変化量である。

積分値を L0 で割ったものを表している。地下の電荷量 Q(t) の増大に応じて電離層電子密度の変化があること、及び Q(t) の減衰は 40 分から始まる
が、積分した電子数の減衰には 5 分程度の時間遅れがある、ことが特徴的である。この傾向は観測
3)の傾向と一致する。
0.015

1 10

-3

8 10

-4

6 10

-4

4 10

-4

2 10

-4

c
0.01

Q(t)

0.005
v0 = 60 m/s
0

0

10

20

30

40

Time (min)50

Q(t) (C)Ne (t) / 1016 (m-2)

LA

0
60

図 9 当該領域で積分した電子数の時間発展と、
図 7 地球側の電荷密度のピークとなる 40 分時、地下の分極電荷の時間発展。図中の c は y

およびその後減衰が進んだ 60 分時におけ= L0 / 2 の上空での積分値、LA は 0 < y <る、電子密度初期分布からの変化量

L0 の上空での積分値を L0 で割ったもの
─ 56 ─

１０．結言2)

本研究において、2 流体シミュレーションを行

K. Heki and Y. Enomoto, J. Geophys. Res. Space
Phys., 120, 7006-7020, (2015).

い、電離層、及び大気層中のプラズマの電子密度

3)K. Heki, 2018, Parity, 33, No.2. (in Japanese).

の初期密度からの変化量の空間分布、等を求めた。

4)

He,L.and K. Heki; J.Geophys.Res. Space

地下の電荷量 Q(t) の増大に応じて電離層電子密度の変化があること、及び Q(t) の減衰は 40 分か

Phys.,122,8659–8678, 2017.
5)

ら始まるが、積分した電子数の減衰には 5 分程度の時間遅れがある、ことが特徴的である。この傾朝倉現代物理学講座 – 9, 1981。
6)

3)

向は観測 の傾向と一致する。

C. L. Kuo, L. C. Lee and J. D. Huba; J. Geophys. Res.
Space Physics, 119, 3189–3205, 2015.

7)

参考文献
1)

西川恭冶、大林康二、若谷誠宏；「連続流体物理学」

Kelley,M.C.,W.E.Swartz,and K.Heki,
J.Geophys.Res.SpacePhys.,122,6689-6695, 2017.

K. Heki, Geophys. Res.Lett. 38. L17312. (2011)─ 57 ─

超短パルスレーザー加工の統合シミュレーションコードの開発
理論・シミュレーションチーム
古河裕之、長友英夫 1、三間圀興 1、矢花一浩 2
1

2

阪大レーザー研、

筑波大学計算科学研究センター
原子過程コード

１．はじめにレーザー加工では目的に応じて、レーザーの波長、パ

電離度、電子のポピュレーション、
エネルギーレベル等を出力。

ルス幅やレーザー強度が選択される。大阪大学レーザー科学研究所との共同研究では、近赤外の超短パルスレー

状態方程式コード スペクトル コード

ザーを用いた微細加工プルセスのシミュレーション手法の高度化を進めている。本報告は、共同研究の現状と圧力、比熱 放射係数、吸収係数を出力を出力

展望をまとめたものである。

入力データ
作成部

LAPSICLA ser Processing SImulation Code
レーザー吸収計算、輻射流体計算、応力計算、相変化計算等を含む。

マイクロメーターの加工精度を実現するには、レーザーで注入されたエネルギーの熱伝導による拡散を極力避けることが必要である。マイクロメーターの空間スケ

図 1 開発する統合シミュレーションコードの構造

ールでは熱伝導の時間スケールは数ピコ秒であり、マイクロメーターの微細加工用レーザーのパルス幅は、ピコ

テーブルから電離度、比熱、圧力を読み込む。

秒もしくはサブピコ秒となる。このような超短パルスレーザー加工では、レーザーの吸収は厚さ数十 nm の層でレーザーと混相物質の相互作用の計算（TDDFTとMAXWELL方程式による多階層計算」等）

生じ、過渡的に超高圧が発生し気体・液体・固体相の圧縮膨張が超音速で進行することより、加工面はピコ秒の固体から液体、中性気体、
部分電離プラズマへの相変化

オーダーで変化する気・液・固体の混相状態になる。このような、混相状態と超短パルスレーザーとの相互作用

固体中の弾性波の伝播
液体、中性気体と部分電離プラズマの流体運動
X 線の放射輸送をモデル化し、正確なレーザー吸収の時間空間変化をシ
ミュレーションに反映することが重要である。

図 2 LAPSIC シミュレーションの流れ

本研究では、上記の吸収過程とその後の輻射流体運動の結果である、アブレーションや溶融層の生成と凝固を

図 3 は、レーザー加熱に伴って生成される多階層状態

記述する統合シミュレーションコードを開発し、レーザ
ー微細加工の最適化と CPS の構築に資することを目指の構造の 1 例である。

す。
図 1 は、開発目標とする統合シミュレーションコード
の構造であり、レーザー吸収モデルの精緻化は、図 1 中
では LAPSIC に含まれる。図 2 は、LAPSIC シミュレー
ションの流れである。レーザー吸収モデルの精緻化以外
は、レーザーピーニング統合シミュレーションコードの

図 3 レーザー加熱に伴って生成される多階層状態の構造の 1 例

構造とほぼ同じである。
─ 58 ─

統合シミュレーションコードの開発において、極めて

左記のように、レーザーの吸収率を決定する複素重要な役割を果たしている混相状態とレーザーの相互誘電関数をバンド構造の計算により求めることは、作用の物理を解明し、モデル化することにより、色々な

レーザー加工の理論的評価に関して極めて重要であ

照射条件での短パルスレーザー加工に適用可能なシミる。すなわち、「固体表面でのレーザー吸収・レーザ

ュレーションコードの開発を目指す。本年度は、固体とー反射率の計算の基礎」となる。

レーザーの相互作用の初期過程の解明に注視した。固体

すなわち、バンド構造を求めたのちその固有関数

は、原子が結晶構造を組んでおり、電子の波動関数に周である波動関数を求め、それを第一原理計算手法であ期性が表れ、所謂バンド構造を形成する。結晶中の電子

る時間依存密度汎関数理論計算[2] の初期波動関数としの波動関数は、ブロッホの定理で表される関数形を持つ。

て用いて、レーザー電場中の時間変化する電子波動関数

ϕµ ( r − =t n ) exp ( i k ⋅ t n ) ϕ µ ( r )(1)t n = (n1a, n2 b, n3c)(2)

ここで、 (a,b,c) は格子単位ベクトル、n1, n2, n3 は任意のを決定し、誘電応答関数を求めることができる。
第 2 章で、結晶中の波動関数の簡単な例として、クローニッヒ・ペニーモデルについて述べる。

整数、である。

ナノ秒パルスの場合も超短パルスの場合と同様に、最複素誘電応答関数は、複素電気伝導度を用いて次式で表される。

初は固体表面で吸収され、過渡的に超高圧が発生し気体・液体・固体相の圧縮膨張が超音速で進行する。プラε (ω ) = σ (ω ) / (i ω )(3)ズマが生成されると主にプラズマ中でレーザーの吸収

ω= ω + iη(4)が起こる。ナノ秒パルスの場合、レーザー照射中に流体

太字は、複素数であることを表す。

運動も起こり、レーザーの吸収長も長くなり、密度分布

複素電気伝導度の ik 成分は、電流密度と電場と自式で関係づけられる。

も形成されるため、正確なレーザー吸収の時間空間変化
をシミュレーションに反映することは、超短パルスの場

ji ( ω ) = σ ik ( ω ) Ek ( ω )(5)

合よりも難しい。

i, k は、x, y, z のいずれかであり、同じ添え字について
は和を取る。

べる。レーザー核融合研究では、爆縮レーザーを照射し複素電気伝導度の xy 成分は、久保公式[1]を用いて、

e2∑  F ( Em ) − F ( En )
i ω a d m,n ×< m vx n > < n v y m >初期の固体とレーザーの相互作用がその後の爆縮輻射流体運動に大きな影響を与える。本研究は、レーザー核(6)

融合爆縮物理の解明のためにも、非常に重要である。

hω − i hη + Em − En

ここで、a はイオン球半径、d は空間次元数、F は Fermi– Dirac 分布、< m| vx| n> と < m| vy| n> は、m と n stateの固有関数（波動関数）: ϕm(r), ϕn(r) に対する積分であり、Em , En はエネルギー固有値、vx, vy は速度オペレー
タで、ハミルトニアンを用いて、次式で表される。

vx =た際のイニシャルインプリントの問題が指摘されている。爆縮用ターゲットもレーザー照射前は固体であり、次式で表される。

σ xy =

本研究とレーザー核融合研究の関連性についても述ii[ H , x] , vy = [ H , y]hh２．クローニッヒ・ペニーモデル
レーザー場と相互作用する電子状態を記述する簡易モデルとして、図 4 のような井戸型の障壁が周期的に並んだポテンシャル中の電子状態を考えた。高さが V0で 幅が b，周期が L = a + b の井戸型のポテンシャル
で、幅 b は b << a とすると、電子状態はポテンシャ(7)

ル障壁の強さ V0 b、で決まる。

ここで、[ ] は交換関係を表す。
─ 59 ─

cos 2 Ea ⋅ cos 2 ( E − V0 )b

エネルギー（原子単位）

−

V0
a

b

a

0

2 E − V0

2 E ( E − V0 )sin 2 Ea ⋅ sin 2 ( E − V0 )b(17)= cos kLb

Valence band の場合も同様にして、E と k の関係式x（原子単位）が求められる。(18) 式に示す。

図 4 井戸型の障壁をもつポテンシャル

cos 2 Ea cosh 2 (V0 − E )b

上記ポテンシャル中では以下のように比較的簡単に、+

conduction band (E > V0 ) に相当する波動関数を求めることができる。電子のシュレディンガー方程式は以下のよ

V0 − 2 E

2 E (V0 − E )sin 2 Ea sinh 2 (V0 − E )b

= cos kL

うに書ける。

(18)

図 5 は、V0= 1、L = 7.6521（アルミの格子定数）、h2 d ϕ1 ( x )E ϕ1 ( x )− =2me d x 220≤ x≤a(8) h2 d 2
+ V0 =ϕ2 ( x ) E ϕ2 ( x ) − b ≤ x ≤ 0−2
 2me d xa = L x 0.9、b = L - a として得られたバンド構造である。

(9)
この場合、波動関数は、次のようになる。

ϕ1 =( x ) C1+ ei α x + C1− e−i α x

ϕ2 =( x) C e+ iβx
20≤ x≤a(10)− −i β x2+C e−b ≤ x ≤ 0

(11)

α=
=
β

2E

(12)

2 ( E − V0 )(13)
図 5 得られたバンド構造

周期境界条件とブロッホの定理から、次の関係式が
導ける。
+
−1
−1
1
1
 C1 
α
 −
−α
−β
β

 C1  = 0−i β bi βb   + 
 ei α a e − i α a
− λe
− λe
C
 iα a 2 
i βb−i α a−i β bλβ e  C2− − λβ eα e − α e

λ =e

i kL

３．時間依存密度汎関数理論
超短パルス光が照射した直後の電子状態や、光から電(14)手法として、第一原理計算手法である時間依存密度汎関
数 理 論 (Time Dependent Density Functional Theory :(15)(14) 式が有意な解を持つためには、行列式が 0 でなければならない。

1

子へのエネルギー移行を正確に見積もるための有効な

TDDFT ) が挙げられる[2]。時間依存密度汎関数理論では、レーザー電場をベクトルポテンシャル A(t) で記述

α

1
−α

−1
−β

−1

ei α ae−i α a− λ e − i β b − λ ei β bβα ei α a − α e−i α a − λβ e−i β b λβ ei β b(16) 式から(17) 式が得られる。

し、A(t) を含む時間依存のシュレディンガー方程式を=0

解き、波動関数の時間空間発展を求め、高強度パルス光(16)が物質中をどのように伝搬するのか、また光から物質中の電子にエネルギーが移行する様子を求める。図 6 は、
時間依存密度汎関数理論による光の物質中での伝搬と吸収に関する解析の流れの概略図である。

─ 60 ─

レーザー電場中の電子状態の決定

誘電応答関数の決定

５．今後の課題(17) 式と(18) 式を (14) 式に代入して、
C1+, C1-, C2+, C2-

誘電媒質中のマクスウェル方程式から、電場を決定を求め、固有関数としての波動関数を求める。次の 2 つ
図 6 時間依存密度汎関数理論による光の物質中でのの手法を用いて、超短パルス光と電子の相互作用を評価する。

伝搬と吸収に関する解析の流れの概略図

1) 求められた波動関数を、TDDFT の初期波動関数として用い、固体の超短パルス光と電子の相互作用を評価

４．結言
レーザー場と相互作用する電子状態を記述する簡易する。

モデルとして、井戸型の障壁が周期的に並んだポテンシ

2) 求められた波動関数から得られる誘電応答関数を用

ャル中の電子状態を求めた。

いて、
Drude-Lorentz model により求められる誘電応答関

時間依存密度汎関数理論では、レーザー電場をベクト数中のフィッティングパラメーターの値を決定する。確

ルポテンシャル A(t) で記述し、A(t) を含む時間依存の定した誘電応答関数により、固体、液体、気体、部分電シュレディンガー方程式を解き、波動関数の時間空間発離状態での超短パルス光と電子の相互作用を評価する。

展を求め、高強度パルス光が物質中をどのように伝搬す
るのか、また光から物質中の電子にエネルギーが移行す

参考文献

る様子を求める。

1）R. Kubo: J. Phys. Soc. Jpn. 12 (1957) 570.
2）矢花一浩；レーザー研究 44 (2016) 789-793.

─ 61 ─

繰返しパルス照射による石英ガラスのレーザー損傷
レーザー技術開発室
本越伸二、坂本高保
１．はじめに欠陥（レーザー誘起欠陥）が生成されることが説明されレーザー装置には、レンズやミラーなど多くの光学素

ている。
(1)

≡ Si − Si ≡ + ℎ𝜈𝜈𝜈𝜈 ⟶ ≡ Si∗ Si ≡ + 𝑒𝑒𝑒𝑒子が使用されている。光学素子は高出力のレーザー光に曝されると、しばしば内部あるいは表面に破壊が生じる。

ここで右辺の*は不対電子を示し、≡Si* は E’センター

これをレーザー損傷と呼び、レーザー損傷が生じる最小と称される典型的な欠陥であり、5.8 eV（214 nm）付近のエネルギー密度をレーザー損傷しきい値と呼ぶ。レー

に吸収を持つ。

ザー損傷が生じると、レーザー装置は所望の特性が得ら

また、半導体分野の SiO2 研究では、電荷注入によりれなくなり、出力等を制限する要因となる。そのため、SiO2 に長寿命の電子トラップを発生することが示され高いレーザー損傷しきい値を持つ光学素子の開発、レーている 8, 9)。レーザー光による欠陥は、レーザー損傷し

ザー損傷機構の解明が求められている。

きい値よりも低いエネルギー密度でも生成されること光学素子に繰返しレーザーパルスを照射する場合、繰

から、レーザー損傷と同様に繰返しレーザーを利用する

返し周波数の増加に従い光学素子のレーザー損傷しき上で重要な課題である。

い値が低下することが報告されている 1,2)。Wood らは、

本研究は、繰返しパルス照射によるレーザー損傷しき

炭酸ガスレーザーの繰返しパルスをゲルマニウム単結い値低下の原因を明らかにすることを目的にする。純度

晶表面に照射した際、1 パルスのレーザー損傷しきい値の異なった合成石英ガラス材料に対して、時間間隔を制

100Hz ではFDT×0.15
FDT に比べて10Hz ではFDT×0.75、御した繰返し 2 パルス照射時のレーザー損傷しきい値の損傷しきい値になることを明らかにした 1）。繰返し周を評価した。また、レーザー誘起欠陥とレーザー損傷の波数の増加に従い、熱蓄積が増加し、破壊が生じやすく関係を明らかにするために、繰返し照射時の透過率低下なったためと考えられている。Kitriotis らは Nd:YAG レを測定し、欠陥再結合モデルによる解析の結果、再結合

ーザーの基本波および第二高調波の繰返しパルスを
表 1 評価試料の物性値

BK-7 ガラス、溶融石英ガラス、高純度水晶の内部に照試料Ａ射し、レーザー損傷しきい値を比較評価した 2)。損傷形状などから、繰返しパルス照射によるレーザー損傷しきい値低下は、点欠陥のような過渡的存在によるものと述べている。しかし、繰返しパルスによるレーザー損傷しきい値低下の機構は未だ十分に理解されていない。

3

20×30×26

サイズ

[mm ]

含有不純物量[wtppb]

< 10

< 100

均質性 Δｎ

[ppm]

< 0.5

< 20

透過率* @190nm

[%]

90.5

屈折率 @193.4nm

一方で、長時間紫外レーザー光を照射した場合に石英

試料Ｂ

1.560221.56025

歪点

[℃]

1060

ガラスの透過率低下が生じることが知られている 3-6)。

線膨張係数（50-200℃）[ppm/K]

0.7

石英ガラスは、製造過程により酸素欠乏など欠陥が生じ、熱伝導率 @25℃[W/m/K]

1.46

その欠陥は紫外、深紫外領域において光吸収帯を持つ 7)。

比熱 @25℃[J/kg/K]75

3

紫外レーザー光のような大きな光子エネルギーhυを持密度[kg/m ]

2200

つ光に曝された場合、式（１）に示すように新たな構造

ヤング率

[GPa]

72

*長さ10mm、両面の反射損失を含む

─ 62 ─

照射フルーエンス

時定数を得た。

２．評価試料
合成石英ガラスは、高い純度を持ち、紫外から近赤外域まで高い透光性を有するため、多くのレーザー装置の透過光学素子材料として使用されている。また線膨張係

損傷しきい値

損傷

照射間隔：約20秒∆t

数が小さく、適度な機械強度を持つことから、加工・研Check

磨が容易で、高い面精度の素子が得られる。さらに、化学特性も安定であるため、長期間安定な光学特性を持つ。

Check

Check

時間

図 2 2 パルス N-on-1 方式によるレーザー本研究では、表１に示すような含有不純物量の異なる 2

損傷しきい値評価法

種類の合成石英ガラスを評価試料に用いた。
レーザー損傷しきい値は N-on-1 方式で決定した。

３．評価レーザー装置
図 1 にレーザー損傷測定用光学配置図を示す。評価用

N-on-1 方式は、レーザー照射位置を固定し、低い照射

レーザー装置には、波長 193nm、パルス幅 10ns の ArF

エネルギー密度から徐々にエネルギー密度を増加してエ キ シ マ レ ー ザ ー 装 置 （ LAMBDA PHISIK 社

繰返し照射を行い、損傷が発生したエネルギー密度をレCOMPex100）を使用した。レーザー装置から出力されーザー損傷しきい値とする方式である。通常の N-on-1

たレーザー光は、アパーチャーにより 25×11 mm2 に整方式では、1 パルス照射毎に損傷の有無を確認し、損傷形し、焦点距離 100 mm のレンズを用いて試料入射表面が発生するまで繰り返し照射を行うが、2 パルス照射のから内部約 8 mm 位置に集光した。試料に入射するレー

場合には、図 2 に示したように、同じエネルギーの 2

ザー光のエネルギーは、ビームスプリッタの表面反射

パルスを 1 セットとして照射を行い、損傷の有無を確認(4%) を用いて、エネルギーメータで計測した。また試後、エネルギーを増加して 2 パルス照射を繰返し、損傷

料内部の損傷は、エキシマレーザーと対向同軸からが確認されたエネルギー密度を損傷しきい値とした。2

He-Ne レーザー光を入射し、その散乱光を目視で観察す

パルスの時間間隔は、レーザー装置の繰返し周波数をる事により確認した。

1~100Hz に変えることに調整し、より行い、次の 2 パル

図 1 レーザー損傷評価の光学配置図

─ 63 ─

ス照射までの時間は約 20 秒とした。石英ガラスの物性った。また、試料 A では 100 ms、試料 B では 1000 ms

値から求められる熱拡散係数は 814 mm2/s となるため、のパルス間隔で、1 パルス照射時の損傷しきい値と同程

20 秒の時間に 16,000 mm2 拡散することになる。石英ガ度になった。

ラス内部のレーザー照射スポット面積は0.034 mm2 と十2 パルスでは熱の蓄積は存在しないと考えられるた分に小さいので、先のセット（2 パルス）が次の照射にめ、損傷しきい値の低下の要因は熱による効果ではない

及ぼす熱影響は無視できる。結晶内での集光位置を 3と考えられる。また、微小な損傷が 2 パルス目の損傷に箇所変えて N-on-1 試験を行い、レーザー損傷しきい値

寄与しているのであれば、損傷しきい値はパルス間隔には 3 箇所の平均値で評価した。

依存しない。レーザー照射によって誘起された欠陥が時ついで、繰り返し照射に伴う試料の透過率変化を計測

間とともに回復するというプロセスを考えれば、パルスした。この実験では、試料に損傷が生じないようにレン間隔が小さいほど損傷しきい値が低下するという結果

ズの焦点距離を f=500 mm に変更した。繰り返し周波数を説明できる。このことから、時間とともに回復するレ

を 10、 80、 100 Hz に設定し、最大 10,000 パルスまで

ーザー誘起欠陥が損傷しきい値低下の要因と考えられ照射した時の試料の透過率変化を計測した。

る。

４．2 パルス照射時のレーザー損傷しきい値

５．多重パルス照射時の透過率低下

1 パルスレーザー照射時の損傷しきい値は、試料 A、

試料 A、B について、繰返し周波数を変えて照射した

B に対して、それぞれ、4.2 J/cm2、4.4 J/cm2 で、不純物時の照射パルス数に対する透過率変化を図 4(a)および量の少ない試料 A の方が不純物量の多い試料 B より僅(b)に示す。図の透過率は、照射前の透過率で規格化しかに低い値であった。

た。照射パルス数の増加に伴い透過率は低下した。透過

パルス間隔を 10ms から 1000 ms の間で変化させて繰率低下量は、繰返し周波数が高いほど大きく、また試料返し 2 パルスを照射した場合のレーザー損傷しきい値

A に比べて不純物の多い試料 B の透過率低下は顕著でを図 3 に示す。縦軸のレーザー損傷しきい値は、1 パルあった。

ス照射時のしきい値で規格化した。2 パルス照射時のレーザー損傷しきい値は、パルス間隔が短くなるほど低下

６．欠陥数モデルとシミュレーション

し、不純物量の多い試料 B の方が低下の割合が大きか

レーザー照射により誘起欠陥が生成され、その後、ある時定数に従い再結合して元の状態に戻るというモデ

2パルス照射損傷しきい値 [N.U.]

ルを考える。
1 パルス照射で生成される欠陥密度N0 が時定数τで再１パルスしきい値1

結合すると場合、レーザー照射後の時間 t における欠陥

試料 A
試料 B

0.9

密度 N(t)は

0.8
0.7

(2)

0.6
0.5

で表される。時間間隔Δt で第 2 パルスが照射されると、
1

10

100

1000

2パルスの時間間隔 [ms]図 3 パルス間隔に対する 2 パルス照射時のレーザー損傷しきい値

新たな欠陥密度 N0 が生成されると共に、時間Δt で残留した第 1 パルス欠陥密度 N0exp(-Δt/τ) が第 2 パルスのレーザー光により k 倍に増倍されると考えると、第 2 パ
ルス照射時の欠陥密度 N(2)は、

─ 64 ─

表 2 レーザー誘起欠陥の再結合時定数（τ1 < τ2）
1

10Hz
80Hz
100Hz

透過率 [N.U.]

0.95
0.9

τ1 [s]

τ2 [s]

Sample A

0.67

>9999

Sample B

3.7

>9999

0.85
0.8

ここで、T0 は試料の初期透過率、L は試料長である。

0.75
0.7

式(5) を用い、繰返しパルス照射による透過率低下曲線

0

5000

をフィッティングすることで、再結合時定数τ が求めら

10000

れる。

照射パルス数

図４に示される透過率の減衰曲線は単一の時定数だ(a)

透過率 [N.U.]

けではフィッティングが困難なため、異なる 2 種類の再1

結合時定数τ1、τ2（τ1 < τ2）を考慮してフィッティング

0.95を試みた。その結果を図 4 の破線で示し、得られた再結

0.9

合時定数を表 2 にまとめた。図 4 より、それぞれの試料

0.85

10Hz

0.8

80Hz

り返し周波数が異なっていても、透過率変化をフィッテ

100Hz

定数は、それぞれ 0.67 秒と 3.7 秒となった。つまり、含10000

有不純物量の多い試料 B では、再結合に時間を要する

0.75
0.7

0

5000

に対し、2 種類の再結合時定数を用いることにより、繰

ィングできることが分かる。試料 A、B の早い再結合時と言える。また、どちらの試料においても、大きな再結照射パルス数合時定数τ2 は 9999 秒以上と非常に大きな値を得た。こ(b)
図 4 繰返しパルス照射による透過率低下

れは、フィッティング解析を行った計算機上の数値限界(a) 試料 A、 (b) 試料 B

であり、数日かかって元の透過率に回復するという報告を説明できるものである 5,6)。

Δ𝑡𝑡𝑡𝑡

(3)

𝑁𝑁𝑁𝑁(2) = 𝑁𝑁𝑁𝑁0 + 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘0 exp �− �𝜏𝜏𝜏𝜏となる。これは繰返しパルスに対する等比数列となり、

７．考察

n パルス目照射時の欠陥密度 N(n)は、式(4) で表される。

2 パルスの時間間隔（10～1000 ms）に依存したレー
ザー損傷しきい値とレーザー誘起欠陥を比較するため(4)に、早い再結合時間τ1 との関係について考察する。

ここで、レーザー誘起欠陥密度 N0 及び増倍係数 k はレーザー誘起欠陥の生成と再結合過程を踏まえた石照射エネルギー密度に依存するパラメータである。照射英ガラスの化学反応式を図 5 に示す。紫外レーザー光照

エネルギー密度 0 J/cm2 時は、N0=0、k=1 である。測定

射により、石英ガラスの Si-O 結合は切断され、欠陥波長に対する欠陥の吸収断面積をσと置くと、透過率の≡Si*と自由電子 e-を生成する。誘電体材料内の自由電変化は式(5)のように表される。

子は不安定であるため、速やかに再結合し Si-O 結合状態に戻る。しかしながら、自由電子が他のイオンと結合(5)すると、Si-O 結合に戻るのを阻害することになる。試─ 65 ─

繰返しパルス照射時の大きな透過率低下や、レーザー損

欠陥

切断

傷しきい値の低下の要因になると考えられる。
再結合１,

自由電子

再結合２,

今後、レーザー誘起欠陥の生成の抑制などを図り、長’電子トラップ

寿命・高耐力光学素子の開発を進める。

’

図 5 レーザー誘起欠陥の生成と再結合過程
９．謝辞
料 B のように、多くの不純物を持つ場合には、自由電子は不純物によりトラップされ、Si-O への再結合時定

本研究は、大阪大学レーザー科学研究所および近畿大学理工学部との共同研究により実施された。

数が大きくなると説明できる。
この再結合時定数は 1 パルス照射後の残留自由電子の数密度も表している。2 パルス目が照射された時に残参考文献留する電子は、レーザー強度により電子増倍され絶縁破

1）

R. M. Wood, S. K. Sharma, and P. Waite, Nat. Bur. Stand.
(U. S.) Spec. Publ. 669, 44 (1984).

壊に必要な臨界密度に到達する。即ち、再結合時定数の小さい試料 A では、残留電子が急激に減少するため、

2）

D. Kitriotis, and L. D. Merkle, Appl. Opt. 28, 949 (1989).

短いパルス間隔（高い繰返し周波数）においてもレーザ

3）

L. Skuja, J. Non-Cryst. Solids 239, 16 (1998).

ー損傷しきい値に影響を及ぼさないと説明できる。

4）

H. Nishikawa, R. Nakamura, R. Tohmon, Y. Ohki, Y.
Sakurai, K. Nagasawa, and Y. Hama, Phys. Rev. B 41, 7828
(1990).

８．まとめ
繰返しパルス照射時のレーザー損傷について理解す5）

るために、合成石英ガラスに対して 2 パルス照射のレー

N.Kuzuu, Y.Komatsu and M.Murahara, Phys. Rev. B 45,
2050 (1991).

ザー損傷しきい値を評価し、パルス間隔が短くなるに従6）U.Natura and D.Ehrt, Glass Sci. Technol. 72, 295 (1999).

い損傷しきい値が低下することを明らかにした。また、

7）

梶原浩一、平野正浩、細野秀雄、日本結晶学会誌44, 182(2002).

レーザー誘起欠陥と関連を明らかにするために、繰返し
パルス照射時の透過率低下を測定し、再結合モデルによ8）Appl. Phys. 60, 2024 (1986).

り透過率低下とのフィッティングにより再結合時定数9）を評価することができた。

Y. Nissan-Cohen, J. Shappir, and D. F-Bentchkowsky, J.

再結合時定数は、材料内不純物量により大きくなり、

─ 66 ─

J. P. Vigouroux, J. P. Duraud, A. Le Moel, and C. Le
Gressus, J. Appl. Phys. 57, 5139 (1985).

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
著
者 Y. Nakata, K. Osawa, N. Miyanaga
Utilization of the high spatial-frequency component in adaptive beam shaping by using a virtual
題目diagonal phase grating
論文誌名 Scientific Reports, 9:4640 (2019), 10.1038/s41598-019-40829-7
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), 10.1016/j.optmat.2019.03.032
著者 K. Tsubakimoto, H. Higuchi, K. Fukuishi, H. Yoshida, N. Miyanaga
Fast pulse train control using filled-aperture coherent beam combining for high-average-power
題目laser systems
論文誌名 Optics Letters, 44, 5434-5437 (2019), 10.1364/OL.44.005434○レーザープロセス研究チーム
著者 M. Fujita, T. Somekawa, N.Miyanaga, R. Kodama
題
目 Cleaning, Cutting and Welding of Construction Materials
論文誌名 Proceedings of Lasers in Manufacturing Conference 2019，#257，（2019）
H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, D. Li, S. Motokoshi, Y. Izawa, S. Nishikata,著
者
T. Morioka, K. Hamamoto, H. Ikebuchi, Y. Ohtani, T. Kaneko, H. Daigo
題
目 Direct Jet Impingement Cooling
論文誌名 ALPS'19, The 8th Advanced Lasers and Photon Sources，pp.1-2，（2019）著
者 T. Somekawa, M. Otsuka, H. Kuze, Y. Maeda, M. Fujita
Laser-fluence dependence of signal enhancement in femtosecond doublepulse laser induced
題目
breakdown spectroscopy
論文誌名 Spectrochimica Acta Part B,164,105755,（2020）
著
者 T.Somekawa, G. Khosrovian, S. Taniguchi, D. Li
題
目 Evaluation of tunable deep UV lasers for remote identification of hazardous substances
論文誌名 Proceedings of SPIE，Vol. 11160, 111600R，pp.1-6，（2019）
I. Asahi, S. Sugimoto, Y. Ichikawa, M. Ogita, H. Kodama, S. Eto, T. Higo, T. Somekawa,
著
者
H. Chosrowjan, S. Taniguchi
Experimental study for the development of remote sensing technology of hazardous substances
題目by resonance Raman effect
論文誌名 Proceedings of SPIE，Vol. 11166, 111660X，pp.1-9，（2019）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事業について
論文誌名 光アライアンス、vol.30, No.11, pp.1-3, （2019）著者 染川智弘題
目 水中ガスラマンライダーによる海中モニタリング技術の開発
論文誌名 OplusE，42，195，（2020）著者 藤田 雅之
題
目 短パルスレーザーを用いたCFRPの微細加工技術の開発
論文誌名 機械技術，vol.67, No.8，pp.36-39，（2019）─ 69 ─

○レーザー計測研究チーム
著者 島田義則題
目 レーザを用いたコンクリート構造物の遠隔・非破壊計測技術の現状と展望
論文誌名 電気学会誌, Vol.139(5), pp.280-283, (2019)著

者 島田義則、オレグ コチャエフ、倉橋慎理

題目 ロボットフォトニクスによるコンクリート欠陥検査技術
論文誌名 光アライアンス, Vol.30(11), pp.4-7, (2019)○レーザーバイオ化学研究チーム
S. Taniguchi, H. Chosrowjan1, S. Ito, H. Miyasaka, M. Katane, H. Homma, F. Tanaka,
著
者
A. Nueangaudom, K. Lugsanangarm, S. Kokpol
Comparative studies on picosecond-resolved fluorescence of D-amino acid oxidases from題目
human with one from porcine kidney. Photoinduced electron transfer from aromatic amino
論文誌名 Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology，Volume 198，pp.111546，（2019）
N. Nunthaboot、K. Lugsanangarm, A. Nueangaudom, S. Pianwanit, S. Kokpol, F. Tanaka,
S. Taniguchi, H. Chosrowjan
Protein dynamics of five FMN binding protein isomers revealed by residue electrostatic
題目energies between ionic residues: correlation coefficients
論文誌名 Chemical Papers (published Online, 11, Mar. 2020)，（2020）

著者○レーザー技術開発室
藤本靖、中原正盛、P.Binum、本越伸二、石井修、渡部棟之、山嵜正明、篠塚勉、佐藤毅、
著
者
矢野森寛
題
目 青色半導体励起可視光ファイバレーザーによる高効率ＵＶレーザー光源の開発
論文誌名 レーザー研究、47巻、4号、pp.215-220, （2019）─ 70 ─

国際学会発表リスト○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

H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, D. Li, S. Motokoshi, Y. Izawa, S. Nishikata,
T. Morioka, K. Hamamoto, H. Ikebuchi, Y. Ohtani, T. Kaneko, H. Daigo
Development of kW-class Yb:YAG TRAM CW Laser Oscillator with Direct Jet Impingement
OPIC2019, ALPS'19, The 8th Advanced Lasers and Photon Sources International Conference，
22-26 April, 2019,Yokohama, Japan
M. Fujita, T. Somekawa, N. Miyanaga, R. Kodama
Cleaning, Cutting and Welding of Construction Materials
Lasers in Manufacturing LiM2019，24-27 June. 2019,Munich,Germany
N. Sakaki, Ebisuzaki, M. Iwashimizu, S. Nishikata, H. Daigo, Y. Kuroda, S. Motokoshi,
M. Fujita
Determination of absorption coefficient of atmosphere by near-IR laser beamLaser Solutions for Space and the Earth 2019，23-26 April 2019,Yokohama,Japan
T. Somekawa, H. Chosrowjan, S. Taniguchi, and D. Li
Evaluation of tunable deep UV lasers for remote identification of hazardous substances
SPIE Security + Defence，9-12 September, 2019,Strasbourg,France
I. Asahi, S. Sugimoto, Y. Ichikawa, M. Ogita, H. Kodama, S. Eto, T. Higo, T. Somekawa,
H. Chosrowjan, S. Taniguchi. D. Li
Experimental study for the development of remote sensing technology of hazardous substancesby resonance Raman effect
SPIE Security + Defence，9-12 September, 2019,Strasbourg,France○レーザー計測研究チーム
著 者
題 目
会議名
著

者

題 目
会議名

Y. Shimada, O. Kotyaev and S. Kurahashi
Development of Laser-Based Remote Sensing Technique for Detecting Defects of Concrete
Imaging, Sensing, and Optical Memory 2019，20-23 October. 2019, Niigata,Japan
N. Hasegawa, M. Nishikino, H. Okada, S. Kondo, K. Mikami, T. Kitamura, S. Kurahashi,
Y. Shimada, T. Kawachi
Verification Test for the High-Speed Laser Hammering Method in Load Tunnels
OPIC LSSE2019，24-26 April. 2019,Yokohama, Japan○レーザー技術開発室

H.Ogawa, S.Motokoshi, M.Yoshimura, T.Jitsuno, K.Fujioka, M.Imanishi, Y.Mori
Temperature dependence of laser-induced damage by multiple pulses irradiation
The 8th Advanced Lasers and Photon Sources，22-25 April. 2019,Yokohama, Japan

著 者
題 目
会議名
著 者
題 目

S. Motokoshi, K. Fujioka, M. Yoshimura, T. Jitsuno
Laser-induced damage for optical devices

会議名

LIC2019，23-25 April. 2019,Yokohama, Japan─ 71 ─

国内学会発表リスト○レーザープロセス研究チーム
著 者 藤田雅之
題 目 加工・計測・メディカル応用の最新動向
会議名 OPIE’2019 光技術動向セミナー、2019年4月25日、パシフィコ横浜
著 者 H. Chosrowjan, S. Taniguchi, N. Miyanaga
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

Lasing Characteristics of Corner-Cube and Axicon Retro-Reflector Resonators at Cryogenic
and Ambient Temperatures
光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2019 (OPTO2019)、2019年6月12日、大阪大学銀杏会
館
藤田雅之
最新のレーザー加工技術 〜MEMSから建築部材まで〜
ふくい光学エンジン研究会、2019年7月3日、アオッサ

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による海底面測距
第37回レーザセンシングシンポジウム、2019年9月6日、千葉大学西千葉キャンパス
染川智弘、ハイク コスロービアン、谷口誠治、李大治
深紫外波長可変光源を用いたSO2の共鳴ラマン分光
第80回応用物理学会秋季学術講演会、2019年9月20日、北海道大学札幌キャンパス
藤田雅之
レーザー加工の物理プロセス 〜パルス幅依存性〜
第157回応用光学懇談会講演会、2019年9月30日、島津製作所関西支部
藤田雅之、谷口誠治、ハイク コスロービアン、李大治、本越伸二、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 毅、醍醐浩之
題 目 ジェット水流冷却キロワット級Yb:YAG TRAM レーザーの開発
会議名 防衛装備庁技術シンポジウム2019、2019年11月13日、ホテルグランドヒル市ヶ谷

著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著
題

者
目

会議名

染川智弘
フェムト秒レーザーを用いたリモートセンシング技術の開発
レーザー学会学術講演会第40回年次大会、2020年1月21日、仙台国際センター
真木隆太郎、藤田雅之、田島孝敏、新村亮、兒玉了祐
月の模擬砂を用いた建設材料の作製
レーザー学会学術講演会第40回年次大会、2020年1月21日、仙台国際センター
染川智弘、伊澤淳、河仲準二、藤田雅之、久世宏明
レーザーラマン分光を利用した水中油の遠隔計測技術の開発
第67回応用物理学会春季学術講演会、2020年3月15日、上智大学四谷キャンパス（実開催中止）
染川智弘、ハイクコ スロービアン、谷口誠治
深紫外波長可変光源を用いたSO2の共鳴ラマン分光の発振線幅依存性
第67回応用物理学会春季学術講演会、2020年3月15日、上智大学四谷キャンパス（実開催中止）○レーザー計測研究チーム
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査技術
会議名

精密工学会画像応用技術専門委員会第30回定例研究会、2019年9月13日、中央大学後楽園キャンパス─ 72 ─

島田義則、オレグ コチャエフ、倉橋慎理、御崎哲一、岡義晃、桶谷 栄一、岡田大、三上勝大、北村俊幸、長谷川登、錦野将元、河内哲哉
題 目 レーザーによるコンクリート欠陥の遠隔・高速検出技術
応用物理学会第154回微小光学研究会 パワーレーザーと微小光学、2019年12月13日、
会議名
大阪大学レーザー科学研究所
著 者 倉橋慎理、島田義則、オレグ コチャエフ、新村亮、鈴木健一郎、谷口信博 、奥澤康一

著

者

題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名

レーザーを用いた浮石検知技術の開発
レーザー学会学術講演会第40回年次大会、2020年1月21日、仙台国際センター
島田義則、オレグ コチャエフ、倉橋慎理
レーザーを用いたトンネル覆工コンクリート欠陥検査技術
レーザー学会学術講演会第40回年次大会、2020年1月22日、仙台国際センター
倉橋慎理、島田義則、オレグ コチャエフ、新村亮、鈴木健一郎、谷口信博、奥澤康一
レーザー技術を用いた 浮石の遠隔検知手法の開発
電気学会全国大会、2020年3月11日、東京電機大学東京千住キャンパス（実開催中止）○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 Eu(III)の f-f 遷移を介する多光子励起による光還元のフルエンス依存性
会議名 2019年光化学討論会、2019年9月12日、名古屋大学東山キャンパス○レーザー技術開発室
著 者 本越伸二
題 目 光学素子の選び方と取り扱い
会議名 OPIEセミナー、2019年4月25日、パシフィコ横浜
著 者 本越伸二、小川遼、藤岡加奈、吉村政志、實野孝久
題 目 繰返しパルスレーザーによる光学素子のレーザー損傷
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

第533回研究会「高機能固体レーザーとその応用」、2019年7月19日、ホテル阪急エキスポ
パーク
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
繰り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
レーザー学会学術講演会第40回年次大会、2020年1月20日、仙台国際センター
荻野純平、時田茂樹、山口尚弘、北島将太朗、リ・ジャオヤン、本越伸二、森尾登、
椿本孝治、吉田英次、藤岡加奈、河仲準二、植田憲一、児玉了祐
10J/100Hz液体窒素循環冷却Yb:YAGアクティブミラー増幅システムの開発
レーザー学会学術講演会第40回年次大会、2020年1月20日、仙台国際センター
河仲準二、時田茂樹、荻野純平、松本恵子、椿本孝治、吉田英次、藤岡加奈、本越伸二、Li Zhaoyang、森尾登、長友英夫、安原亮、吉村政志、宮永憲明、藤田雅之、児玉了祐
次世代革新的パワーレーザーシステムの開発
レーザー学会学術講演会第40回年次大会、2020年1月21日、仙台国際センター
大久保友雅、松永栄一、河仲準二、實野孝久、本越伸二、吉田國雄
誘電体多層膜の機械学習におけるRecurrent Neural Networkの有効性
レーザー学会学術講演会第40回年次大会、2020年1月22日、仙台国際センター
本越伸二
光学素子のレーザー損傷と評価方法
IoTものづくり事業 光技術講演会、2020年1月23日、カレッジプラザ

─ 73 ─

─ 74 ─事 業 報 告 書

事

業

報

告

書

（令和元年度）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、人材育成などの事業を鋭意推進すべく活動してきた。令和元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。

【令和元年度の主な活動】
産業用レーザー開発プロジェクトでは、省エネルギー効果が期待されるレーザー
加工技術の発展に資するため、レーザーの高出力化、ビーム結合、波面制御、光学膜の高耐力化など、基盤技術の開発を進めた。
レーザー微量分析研究プロジェクトでは、共鳴ラマン効果を利用して大気中有害微量物質を高感度で検出することを目的として、深紫外域での高出力波長可変レーザーの開発を進め、共鳴による感度向上の効果を評価した。
レーザーエネルギー分野では、レーザーエネルギーの新しい応用分野の開拓を目
指し、原子力や素粒子研究で必要とされているレーザー関連技術の研究開発を開始した。
レーザープロセス分野では、ものづくりイノベーションの支援や土木・建築業界へのレーザー技術の普及を目指し、短パルスレーザーを用いた各種材料の加工特性の研究や、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構造体作成技術の研究を進めた。
レーザー計測分野では、レーザー打音法によるインフラ構造物の健全性診断技術の高度化研究と、新しい分野へのレーザー打音法の適用研究を進めた。また、海中環境の評価、表面付着物の分析、溶液中での粒度分析など、レーザーによる環境計
測技術研究を実施した。
レーザーバイオ化学分野では、生物・医療・創薬分野へのレーザー応用を目指し、蛋白質や酵素の生理活性構造の解明研究を進めた。また核廃棄物分離への応用を目的としランタノイドイオンの光還元研究を行った。

─ 77 ─

理論・シミュレーション分野では、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理論的に解析した。
レーザー技術開発室では、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研究を進め、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
EXPO2019 等の展示会への出展(4 月、7 月、11 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
H31.4.4
H31.4.4
R1.5.7R1.6.19
R1.12.11

就任
戸塚 猛喜
中原
隆
齋藤 公秀
大塚 茂樹
島本 恭次

退任
野田 英智
安食 和英
外井 康宏
大石 富彦
大塚 茂樹

(評議員)
年月日
H31.4.4
R1.7.23
R1.7.23
R1.12.11

就任
香川 英司
水田
仁
山田 裕之
藤井 大士

退任
中田 公明
木島 和夫
尾崎
博
水田
仁

２． 役員会等の開催(1) 理事会
第 31 回理事会 (平成 31 年 4 月 15 日 みなし決議)
決議事項
・臨時の第 24 回評議員会の招集及び目的である事項等
報告事項
・第 23 回評議員会(臨時)の決議内容

─ 78 ─

第 32 回理事会 (令和元年 6 月 4 日 大阪大学レーザー科学研究所)
決議事項
・平成30年度事業報告書
・平成30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並びに目的である事項
報告事項
・職務執行状況の報告
・第 24 回評議員会(臨時)の決議内容
第 33 回理事会 (令和元年 7 月 3 日 みなし決議)
決議事項
・理事長の選定
・臨時の第 26 回評議員会の招集及び目的である事項等
報告事項
・第 25 回評議員会の決議内容
第 34 回理事会 (令和元年 11 月 14 日 みなし決議)
決議事項
・臨時の第 27 回評議員会の招集及び目的である事項等
第 35 回理事会 (令和元年 12 月 25 日 みなし決議)
決議事項
・理事長の選定
報告事項
・第 27 回評議員会(臨時)の決議内容
第 36 回理事会 (令和 2 年 3 月 24 日 書面によるみなし決議)
決議事項
・令和2年度事業計画書
・令和2年度収支予算書及び資金調達及び設備投資の見込み・諸規程の制定及び改定
1.「公印規程」の制定
2.「就業規則」の改定
3.「契約職員就業規則」の改定(2) 評議員会
第 23 回評議員会 (平成 31 年 4 月 4 日
決議事項
・理事の選任・評議員の選任
報告事項
・第30回理事会の決議内容

─ 79 ─

みなし決議)

第24回評議会 (令和元年5月7日 みなし決議)
決議事項
・理事の選任
報告事項
・第31回理事会(臨時)の決議内容
第25回評議員会 (令和元6月19日 関電会館)
決議事項
・平成30年度財務諸表の承認
・理事の選任
報告事項
・第32回理事会の決議内容
・平成30年度事業報告書
第26回評議員会 (令和元年7月23日 みなし決議)
決議事項
・評議員の選任
報告事項
・第33回理事会(臨時)の決議内容
第27回評議員会 (令和元年12月11日 みなし決議)
決議事項
・理事の選任・評議員の選任
報告事項
・第34回理事会(臨時)の決議内容

３．賛助会員状況
令和元年度末会員数

38 社

４．学会および論文発表
学会発表
論文発表

33 件
16 件

(国内：24 件、国外： 9 件)
(国内： 6 件、国外：10 件)

５．特許等出願件数
令和元年度出願件数
令和元年度末特許保有件数

4件
34 件

(登録済：21 件、公開済：7 件)

80.5 口─ 80 ─

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、研究部門では以下のとおり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】
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資するため、kW 級
産業用レーザーの基盤となるレーザー高出力化技術、ビーム結合技術、波面制御技
術、高耐力コーティング技術などの開発を進めた。
(1) レーザーの高出力化研究
室温、連続発振、kW レーザー開発で得た知見を比例則に集積し、10kW 級
レーザーへの展開の可能性を提示した。
(2) ビーム結合に関する研究
ピエゾミラーによる位相補償技術を応用して、独立した複数の CW レーザーをビーム結合する手法を検討した。
(3) 波面制御技術に関する研究
レーザービームの波面歪を補償し高品質ビームを実現できる高速動作可変形鏡を開発するため、構成部材の検討や変形の動的解析を進め、可変形鏡の小型プロト
タイプ試作品を設計、製作した。
(4) 高性能 UV レーザー光源用コーティングの開発
UV レーザーの高出力化で必要とされる光学膜の高耐力化研究を進め、出力 0.1Wのプロトタイプ装置を開発し、さらに、ビーム品質を改善するための方策を検討した。
［関連する主な受託・共同研究］
・革新的小型・高効率 UV レーザー光源の開発
・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【レーザー微量分析研究プロジェクト】
共鳴ラマン効果を利用して大気中有害微量物質を高感度で検出することを目的として、Ti サファイアレーザー光を波長変換し、深紫外域での高出力波長可変レーザーを開発して、共鳴効果による検出感度の向上を確認した。また、さらなるピーク
レーザー出力の向上をめざし、パルス圧縮方式の可能性を検討した。

─ 81 ─

［関連する主な受託・共同研究］
・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の開拓をめざし、原子力や素粒子研究分野
等で必要とされているレーザー関連技術の研究開発を開始した。
(1) 原子炉廃止措置におけるレーザー応用の研究
レーザー解体技術の実用化に向けて、金属、セラミック、コンクリートでレーザー切断試験を実施し、材料による切断機構の違いを検証した。切断時に発生する微粒子の飛散防止に向けてレーザー物質相互作用の解析を開始した。
(2)二重ベータ崩壊実験で必要なレーザーの開発研究
ニ ュ ー ト リ ノ を 放 出 し な い 二 重 ベ ー タ 崩 壊 の 研 究 で 大 量 に 必 要 と さ れ て いる
48Ca のレーザー濃縮基盤技術の確立をめざしている。半導体レーザーを用いる狭線
幅・青紫色レーザーの開発を開始し、注入同期による線幅の狭帯域化と周波数安定化を実証した。
［関連する主な受託・共同研究］
・レーザー加工により発生する微粒子の解析と核種同定手法の開発
・ 48Ca を用いたニュートリノマヨラナ性の研究と次世代高感度化技術開発【レーザープロセス研究チーム】
ものづくりイノベーションを支援するレーザープロセス応用技術の基礎・応用開発研究を行う。
(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短パルスレーザーを用いた各種材料の加工特性に関する研究を行い、加工試料表面における電界集中が微細構造形成に与える影響を検討した。
(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
土木・建築業界へのレーザー技術の普及を目指し、インフラ構造物の表面クリー
ニング技術や、粉体から構造体を形成する積層造形技術の開発を進めた。レーザー
照射条件とクリーニング後の表面化学的特性や構造体の形成速度との関係等を検討した。

─ 82 ─

(3) レーザーによるナノ構造体作成技術の研究
合金のナノ粒子は、高性能触媒などへの応用が期待されている。液中アブレーション法で真鍮のナノ粒子生成に成功した。また、高エントロピー合金ナノ粒子作成の研究を開始した。
［関連する主な受託・共同研究］
・レーザーによる合金ナノ粒子作成と応用
・インフラ構造物へのレーザー加工適用性の研究
・宇宙空間での建設工事におけるレーザー技術の活用研究【レーザー計測研究チーム】
レーザー応用計測・分析技術の高性能化に資する基盤技術を開発する。
(1) 非破壊診断技術の高度化研究
トンネル覆工コンクリートの健全性評価試験への実用化導入をめざし、レーザー
非破壊検査システムの構築と、それを用いたトンネルや高架橋床版のコンクリート
欠陥検査を行い、異音部が確実に検出できることを確認した。また、AI などを取り入れた欠陥判定アルゴリズムの開発を進めた。
(2)レーザー打音法の適用性研究
落石予知や鋼管の遠隔厚み計測技術など、新しい分野へのレーザー打音法の適用研究を開始し、落石予知では、岩盤を振動させるために印加する信号とは異なる周
波数の振動が観測されれば、落石の可能性が有るなどの結果を得ることができ、実用化に向けて有効性を示唆する結果を得た。
(3)レーザーによる環境計測技術の研究
海中環境の評価、表面付着物の分析、溶液中での粒度分析などを目的として、
ラマン分光、レーザー誘起ブレークダウン分光法、偏光エリプソメトリーなどの計測技術の基礎的・開発的研究を進め、実用化に必要な検出感度などのデータを蓄積した。
［関連する主な受託・共同研究］
・レーザーを用いたトンネル覆工コンクリート健全性評価の研究
・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
・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
・レーザー誘起ブレークダウン分光法を用いた大気中エアロゾルのリモート成分
分析手法の開発

─ 83 ─

【レーザーバイオ化学研究チーム】
生物・医療・創薬分野へのレーザー応用を目指し、蛋白質や酵素の生理活性構造の解明研究を進めている。また、核廃棄物分離を目的として、ランタノイドイオンの光還元反応の研究を行った。
(1) 酵素群の機能阻害効果の研究
統合失調症などの要因となるヒト由来フラビン酵素に機能抑制分子を注入した酵素について、励起に伴う蛍光寿命と抑制効果に高い相関がある可能性を見出した。
(2) パルスレーザーによるランタノイドイオン還元の研究
溶液中での Eu イオンの光還元反応過程を研究し、反応量のレーザー照射フルエ
ンス依存性など、核廃棄物分離技術への応用検討に資するデータを取得した。
［関連する主な受託・共同研究］
・フェムト秒計測によるフェレドキシン-NADP+酸化酵素の励起ダイナミクス
・溶液中金属イオンの光酸化還元に関する研究【理論・シミュレーションチーム】
レーザーと物質の相互作用に関する理論的研究を通して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理論的に解析した。
(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
固体中の応力発生、相変化、微粒子生成などを含め、大気中や水中のレーザー加工過程を記述するシミュレーションコードを精緻化した。パルス幅10 ms の繰り返
しパルス照射時の応力分布の時間発展等を求め、原子力施設の廃止措置などで有用なデータを取得した。サブピコ秒レーザー加工に関して、初期のレーザーと物質の相互作用の詳細な理論モデルの構築に着手した。
(2) 地震先行現象の物理メカニズム研究
流体シミュレーションコードを開発し、地殻変動が電離層プラズマ中の分極におよぼす効果を解析し、地震先行現象の物理機構解明をめざした。
［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】
光学部品や光学材料の高耐力化研究を進め、産業界からの依頼に応じて光学素子のレーザー損傷評価試験を実施した。

─ 84 ─

(1) 光学素子の高耐力化研究
紫外レーザー光に対する石英ガラス材料のレーザー損傷効果を検討してきた。
石英ガラス材料内の OH 成分は、紫外光による透過率低下を抑制するだけでな
く、レーザー損傷しきい値の向上に寄与する効果があることを明らかにした。
(2) レーザー損傷評価
産業界からの相談や依頼に応えて光学素子のレーザー損傷評価試験を実施するとともに、近年の CW 高出力レーザーや高繰り返しパルスレーザーの急速な進展対応
できるようにレーザー損傷評価試験装置の整備を進めた。また、損傷評価技術の標準化を目指し、装置の安定性、再現性を監視・維持する周辺環境の整備、人員の育成について検討を行った。
(3) 新材料技術の開発研究
シリコーン油に UV レーザーを照射することにより石英ガラスの 3 次元物体を形成する新技術の開発を行っている。レンズ状物体の形成にはすでに成功したが、回折格子のような複雑形状物体の形成実験に向けて、形成された物体の形状を精度よく計測できる手法の検討を進めた。

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 50 件以上の相談・要望に対し、積極的に取り組んだ。
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

─ 85 ─

(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)、(国)理化学研究所(RIKEN)、(一財)光産業技術振興協会(OITDA)、(一財)大阪科学技術センター(OSTEC)、(一財)近畿高エネルギー加工技術研究所(AMPI)、(公財)若狭湾エネル
ギー研究センター(WERC)、(一社)レーザー学会(LSJ)、(一社)レーザプラットホーム
協議会(LPF)、 (特非)日本フォトニクス協議会関西支部(JPC 関西)、(特非)光科学ア
ライアンス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) 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)(2) 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)(3) 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)(4) 空間に調和するカスタム対応型の高輝度ファイバー白色光源の実証((国)科学技術振興機構 A-STEP 実証研究タイプ)(5) レーザー加工により発生する微粒子の解析と核種同定手法の開発((国)日本原子力研究開発機構)

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 32 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) 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)

─ 86 ─

(2) 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)(3) 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)(4) フェムト秒パルスレーザーによる石英ガラス三次元積層造形技術の開発(天田財団一般研究開発助成)

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 30 年 度 の 研 究 成 果 を 報 告 す る 研 究 成 果 報 告会
(ILT2019)を開催した。
・ 7 月 25 日 マイドームおおさか (大阪)・11 月 12 日 科学技術館 (東京)３．機関誌等の発行
機関誌「Laser Cross」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 20194 月 24 日～26 日 パシフィコ横浜(神奈川)・光・レーザー関西 2019 7 月 24 日～26 日 マイドームおおさか (大阪)─ 87 ─

・光とレーザーの科学技術フェア 201911 月 12 日～14 日

科学技術館(東京)

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 3 の国際会議へ参加した。
(1) OPIC 2019 (4 月，日本)(2) Lasers in Manufacturing (LiM) (6 月，ドイツ)(3) SPIE Security + Defence 2019 (9 月，フランス)

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 30 年度の研究成果を年報にまとめ、刊行した。
・「ILT2019 年報」(2018～2019) (令和元年 7 月発行)

３．泰山賞の贈呈
7 月の成果報告会にて第 11 回泰山賞の表彰式を行い、レーザー科学技術の分野で永年にわたり抜群の功績を上げた個人に功績賞を、近年著しい業績を上げた個人とグループに進歩賞を贈呈した。

─ 88 ─

（附属説明書について）「一般社団法人及び一般財団法人に関する法律施行規則」第 34 条第 3 項に規定する附属明細書については、「事業報告の内容を補足する重要な事項」がないため、作成しない。

─ 89 ─

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

評
議
員
会

理

理

事

事

会

長
島
本
恭
次

副
理

常
務

事

理

長

事

井
澤
靖
和

中中
塚神
正保
大秀

レーザー計測研究チーム

長
中
塚
正
大

井
澤
靖
和

レーザーバイオ化学研究チーム
理論・シミュレーションチーム

レーザー技術開発室
事
務

総
務

局

部

長

長

─ 93 ─

総 務 部
中
神
保
秀

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

島本恭次
井澤靖和
中神保秀
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
特別研究員
特別研究員

井澤靖和（兼務）
宮永憲明
大道博行【レーザープロセス研究チーム】

主席研究員（チームリーダー）
上席研究員
副主任研究員
研究員

藤田雅之【レーザー計測研究チーム】

染川智弘
ハイク コスロービアン(兼務)
稲田順史

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

谷口誠治（兼務）
オレグ コチャエフ
倉橋慎理【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
坂本高保

事務局長
総務部長
マネージャー
マネージャー
事務員
事務員

中神保秀（兼務）
中神保秀（兼務）
幸脇朱美
小野田理恵
藤田淑子
林 絢子

【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

島田義則

鈴木泰雄
田中文夫
糟谷紘一
中島信昭
宮永憲明
大道博行

（令和 2 年 8 月現在）
─ 94 ─

【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
北見工業大学工学部
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JR西日本寄付講座
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
台湾国立交通大学
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
千葉大学大学院工学研究院
千葉工業大学
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
東京工業大学環境・社会理工学院
東北大学大学院工学研究科
東北大学大学院理学研究科
日本原子力研究開発機構
光産業創成大学院大学
大阪産業大学
広島大学先進理工系科学研究科
広島大学先進理工系科学研究科
福井大学大学院工学系部門工学領域
福岡工業大学情報工学部
福井工業大学工学部電気電子工学科

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
特任教授
教授
教授
准教授
教授
教授
教授
教授
教授
助教
准教授
准教授
教授
教授
准教授
准教授
特定准教授
教授
特定助教
教授
教授
教授
助教
講座教授
研究員
グランドフェロー
准教授
教授
教授
常務取締役
講師
教授
教授
准教授
客員研究員
教授
教授
教授
教授
教授
教授
教授

─ 95 ─

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
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
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
増原 宏
櫻井俊光
久世宏明
椎名達雄
藤本 靖
西岡 一
松村宏治
河村 徹
廣瀬壮一
田中秀治
柴田 穣
田口俊弘
藤田和久
部谷 学
遠藤琢磨
城﨑知至
金邉 忠
中村龍史
西村博明

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
山梨大学大学院総合研究部
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

教授
教授
准教授
教授
准教授
教授
客員教授

量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学部門関西光科学研究所光量子科学研究部
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学部門関西光科学研究所光量子科学研究部
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学部門関西光科学研究所光量子科学研究部
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学部門関西光科学研究所光量子科学研究部

グループリーダー

量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学部門関西光科学研究所研究企画室
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学部門関西光科学研究所研究企画室

上席技術員
主幹技術員

─ 96 ─

上席研究員
主幹研究員
グループリーダー

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2年8月現在）

評

議

員

理 事・ 監 事
賛

助

会

員

評

議

員
（敬称略）

香川秀司

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
量子ビーム科学研究部門 関西光科学研究所長

佐々木孝友

大阪大学

佐藤智典

三菱電機株式会社

重松昌行

住友電気工業株式会社

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

京都大学

名誉教授

先端技術総合研究所

研究開発本部

副所長

技師長

常務取締役

専務理事

中央研究所長名誉教授

藤井大士

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 発電プラント事業本部
副事業部長 兼 原子力技術部部長

業務執行理事

名誉教授

─ 99 ─

発電事業部（令和2年8月現在）

理 事・監 事
（敬称略）
理事長

島本恭次

関西電力株式会社理

井澤靖和

公益財団法人レーザー技術総合研究所

所長・大阪大学

中塚正大

公益財団法人レーザー技術総合研究所

副所長・大阪大学

中神保秀

公益財団法人レーザー技術総合研究所

常務理事

上原拓也

東芝エネルギーシステムズ株式会社
エネルギーシステム技術開発センター
量子システム開発部 シニアマネージャー

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長

兒玉了祐

大阪大学レーザー科学研究所

所長・教授

齋藤公秀

日本電気株式会社

関西支社

官公営業部長佐藤俊志

富士電機株式会社

関西支社

営業第三部長戸塚猛喜

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

監

事

事

隆

執行役常務

三菱電機株式会社

関西支社

西原功修

大阪大学

日根野文三

税理士法人日根野会計事務所

福田浩之

株式会社三井住友銀行

名誉教授

技術企画室長

原子力セグメント

真釼康治

名誉教授

副支社長

原子力技術部長

兼

原子力部長

名誉教授

代表税理士

執行役員

─ 100 ─大阪本店営業第二部長（令和2年8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

住友電気工業株式会社

株式会社オカモトオプティクス

株式会社ダイヘン

株式会社オプトサイエンス

一般財団法人電力中央研究所

TOWAレーザーフロント株式会社

東芝エネルギーシステムズ株式会社

鹿島建設株式会社

西日本旅客鉄道株式会社

株式会社片岡製作所

日新電機株式会社

株式会社KANSOテクノス

日本電気株式会社

一般財団法人関西情報センター

パナソニック株式会社

関西電力株式会社

浜松ホトニクス株式会社

関電不動産開発株式会社

一般財団法人光産業技術振興協会

関電プラント株式会社

株式会社日立製作所

株式会社きんでん

富士電機株式会社

株式会社熊谷組

前田建設工業株式会社

光伸光学工業株式会社

株式会社三井住友銀行

株式会社神戸製鋼所

三菱重工業株式会社

ジオマテック株式会社

三菱電機株式会社

株式会社島津製作所

株式会社レイソルテクノロジーズ

清水建設株式会社

一般社団法人レーザー学会

合計36社

─ 101 ─

（令和2年8月現在）

ＩＬＴ2020

年報

令 和 2 年 9 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 ㈹