は じ め に
このたび、レーザー技術総合研究所の理事長という大役を仰せつかりました。関係各位におかれましては、前任の橋本同様、何とぞよろしくお願い申し上げます。
当研究所は、創立以来 ほぼ 30 年の長きに亘り、レーザーおよびその関連産業の振興を図り、我が国の学術の進展と科学技術の発展に貢献することを目的とし、レーザーとその応用に関する研究開発、調査、情報の収集・提供、人材の養成などの事業を鋭意推進してまいりました｡この間、関係省庁、産業界、ならびに大学、研究機関の皆様方から、ご指導、ご支援を賜りましたこと、心から深く感謝申し上げます。
これまで当研究所では、二つの NEDO プロジェクト「次世代素材等レーザー加工技術
開発プロジェクト」、「高効率 LPP（レーザー励起プラズマ）法 EUV 光源の実証開発」に参加してきました。前者は CFRP など軽くて強い次世代新素材を加工するための技術とそのためのより強力なレーザーの開発、後者は半導体製造のためのより精細な露光技術の開発をめざすものです。これに加えて昨年度から、SIP（戦略的イノベーションプログラム）「レーザーを活用した高性能・非破壊劣化インフラ診断技術の開発研究」および
A-STEP（研究成果最適展開支援プログラム）「レーザーによる補強橋梁床板欠陥部のリ
モートセンシング技術開発と実用化」にも参画し、老朽化する日本のインフラ維持のためのリモートセンシング技術の実用化を進めています。
このように当研究所ではレーザーの高性能化研究や、電力・原子力、環境・宇宙、物
質・材料、生命科学、建築・土木など幅広い分野を対象に、レーザー応用研究を行ない、我国の産業活力の向上の一翼を担うべく日々研鑽を積んでまいりました。
ご存知の通り、我国は科学技術創造立国を国を挙げて目指しており、現在進行中の第 4期科学技術基本計画では科学技術イノベーションの戦略的推進が大きな柱として掲げられています。総合科学技術・イノベーション会議は、エネルギー、健康長寿、次世代インフ
ラ、地域資源、震災からの復興・再生の 5 つを重点分野とする科学技術イノベーション総合戦略を策定しました。光・レーザー技術は、ナノテクノロジー、ICT、環境関連技術とともに、5 つの重点課題に共通する分野横断技術とされています。また、ポスト第 4 期科
学技術基本計画に向けた検討作業の中間報告では、国家戦略コア技術の一つとしてレーザーが位置づけられています。
一方で、国際連合は 2015 年（平成 27 年）を「光および光技術の国際年 InternationalYear of Light and Light-based Technologies (IYL2015)」（国際光年）とすることを宣言しました。持続可能な社会を発展させていく上で、エネルギー、環境、健康、安全など、直面する課題解決に光技術が重要な役割を果たすとの認識が高まっているからであるとしています。このように、光・レーザー技術は先進科学、先端産業を牽引する基盤技術として今後ますますその重要性が増していくものと期待されています。当研究所は、国および産業界が目指している開発研究について牽引的役割を果たすべく研究活動を活性化するとともに、セミナーやシンポジウムの開催、広報誌の発行などの事業も積極的に進め、成果の情報発信に努めてまいる所存でございます。
この度、ここに平成 26 年度の研究成果と事業活動内容をまとめて研究所年報を発行いたしました。何卒ご高閲のうえ、ご助言、ご指導下さいますようお願い申し上げる次第であります｡
平成 27 年 7 月

公益財団法人レーザー技術総合研究所
理事長 大石 富彦

ILT2015 年報（Annual Progress Report 2014-2015）
目
は

じ

め

次

に

研 究 報 告 書
レーザーエネルギー研究チーム
テラヘルツ波による絶縁材料非破壊診断
高平均出力レーザー用高効率波長変換シミュレーション

15

レーザープロセス研究チーム
UV ナノ秒レーザーを用いた CFRP のレーザー微細加工
Filled-aperture coherent combining of multiple high-power laser beams
レーザーラマン分光法による油様物質のその場検知手法の開発
水中レーザーリモートセンシングに向けた CO2 気泡の測定と海水影響評価

8
11
17
21

レーザー計測研究チーム
レーザーによるコンクリート構造体の欠陥検出技術開発
Experimental Evaluation of Relaxation Time of Liquid Mirror Surface after Laser Impact
レーザーを用いた水中コンクリート構造物欠陥探査技術の開発
レーザーを用いた碍子表面塩分計測

25
27
32
36

レーザーバイオ化学研究チーム
レーザー計測による蛋白質の機能阻害効果の研究
液中レーザーアブレーション法によるナノ粒子作製：レーザー還元マグネシウムの空気電池根の応用

44
50

理論・シミュレーションチーム
極端紫外(EUV)光源開発研究
高速点火における爆宿プラズマ加熱方式の新提案
レーザー核融合炉壁のアブレーション
金属原子-レーザー加熱自由電子の熱平衡を実現する分子シミュレーション手法の開発
レーザーピーニング時の塑性応力生成のシミュレーション

54
58
62
65
70

レーザー技術開発室
平成 26 年度レーザー損傷耐力データベース化試験

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

76
83
101
115
116
121
122
123
124
125
127

研 究 報 告 書

テラヘルツ波による絶縁材料非破壊診断
レーザーエネルギー研究チーム 1、レーザー技術開発室 2
李大治 1、本越伸二 2

１．はじめにテラヘルツ波は周波数でいうと 0.1～10 THz、波長に換算すると 3 mm～30 µm 程度で、電波と赤外光の間に当たる領域の電磁波である。テラヘルツ波の最大の特徴
は、光と電波の両方の長所を兼ね備えていることにある。
物質中や大気中の伝播特性は電波に近く、指向性やコヒーレンシーを持つことから光にも近いと言える。また、電波に比べて周波数が非常に高く、光に比べると透過特性に優れているなど、電波や光にはない特長を持つ。そのため、プラスチックや紙等に対する透過率が高いこと

図 1 THz 発生・計測装置概念図

や生体に害を与えない、材料物性を調べるのに有用であるなど様々な応用が期待されている。しかし光源や検出

２．テラヘルツ発生・計測装置

器ともに適切なものがなかったため、電磁波利用におけ

我々は、前年度に構築したテラヘルツ帯透過特性測定

る谷間とも呼ばれてきた。現在、テラヘルツ波の発生方

系をベースにして図1に示す反射特性測定系を構築した。

法として、様々なものが提案されている 1,2)。大型のシテラヘルツ波発生と検出の両方にダイポール型光伝導

ンクロトロン放射設備では、数 10 W のテラヘルツ波のアンテナを採用した。フェムト秒チタンサファイアレー

発生に成功している。研究用としては、短パルスレーザ

ザー装置（波長800 nm、100 fs、80 MHz）から出力されーと光伝導アンテナを用いた装置が、数 THz の電磁波

た約40 mWのレーザー光は、半透過鏡により励起光とプを容易に得られることから現在広く使用されている。まローブ光に分けられる。励起光は、アンテナの前に設置た、より小型のものとして、量子カスケード半導体素子

した集光レンズ（集点距離25 mm）により、光伝導アンや、非線形光学結晶を用いた差周波テラヘルツ波発生技

テナのギャップ（20 μm幅）に集光する。100 V（Rep. 10術などが、積極的に研究されている。一方、テラヘルツ

kHz）のバイアス電圧を印加することにより、テラヘル波を用いた診断応用では、電子部品、医薬品、文化財なツ帯の電磁波を発生した。放射されたテラヘルツ波は、

どの非破壊検査装置として実用化が進んでいる。電力設

口径25 mmの放物面鏡（焦点距離25.4 mm）により、平

備診断においても、ケーブルの絶縁層、遮熱コーティン

行波にした。その後、レンズ(焦点距離362 mm)、2枚のグ層、塗装下の鋼材発錆などを対象として、先行研究がミラーによって、入射角8°でサンプルの表面に集光した。

行われている 3-5)。

サンプルから反射されたテラヘルツ波はミラーとレン

我々は電力設備用の絶縁材料内部の非破壊検査や半ズ(焦点距離200 mm)により検出用光伝導アンテナに伝導体内部に隠された欠陥や劣化の検査など、新しい非破送した。半透鏡によって分けられたプローブ光は、時間

壊・非接触センシング技術に関する研究に着手した。本遅延光路を通過した後、検出用光伝導アンテナのギャッ

稿では、反射型計測系を用いた研究の進捗状況を報告す

プ上に集光される。サンプルで反射されたテラヘルツ波る。

と検出用光伝導アンテナ上で時間的に一致した時に微─1─弱電流を発生する。光伝導アンテナ上のプローブ光の時
間は時間遅延光路を制御することによって調整するため、プローブ光の遅延時間に対する微弱電流の変化は、
テラヘルツ波の時間波形を意味している。得られた電流
データは、パソコンへ転送され、独自で開発したデータ収集・処理・制御用ソフトにより、テラヘルツ波電場の波形を自動的に検出し、フーリエ変換することにより周

図 3 各試料の透過性測定

波数スペクトルを同時に得る。更に、サンプル移動ステージ（x:10 mm、y:10 mm）と同期することにより、サ板と厚 3 mm の FRP 平板を用いて、図 3(a)のような剥離

ンプル内部の欠陥や劣化等をイメージ化することがで

模擬欠陥サンプルを製作した。反射特性測定による結果

きる。図2に実験装置のテラヘルツ波の(a)発生部、(b)時を図 3(b)に示した。図 3(b)の時間波形には 3 つのピーク

間遅延光路、(c)集光光学系、(d)制御解析装置を示した。

が存在し、早い時間から順に、シリコン平板表面からの反射信号、シリコン平板裏面からの信号、そして FRP
表面からの信号と考えることができる。2 つ目と 3 つ目の信号ピークの時間差は 5.3 ps。シリコン平板と FRP 平
板との間には空気（屈折率 1.0）が存在することから、
隙間の間隔は 795 μm と求められた。更に短い時間差（1ps 程度）まで分離ができるので、200 μm 程度の隙間まで検出可能と考えられる。

3.2 模擬ケーブル浸水欠陥
電力用ケーブルには、架設場所、送電電力量などに応

図 2 実験装置写真 (a)THz 発生アンテナ (b)じて多くの種類が存在する。中でも、導線の周りをポリ

遅延光路、(c)集光光学系 (d)制御解析装置

エチレン、架橋ポリエチレン樹脂で絶縁した OE、OC
３．模擬欠陥検出実験

ケーブルや、ポリエチレン層の外側を塩化ビニルにより3.1 ポリマー碍子剥離模擬欠陥

耐環境性を向上させた CV ケーブルが広く利用されて近年、外被材にシリコンゴムを用いたポリマー碍子をいる。これら絶縁層は、温度により膨張収縮を繰り返し適用した電力機器の使用が開始されているが、有機材か

吸湿する。
その結果、
ポリエチレン内で水トリーの進展、らなるポリマー碍子の外部絶縁性能の経年変化につい

絶縁破壊などの影響が現れる恐れがある。我々は、銅線てはまだ十分な情報が得られていない。特に、ポリマーと絶縁層の間に水が浸透した場合を想定し、模擬ケーブ

ブッシングの FRP コアとシリコンゴム外皮の剥離や水

ル浸水サンプルを作り、テラヘルツ波による検出を行っ分の侵入については、外観の調査では確認できないことた。

から、非侵襲で内部の剥離等を検出する手法の開発が望図 4 に製作した模擬サンプルを示す。厚さ 0.4 mm のまれている。我々は、テラヘルツ波によるポリマー碍子

アルミニウム平板に直径 8 mm の穴を 3 つ開けた。アル

の内部欠陥検出を想定し、シリコンゴムを使用した模擬

ミニウム板の前面に厚さ2 mmの塩化ビニル板を密着し、欠陥検出の測定を行った。厚さ 1 mm のシリコンゴム平

後面の 2 つの開口部をテープで封じ、そのうち 1 つには─2─

38 ps 付近の信号は確認できなかった。また、33 ps 付近に存在した塩化ビニル裏面からの反射も減少した。これ
は、塩化ビニルと水との屈折率が近いために反射が減少したことによるものと考えられる。

４．イメージングによる欠陥検出
一般の光学システムのイメージングは、CCD や
CMOS など半導体デバイスを用いたカメラによって得

図 4 ケーブル被覆模擬サンプル概念図

ることができる。テラヘルツ帯に対しても同様のカメラ
システムの研究、開発は進められているが、現状では高価で、かつ分解能が低い。そのため、現状のテラヘルツ波に対するイメージングでは、サンプルを移動することによるスキャニング法が多く用いられている。テラヘル
ツ波レンズの焦点に置かれたサンプルを移動し、移動点（画素）ごとの波形を記憶し、テラヘルツ波のピークの時間差（位相イメージング）、強度さ（振幅イメージン
グ）、或いは特定の周波数に対する強度を抽出（周波数イメージング）する画像解析を行う。

図 5 サンプルに反射された時間信号

反射特性のイメージングを確認するために、2枚の紙水を封入した。テープの後ろには銅板を接着した。このように、(a)塩化ビニル板のみ（上開口部）、(b)塩化ビ
ニル板とアルミニウム板（開口部以外）、(c)模擬剥離欠
陥（下開口部空気層）と(d)模擬浸水欠陥（下開口部水層）の 4 つの異なったサンプルとした。それぞれの部分の反射特性の結果を図 5 に示した。図 5(a)は塩化ビニル
板のみの場合の信号で、塩化ビニル板の表面（10 ps 付近）と裏面（33 ps 付近）からの反射ピークが確認され、のイメージを計測した。紙1枚の厚さは90 μmであり、2枚の紙の間に隙間を設けた。このサンプルに対して、走査幅4mm、測定間隔0.1 mmでテラヘルツ波反射特性を測定した。図6は、横軸は厚さ方向（反射時間）を表し、屈折率と距離との積で示した。縦軸は上下方向に一次元走査した距離であり、反射波強度は濃淡で表した。2枚の紙それぞれの表面、裏面、およびその隙間が確認できる。また、一次元に走査することにより、それぞれの紙

裏面の信号は塩化ビニルの吸収により減少することも分かる。塩化ビニル板とアルミニウム板が密着した図5(b)では、塩化ビニル板裏面の信号とアルミニウム表面の強い反射が重なっている。図 5(c)は塩化ビニル板と銅板との間に空気層を含む模擬剥離欠陥部の信号で、塩化ビニル板の裏面反射（33 ps 付近）と銅板の表面反射（38ps 付近）が完全に分離して確認できる。更に、水を封入した模擬欠陥部では、図 5(d)に示すように、銅板表面からの反射は水に吸収されるため、図 5(c)で確認できた
─3─

図 6 2 枚の紙の一次元走査断面イメージ

収束径が大きくなったことも原因である。材料内部の微小欠陥の検出には更に分解能の向上が必要である。

５．まとめ
テラヘルツ波反射測定装置を構築し、代表的な絶縁材
料の反射特性を研究すると共に、掃引走査装置を導入することによりサンプルの模擬欠陥検出が可能であるこ図 7 絶縁材料内の異物の一次元走査測定。(a)模とを明らかにした。

擬ポリエチレン欠陥サンプル、(b)走査反射

今後、具体的な電力設備を想定し、その劣化診断への振幅イメージ

テラヘルツ波の利用と技術的課題に取り組む予定であの厚さの一様性、また間隔の違いも確認できる。

る。

図7(a) に示すようなポリエチレン樹脂内部に金属針

本研究は、関西電力からの受託研究により実施された。

（直径0.7 mm）
が存在するサンプルを一次元走査した場

また THz-TDS 装置構築および測定解析について、大阪合のテラヘルツ反射波を計測した。走査は図7(a)中の赤

大学レーザーエネルギー学研究センターの北原英明氏

線のように、幅6mm、測定間隔0.1mmで行った。測定結に多大な御指導を頂いた。この場を借りて感謝したい。

果を図7(b)に示す。時間10 ps付近にポリエチレン表面からの反射波、時間41 ps付近に裏面からの反射波が走査

参考文献

位置に関わらず確認できる。走査位置1～3 mmに亘って、

1) テラヘルツテクノロジーフォーラム編：テラヘルツ技術総時間22 ps付近に反射波が確認できた。反射波が現れた
走査位置および表面波からの時間差より、金属針の二次覧,NGT，東京，2007.
2) 西澤潤一編著：テラヘルツ波の基礎と応用,工業調査会，東元の存在位置を求めることが可能である。しかし、測定

京，2005．

された金属針の反射波の幅は、約2 mmであり、実際の

3) K. Liu: Applied Physics Letters, 81, 4115-4117, 2002.

針の大きさ（直径0.7 mm）よりも大きい。この原因は、

4) D. Grischkowsky: Applied Physics Letters, 57, 1055-1057, 1990.

テラヘルツ波の横方向の空間分解能による。また、材料

5) P. Jepsen: Laser Photonics Review, 5, 124-166, 2011.

の内部であることから、屈折率の影響でテラヘルツ波の─4─

高平均出力レーザー用高効率波長変換シミュレーション
レーザーエネルギー研究チーム 1、レーザー技術開発室 2
李大治 1、本越伸二 2２．シミュレーションコード

１．はじめにレーザーの波長域を紫外や中赤外領域などに拡げる

レーザーのような高強度の光を非線形光学結晶に入方法として、非線形光学効果を利用した波長変換技術が射すると高調波成分が発生し、さらに位相整合を満

1)

知られている 。特に、近赤外固体レーザーと非線形光たすことで成分が減衰しないで出力される。波長変換

学結晶を用いた全固体紫外光源は、従来のガスレーザーはこの高次非線形光学効果を用いて行われる。各非線形に比べてガス交換が不要なため長寿命化、低コスト化が光学結晶において、非線形光学定数は入射方位・偏光方実現するだけでなく、装置サイズも小型化し、高繰り返

向(θ,φ)に依存するテンソル量であるが、これらの方

しパルスで動作が可能で、ビーム品質が優れているとい

位依存性を考慮したスカラ量、実効非線形光学定数 deff

った利点を備えている。高繰り返しパルス動作は多層基が一 般に用いられる。

板などの微細孔加工光源、半導体リソグラフィ用光学

二倍波変換を例として位相整合について紹介する。効系・基板・マスクなどの検査光源に適しており、波長変率よく高調波を発生させるためには、結晶中の各点で発換方式の光源に期待されるところが大きい。しかし、高生した二倍波は結晶中を c/n2w の位相速度で伝搬するが、出力レーザーの波長変換には、結晶内部の発熱により、二倍波を発生させる基本波は c/nw の位相速度で伝搬す温度が大幅に上昇し、変換効率が低下することが課題でる。ここで、c は真空の光の速度、n2w と nw はそれぞれある。波長変換効率を向上するために、結晶内部の熱効

二倍波と基本波に対する屈折率である。結晶を出てくる果を明らかにし、その上で適切な冷却条件に制御するこ

二倍波は結晶中の各点で発生した二倍波の和になるが、とが必要である。

一般的には結晶の分散のために、結晶中の各点で発生し我々は kW 級の基本波パルス光に対して、基本波からた二倍波の位相は揃っていない。これらの二倍波の位相二倍(SHG)・三倍(THG)高調波への変換を研究対象とを揃えるためには、基本波と二倍波の位相速度を等しくして、有限要素シミュレーション法を用いて、結晶内部する、即ち n2w = nw を満足しなければならない。結晶中の発熱、温度分布、屈折率変化、位相整合、変換効率等を伝搬する光には 2 種類の偏光方向のみが許されていを解析できるシミュレーションコードを開発した。それる。一方は結晶の光軸に平行に偏光した光で異常光を下にして、結晶の冷却法について検討し、変換効率の(extraordinary beam)と呼ばれ、他方はそれに垂直な方向向上を図った。

に偏光した光で常光(ordinary beam)と呼ばれる。常光の本稿では、LBO (LiB3O5)結晶を用いた二倍高調波と屈折率は光の伝搬方向によらず一定であるが、異常光の三倍高調波の波長変換に関する解析結果を報告する。

屈折率は光の伝搬方向が結晶光軸となす角 θ に依存す

LBO 結晶は、二倍・三倍高調波発生用素子として広くる。適当な θ を選ぶことによって位相整合条件を満たす

使用されている結晶であり、非線形光学定数が大きくレことができる。
一般に、2 種類の位相整合が可能である。本研究の解ーザー損傷に強いという特長を有している。結晶の寸法は7mm × 7mm × 15mmとした。
基本波の波長は1.064 μm、パルスエネルギーは 10 mJ、パルス幅は 1 ns、繰り返し

析では、式(1)で与えられたタイプＩと呼ばれる位相整合条件のみを使う 2,3)。

周波数は 75 kHz、ビーム半径は 1.5 mm と設定した。

─5─

௘
௢
݊ଶఠ
ൌ ݊ఠ

(1)

‫ܥ‬ሺܶሻߩሺܶሻడ்డ௧ൌ ߘ ή ‫ܬ‬Ԧ ൅ ܳ(3)

ここで、‫ܬ‬Ԧ ൌ െ‫ܭ‬ሺܶሻ ή ߘܶは熱流速ベクトル、Q は熱源である。‫ܥ‬ሺܶሻ、ߩሺܶሻ、‫ܭ‬ሺܶሻは、比熱、密度、熱伝導率をそれぞれ示す。結晶の温度が上昇すると、各波長における屈折率変化するため位相整合が崩れ、変換効率が減
図 1 二倍波波長変換スキーム

少する。適切な冷却方法を利用することにより、温度上௘௢
ここで、݊ଶఠ
と݊ఠ
はそれぞれ二倍波の異常光、基本波昇を抑制し、温度上昇と位相整合のずれによってバランの常光に対する屈折率である。タイプＩの二倍波変換でスが得られた値で定常状態、一定の変換効率を維持するは、図 1 に示すように、基本波は非線形結晶の常光軸方ことができる。

向に偏光して入射し、二倍波は異常光軸方向に偏光して結晶内部に発生する波長変換の基本方程式には、文献出てくる。これは 2 つの基本波光子から、1 つの二倍波[2]に記載されたカプリング方程式を採用した。これら

光子への変換と考えられる。

の微分方程式を有限要素法によって解いて、発熱効果を三倍波におけるタイプＩの位相整合条件は次式で与含んだ波長変換効率を評価できる。計算は二次元で行った。
結晶の入射面の幅を7 mm、伝搬方向の厚さを15 mm

えられる。

とし、それぞれを 20 と 40 のセグメントに分割した。レ
௢
௘
௢
ʹ݊ଶఠ
൅ ݊ఠ
ൌ ͵݊ଷఠ

ーザーは半径 1.5 mm のビーム径でガウシアン分布と仮(2)定した。レーザー光は結晶中を伝搬しながら波長変換さこれは 1 つの基本波光子と 1 つの二倍波光子から、1 つれるとともに結晶に吸収される。変換された高調波も同の三倍高調波光子への変換と考えられる。我々の三倍波様に成長しながら一部は吸収される。この吸収されたエ

波長変換スキームは、図 2 に示すように、2 つ結晶を用

ネルギーはそのまま熱エネルギーに置き換える。発生しいて構成された。まず、1 つ目の結晶によって基本波をた熱は熱拡散方程式に従い伝搬する。結晶の周りを金属二倍波に変換させ、発生した二倍波と残った基本波を 2

ホルダーで覆い、冷却温度は常に一定とした。
二倍波計算のフローチャートを図 3 に示す。結晶の定

つ目の結晶に入射して三倍波を変換する。
位相整合の条件によって二倍波と三倍波波長変換に数、基本波のレーザー条件、冷却温度を初期設定する。

要求された入射方位、偏光方向、実効非線形光学定数な

位相ずれの計算結果を用いて基本波レーザー強度によどを求められる。

り二倍波強度を計算する。基本波及び二倍波によって発レーザー照射によって結晶内部に蓄積された熱量を計算するために、熱拡散方程式を使って計算モデルを構築した。一般に、単位時間当たりの温度上昇は、次式によって与えられる。

図 3 計算フローチャート

図 2 三倍波波長変換スキーム
─6─

生する熱量を求める。次のレーザー光が入射されるまでして三倍波を発生する。1 つ目結晶の冷却温度は 13.1℃

時間における温度分布を計算する。温度分布により屈折のままで、2 つ目結晶を 12.8℃で冷却すれば三倍波変換率の変化を計算し、変化した屈折率を位相ずれコードに効率が最大化になることが分かった。変換効率の時間変代入する。以上の計算を一定の時間行い、温度変化が安化を図 6 に示す。レーザー照射開始から約 1 秒後、定常定した状態まで計算する。三倍波についての計算も同様状態になり、約 13%の変換効率を持続することが分かな考えで行う。

った。2 つ目結晶における温度分布を図 7 に示す。中心部の最大温度は約 22℃になっている。

３．シミュレーション結果
3.1 二倍波変換
Efficiency

0.14

開発したシミュレーションコードで冷却温度の最適化をおこない、13.1℃で冷却すれば変換効率が最大化に

0.12

0.10

なることが分かった。変換効率の時間変化を図 4 に示す。
レーザー照射開始から安定状態までの間に変換効率の0変動を示した。照射開始約１秒後、温度変化が安定した

1

2
3
Time (second)45

図 6 変換効率の時間変化

状態になり、約 40%の変換効率を維持する。結晶内部x (mm)の温度分布を図 5 に示す。基本波は左側より入射され、右方向に伝搬する。基本波の伝搬に従って二倍波の強度は増大する。基本波に比べて二倍波に対する結晶の吸収

3
2
1
0
-1
-2
-3

係数は大きいため、二倍波強度が大きくなると、発熱量0が増え、光軸に沿って結晶の後半部が高い温度となる。

図 7 定常状態の温度分布

0.8

4

6

8
10
z (mm)

12

14

４ まとめ

0.7

Efficiency2

高平均出力レーザーに対する LBO 結晶による波長変0.6換について、結晶内部の発熱を考慮した二倍波、三倍波

0.5

変換シミュレーションコードを開発し、変換効率が向上

0.4するように冷却温度の最適化を行った。このコードは、
0

1

2
3
Time (second)

45

他の非線形光学結晶や、光パラメトリック発振にも応用

x (mm)

図 4 変換効率の時間変化が可能であり、今後、レーザー増幅シミュレーションと合わせて、レーザーシステム設計ツールとして確立して

3
2
1
0
-1
-2
-3

いく。

参考文献
0

2

4

6

8
z (mm)

10

12

14

1)

図 5 定常状態の温度分布

Fan: Optics Communications, 283, 2737–2741, 20102)

3.2 三倍波変換

Jianquan Yao and Weidong Sheng: J. Opt. Soc. Am. B, 9,
891-902, 1992

基本波は 1 つ目の結晶によって二倍波に変換させる。
発生した二倍波と残った基本波を 2 つ目の結晶に入射

Ying Chen, Peng Yuan, Liejia Qian, Heyuan Zhu, Dianyuan

3)

─7─

J. Q. Yao and T. S. Fahlen: J. Appl. Phys, 55, 65-68,1984

UV ナノ秒レーザーを用いた CFRP の微細加工
レーザープロセス研究チーム
藤田雅之、染川智弘、大河弘志 1、大塚昌孝 1、松谷貴臣 1、前田佳伸 1、
J. Bovatsek2、R. Patel2
1

近畿大学理工学部、2Spectra-Physics, a Newport Company

１．はじめに波形のプログラミングにより試料表面の熱的時間変化

CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic:炭素繊維強化樹をコントロールすることができるため、加工速度と品質

脂複合材料）は軽量、高剛性、高耐力といった特徴を持を最適化できる可能性がある。

つ次世代エンジニアリング材料として注目されており、

図 2 に実験配置を示す。焦点距離 163 mm の f/レンズ

幅広い産業分野で用いられている 1)。特に、自動車/航空を用いてビームを集光した。集光スポットは直径 25 m

機産業においては、車体/機体の軽量化による燃費の向であった。ガルバノスキャナを用いて最大 37,000 mm/s

上や排出ガスの抑制が実現している。CFRP の用途をさでビームを掃引した。掃引速度はレーザーの繰り返し周らに拡大するためには、素材へのダメージを抑制する高波数に応じて集光スポットのオーバーラップが一定と品質な加工技術の確立が重要となってきている。

なるように調整した。

我々は、CFRP に対するパルスレーザー加工の適用可能性について研究を進めている 2,3)。CFRP のレーザー加工においては、加工速度の向上と共に熱影響を最小限に抑えることが求められ、加工品質の最適化のためには、
レーザー波長、パルス幅、掃引速度等への依存性を明らかにすることが重要となる。
本稿では、様々なレーザー加工パラメーターの中でパルス波形に着目し、波長 355 nm の高出力紫外レーザーを用いた時の加工速度と熱影響を支配する要因につい

図1 波長355nm の高出力UV レーザー
（Spectra-Physicsて調べた結果を報告する。パルス幅を 2 ns から 10 ns ま社製 Quasar®）

で変化させ、シングルパルスおよびバーストパルスを厚さ 250 m の CFRP シートに照射して切断実験を行った。

２．UV ナノ秒レーザーによる切断実験
図 1 に実験で用いた波長 355 nm の高出力 UV レーザー（Spectra-Physics 社製 Quasar®）を示す。Quasar の最大平均パワーは 60 W で、TimeShift™と名付けられた技
術を取り入れたこのクラス初のパワーレーザーである。
TimeShift はパルス幅を自由に変化させ、パルスの分割
やバーストパルスの発生を可能とする技術である。一つのバーストパルスの中で、パルス数、パルス間隔、パルス毎の相対強度をプログラムすることができる。パルス─8─

図 2 実験配置

シングルパルス照射実験においては、
パルス幅を2 ns、
5 ns、10 ns と変化させた。レーザーパワーは 6 W から
60 W まで変化させたが、パルスのピークパワーを 30
kW に固定するために繰り返し周波数を 100 kHz から 1
MHz の間で調整した。例えば、平均パワー60 W に対して、パルス幅 10 ns の時に繰り返し周波数は 200 kHz、2
ns の時には 1 MHz とした。また、パルス毎のオーバー
ラップを一定するために掃引速度は、繰り返し 200 kHzの時に4,800 mm/s、
1 MHz の時には24,000 mm/s とした。

図 4 CFRP 切断速度のレーザーパワー依存性

バーストパルス照射実験においては、10 ns のシング
ルパルスと比較するために、5 ns を 2 パルス、2 ns を 5
パルス含んだバーストパルスを発生させた。バースト内のパルス間隔は、サブパルスの立ち下がりから次のサブ
パルスの立ち上がりまでが 25 ns であった。バーストパ
ルスの繰り返し周波数は 200 kHz、掃引速度はパルスオ
ーバーラップ 50％の時に 2400 mm/s、0％の時に 4800
mm/s とした。
試料として厚さ250 m のPAN 系一方向CFRP を用い
図 5 HAZ 幅のレーザーパワー依存性た。スリット加工を行い、試料を貫通する時間を測定し
熱影響領域（HAZ : Heat Affected Zone）を評価した。本
実験では、加工後に炭素繊維が露出した領域を HAZ として面積を評価した。図 3(a)に示す様に HAZ は溝に沿って不規則な形状をしているため、溝両端の HAZ 面積
を SEM 画像上で評価して（図 3(b)）、溝の長さで割り、さらに 2 で割って実効的な HAZ 幅とした。

2.1 パルス幅依存性（シングルパルスモード）
図4 に250 m 厚CFRP シートの切断速度のレーザー

図 6 HAZ 幅平均値のパルス幅依存性
パワー依存性を示す。▲、■、●はそれぞれ、2 ns、5 ns、
10 ns パルスを用いた時のデータを示す。パルス幅が短いほど切断速度が早くなる傾向が得られた。
図5にHAZ
図 3 加工試料の SEM 像： (a) 典型的な HAZ（炭素繊幅のレーザーパワー依存性を示す。パルス毎にほぼ一定維が露出した領域）、(b) SEM 画像上での HAZの値が得られた。レーザーパワーは繰り返し周波数を変の評価えることにより調整している。全てのデータのパルスピ
─9─図8 に様々なパルス波形における250 m 厚CFRP シ
ートの切断速度のレーザーパワー依存性を示す。
▲、■、●はそれぞれ、5×2 ns、2×5 ns、1×10 ns パルスを用いた時のデータを示す。バーストパルスおよび 10 ns パ
(a)

(b)

ルスの繰り返し周波数は 200 kHz であった。足し合わせ

図 7 バーストパルス波形：(a) 5 つの 2 ns サブパルス、ると同じ 10 ns 相当の照射であるが、パルスを分割する
ことにより切断速度が向上することが確認された。図 8(b) 2 つの 5 ns サブパルスには本実験で得られた最大切断速度のデータ点を◆でプロットしている。繰り返し周波数 1.55 MHz の 2 ns パ
ルスを掃引速度 37,600 mm/s（パルスオーバーラップ0％）で照射した時に 63.2 mm/s が得られた。

３．まとめ
様々なレーザー加工パラメーターの中でパルス波形に着目し、波長 355 nm の高出力紫外レーザーを用いてCFRP の加工実験を行った。パルス幅を 2 ns から 10 ns
図8 バーストパルスによるCFRP 切断速度のレーザーまで変化させ、シングルパルスおよびバーストパルスを
250 m 厚 CFRP シートに集光照射して加工速度と熱影

パワー依存性

響を支配する要因について調べた。パルス幅が短くピー
ークパワーは同じであるため、同一のパルス幅であればクパワーが高いほど切断速度が大きくなることが確認

パルスエネルギーも同じとなる。

され、熱影響はピークパワーよりもパルスエネルギーに

図 6 に HAZ 幅のパルス幅依存性を示す。HAZ 幅のレ依存する可能性が示唆された。また、パルスを分割してーザーパワーに対する依存性が小さかったため、各パル

バーストパルスにすることにより切断速度の向上が見ス幅に対して図 5 で示されたデータの平均値をプロッられた。

トした。同じピークパワーであれば、パルス幅が短いほど（あるいは、パルスエネルギーが小さいほど）HAZ

参考文献

幅が小さいという結果が得られた。

1) 炭素繊維協会ホームページ、
http://www.carbonfiber.gr.jp/material/index.html.
2) 藤田 雅之, 染川 智弘, 尾崎 巧, 吉田 実, 宮永 憲明：レー

2.2 パルス分割バーストモード
図 7 に 2 種類のバーストパルス波形を示す。(a)は 5
つの 2 ns パルス、(b)は 2 つの 5 ns パルスを含むバース

ザー研究, 39, 701-705, 2011.
3) 藤田 雅之, 染川智弘 :レーザ加工学会誌, 20, 34-38 2013.

トパルスである。隣り合うサブパルスの立ち下がりと立
ち上がりの間隔が 25 ns となっている。

─ 10 ─

Filled-aperture coherent combining of multiple high-power laser beams
Laser Process Research TeamHaik Chosrowjan, Toshiyuki Kitamura, Seiji Taniguchi, Masayuki Fujita, and Yasukazu Izawa
1．Introduction

be also efficiently generated, which are indispensable for somePowerful lasers with high brightness and good beamspecific material processing applications. Basically, there are

quality are increasingly required for many real world

two modes for FA CBC: polarization addition and DOE

applications. To reach higher intensities, one needs to(diffractive optical element) based combinations. Several FA

increase the output power of the laser beam and at the

CBC implementations have been already proposed andsame time keep or improve the beam quality.

implemented3, 4). We have also proposed a single-detector, FA

For material processing applications, within “High-power
laser

developmentforefficientmaterial

CBC geometry based on half mirrors design and use of simple

processing“climbing hill” SPGD (stochastic parallel gradient descent)applications” project of the NEDO (New Energy andalgorithms based on Bernoulli discrete probability distribution

Industrial Technology Development Organization of Japan),for phase locking5, 6). In our previous report7), we havesingle mode, 400 ps ~ 10 ns adjustable pulse duration, highpresented several algorithms and demonstrated proof ofrepetition rate (500 kHz – 1 MHz), tunable (1040 nm ~ 1060

principle experiments using low-power CW beams.

nm) high average power (~150 W) laser amplifier units based

Additionally, we have discussed main reasons for CBC

on Yb-doped, LMA (large mode area) PCF (photonic crystal

efficiency degradation such as power imbalance, size

fibers) have been developed. In final design of the laser systemmismatch and lateral shifts of the beams, beam splittingwith kilowatts class average power, beam combining concept

imbalance, influence of wave-front distortions, etc. In thishas been introduced as a practical mean to increase the output

report, we describe: (a) the principle of the phase-locking

power and brightness of the laser. Up to now, a number ofmethod for high-repetition rate, ~ ns pulse regime and proof of

coherent, incoherent and spectral beam combining techniquesprinciple experiments using low-power beams; (b) firsthave been already proposed1, 2). Theoretically, for far-field

application of the presented CBC method on high(beam focus area) on axis applications, TA (tiled-aperture, side

average-power ~ns pulse beams, and (c) main reasons forby side alignment of the beams) CBC (coherent beam

CBC efficiency degradation in pulse regime.

combining) is better suited. However, in practice this method
is often impaired by an important factor f – aperture fill-factor,

2．Experimental Section

which is in most practical cases smaller than unity. The

2. 1 Laser Systems

appearance of side lobes due to f < 1 makes TA designs

For the proof of principle experiments, 1 – 10 ns tunabledisadvantageous for precision cutting and drilling applications

pulse duration, 1 MHz repetition rate fiber laser at 1040 nm

on CFRP (carbon fiber reinforced plastics) or MEMS

with ~ 1 mW average output power, was used. For(micro-electro mechanical systems). For such cases, FA

high-power experiments, we have used Yb-doped fiber laser(filled-aperture) CBC designs are preferred, because FA

MOPA (master oscillator power amplifier) system based on

combination is side lobe free, hence better suited for precision

rod-type large core DMF (distributed mode filtering) - PCF

material processing. Additionally, using side lobe free beam

amplifiers developed at the Institute of Laser Engineeringprofiles, SH (second harmonics) and TH (third harmonics) can(ILE), Osaka University. Briefly, the system consists of a

─ 11 ─

front-end unit: LD (laser diode) pulse laser, polarizationmaintaining Yb-doped SMF (single mode fiber) and 25-m
LMA fiber amplifier, and 55 m and 85 m core rod-type
PCF amplifiers. The spectral bandwidth of the pulse was kept
at ~15 - 20 pm to satisfy the coherence length and visibility
requirements. The repetition rate is tunable within 0.5-1 MHz
range. The output power of the front-end was divided using a
50 % partial mirror and send to two 55 m preamplifiers. A
Faraday isolator was inserted to prevent parasitic oscillations
between front-end unit and Yb rod-fiber amplifiers. The two
preamplifiers were pumped by fiber coupled (200 m core)
LD at 976 nm. The maximum pump power for eachpreamplifier was ~ 240 W. The 0.8-m long polarizationmaintaining PCF fiber with core diameter of 55 m and clad
diameter of 200 m was used to amplify the pulsed beam laser
up to about 100 W (pulse width: 5 ns, pulse energy: 0.1 mJ at 1
MHz repetition rate) at 1040 nm wavelength. The M2 value ofthe output beam quality was about 1.2. The beams from thetwo preamplifiers were split again and seeded to four main
amplifiers. The main amplifiers are based on identical 0.8 m
long 85 m core and 260 m air-cladding polarizationmaintaining rod-type PCF-fibers. When the main amplifiers
were seeded with about 40 W, average output power of 120 –150 W was routinely obtained from each amplifier. A
snapshot of the 4 beam MOPA system is shown in Fig. 1.
The schematic layout of Yb-doped fiber laser coherent
beam combination units are shown in Figure 2 (a) and (b) for
proof of the principle and high-power application cases,
respectively.

In

a

proof

of

principle,

low-power

implementation, laser beam from a master oscillator (1040 nm,

Fig. 2 Schematic diagrams for 4 beams FA CBC apparatus.
(a) Low-power proof of principle scheme, (b) Highpower implementation scheme. PM - phase modulators,
BS - beam splitters, M – mirrors, PD - photo-diode.
d ~ 1 mm) was split into four channels and aligned again in FA
design as shown in Fig. 2 (a). All four beams imitate“amplified” beams to be combined coherently. The“amplification process” in each channel would induce
independent time variations of beam’s phase due to thermal,
mechanical and non-linear optical effects. To compensate andlock the phases between the beams, a single PD(photo-detector) was placed on the path of the diagnostics (~1%) beam after the last beam splitter. The signal captured by
the PD was used as a feedback control signal topiezo-modulators (PM1 - PM3) located on the paths of three
beams. The fourth channel was used as a reference beam andFig. 1 Snapshot of four beams, high-power MOPA system.

its phase was not controlled.

─ 12 ─

The PD signal was maximized by a feedback loop to PMs

drop. Other reasons for the drop are the power imbalanceusing “climbing hill” Bernoulli discrete distribution based

between the individual beams, divergence, pointing, overlap

algorithm. Briefly, Bernoulli distribution is a discrete

mismatches and wave-front distortions of the individual beams.

probability distribution which takes value 1 with success

Additionally, it was recognized that the phase-locking

probability and value 0 with failure probability. At an arbitraryalgorithm performed within a PC, due to Windows OS

starting point, we supply small voltages with the same

inherently low latency bandwidth, drastically reduced theamplitude to all three piezo-modulators (PM1-PM3, Fig. 2).

phase control bandwidth to about 30 Hz, markedly affecting

The voltage sign to each PM, however, is applied in such a

the CBC efficiency. To address this problem in high-powerway, that the mean value of the applied voltage to each PM

CBC implementation, we have introduced a FPGA (fieldover many iteration steps remains zero. For the three PMs (N =programmable gate array) board (NI cRIO-9063) with ~ 1003), there are eight possible combinations (2N = 8) and four

kHz bandwidth and incorporated the phase-locking algorithm

possible dithering pairs ensuring zero mean values. After theon it using NI LabVIEW software. The overall bandwidth offirst dithering step, the PD signals for positive and negative

the resulting system was controlled now only by the used

movement directions are captured. For the next step, thepiezo-actuators (~ 4 kHz).

control algorithm uses recurrent formulae and makes a guess

In high-power implementation, outputs of four PCF

for the magnitude and direction of the “Bernoulli voltages” toamplifiers (1040 nm, d ~ 5 mm) described above werebe applied to each PM. If the guess increases the power

combined. In contrast to the low-power proof of the principle

captured by the PD, the system moves further into the same

CBC case, two additional challenges had to be addressed for

direction, however, if the guess reduces the PD signal, a new

high-power CBC implementation: First, the optical length

guess process is performed. In this way the PD signal isdifferences (OL) between the individual beams should be

maximized. As a result, the system converges and reaches the

kept near zero for reaching maximum visibility (V = (Imax –absolute maximum PD value. It is kept there as long as thealgorithm is running. The whole described process continues
indefinitely. As a result, the phases of all beams are locked andthe output formed by them behaves as a single coherent beam.
In contrast to TA CBC8), no aperture in front of the PD isrequired for the presented FA CBC method. To use this CBC

Imin)/(Imax + Imin)), hence higher CBC efficiency. Second, theangle between PMs normal- and incoming beam direction
should be set as small as possible due to piezo-actuatorgeometry and its limited aperture to avoid thermal issues.
2.2 CW versus Pulse Regime CBC
Most reasons for CBC efficiency degradation in CW

scheme and algorithms for high repetition rate (> 500 kHz), ~regime such as power imbalance between the beams, beamns or longer duration pulse beams, it is sufficient to keep thesize mismatches, beam-splitters imbalance, beams lateral shifts,

bandwidth () of the single photo-detector well below the

wave-front distortions, etc. apply also to pulse regime CBC.

pulse repetition rate, averaging the captured signal over many

However, in CW regime, where the coherence length and thepulses and maximizing it by SPGD algorithms. In our case, thedegree of coherence (visibility) are in the order of several

PD bandwidth was cut by a low-pass amplifier at 20 kHz. The

meters, no special care is required for equalizing the opticalCBC efficiency (Strehl ratio) for the low-power proof oflength differences between the beam channels to be combined.

principle system was estimated to be ~ 0.85. The RMS

In contrast, for ~ns duration pulse trains, the coherence length

deviation of the piston phase was roughly estimated to beis typically in the order of several cm (example: for 1040 nm, 3~/25, which accounts for about 3% of the CBC efficiency

ns, 20 pm line-width pulses the coherence length is ca. 5.4 cm).

─ 13 ─

The acceptable visibility range is even shorter (several mm), so(results not shown). Next, four beam CBC experiments were

special care is required to minimize the OL between

performed. Fig. 5 shows an example of 4 beams CBC unit’s

individual beam paths. This is shown in Fig. 3 for two highphase locking convergence and stability.

repetition rate pulse beams. It is clearly seen that as the

It is clearly seen that at relative time “zero”, when the CBC

absolute value of the OL increases, the contrast of thesystem is turned on, the time-fluctuating PD signal mostlyinterference fringes and visibility decreases. Although thisstabilizes. However, even when the CBC system is on andproblem cannot be eliminated completely due to the thermal

running, some PD power fluctuations are not canceled

effects and refractive index changes in the individualcompletely and appear as a noise. This observation indicatesamplifiers at high-pump conditions, careful adjustment andthat the phase-locking bandwidth of the used piezo-actuators is

minimization of optical path lengths between individual beams

not broad enough to cancel high-frequency phase noise

were performed prior to high-power CBC implementation.

components.
A representative result of the CBC output power ispresented in Fig. 6. The moments when the laser system isturned on- (at ~ 1 min), the CBC system is turned on- (at ~ 1
min 45 sec), and then turned off- (at ~ 6 min 15 sec) are shown

Fig. 3 Interference patterns (bottom) and corresponding fringe
profiles (top) for some selected optical length (OL)differences for 1 MHz repetition rate, 3 ns pulse beams.

Fig. 4 Example of CBC for 2 high-power laser beams with
about 90 % efficiency. “Off” and “On” time intervals
show where the CBC system was turned off- and on,
respectively.

3．Results and discussions
First, 2 beams with 165 W and 144 W average power,
respectively, were coherently combined to check the system
performance and stability. A representative result is presented
in Fig. 4. It is well seen that when the CBC control electronics
is turned off, the system output power wildly fluctuates.
However, when the CBC control system is turned on, theoutput power stabilizes at a maximum value. Similar
successful tests were performed also with the other pair ofbeams with 130 W and 110 W output powers, respectively

Fig. 5 4 beams CBC unit’s phase locking convergence andstability. Here, “Off” and “On” time intervals show
where the CBC system was turned off- and on,
respectively.

─ 14 ─

and mirrors could also introduce wave-front distortions,contributing to the reduction of the CBC efficiency9). This,
however, is not a CBC-method specific efficiency drop, butcaused by the FA CBC nature itself, which can be essentiallyconsidered as a “spatial coherence filter”.
The problems listed above will be addressed in our future
work to increase the CBC efficiency. Furthermore, we
consider developing and incorporating “turn-key”, automatic
tip-tilt alignment system for the used mirrors in CBC apparatus
Fig. 6 Example of total combined power by CBC and systemstability for 4 high-power laser beams. The moments,
when the laser was turned on, CBC was turned on- andoff- are also indicated in the graph inserts.

to control the pointing and to reduce the time consuming

by the arrows in the Fig. 6 inserts, respectively. After the CBC

For industrial applications of high average power laser

was turned on, an interesting feature showing a slower risebeams in precision micro-machining like cutting/drilling on

after the initial fast increase of the output power, can be also

CFRP materials, a simple and cost effective CBC scheme

recognized in Fig. 6. This shows that the algorithm

using single-detector, filled-aperture coherent beam combining

successfully converges to the absolute maximum of the output

technique based on binary-tree beam splitters and Bernoulli

power in two stages (fast and slow), as expected in SPGD

discrete probability distribution SPGD algorithm has been

control algorithms. Nevertheless, we could reach only about

proposed and demonstrated for CW as well as high-repetition

75 % of the CBC combining efficiency (defined as a ratio ofrate, high-average power ~ ns pulse laser beams.

day-to-day alignment of the optical system.
4．Conclusions

total output power versus the total input power of the laser

Proof of the principle experiments and first application oflight) for four beams. We have carried out similar experiments

the technique on four high-power, high repetition rate pulsed

for 600 kHz and 1 MHz repetition rate pulse beams at 1040

beams were presented.

nm and 1045 nm wavelengths, respectively. In all cases, the

The CBC phase-locking bandwidth was improved by

maximum CBC efficiency was about 75 % or lower. Several

introducing a FPGA unit. Quantitative analysis of thereasons for the observed efficiency drop have been recognized:

visibility/coherence length, combining efficiency, stability and(a) power imbalance between the beam pairs (309 W vs. 240

phase-locking bandwidth has been also performed (notW) at the last beam splitter, (b) mode instabilities at higher

presented here due to the space limitations).

output powers in one or two channels of the amplifier system,

The CBC efficiency for the present Yb doped PCF(c) different amplified spontaneous emission (ASE)

high-power MOPA system was experimentally estimated tocontributions in individual channels, (d) high frequency (> 5

be ~0.75 for the maximum average output power of 409 W.

kHz) noise components originating from the fiber

Main reasons causing the CBC efficiency degradation havepre-amplifier, which cannot be compensated by present

been identified and discussed. Specifically, the low bandwidth

low-bandwidth (< 4 kHz) piezo-actuators. We also note that(<4 kHz) phase-modulator (piezo-actuator) could notfor high average power CBC, except phase-front deformations

compensate high-frequency (>5 kHz) phase drifts in thecaused by the amplifiers, all optical components such as BSs

preamplifier system and faster phase shifters like EOM

─ 15 ─

(electro-optical modulator) units have to be employed to2) A. Brignon (Ed.): Coherent Laser Beam Combining, Wiley–VCH,

increase the CBC efficiency.

p. 498, 2013.

The output of the described CBC unit at 1040 nm was3) A. Klenke, S. Breitkopf, M. Kienel, T. Gottschall, T. Eidam, S.

spectrally combined with the outputs of two other units (atHädrich, J. Rothhardt, J. Limpert, and A. Tünnermann: Opt. Lett.,

1035 nm and 1045 nm) and successfully applied on thick38, 2283-2285, 2013.

CFRP material processing.

4) E. C. Cheung, J. G. Ho, G. D. Goodno, R. R. Rice, J. Rothenberg,

The proposed CBC technique can accommodate kW level

P. Thielen, M. Weber, and M. Wickham: Opt. Lett. 33, 354-356,

average power beams, be integrated into various MOPA
architectures and perform with high speed and accuracy.

2008.
5) G. Khosrovian, S. Taniguchi, M. Fujita, Y. Izawa, K. Tsubakimoto,
H. Yoshida, and N. Miyanaga: IEEE Xplore Digital Library, DOI:

Acknowledgment

10.1109/LO.2014.6886323, 2014.

We would like to thank the researchers at the LPP and

6) T. Kitamura, H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, K.

LCC groups of the Institute of Laser Engineering, Osaka

Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga, and Y. Izawa:

University, for providing the laser equipment and helpful

Proceedings of the ALPS'15, 179-180, 2015

discussions. This work was partly supported by the New7) H. Chosrowian, S. Taniguchi, M. Fujita, and Y. Izawa: ILT

Energy and Industrial Technology Development Organization(NEDO) of Japan.

Annual Progress Report, ILT, 2014.
8) T. Weyrauch, M. A. Vorontsov, G. W. Garhart, L. A. Beresnev, A.
P. Rostov, E. E. Polnau, and J. J. Liu: Opt. Lett. 36, 4455-4457,

References

2011.

1) T. Y. Fan: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum9) W. Liang, N. Satyan, F. Aflatouni, A. Yariv, A. Kewitsch, G.

Electronics, 11, 567-577, 2005.

Rakuljic, and H. Hashemi: J. Opt. Soc. Am. 24, 2930-2939, 2007.

─ 16 ─

レーザーラマン分光法による油様物質のその場検知手法の開発
レーザープロセス研究チーム
誠 1、中井政明 1、藤田雅之、井澤靖和

染川智弘、笠岡1

かんでんエンジニアリングた。また、油が水・土壌に流出した際を想定したモデル

１．はじめに発電所で発電された電気は発電所内の変圧器によって適切な電圧に昇圧して送電し、途中の変電所や需要家試料の測定を行い、現場での識別可能性の検討結果も報告する。

側が設置している変圧器で所要の電圧に降圧して利用されている。変圧器では、絶縁油で満たされた容器内に２．レーザーラマン分光法による油様物質の識別実験

電圧と電流の大きさを変換する鉄心と巻線が入ってい

2.1 油様物質のラマンスペクトルる油入変圧器が一般的であり、変圧器全体の約 90%を変圧器の絶縁油に現在最も多く利用されている鉱油占めている。油入変圧器は容器の劣化等によって、内部系の絶縁油だけでなく、植物系の絶縁油である菜種油、を満たしている絶縁油が容器外へ流出し、土壌や水の汚パームヤシ油、合成エステル系の絶縁油の測定を実施し染事故を引き起こすことがある。そのため、変圧器の周た。植物系の絶縁油は環境中に流出した際に、鉱油系絶辺で流出している油様物質に対して、その場で絶縁油か縁油よりも分解されやすいため、環境にやさしい絶縁油

どうかを識別することが求められている。

として、変圧器に使用され始めている。さらに、農作機

これまでに変圧器の異常を早期に診断する手法とし器等に使用される鉱油系潤滑油であるタービンオイル、て、レーザーラマン分光法を用いた油中成分分析手法の燃料として用いられる石油である灯油の測定も実施し開発を行ってきた 1-4)。変圧器内部で放電等の異常が生た。

じた際に、変圧器内部の絶縁油・紙が熱分解して特有の図 1 に使用したラマン分光実験の光学系の写真を示

ガス成分等が絶縁油に溶存する。そのため、一般的にはす。レーザーは Omicron 社製 LuxX785 であり、出力 100

絶縁油を採油し、油中のガスを抽出した後に、ガスクロ

mW、波長 785 nm で連続発振する。出射されたレーザ

マトグラフィーによるガスの成分分析によって異常のーのビーム径は 1.5 mm 程度であり、5 倍のビームエキ診断が実施されているが、変圧器からの採油や対象ガス

スパンダーを用いてビーム径を拡大した後、波長 785の抽出など時間のかかる前処理工程を必要としていた。

nm のダイクロイックミラーによって鉛直下向きに照射

そこで、油からガスを抽出することなく、レーザーを直した。集光レンズは焦点距離 50 mm であり、焦点位置

接油に照射するだけで、油に溶存しているアセチレン・は油様物質中とした。レーザー照射によって生じるラマ

フルフラール等の異常同定物質を分析する手法を開発

ン散乱光は焦点距離50 mmのレンズでコリメートした。

した。

その後、
波長 785 nm のダイクロイックミラーを透過し、絶縁油にレーザーを照射することで得られるラマン

受光光学系に入射する。波長 785 nm のエッジフィルタ

スペクトルは油を構成する油種の分子構造によって異ーによって、波長 785 nm のレイリー光を除去し、焦点なるために、レーザーを照射するだけで油種の識別を実距離 60 mm のレンズで光ファイバーに導き、Ocean

施できる可能性がある。本報告では、変圧器の周辺で流Optics 社製 MAYA2000PRO によってスペクトルの測定

出の可能性がある油様物質のラマンスペクトルを測定を行っている。分光器の波長分解能は 0.82 nm であり、し、ラマンスペクトルによる油種の識別可能性を検討し露光時間100 ms、
積算回数は100 回で測定を実施した。

─ 17 ─

図 2 に油様物質のラマンスペクトルを示す。鉱油系絶

2.2 水面に浮かんだ油の識別実験

縁油と比べて、植物油系絶縁油では 1700～1800 cm-1 に

水に油が流出した際には、水面に油が浮くことが考え特徴的な信号が見られるために、識別が容易であることられるために、油を水に浮かべた試料に対してラマンスがわかる。また、植物油系絶縁油では、油種によってペクトルの測定を行った。図 1 に示した光学配置で水面1000～1800 cm-1 のスペクトル形状が異なるため、種類に浮かべた油を測定すると、水面からの正反射が受光光の識別が可能である。鉱油系潤滑油は鉱油系絶縁油とス

学系に入り、分光器の迷光となるため、2000 cm-1 程度

ペクトル形状が似ているが、2900 cm-1 に見られるピーまでの短波数側のラマンスペクトル測定を阻害した。そクの形状が異なることから識別が可能である。また、灯のため、図 3 に示すように、ラマン分光装置自体を 12

油も 1000～1400 cm-1 までの微細なラマンスペクトル形

度傾けてラマンスペクトルを測定した。また、焦点距離状を比較することで識別が可能であることがわかる。し37.5 mm の非球面レンズに変更し、薄膜からの微弱な信たがって、変圧器の周辺で流出が予想される油様物質は号を検出できるようにした。
図 4 に 30 ml の水に 3 ml の鉱油系絶縁油、合成エステ

1000～3500 cm のラマンスペクトルを用いて識別が可-1

ル系絶縁油を浮かべた試料のラマンスペクトルを示す。

能であることがわかった。

比較のため、水のラマンスペクトルも示してある。試料は口径Φ5 cm のガラス瓶に入れて測定を行った。水に785nmエッジフィルター

浮かべた油でも、ラマンスペクトルの測定が可能であり、スペクトル形状から油種の識別が可能であることがわ

785nmダイクロイックミラー

785nmLD(CW,100mW)

かる。また、水面に浮かべた油では、微弱ではあるが、水の～3200 cm-1 にピークを持つブロードな信号も見らレンズ（f=50mm）

ビームエキスパンダー（×5）れる。

図 1 ラマン分光実験の光学系の写真
3.5

3

灯油

12度

鉱油系潤滑油2

合成エステル系絶縁油

図 3 薄膜油測定用の傾斜を持たせたラマン分光装置

1.5

1.4

パームヤシ油系絶縁油

Intensity (count arb. unit)

Intensity (count arb. unit)

2.5

1

菜種油系絶縁油
0.5

0
1000

鉱油系絶縁油
1500

2000
2500
Raman shift (Δcm‐1)3000

図 2 油様物質のラマンスペクトル

1.2
1
0.8
0.6

0.2
0
1000

3500

鉱油系絶縁油＋水

0.4
水

合成エステル系絶縁油＋水
1500

2000
2500
Raman shift (Δcm‐1)

3000

3500

図 4 水に絶縁油を浮かべた試料のラマンスペクトル─ 18 ─

600

Intensity (count)

られるために、油がしみ込んだ土壌を採取して、その中

(a)

500

5 ml

400

3 ml

300

2 ml

200
100
0
1000

350

料の作製は、
まず土壌に鉱油系絶縁油を1, 3, 5 ml 入れ、

1 ml

その中に水を入れる。よく混ぜた後、数時間放置すると0.5 ml

水の濁りが取れ、油が水面に浮かび、土壌にしみ込んだ油の測定が可能になる。

1500

2000
2500
Raman shift (Δcm‐1)

3000

3500

図 6 に水で土壌から抽出した油（1, 3, 5 ml）のラマン
スペクトルを示す。油を 1 ml 入れて抽出した試料でも

(b)

300
Intensity (count)に水を入れて、土壌から油を抽出することを考えた。試ラマンスペクトルの構造が測定でき、識別が可能である

250
200

ことがわかる。図 5 に示した水に油を浮かべた試料と比150

較して、得られるラマン散乱強度が半分程度になってい100る。これは土壌中の油がすべて水面に浮かんでこないこ

500とや、土壌中に含まれる枝の小片等が水面に浮かび均一
0

1

2

3
Oil (ml)45に油が分布できていないこと等が考えられる。

図5 (a)30 ml の水に0.5～5 ml の鉱油系絶縁油を浮かべ400

ン散乱強度と浮かべた油量の関係

図 5(a)に 30 ml の水に 0.5～5 ml の鉱油系絶縁油を浮かべた試料のラマンスペクトルを示す。油量を少なくす

Intensity (count arb. unit)

た試料のラマンスペクトル、(b)～1480 cm-1 のラマ

るにつれて、油のラマンスペクトルが小さくなっている

350

5 ml

300
250

3 ml

200
150
100

1 ml

50
0
1000

が、油量 0.5 ml でも鉱油系絶縁油のラマンスペクトル形

1500

2000
2500
Raman shift (Δcm‐1)

3000

3500

図 6 水で土壌から抽出した油（1, 3, 5 ml）のラマンス状を識別できていることがわかる。
図 5(b)に～1480 cm-1 のラマン散乱強度と浮かべた油

ペクトル

量の関係を示す。油量 0.5～3 ml まではラマン散乱強度が線形に増加していることがわかるが、油量 5 ml では

３．まとめ

直線からずれている。これは、ラマン散乱光を測定する

自然環境に流出した変圧器の絶縁油と他の油様物質

受光系の焦点深度よりも油の厚みが大きくなったためとの識別に、レーザーラマン分光法が適用可能かどうかに、焦点深度で決まる厚み分の散乱光しか測定されてい検討を実施した。1000～3500 cm-1 のラマンスペクトル

いないことによるものと考えている。ラマン信号から油の形状を比較することで、鉱油系絶縁油、植物油系絶縁量を定量的に評価するには、水の上に油を広げた際の膜油、鉱油系潤滑油、灯油等の識別が可能であることがわの厚さの評価やラマン信号強度を較正する内部標準信

かった。また、自然環境に流出した絶縁油を想定して、号の検討が必要ではあるが、水面に広がった油のラマン

水に浮かんだ油、土壌にしみ込んだ油の模擬試料を測定

スペクトルによる識別が可能であることがわかった。

し、本手法の適用可能性を検討した。水面に広がった薄膜の油でも測定が可能であり、土壌中にしみ込んだ油も

2.3 土壌に流出した油の識別実験

水で抽出することにより、油の識別が可能であることを土壌中に流出した油は土壌中にしみ込むことが考え示した。今後は、水面に浮かんだ油の定量評価手法を検─ 19 ─

討するとともに、実際に現場で使用できる携帯型の測定

2) 染川智弘, 笠岡誠, 河内二三夫, 永野芳智, 藤田雅之, 井澤
靖和: ILT 年報, レーザー技術総合研究所, 2013.

装置を開発し、油様物質のその場識別試験を実施する予

3) 染川智弘, 笠岡誠, 永野芳智, 藤田雅之, 井澤靖和: ILT 年報,

定である。

レーザー技術総合研究所, 2014.
4) T. Somekawa, M. Fujita, Y. Izawa, M. Kasaoka, and Y. Nagano:

参考文献
1) T. Somekawa, M. Kasaoka, F. Kawachi, Y. Nagano, M. Fujita,
and Y. Izawa: Opt. Lett., 38, 1086-1088, 2013.

─ 20 ─

IEEE Trans. Dielectr. Insul., 22, 229-231, 2015.

水中レーザーリモートセンシングに向けた CO2 気泡の測定と海水影響評価
レーザープロセス研究チーム
染川智弘、藤田雅之
ーを通してレイリー光を除去した後、バンドルファイバ

１．はじめに
日本の領海・排他的経済水域は国土面積に比べて 12

ーで分光器に導入している。水溶存 CO2 のラマンスペ倍程度と広く、
海底鉱物資源・メタンハイドレート掘削、

クトルの測定には ICCD 付き分光器を用いた。ICCD カ

CO2 を海底地層に圧入して大規模削減を目指す

メラの露光時間は 1 μs であり、500 回積算信号の 10 回

CCS(Carbon dioxide Capture and Storage)等の有効な海底平均のスペクトルを取得した。測定の波長分解能は 0.2

利用が計画されている。海底開発では資源探査手法の開nm である。

発だけでなく海洋生態系・環境への影響評価が必要とさ

高圧チャンバーはステンレス製で10 MPa まで耐圧がれている。現状の採取・採水測定では頻度とエリアに限あり、300 ml までの水を入れることができる。チャンバ

度があり、海中での効率的なモニタリング手法の開発がーは厚さ 11.5 mm のサファイア窓を 4 面備えており、窓必要である。そこで、海底を効率よくモニタリングするの開口径は 23 mm である。ガスボンベ圧を利用し、高ために、レーザーを用いたリモートセンシング技術であ圧の CO2 ガスを高圧チャンバーに導入する。圧力の微るライダーを利用した海中モニタリング技術を開発し調整にはガスの入出射のニードルバルブを用いた。圧力ている。これまでに水に溶存している CO2 ガスのラマ

モニターには、アナログ、デジタルの両方の圧力計を用

ン信号を用いて、20 m 先に設置した水と炭酸水の識別

いており、温度も熱電対を用いて同時にモニターするこ

実験に成功し、水に溶存しているガスのラマンライダーとが可能である。CO2 ガスは接している水の表面から溶によって海中のガスモニタリングが実施できる可能性

解するため、チャンバー中の水を羽根で撹拌させることを示した 1)。また、水に溶存している CO2 ガス濃度の定によって均一に CO2 を溶解させている（図 1(b)）。

量評価にも成功している 2)。
水中でのガス計測を想定すると、ガスはこれまでに検(a)Spectrometer + CCD

討した水に溶存している状態だけでなく、気泡として存在することが考えられる。本報告では CO2 気泡のラマ

Edge Filter

ン分光実験の結果を紹介し、水中の CO2 ガス濃度の定High pressure chamber

量評価に与える影響について紹介する。また、実際の海中環境を模擬するために、標準海水に CO2 ガスを溶存

M

Surelite (532 nm, 1W, 10Hz)させた際のラマン分光測定結果も報告する。
(b)

Polarizer

M

M
Half‐wave plateM(c)

２．水中 CO2 のラマン分光実験
2.1 水溶存 CO2 のラマンスペクトル
図 1(a)に実験配置図を示す。
レーザー光（波長 532 nm、
パルス幅 10 ns、繰り返し 10 Hz、パルスエネルギー100mJ）を高圧チャンバーに入射し、垂直方向の窓からラマン散乱信号を取得し、波長 532 nm のエッジフィルタ

─ 21 ─

図 1 (a)実験配置図、(b)撹拌羽根、(c)エアポンプ

Intensity (count arb. unit)～1640 cm‐1

2～1383 cm‐1

～1277 cm‐1

2.5

条件で5回連続測定を行い、平均値と誤差を評価した。
点線は原点0を通ると仮定した近似直線であり、
CCD
Noise

Ca = 492 CO2/H2O

1.5と求めることができる。
CO2/H2O のラマン信号強度比を2.17

測定すれば、水に溶存している CO2 の濃度の評価が可

1.76
1

(2)

能である。

1.37
0.98

900

CO 2 concentration (mmol/kg)

800

0.60

0.5

700

0.19 MPa

600
500
400

0
1200

1300

1400
1500
1600
Raman shift (Δcm‐1)

1700

1800

300
200
100

図 2 水溶存 CO2 のラマンスペクトル00

図 2 に水溶存 CO2 のラマンスペクトルを示す。水溶0.5

1CO2 / H2O

1.5

2

図 3 ラマン信号強度比と濃度の関係

存 CO2 の濃度は CO2 の圧力を 0.19、0.60、0.98、1.37、
1.76、2.17 MPa と変化させることで調整した。～1640

2.2 CO2 気泡のラマンスペクトルcm-1 の信号が水の変角振動のラマン信号であり、～1277,

CO2 気泡の作成には、図 1(c)に示したエアポンプを使～1383 cm-1 の信号が CO2 のラマン信号である。圧力に用した 4)。図 1(b)の撹拌羽根のシャフトにエアポンプをよるラマン信号強度の変化がない水のラマン波長のピ設置し、シャフトが回転するとダイアフラムを押し、高ーク強度で規格化して、圧力ごとに見やすいようにオフ

圧チャンバー内の水面の上にある高圧 CO2 ガスを水中セットとして 0.2 づつを加えて並べてある。CO2 圧を大の底から送り出す機構である。CO2 気泡は下方からほぼきくすることで、水に CO2 が溶解し、CO2 のラマン信号

垂直にレーザーを横切るように水中を上昇する。CO2が大きくなっていることがわかる。

気泡の流量はデジタルカメラで撮影したビデオ画像（29

水溶存CO2の濃度はヘンリーの法則

フレーム/秒）から評価した。CO2 気泡は球と仮定して、気泡の大きさ（直径：5.6 mm）と気泡の個数から流量をCa = kH・Pg

(1)

決定した。
図 4(a)に気泡の流量によるラマンスペクトルの変化に従って、ガスの圧力から決めている。Caは水相でのガを示す。判読しやすいように 1800 cm-1 のベースライン

ス濃度、kHはヘンリー定数、Pgはガスの分圧である。ヘ

強度を背景光強度として引いた後に、水のラマンスペク

ンリー定数は温度に依存するため、文献値3)を6次の多項

トル強度によって規格化している。この実験で使用した式で補間した。測定中の水温は20～21℃であった。

CCD カメラは液体窒素冷却の CCD カメラであり、露光

CO2/H2Oのラマン信号強度比と式(1)から換算した水時間 90 ms、1000 回積算のスペクトルを評価した。分光

溶存CO2濃度の関係を図3に示す。CO2/H2Oのラマン信号システムの波長分解能は0.45 nmである。
気泡流量0 ml/s

強度比はそれぞれのラマン信号のピーク強度とした。同は気泡を生成させていない1.1 MPaの水溶存CO2ガスの─ 22 ─

ラマンスペクトルである。気泡流量 1.04, 1.62, 1.74 ml/s
は、CO2 ガス溶存水（1.1 MPa）の中を 1.1 MPa の CO2(a) 7
1.74 ml/s
6

気泡がそれぞれの流量で上昇した際のラマンスペクト

ると、水と気泡の界面での散乱が大きくなるため、気泡が含まれるラマンスペクトルでは、分光器に入射する迷光が増加する。そのため、気泡がない流量 0 ml/s に比べて、左肩上がりにベースライン強度が上昇している。

42

気泡が含まれると、測定される CO2 のラマン信号が大きくなる。したがって、溶存水・気泡が混在する環境では、図 3 で示したような CO2/H2O のラマン信号強度比

0
1200

(b)

1300

1400
1500
1600
Raman shift (Δcm‐1)

1700

1800

1.4

1.35
Raman Intensity Ratio

ぞれ 413.5、456.3 mmol/l であるため、観測視野に CO2

0 ml/s1

測視野内の水を押しのけるために、CO2 気泡が含まれる
た、圧力 1.1 MPa では水溶存 CO2 ガス、CO2 気泡はそれ

1.04 ml/s

3

CO2 気泡がレーザーと交差する際には、CO2 気泡が観ラマンスペクトルでは水のラマン信号が小さくなる。ま1.62 ml/s

5

Intensity (count arb. unit)

ルである。上昇している CO2 気泡にレーザーが入射す

1.3
1.25
1.2
1.15
1.1
1.05

を用いた水中 CO2 濃度の定量評価が行えない可能性が

1
0

ある。

0.5

1
Bubble Rate (ml/s)

1.52

図 4(b)に CO2/H2O ラマン信号強度比と気泡流量の関

図 4 (a)気泡流量を変化させたときのラマンスペクト

係を示す。気泡流量 0 ml/s（1.1 MPa の水溶存 CO2 ガス）

ル、(b)気泡流量とラマン信号強度比の関係のラマン信号強度比～1.1 から気泡流量の増加に伴い、ラマン信号強度比が増加していることがわかる。これは、の標準海水（IAPSO standard seawater (OSIL)）を高圧チ

上述したように、気泡が観測視野に含まれる場合は、ラャンバーに入れ、真空ポンプで海水中のガスを脱気させ

マン信号強度比 CO2/H2O の分母である水のラマン信号

た後に、CO2 ガスを 1 atm 以下で溶存させてラマンスペ

強度が減少し、分子の CO2 のラマン信号強度が増加す

クトルを取得した。測定は液体窒素冷却 CCD カメラをるためである。溶存水・気泡が混在する環境では、水の利用し、露光時間 90 ms、1000 回積算のスペクトルを評

ラマン信号を用いた濃度校正には気泡の流量等の別の価した。分光システムの波長分解能は 0.23 nm である。
図 5 に海水溶存 CO2 のラマンスペクトルを示す。海パラメータの取得が必要であることがわかった。

1.2

実際の海中環境を模擬するために、標準海水に CO2
ガスを溶存させてラマンスペクトルの測定を行った。これまでの評価に用いた高圧チャンバーでは、大気中にCO2 ガスを放出していたために、大気圧以下の溶存 CO2

Intensity (count arb. unit)

３．ラマン分光測定における海水の影響評価

濃度での評価は行えなかったが、この実験ではチャンバーの出口に真空ポンプを設置することで、大気圧以下の圧力で CO2 ガスを溶存させている。塩分濃度 34.993‰
─ 23 ─

1
0.8

31.5 mmol/kg

0.6
0.4
0.2
0

9.64 mmol/kg

19.2 mmol/kg

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900
Raman shift (cm‐1)

図 5 海水溶存 CO2 のラマンスペクトル

水溶存 CO2 濃度は上述の(1)式を用いて計算している。

からは SO42-の～984 cm-1 と 1060～1180 cm-1 にラマン信海水からは SO42-の由来の二つのラマン信号である～号が測定されるが、水中の CO2 濃度評価には影響を与984 cm-1 と 1060～1180 cm-1 が測定されている 5)。これら

えないことがわかった。今後はこれまでの研究成果を基の信号は水中の CO2 ガス濃度評価に用いた～1640 cm-1に、現場で使用できる小型の水中溶存ガスラマンライダの水、 ～1383 cm-1 の CO2 のラマン信号測定に干渉しなーを作製し、実際に海中モニタリングを実施したい。

いために、海水中でも CO2 ガスの評価が可能であるこ参考文献とがわかる。

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

４．まとめ
海底開発における海中の環境影響評価を効率的に実

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

施するために、水中にあるガスのラマンライダーによる

3) P. Fogg and J. Stangster: Chemicals in the Atmosphere: Solubility,

海中モニタリング手法の開発を行っている。水中に溶存

Sources and Reactivity, John Wiley and Sons, Hoboken, NJ, 2003.

しているガス、気泡として存在した場合での、ガス濃度

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

の定量評価手法を検討し、気泡状態では気泡流量等の別のパラメータの取得が必要であることがわかった。また、

5) K. B. Mabrouk, T. H. Kauffmann, H. Aroui, and M. D. Fontana: J.

実際の海中環境での測定を模擬するために、標準海水にCO2 ガスを溶存させてラマン分光測定を実施した。海水─ 24 ─

Raman Spectrosc., 44, 1603-1608, 2013.

レーザーによるコンクリート構造体の欠陥検出技術開発
レーザー計測研究チーム
島田義則を誘起し、振動の周波数と振動持続時間などを解析する

１．はじめに近年、高度成長期に建設された構造物の老朽化が大きことにより欠陥を判定する方式である。これまでに、山な社会問題となっている。鉄道ではトンネルの覆工コン

陽新幹線トンネルで実験を行いレーザー法によるコンクリートが剥落して新幹線のパンタグラフや屋根を損

クリート欠陥検査が可能であることを示した。今後、こ傷した事故や、高速道路では吊り天井が崩落した事故なの技術を実用化するためには大きく分けて 2 つの課題

どが起こっており、構造物の健全性を効率よく診断できがある。システムの小型化と欠陥検出速度の向上である。

る技術開発が急務である。現在、健全性の評価には打音

検出システムの小型化に関しては、新幹線トンネルの中検査法が主に用いられている。この手法は労力がかかる

央通路を走行してトンネル覆工コンクリート検査を行ことや客観的データに乏しいこと、更に前の検査と比較える小形装置の開発に取り組み、試作機を構築して、そした劣化進行状況（経年劣化）が把握困難であることなの性能確認試験を実施中である。

どの問題がある。このため、低コスト、高速、高精度で一方、高速検査技術については、国の SIP プログラム

検査できる新しい検査手法の開発が求められている。打

に参画し、日本原子力研究開発機構と協力して、高速レ

音検査法に代わる検査方法として、レーザーを用いた方ーザー探傷システムの開発を進めている。上述した実証法（レーザー法）がある。パルスレーザーをコンクリー

試験の 10 倍程度の高速化をめざす。このため、当研究ト表面に照射して振動を誘起し、表面振動をレーザー干所としては、レーザー光をトンネル壁面に沿って高速で渉計で計測して欠陥などを検出する手法で、遠隔かつ非走査する技術、振動検出用レーザー干渉計信号の高速取接触で検査が行え、他の方式に比べて検査箇所への高速り込み技術、干渉計信号から欠陥を判定するためのアル移動が可能であることや、コンクリート曲面の計測が容ゴリズムの高速化、の 3 点を中心に開発を進めている。

易に行えるなどの利点がある。当研究所では、トンネル

ガルバノミラー等を用いた高速スキャンシステムの設覆工コンクリートの欠陥検出 1)、
コンクリートクラック

計検討を実施し、ガルバノミラーと小形の 2 軸スキャン

深さの計測 2)、高架橋床板の欠陥検出 3)、水中でのコニングミラーを組み合わせ、トンネル内面全体を広角でンクリート壁の欠陥検出などをめざして、種々のレーザ

スキャンできる方式を考えた。干渉計の感度の点からは、ー探傷手法の開発を進めてきた。本稿では、トンネルとミラーの口径は大きいことが望まれ、また高速スキャン

高架橋床板を対象とした研究の進捗状況を紹介する。水の点からはミラーの軽量化が望ましい。2 軸のスキャン中でのコンクリート壁欠陥実験については文献 3）を参ニングミラーには、これまでの石英ミラーの代わりに、照されたい。

軽量で剛性の大きい SiC ミラーを採用することにした。
この方式により、1m x 1m 程度の壁面全体を数秒程度でスキャンし、欠陥の有無を判定可能と予測している。高

２．トンネル覆工コンクリートの欠陥検出
トンネル覆工コンクリートの欠陥検出に関しては、西速スキャンに伴う干渉計への影響を評価するため、基礎

日本旅客鉄道（株）と共にレーザー法の実用化を目指し実験を実施した。レーザーの照射位置を連続して移動さて、研究開発を進めてきた。出力エネルギーの比較的大せながら、干渉計信号の変化を観測した。その結果、レきいパルスレーザーを照射してトンネル表面に板振動ーザーの走査速度が速くなるにつれて雑音成分は増加

─ 25 ─する。このため信号ノイズ比は低下するものの、10mm/s
程度の走査速度では計測に支障を及ぼさないことがわかった。高速で移動するスキャナーが瞬時にコンクリー
ト表面上で停止しなくとも10mm/s 程度の揺らぎなら計
測は可能であることを示す。
今後はこれらの装置を日本原子力研究開発機構が開発する高出力レーザーと同期させてコンクリート欠陥

周波数(kHz)を検査する計画で、3 年後にはプロトタイプを用いて野鋼板厚 5mm 多重エコー周波数 590 kHz

外実験を行う予定である。

３．高架橋床板欠陥の検出
高架橋では車両の走行によって橋梁自体が大きく揺れるため、干渉信号の検出が困難になる。これに対応するため、振動誘起用レーザーと同じ位置と、少し離れた
位置の 2 カ所に干渉ビームを照射し、2 つの干渉信号の周波数(kHz)差を検出して、橋梁自体の大きな揺れを補償する差動干

鋼板厚 4.7mm 多重エコー周波数 623 kHz

渉法 4)を考案し、実際の高架橋床板に適用した。その結果、レーザー差動干渉法を用いることにより、鋼板接着
床版の浮き欠陥を検出することが可能であることを確認した。この手法の実用化をめざし、レーザーを x, y 軸に走査させて面的な鋼板の浮きを検出するレーザー差動干渉技術の開発を進めている。
この手法のさらなる発展をめざして、鋼板厚さの経鋼板厚 3.3mm 多重エコー周波数 893 kHz

時変化の計測に適用すべく研究を開始した。近接での実

図 4 レーザー超音波エコーの多重反射計測による鋼板厚計測実験

験では図 1 に示す様に超音波エコーの多重反射が確認
でき、卓越振動数と鋼板中の音速から鋼板厚みを推定することは可能である。しかし、野外実験では 10m 遠方から計測する必要があるためノイズが大きくなり現状

隔検査システムであると思われる。今後さらに応用範囲を広げていきたいと考えている。

では計測が困難であることが予想される。鋼板に印加する衝撃波を大きくすることや検出感度を向上させるな

参考文献
1) 島田義則、他、非破壊検査、61(10)、p. 519、（2012）.

どの技術開発が必要である。

2) 倉橋慎理、他、コンクリート構造物の補修，補強，アップ
グレードシンポジウム論文、11, p299, (2011).

４．まとめ
上記 2 種類の技術はトンネルや高架橋のみならず他

3) 倉橋慎理、他、レーザー研究、42(11), p.849.（2014）.

のインフラ構造物にも適用できる汎用性の高い高速遠─ 26 ─

Experimental Evaluation of Relaxation Time of Liquid Mirror Surface after
Laser Impact
Laser measurement group
O.Kotyaev, Y.Shimada, S.Kurahashi, T.Norimatsu1
Institute of Laser Engineering, Osaka University

1

1. Introduction

actual design of laser fusion power plant. The main principle

In the conceptual design of laser fusion power plant, a liquid
metal mirror is a very promising candidate to be used as a final

differences: 1) much smaller size of liquid mirror; 2) not
grazing but almost normal incidence of laser impact beam.

optical element1). Despite of the fact that it should face thefusion target directly and undergo bursts of neutrons and x-rays,

2. Experimental conditions

the mirror being a slowly moving liquid metal film will be

In the experiments, mercury over amalgamated gold plate iscapable to stand this influence. As a result, liquid metal mirror

used to simulate a liquid mirror as shown in Fig. 1. The

will have much longer life time (about 30 years) thanamalgamated gold plate makes it possible to realize mercury

conventional metal mirrors have (about 3 years). As well, heat

layers much thinner than in mercury-on-glass conditions. Inner

induced by laser pulses is easier to remove in liquid metal

diameter of glass beaker with mercury is 45 mm.

mirrors. Appearing dust and target debris will be swept away
without cleaning the mirror surface. Finally, liquid metal
mirror surface will have high optical quality almost
permanently.
“Almost” means that optical quality will be lost whenhigh-energy laser pulse is reflected by the mirror. During laser
impact, the most part of laser energy (about 98% for 85º
incidence) is reflected by the mirror surface; however, someFig. 1. Glass beaker with an amalgamated gold plate (left) andthe mercury mirror (right).

fraction is absorbed by the mirror material. If laser energy
density is comparatively high then laser pulse affects the liquid

Experimental setup is shown in Fig. 2. A Q-switchedmirror surface due to thermal expansion and ablation effects.

Nd:YAG laser pulse is used as a source of laser impact. Output

As a result, irregular surface movement takes place leading tobeam is expanded and directed to the mercury mirror over thenoticeable distortion of reflected beam wavefront.

gold plate center. To provide practically uniform intensity

This distortion is not acceptable. Laser pulse must be

distribution over the mirror surface an iris aperture withreflected by relaxed mirror surface. If laser pulse repetition rate

9.5-mm diameter is installed in front of the mirror. Resulting

is 4 pulses per second, then relaxation time of liquid mirror

square of impact area is 0.7 cm2. Maximum laser impact

surface should not exceed 0.25 seconds.

energy in front of the liquid mirror is about 70 mJ. Resulting

In this report, experimental evaluation of liquid mirror
surface relaxation time after laser impact and determination oflaser energy density is about 100 mJ/cm2, which is lower thansurface damage threshold (160 mJ/cm2).

appropriate laser energy density is presented. The influence ofLaser vibration meter PDV-100 is used for the detection ofliquid mirror thickness on process of surface wave relaxation islaser-induced movement of mercury surface. Its probing beam

demonstrated.

is focused in the center of the gold plate and, correspondingly,

It should be noted that experimental layout is far away from

center of the impact area. Specular reflection of the probe is─ 27 ─

mirror with the thinnest layer of mercury can relax in proper
time – shorter than 0.25 s.
As well, relaxation to acceptable level of surface
displacement depends on impact energy density. In Fig. 4,
four-record set with decreasing impact energy density ispresented. In this set, thickness of mercury layer is constant – 1
mm. Dotted lines represent boundaries of acceptable surface
displacement ±0.05 m.

Fig. 2. Experimental setup

used as a signal beam. After signal processing, output voltage
is proportional to the surface movement speed.
In the experiments, the following values of impact laser
energy have been used: 72.4, 60, 43 and 21 mJ. Corresponding
laser energy density: 103, 86, 62 and 30 mJ/cm2. Under each
impact energy, the following thicknesses of mercury layer
have been tested: 3, 2, 1, 0.75, 0.5 and 0.25 mm.
3. Experimental resultsa) Mercury layer thickness – 3 mm, Trelax > 1.8 s.

In Fig. 3, one of the six-record sets of the experimental
results is presented. In this set, impact energy is 72.4 mJ;
corresponding energy density is 103 mJ/cm2. Each figure
represents displacement of the detection point on the liquid
mirror surface.
The records in Fig. 3 allow evaluating the liquid mirror
relaxation time. The liquid mirror surface is considered to berelaxed and having acceptable optical quality if amplitude ofsurface displacement does not exceed value of ±20.  iswavelength of working laser radiation which is supposed to beb) Mercury layer thickness – 2 mm, Trelax > 1.8 s.

reflected by the liquid mirror. If = 1.06 m, then acceptablesurface displacement should not exceed ≈ ±0.05 m. Whendecreasing displacement amplitude reaches this value, thismoment is liquid mirror surface relaxation time Trelax.
Duration of the records is 2 seconds. Impact takes place at t =0. Each record is result of 10-waveform averaging.
As it is expected, thickness of mercury layer affects theTrelaxrelaxation time: the thinner layer, the faster relaxation. This
six-record set is obtained with maximum impact energy usedin the experiments – 103 mJ/cm2. In this case, only liquid─ 28 ─

c) Mercury layer thickness – 1 mm, Trelax = 1.25 s.

Trelax

Trelaxd) Mercury layer thickness – 0.75 mm, Trelax = 0.95 s.

a) Impact energy density – 103 mJ/cm2, Trelax = 1.25 s.

TrelaxTrelaxe) Mercury layer thickness – 0.5 mm, Trelax = 0.62 s.

b) Impact energy density – 86 mJ/cm2, Trelax = 0.02 s.

Trelaxf) Mercury layer thickness – 0.25 mm, Trelax = 0.17 s.

c) Impact energy density – 62 mJ/cm2, Trelax = 0 s.

Fig. 3. Waveforms of relaxing surface of mercury mirror.
Impact energy is 72.4 mJ, impact energy density is 103
mJ/cm2. Dotted lines represent boundaries of acceptablesurface displacement ±0.05 m.

Only the first record obtained with energy density of 103
mJ/cm2 has relaxation time longer than 0.25 s. In the otherrecords, surface displacement is quite acceptable just after laser
impact.

d) Impact energy density – 30 mJ/cm2, Trelax = 0 s.
Fig. 4. Waveforms of relaxing surface of mercury mirror.
─ 29 ─

However, thinner liquid mirror (less than 1 mm) allows to
use laser higher energy density – up to 86 mJ/cm2.
Finally, the thinnest liquid mirror (0.25 mm thickness)allows to use laser energy density up to 103 mJ/cm2.
The results look quite promising: acceptable energy density
is not far from the surface damage threshold of mercury – 160
mJ/cm2.
4. Necessary remarksa) Relaxation time vs. laser impact energy density.

As mentioned above the presented experimental data are
obtained with the use of comparatively small liquid mirror
aperture. Inner size of glass beaker is only 45 mm. Circularsurface wave initiated by laser impact propagates from impact
area in radial directions, reaches the beaker wall; and then it isreflected and “focused” again in the impact/detection area. As
a result, the secondary movement is detected in the impact area
in approximately 30 milliseconds after laser impact.
As a result, movement of the probe/detection point will beb) Relaxation time vs. liquid mirror thickness.

caused by both primary wave initiated by laser impact andFig. 5. Summary of the experimental results. Dotted lines

secondary waves appearing after reflection from the beakerrepresent appropriate relaxation time of liquid metal

walls.
Figure 6 shows raw data of surface vertical movement speed

mirror surface – 0.25 s.

in the probe/detection point for two different impact energies.
Table 1. Relaxation time of liquid mirror surface, s.

If laser impact energy density is comparatively high thenprimary and secondary waves may overlap each other making

Liquid mirror thickness, mm

Energydensity,mJ/cm2

3

2

1

0.75

0.5

0.25

The presented results of relaxation time evaluation are

103

>1.8

>1.8

1.25

0.95

0.62

0.17

correct only for 45-mm liquid mirror and 10-mm impact laser

86

0.26

0.4

0.2

0.2

0

0

62

0

0

0

0

0

0

30

0

0

0

0

0

0

it difficult to evaluate surface relaxation time correctly.

beam with normal incidence. Actually, liquid mirror for laser
fusion power plants is supposed to have much bigger aperture(several meters) and much bigger laser beams with grazing
incidence.

Experimental data are summarized in Fig. 5 and Table 1.
Grey cells in Table 1 have data with appropriate relaxation
time – less than 0.25 s.
According to the data, optical quality of liquid metal mirror
surface can be reached in proper time safely if laser energy
density does not exceed 62 mJ/cm2 for any thicknesses.

While liquid metal is supposed to flow slowly (about 1cm/s), longitudinal speed of surface wave in liquid metal(about 1.2 m/s for mercury) is faster than speed of liquid metal
flow, so influence of laser-initiated surface wave within large
laser aperture needs more adequate study in conditions close toactual ones. Influence of surface wave reflected by mirror

─ 30 ─

relaxation time.
4. Conclusions
Relaxation time of liquid mirror surface after laser impact
Laser
impacthas been evaluated for various values of impact energy density

Reflected
wave

and liquid mirror thickness.

a) Impact energy density – 103 mJ/cm2;

Liquid mirror thickness affects surface relaxation time: thethinner liquid mirror, the faster relaxation.
Optical quality can be reached in proper time safely if laser
energy density does not exceed 62 mJ/cm2 for any thicknesses.
Thinner liquid mirror (less than 1 mm) allows to use laser

Laser
impactenergy density up to 86 mJ/cm2.

Reflected
wave

Thinnest liquid mirror 0.25 mm) allows to use laser energyb) Impact energy density – 62 mJ/cm .
2

density only up to 103 mJ/cm2.
It should be noted under higher impact energy density, initialFig.6. Initial and reflected waves in liquid mirror.

surface wave may be overlapped by surface wave reflection

edges will be determined by relative sizes of laser beam andmirror aperture and by smoothness of liquid mirror edges.
It should be noted that grazing incidence of laser beam(about 85º) should allow using laser energy about 10 times
higher than in normal incidence. However, for grazing
incidence, requirement for optical quality is also about 10
times stricter. Again, adequate experiments under actualfrom the vessel walls. It needs more detailed investigation.
For the next step of study it would be a good idea to test
liquid mirror made of actual material, having actual aperture
with grazing incidence of laser impact beam.
References
1) R.W. Moir: Fusion Engineering and Design, 51-52, 1121-1128,

conditions are desirable for correct evaluation of actual

─ 31 ─

2000.

レーザーを用いた水中コンクリート構造物欠陥探査技術の開発
レーザー計測研究チーム
倉橋慎理、本越伸二、島田義則、大坪祐介１、安藤明宏１１

関西電力株式会社

１．はじめにメラは防水・防圧チャンバー内に格納した。ソレ

当研究所では鉄道トンネルや高架橋などコン

ノイドコイルでガイドされるピストンと振動計

クリート構造物の欠陥をレーザーで遠隔探傷す

測用レーザー光軸が検査面にほぼ垂直になるよる技術の開発をすすめてきた１）。パルスレーザー

うに、検査面との接触箇所にはガイドローラーを照射によりコンクリートを振動させ、その表面振取り付けた。シャックルに通したワイヤーを用い動をレーザー干渉計で検出し、振動の周波数分析て電動ホイストで装置を吊るし、水中での上昇・などを通して欠陥の有無を評価するものである。

下降を行う。構築した水中レーザー探傷装置を図

室内実験の成果を基にして室外実験が可能な装1 に示す。

置を開発し、山陽新幹線や高速道路における試験を実施し、その有効性を確認した。これらの研究

2.2

動作確認試験

開発では、現在実用化に向けて、欠陥探傷装置の構築した水中レーザー計測装置について、屋外試作や信頼性向上などの開発を加速している。

試験の前に試験的な動作確認試験を行った。図 2

一方で、検査の対象を、常時滞水した状態で使に試験の様子を示す。

用されるコンクリート構造物にまで拡げること試験に用いたコンクリート供試体は、サイズがをめざして室内実験を実施してきた。水中ではレ300 x 300 x 100 mm で正面中央深さ 10 mm の位置

ーザー照射によりコンクリート構造物に振動をに 100 x 100 mm の空洞が人工的に配されている。

誘起するのが困難なため、機械的にコンクリート

この供試体を水中に沈め、計測装置を電動ホイス

表面を振動させる手法を導入した。平成 26 年度

トで吊るした状態で打撃し、振動計測を行った。

には屋外設備への導入をめざして装置を試作し、欠陥部、健全部のそれぞれを打撃し、得られた信その動作特性を評価した。本稿では試作した装置

号波形を比較することで両者の区別が可能であの概要、動作確認試験、屋外施設での試験結果にるかの確認を行った。
図 3 に欠陥部を打撃した際に得られた信号波

ついて紹介する。
２．水中レーザー探傷装置の構築
2.1

水中レーザー探傷装置の概要

装置は、振動励起用ソレノイドコイル（LE-73-11 耐水ソレノイドロック、タキゲン製造
株式会社）、振動検出用レーザー（PDV-100 ポー
タブルデジタル計、Polytec 社）、ならびに検査面の観測、姿勢の確認用の CCD カメラと、これらを保持するためのアルミフレームからなっている。振動検出用レーザー、検査面観測用 CCD カ─ 32 ─

図 1 水中レーザー探傷装置

るので、ピストン打撃の反作用によって検査面と装置の距離は変動する。振動が減衰した後のゆっくりした振動は、装置とコンクリート供試体との間に生じた相対的な位置変化によるものである。
これらは 20Hz 近傍にピークを持つゆっくりとした振動であった。
図 4 に健全部を打撃した際に得られた信号波
形とその周波数領域表示を示す。ソレノイドコイ
ルに電圧が供給されてから約 25 ms 後、先端が検図 2 水中レーザー探傷装置動作確認試験の様子

査表面を打撃し、装置とコンクリート供試体との間に生じた相対的な位置変動が確認された。これ

形とその周波数領域表示を示す。時間 0 はソレノ

は 20 Hz 近傍にピークを持つゆっくりとした振イドコイルに電圧 24 V が供給された時刻である。

動であり、打撃位置が異なるため振幅の大きさなソレノイドコイルに電圧が供給されてから約 84

どに差異が見られるが本質的には欠陥部の信号

ms 後、ピストンの先端が検査表面を打撃しコン

波形後半で確認された振動と同様のものである

クリート表面と空洞との間に板振動が励起されと考えられる。供試体支持方法の都合上、打撃位る。1180 Hz 近傍に卓越周波数を持つ振動が観察

置が異なった場合、ピストン先端と供試体間の距された。信号が負側に振れた場合、検査面は装置離が変わってしまい、検出時刻に差異が生じた。

から遠ざかる側に速度を持ち、正側に振れた場合

なお、健全部にはコンクリート内部に空洞が存在は、検査面は装置に近づく側に速度を持っているしないため、板振動を示す信号は検出されなかっと考えられる。装置は水中につるされた状態にあた。

図 3 水中、ホイストで装置を吊下げた状態で欠陥部を打撃した際に得られた信号波形（左）とその周波数領域表示（右）とそれぞれの拡大図
─ 33 ─

図 4 水中、ホイストで装置を吊下げた状態で健全部を打撃した際に得られた信号波形（左）とその周波数領域表示（右）とそれぞれの拡大図
本計測装置を用いてホイストで吊下げた状態
で欠陥部を打撃した場合、板振動が励起されると用いてコンクリート壁の健全性評価試験を行った。

ともに、打撃の反作用により、装置と検査面の間

検査対象は水槽壁面で、抜水時に予め打音検査に相対的な位置変動が生じる。板振動が約 1100

により確認された健全部と欠陥部（浮き）が確認

Hz～1200 Hz であるのに対し、相対的な位置変動されている。それぞれの部分について、水中レーの周波数帯域は、約 20 Hz の周波数であり、得らザー探傷装置の信号の比較評価を行った。図 5

れたそれぞれの信号が欠陥の存在を示す板振動に計測時の様子を示す。
打音検査により欠陥部と判定された領域を、計であるのか、または打撃の反作用による振動であ測したときに得られた信号波形を図 6 に示す。同

るのかの弁別は容易である。
健全部を打撃した場合、板振動が生じないため、一点において 3 回計測を行い、それらの信号波形

装置と検査対象の間の相対的な位置変動に伴うを並べたものを示している。

振動のみが検出される。よって、検査対象面が健t = 0 の時点でソレノイドコイルに 24 V 電圧が供全か欠陥を有するかを評価するには、装置と検査給され、約 70 ms 経過した後、ピストンの先端が対象の間の相対的な振動の立ち上がり時間近傍検査面を打撃したと考えられる。打撃の反作用にに、板振動による信号が表れるかどうかを確認す

よる装置と検査対象間の相対的な位置変動が信ることにより可能となる。

号波形の打撃が想定された時刻に表れている。その立ち上がり時間近傍に下向きのピークが確認

３．屋外実設備における動作試験できた。これは内部空洞の上部をピストンが打撃

屋外での実証試験として、関西電力が保有するした結果生じた板振動による信号と考えられる。

水槽において、構築した水中レーザー探傷装置を3 回の計測波形において、打撃の反作用により

─ 34 ─

図 5 屋外実設備試験の様子
装置と検査対象間の相対的な位置変動がほぼ同

図 6 欠陥部とされる箇所において計測された位相で検出された。また、再現性に乏しい高周波

信号波形

成分は、装置の位置変動による焦点位置の変動か、
光路中の浮遊物が原因と考えられる。焦点位置の変動は反射光量を減少し感度低下を生じる。
機械式振動励起の場合、電圧が供給されてから実際に打撃するまでの時間は、検査面までの距離
や、液体の粘性などによって変動すると考えられる。今回、検出時刻が数ミリ秒異なって検出される原因は、装置保持の不安定性から生じる検査面までの距離のバラつきによるものと考えられる。
打音検査により健全部と判定された領域を計測したとき得られた信号波形を図 7 に示す。同一

図 7 健全部とされる箇所において計測された信号波形点において 3 回計測を行った。
t = 0 の時点でソレノイドコイルに 24 V 電圧がるため開発をすすめてきた技術を、水中コンクリ

供給され、約 80 ms 後、ピストンの先端が検査面

ート構造物の診断に応用するために、初めて水中を打撃したと考えられる。打撃の反作用による装レーザー探傷装置を構築し、屋外施設を用いて実置と検査対象間の相対的な位置変動が信号波形証試験を行った。

の打撃想定時刻に表れているが、欠陥部の場合と健全部、欠陥部の振動信号を比較することによ異なりその立ち上がり時間近傍に下向きのピー

り、水中においてもレーザー振動計測が有用であクが確認できなかった。これは検査箇所付近に内ることを明らかにした。また、装置と検査対象間部空洞が存在しないためだと考えられる。

の相対的な位置変動、浮遊物によるノイズなど、

以上より、実際の屋外設備において、水中にあ水中特有の課題を明らかにした。
今後、装置の安定性を向上するとともに、測定るコンクリート壁面の欠陥の有無が検出でき、健データを増加し、水中コンクリート構造物の健全全性評価が可能であることを示した。

性評価技術の開発を進めていく。
４．まとめ
従来まで、鉄道トンネルや高架橋など地上コン
クリート構造物の欠陥をレーザーで遠隔探傷す

参考文献
1) 島田義則 他: 非破壊検査, 61, 519-524, 2012．

─ 35 ─

レーザーを用いた碍子表面塩分計測
レーザー計測研究チーム 1, レーザー技術開発室 2
谷口誠治 1、島田義則 1、本越伸二 2、岸田知門 2
２．実験

１．はじめに発変電所、送電線、配電線に使用されている碍子の表

2.1 計測装置面に付着した塩分等は閃絡事故の原因となるため、定期

ダブルパルスLIBS 方式の付着塩分計測原理と計測装的な塩分付着量計測と、その結果に基づいた碍子洗浄が置の詳細は昨年度に報告した 2)。ここではその概要につ必要となる。従来の付着量計測方法には筆洗（ふであらいて述べる。ダブルパルス LIBS 方式とは、まず低強度い）法 1）（ハンド測定）や電気抵抗法等があるが、筆のパルスレーザー（プレパルスレーザー）を碍子表面に洗法は所定量の蒸留水で付着塩分を完全に洗い流すの照射して付着塩分のみを飛散させ、その後タイミングをに熟練が必要で、時間もかかるという課題がある。また制御して高強度のパルスレーザー（メインレーザー）を

電気抵抗法等では高価で大掛かりな装置を常設する必

飛散塩分に集光照射して塩分を蒸発、解離させ、ナトリ要がある。そこで我々は、レーザーを用いて碍子に付着

ウム原子からの自然放出（D 線、〜589 nm）のピーク強

した塩分量を簡便かつ迅速に計測できる新手法、および度を光検出器により計測する手法である。この手法を用

屋外でも計測可能な可搬型装置の開発を目標に研究をいて作成したハンドホールドタイプの可搬型装置の写進めてきた。昨年度までに我々は、レーザー照射による真を図１に示す。プレパルスレーザーには自作の CO2

碍子表面の損傷を防ぐため 2 本のパルスレーザーを用

パルスレーザー（波長~10 μm 、出力~3 mJ/pulse（〜0.6

いた計測法（ダブルパルス LIBS 方式）を開発するとと

J/cm2）、パルス幅 ~100 ns）を用い、メインパルスレー

もに、操作性を高めたハンドホールドタイプの可搬型計

ザーにはマイクロチップ Nd: YAG レーザー（波長 1064測装置を作製し、実際に屋外で一定期間汚損させた 3

nm、出力 0.3 mJ、パルス幅 2 ns、浜松ホトニクス）を使

つの碍子試料（曝露碍子）について計測実験を行った。

用した。計測ヘッド部（図 1 上）は、マイクロチップ

その結果、計測値と付着塩分量には高い相関があること

レーザーの本体に CO2 レーザーにバンドルした光ファが明らかとなり、本手法の実用化に向けて大きく前進しイバーおよび D 線検出用の光ファイバーを取り付けたた 2)。しかしながら昨年度に計測を行った曝露碍子は 3

もので、計測ヘッドを手で持ち、先端部を碍子表面に接試料のみであり、我々の手法および開発装置の性能につ触させて計測を行う（ハンドホールドタイプ、図 2）。

いて十分に検証を行ったとはいえない。そこで今年度はこれにより装置の操作性は大きく向上し、計測点 1 点あ曝露碍子の試料数を増加し、計測精度の検証や、1 試料たりに要する時間を数秒にまで短縮できた。また、CO2あたりに必要な計測点数の最適化（計測時間の短縮）等

レーザー本体、分光器、電源部等の装置構成機器をキャについて詳細に検討した。また碍子と同一の材料で作成

リーケース内に納めることにより装置全体を運搬するされた円盤上に塩分を塗布した模擬碍子試料についてことができ、AC100 V の電源が確保できれば屋外でのも同様に計測実験を行い、曝露碍子試料との比較を行っ計測も可能である（図 1 下）。

た。さらに、磁器（セラミック）製碍子に替わり近年導入が進んでいるポリマー（高分子）製碍子への本装置の2.2 試料作成
本研究に使用した曝露碍子は、5 連つなぎの懸垂碍子

適用可能性を検討した。本稿ではこれらの結果について報告する。

（SU-120CN もしくはその同等品）3 組（計 15 個）を、

─ 36 ─

性界面活性剤（ポリオキシエチレンラウリルエーテルリ
ン酸、（ホステン HLP-1））を加えた。曝露碍子の付着物には Na の他、Si、Mg、Fe、Ca 等の無機成分、煤や繊維質等と思われる有機（炭素）成分が含まれており、それらを模すためである。またこれらは水の表面張力を抑制する効果があるため、円盤表面で塩分をより均一に塗布できる。
模擬試料の試料数は6、塩分密度は0.009 mg
から 0.034 mg/cm2 まで変化させた。
各試料の付着塩分密度は、レーザー計測実験後、筆洗法により決定した。レーザー計測に必要な面積は 1 点あたり約 0.003 cm2 で、曝露碍子および模擬試料全体の面積に比べ非常に小さくレーザー計測時の付着物の剥離による試料の平均付着塩分密度への影響は無視できる。
図 1 ダブルパルス LIBS 方式を用いた付着塩分計測装2.3 ナトリウム発光の計測

置（上）計測ヘッド部、（下）装置本体

本装置による付着塩分計測例として、図3にスライド
ガラスに食塩水を塗布して乾燥し、塩分を付着させた模擬試料の結果を示しておく2)。塩分が付着していない（0mg/cm2）場合にはメインインパルスによる大気ブレー
クダウン光のみが観測される。スライドガラスにはNa2Oが成分として含まれるが、それに起因するD線の発光が見られないためこの結果はプレパルスおよびメイ
ンパルスが直接基板にダメージを与えることはないことを示している。塩分が付着した試料では、D線の発光ピーク（〜590 nm）が塩分密度に依存して検出される。

図 2 碍子表面の付着塩分計測時の様子

ナトリウムのD線は通常2ピーク（589 nm, 589.6 nm）生
日本ネットワークサポート（株）貝塚工場の屋外曝露試成する。実験では1ピークしか観測されないが、これは験場で一定期間曝露し、自然汚損させたものである。付

分光器の分解能によるもので、実際の計測に問題はない。

着状況の異なる条件で計測実験を行うため、曝露期間を49 日間、91 日間、152 日間の 3 期に分け、それぞれ 1
組ずつ碍子を回収した。回収した 5 個の碍子のうち、回収時に手の接触がある上下 2 つを除いた 3 個（計 9 試料）を実験に用いた。
模擬試料は、碍子と同一の表面加工（釉薬塗布、焼成）を施した円盤（25.5 m2）
上に筆を用いて食塩水を塗布し、自然乾燥して作成した。この際、食塩水にはガラス

図 3 レーザー計測によるナトリウムD線（~589 nm）（SiO2）が主成分の白とのこ、ナトリウムを含まない中─ 37 ─

の発光スペクトル

３．レーザーによる碍子表面付着塩分の計測

体の付着塩分密度をプロットしたものを示す。図中■は3.1 曝露碍子の付着塩分計測

曝露期間49日、▲は曝露期間91日、×は曝露期間152日

上記の碍子塩分計測装置を用い、曝露碍子のひだ部分の試料である。曝露期間49日と91日では付着塩分の変化（図 4 左））について付着塩分密度計測実験を行った。

が小さく、152日曝露した試料では付着塩分の大幅な増

碍子全体を均等に計測するため、計測領域および測定点

加が見られた。碍子への塩分付着は曝露期間だけでなく数を以下のように定めた。まず、碍子のひだ部の隆起し

天候や季節にも大きく左右され、例えば台風通過時にはた部分（山部）の最も外側を第 1 山とし、内側に進むに強風で海水が霧化しやすいため、塩分付着量は短時間で従い第 2、第 3、第 4 山とした。第 1 山は山部の頂点付

増加することが知られている。また夏期（6-9月）は付近を計測し、第 2、第 3 山は塩分の付着が大きいため山着塩分量が小さく、冬期（1-3月）は（風雨の影響が少部の頂点を境に碍子の内側と外側の 2 つの領域に分割ないため）塩分付着量が増加する傾向にあるとの報告もした。また第 4 山については、塩分付着は大きいが円周ある（太平洋側）3)。今回の試料の回収時期は、曝露期が小さく計測点間の距離が短くなるため、先端部との接間49日、91日、152日でそれぞれ9月、11月、1月であり、触時の付着塩分剥離による計測誤差が起こりやすいこ

冬期に付着塩分が増加するという傾向と一致する。またとを考慮して山部の頂点付近のみを計測した。さらに計

昨年は大阪地域への台風の影響は少なかったため、9月、測時には碍子を約 22.5°づつ回転させ、それぞれの領域

11月回収試料に塩分付着量の顕著な増加は見られなか（図 4 右）中白く囲った領域）内で 3 点ランダムに計測ったものと考えられる。一方、同じ曝露期間の試料はいした。この方法により第 1、第 4 山でそれぞれ 48 点、ずれも付着塩分密度はほぼ同値である。各曝露期間での第 2、第 3 山ではそれぞれ 96 点、計 288 点の計測デー

3試料の塩分付着密度の平均は、曝露期間49日で0.0044

タを取得し、その平均値（ピーク強度）を碍子全体の平mg/cm2 、91日では0.0047 mg/cm2 、152日では0.0143

均付着塩分密度を表わす値とした。なお、各計測点ではmg/cm2である。また、レーザー計測により得られたD線

レーザー照射を 2 ショット以上行い、2 ショット目以降の平均ピーク強度は総じて付着塩分密度に依存して増でナトリウム D 線のピークが検出された場合には、付加しているが、塩分密度に対しては±1000カウント程度

着塩分が表面に残っていたものとしてピークが検出さのばらつきがみられる。この主な要因の一つには、塩分れなくなるまで照射を継続し、得られたピーク値を合算が碍子表面に均一ではなくまだらに付着していること

して計測値とした。

が挙げられ、レーザー計測のように点（微小領域）計測を行う場合には計測値にばらつきが出やすいものと考えられる。
しかしながら、
付着塩分の大きい曝露期間152日の試料とそれ以外の試料では計測値に明らかな差が見られており、レーザー計測において10-2 mg/cm2領域での付着塩分は容易に判別できると考えられる。洗浄が必
要な碍子の付着塩分は0.03 mg/cm2以上とされているため、この結果から本装置の実用は原則的に可能であると

図 4 左）碍子のひだ部の写真と各部位の名称、右）レ

いえる。ただし、今回の実験では9試料の曝露碍子の密ーザー計測を行った領域（白く囲った部分）

度分布が約0.005 mg/cm2と約0.015 mg/cm2付近の2つの領域に集まっており、計測した付着塩分密度領域の範囲

図5に、各試料のレーザー計測結果（ナトリウムD線の平均ピーク強度）に対して筆洗法により求めた碍子全も大きいとはいえない。そこで模擬試料を用いて、より広い塩分密度領域での計測、分析を行った。

─ 38 ─

近似直線の傾きは 2×10-6 mg/cm2/count であり、この係数を用いれば平均ピーク強度から碍子全体の平均付着
塩分密を算出できる。しかし一方で、塩分付着が 0.015
mg/cm2 付近の曝露碍子試料（図中×、◆）は近似直線からやや離れて分布しているようにもみえる。これらの試料の結果が計測のばらつきではなく系統的な差であると仮定した場合、その要因には模擬試料（人工塗布）と曝露碍子（自然汚損）で表面における塩分付着の分布
図 5 曝露碍子試料（■ : 曝露期間 49 日、▲：曝露期が異なることや、塩分意外の付着物の成分の違いなどが間 91 日、×：曝露期間 152 日）の D 線平均ピー考えられるが、明確ではない。これらの計測値の平均ピク強度（count）と筆洗法による付着塩分密度の相ーク強度は約 5000 カウントで、近似直線から塩分密度

関を算出すると約 0.01 mg/cm2 となり筆洗法による計測値と約 40%の差があるが、碍子の洗浄が必要な付着塩分
密度は 0.03 mg/cm2 以上とされているため、この差を考

3.2 レーザー計測値と付着塩分密度の相関レーザー計測値と塩分密度の相関をより広い領域で慮しても碍子洗浄が必要か否かの判別に問題はない。一検討するため、模擬試料を用いたレーザー計測実験を行

方塩分密度が 0.03 mg/cm2 付近の領域では、模擬試料のった。模擬試料 1 つあたりの計測点は 21 点で、模擬試

計測値のみであるものの近似直線と計測値の差は明ら料全体をカバーできるよう計測点の間が等間隔となる

かに小さく、塩分密度が高い領域では計測精度も向上すように設定し（図 6）、D 線の平均ピーク強度を計測値るものと考えられる。

とした。付着塩分密度はレーザー計測後、筆洗法により本年度行った曝露碍子の計測では、１試料あたりの計決定した。試料数は 6、各試料の付着塩分密度はそれぞ

測点数を288点とした。これは昨年度に行った、碍子をれ 0.009、0.02、0.023、0.027、0.031、0.034 mg/cm2 であ45°づつ回転させて計測（図4を参照）した試料の点数る。図 7 に模擬試料でのレーザー計測値（平均ピーク強（144点）3) の2倍であり、これにより計測精度の向上を度）と塩分密度（mg/cm2）の相関（図中●）を示す。

試みた。しかしながら、図に示すように実測では両計測

塩分密度の増加に伴い平均ピーク強度も増加しており、値に大きな変化は見られず、計測点の少ない試料と多い

計測値にばらつきがみられるものの両値はほぼ線形関

試料の差よりも計測点の多い試料間のばらつきの方が係にある。計測値のばらつきはおそらく、筆による塗布

むしろ大きい。上記したように、計測値のばらつきは碍

時の塩分付着の不均一性に起因するものである。また、子表面の塩分付着の不均一性に依るところが大きいと図には前項で示した曝露碍子試料（図中■、▲、×）、考えられるが、今回の結果から計測点を144点増加しておよび昨年度実施した曝露碍子試料の計測結果（図中もその不均一性は補償されていないものと考えられる。

◆）
を併せて示した。
曝露碍子でも同様の挙動がみられ、模擬試料と比較しても両値の相関に大きな差は見られ

3.3 曝露碍子の付着塩分分布

ないことから、曝露碍子、模擬試料全ての計測値（計

今回の実験では曝露碍子の山部を均等に計測してい18 点）を用いて一次関数による回帰分析を行った。そるため、各計測点でのピーク強度をプロットすることにの結果、決定係数 0.88（寄与率 88%）と比較的高い相関より碍子表面の付着塩分密度の分布を示すことができを示す値が得られたことから、碍子表面の付着塩分密度る。例として曝露期間49日および152日の碍子試料におとレーザー計測値はほぼ線形関係にあると考えられる。

ける付着塩分分布の分析を行った結果を図8に示す。各─ 39 ─

方向性があり、特に第3、第4山部では片側に高密度の塩分が偏って付着しているようでもある（図中白線で囲った部分）。これはおそらく、海風の方向等、曝露試験場の環境要因に起因するものであると考えられる。
このような塩分付着量の分布に関する分析は、現行の筆洗法を用いても可能であるが、通常は行われていない。
図 6 模擬試料の写真と計測位置（図中◯、計 21 点）分析を行うには領域毎に逐一筆洗を行う必要があるた
め手間と時間が非常にかかり、測定誤差も大きくなるた
めであると考えられる。これに対し我々が開発したレーザー計測法は、多点計測を基本とするため、計測データの処理により付着塩分の分布に関する分析や、碍子の部
分的な汚損の進行などに関する情報を比較的容易に得ることができる点で従来法に比べ非常に有益であるといえる。

図 7 模擬試料（図中●）、曝露碍子試料（■、▲、×、◆）の D 線平均ピーク強度／count）と筆洗法による付着塩分密度の相関と 1 次関数による近似

領域でのレーザー計測により得られたD線のピーク強

図8 左）曝露期間49日、右）曝露期間152日の曝露碍子

度（3点または6点計測の平均値、図4を参照）を、碍子

上の各計測点のD線ピーク強度変化を色の違いで写真上にピーク強度値の大きさに併せて色分けした丸表した図（塩分密度分布）(◯ : ピーク強度 0

印でプロットしてある。ピーク強度が0 countの点を◯、(count)、 ● : < 1000 ● : 1000〜2000、● : 2000

1000以下を〜5000、 : 5000〜10000、 : >10000、
1000〜2000を、2000〜5000を 、5000〜10000を 、10000以上を とした。計測値にばらつきはあるものの、曝露期間が長い試料（図8 右）では短い試料（図8左）に比べて総じてピーク強度が増大しており、曝露期間が長くなると塩分付着量が増加することがわかる。また両試料とも第1山（外側）から第4山（内側）に向けてD線ピーク強度が増大しており、塩分付着量が増加する傾向にある。この傾向は、碍子の内側では風雨による影響を受けにくく、付着物が堆積しやすいことを示している。レーザー計測後、筆洗法により測定した第図 9 筆洗法により求めた曝露碍子試料の各山部の付

1山〜第4山それぞれの平均塩分密度も同様の傾向を示

着塩分密度（曝露期間 ■: 49 日、×: 152 日）した（図9）。また明確ではないが、塩分付着分布には
─ 40 ─

４．レーザーによるポリマー碍子の付着塩分計測

を1ショット〜20ショット照射し、照射後の表面を実体

4.1 ポリマー碍子

顕微鏡で観測した。図10に、レーザー照射前、および各変電所や送電線の絶縁に使用される碍子は、前章で取レーザー光強度各回照射を行った後の顕微写真を示す。

り扱った磁器（セラミック）製のものが古くから用いら

照射強度 8 mJ/pulse の条件では、20ショット後も碍子れ現在でも主流である。これに対し近年、シリコーンゴ

表面に損傷は見られなかった（図10 (b)）。一方、照射

ム等の高分子を素材に用いたポリマー碍子の導入が進強度を11 mJ/pulseまで増加させた場合、3ショット目かみつつある 。ポリマー碍子は日本や米国など一部の国ら表面の損傷が明確となり、20ショット後には照射痕がでは高電圧電気絶縁に使われ始めた。ポリマー碍子は一明確に残り（図10 (c)、 (d)）、この現象は目視でも確認

般 にFRP（ガラス繊維強化プラスチック）コアの両端された。この結果はプリパルスレーザーによるポリマーに組み付けられた金具とFRPの外周にモールドされた

碍子の損傷閾値は11 mJ/pulse（3.8 J/cm2）付近であるこ

外被材料からなる。外被材料としてはシリコーンゴム、とを示している。

4)

EPDM（エチレンプロピレンターポリマー）ゴムなどがb)a)

あるが、現在は耐候性、汚損耐電圧特性に優れるシリコーンゴムが主流である。ポリマー製碍子の利点には、磁器碍子に比べ軽量で取り付けが容易であること、高い撥水性を持つため表面での水膜形成が起こりにくく高耐電圧特性を保持する、等がある。しかし現状では、磁器

c)

碍子と比較してあまり普及が進んでいない。その理由の

4mm

d)

一つには、ポリマー碍子の劣化や放電事故の要因となる
汚損（塩分付着）についてのデータ蓄積や分析が十分ではないということがあり、ポリマー碍子の信頼性を高め
るには、これらについても十分な検証を行う必要があるとされている。このことから我々は、本装置をポリマー

図10 プレパルスレーザー照射後のポリマー碍子表面

碍子にも適用できれば汚損に関するデータ蓄積およびの顕微鏡写真 a)照射前、b)8 mJ/pulse 20 shot後分析が迅速に進み、その導入促進にも寄与できると考え（照射痕なし）、c) 11 mJ/pulse 3 shot後 (照射痕た。本章では、屋外で曝露したシリコーンゴム製碍子、あり、丸で囲った部分)、d) 11 mJ/pulse 20 shot後および碍子表面に塩分を塗布した模擬試料を用い、磁気（照射痕あり）

製碍子と同様にレーザー計測法による付着塩分計測を行い、本手法のポリマー碍子への適用可能性について実

4.3 ポリマー碍子の付着塩分計測
図 11 にポリマー碍子の外観と、曝露試験場で約 5 ヶ験的に検討した結果を報告する。

月間曝露した碍子のひだ部表面の写真を示す。碍子表面
4.2 ポリマー碍子のレーザーによる損傷には煤のような黒色の付着物がまだらに付着している。

ポリマー碍子は有機成分でできており、ポリマーのこの汚損はポリマー碍子の特性である表面の撥水性に光吸収性やそれによる熱化学反応性のため、磁器碍子とより付着成分を含む水分が液滴状となり、その後乾燥す比べてレーザー光強度に対する耐性が低い可能性があることで形成されたものと推定される。計測実験には、る。これについて確認するため、洗浄、乾燥した碍子表

曝露碍子のひだ部を半分割した扇形のものを１試料と面にプレパルスレーザー（CO2レーザー、波長〜10 μm）

して用いた。計測点は 113 点で、計測点間はほぼ等間隔─ 41 ─

とし、得られたピーク強度の平均値を付着塩分量とした。
プリパルスの強度は照射によっても表面損傷が観測されなかった 8 mJ（〜2.8 J/cm2）とした。計測後の試料は筆洗法により塩分密度を計測し、曝露試料の付着塩分量（mg/cm2）として用いた。また比較のため、水で汚損を洗浄した後の試料、および塩化ナトリウムを碍子に塗布した模擬試料についても同様に実験を行った。模擬試:::料の作成法を以下に示す。まず洗浄してポリマー碍子表面に、すりつぶして微細化した定量の NaCl と白とのこ

図12 ◯ 曝露碍子、▲ 洗浄後、● 模擬試料の平均ピ

6.5mg（粉末）を直接のせ、筆を用いて粉末をなるべくーク強度と付着塩分密度の相関（点線は近似直均一になるように表面全体に塗布した。その後水蒸気を線）

噴霧し、表面に定着させた。ポリマー碍子は撥水性が高
く少量の水でも一部に集まるため、その影響を抑制するの領域では塩分密度の判別は比較的容易であるといえための処置である。

る。磁器碍子の場合、洗浄が必要な付着塩分の基準は

図 12 に、各試料でのピーク強度の平均値に対して筆3×10-2 mg/cm2 とされており、この基準を当てはめれば現洗法で求めた塩分密度をプロットしたものを示す。◯は状においてもポリマー碍子への実際的な応用は十分に曝露試料、●は模擬試料、▲は洗浄後の試料である。曝可能である。しかしながらポリマー碍子における付着塩

露試料は 3 点とも付着塩分密度 5×10-3 mg/cm2 、平均ピ分の影響は、磁器碍子よりも小さいと考えられるもののーク強度は 2000 count 付近であった。曝露期間が同一で定かではない。このため今後は、低密度領域（〜10-3 mg

あるため付着塩分量は 3 試料でほぼ同様と考えられ、測/cm2 ）での計測精度の向上や、より高密度領域での実定値のばらつきはあるものの計測結果は実際の塩分付

験等、計測可能範囲の拡大に関して検討を行うことが重着状況をある程度よく表わしているといえる。一方、洗要である。

浄後の試料では塩分は殆ど計測されず、また高い密度（〜10-2 mg/cm2）の塩分を塗布した模擬試料では、付着５．まとめ

塩分密度と平均ピーク強度の間により明確な線形関係

本研究では、我々が開発したレーザーを用いたハンが見られる。これらの結果から、本手法によるポリマー

ドホールド型付着塩分計測装置を用い、新たに曝露期間

碍子の付着塩分計測は原則的に可能であり、10-2 mg/cm2の異なる3種（計9個）の曝露碍子試料、および模擬試料の付着塩分計測実験を行い、レーザー計測値と塩分密度の相関や、碍子上の付着塩分密度の分布について詳細な検討を行った。その結果、計測値は付着塩分密度に対して比較的高い相関を示し、本手法を用いれば碍子洗浄が必要か否かは容易に判別可能であることがわかった。ただし、低い付着塩分密度（<~0.01mg/cm2）の領域においては計測値にばらつき（<~40%）があり、この主要因は塩分付着の不均一性によるものと推定される。また、本図 11 左）5 ケ月間曝露したポリマー碍子の外観、右）表面の拡大写真

手法は碍子上の付着塩分密度分布の分析が可能であり、本手法の従来法に対する優位性を示した。さらに、近年

─ 42 ─

導入が進みつつあるポリマー製碍子についても同様に

参考文献

計測を行った。その結果、本手法をポリマー碍子に応用

1) 秤 俊久: R&D News Kansai, 8, 35-37, 1997.

できる可能性は十分に高いことがわかった。

2) 谷口誠治他: ILT2014 年報, レーザー技術総合研究所, 2014.
3) 渡辺基久, 谷口毅他: 電力中央研究所研究報告 682001,
1982.

謝辞
本研究は、
関西電力
（株）
の受託研究により行われた。

4) 電力技術研究所: NGK レビュー, 58, 29-40, 1999.

また曝露碍子試料は日本ネットワークサポート（株）より提供を受けた。協力頂いた方々に感謝致します。

─ 43 ─

レーザー計測による蛋白質の機能阻害効果の研究
レーザーバイオ化学研究チーム
谷口誠治、ハイク コスロービアン
らを分光学的手法により観測すれば蛋白質の機能メカ

1．序
蛋白質や蛋白質を基に構成される酵素は、化学物質のニズムに関する有益な情報を得ることができる。この観吸収、輸送、代謝等、生体内における様々な化学反応を点から我々は、DAAO と阻害剤との反応過程をレーザ制御する触媒としての機能を担う。蛋白質の機能を解析

ー計測により追跡することで、DAAO の機能阻害メカするための有力な手法のひとつに、目的の蛋白質（蛋白ニズムに関するこれまでにない有益な知見を取得でき

質中に存在する補因子）に蛋白質が作用する特定の分子ると考えた。本研究では、DAAO の蛍光過程と機能阻（基質）と基質とは異なる種々の分子をそれぞれ付加し、害効果の関連性や、時間分解蛍光計測法の阻害効果観測

それらの反応性の違いを比較することで機能性の要因への有用性等を明らかにすることを目的に、DAAO おを明らかにしようとするものがある。また創薬分野では、

よび DAAO に阻害分子を添加した試料の光励起ダイナ

ウィルスや細菌内での蛋白質機能を阻害してそれらの増殖を抑制する、人体内で異常な機能を示す蛋白質を不活性化し疾病を治療する、等の機能阻害効果を持つ薬剤（阻害剤）の開発にも同様の手法が用いられている。
これと関連し、薬剤による酵素の機能阻害効果について最近注目を集めている酵素に D-アミノ酸酸化酵素

ミクスを時間分解蛍光計測法により検討している。昨年
度は、テストケースとしてブタ腎臓由来の DAAO を用いた研究を行い、阻害剤として 4-アミノ安息香酸ナトリ
ウム（o-AB）を添加した試料において、補因子 FAD の
蛍光が o-AB と結合した CT 錯体に起因する超高速蛍光（D-amino acid oxidase, DAAO）がある。DAAO は D-ア

減衰（寿命約 300 fs）を示すことを明らかにした。また

ミノ酸を分解（代謝）する機能を持ち（図 1）、ヒトを同種の DAAO においても蛋白構造が異なる場合には含む高等生物の腎臓や肝臓、脳等に多く存在するが、生o-AB との反応性も異なり、それらが阻害剤の効果にも体は本来 L-アミノ酸のみによって構成されるため、その具体的な役割はよくわかっていなかった。これに対し
近年、福井ら（徳島大）は統合失調症患者の脳内 D-ア
ミノ酸濃度が DAAO の異常活性により通常よりも低下
していることをつきとめ、阻害剤の投与が脳内 DAAOの反応活性を抑制し（図 2）、脳疾患の治療に有効であると報告した 1, 2)。この報告は、生体内での DAAO の役
割を明確なものにするだけでなく、様々な脳疾患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に重

図 1 D-アミノ酸酸化酵素（DAAO）の反応スキーム

要な意義を持つ。
一方、DAAO は光科学の観点からみても興味深い酵素である。FAD を補因子に持つ DAAO はフラビン蛋白質の一種で、FAD 中のイソアロキサジン（Iso、図 3 (b)中（ ）内の分子）は青色領域の光を吸収し緑色（530 nm
付近）の蛍光を発する。その強度やスペクトル形状、また減衰寿命は蛋白質の反応に敏感に応答するため、それ

─ 44 ─

図 2 阻害分子による DAAO の機能阻害効果

(a)を DAAO 水溶液（300 μl）に 50 μl 加え、濃度が 2 mM(b)（大過剰）となるように調整して作成した。ただし阻害分子（4）、 (5)については、溶解度を上げるため緩衝液にエタノールを付加した。時間分解蛍光の観測には、Ti:サファイアレーザーを光源に使用した単一光子計数（フォトンカウンティング）システム 4)を用いた。
励起波長は 400 nm、装置の時間分解能は約 20 ps である。

図 3 (a) ヒト由来 D-アミノ酸酸化酵素（human
DAAO）の結晶構造（4 量体、PDB ID :３．結果と考察2DU8）、 (b) 補因子フラビンアデニンジヌ

3.1 吸収、蛍光スペクトル

クレオチド（FAD）の分子図

human DAAO 水溶液および各阻害分子を付加した溶影響することを示す興味深い結果が得られた 3)。本稿で

液試料の各吸収スペクトルを図 5 に示す。各スペクトルは、実際にヒト由来の DAAO（human DAAO、図 3 (a)）

は上段から阻害分子(1)~(5)をそれぞれ付加した試料、一を用い、阻害剤添加時の光励起励起ダイナミクスについ番下段は DAAO のみの試料である。453 nm にピークをて時間分解蛍光計測法により検討した結果について報持つ吸収帯は、DAAO 中の Iso の中性状態（pH を 8.3

告する。

に調整してあるため）における第一電子遷移（S0→S1
吸収）であるが、阻害剤を付加すると 458、488 nm に新
たな吸収ピーク、
また 500〜700 nm にはブロードな吸収

２．実験
本研究に用いた human DAAO は、遺伝子を大腸菌で帯が生成する。これらは Iso と阻害分子間で生成する発現させるクローニング法を用いて作成されたものでCT（Charge Transfer）錯体 5, 6)に由来するものであり、あり、精製効率をあげるため窒素（N）末にヒスチジ

DAAO とそれぞれの阻害分子が結合体を生成したこと

ン（His）タグが付加されている。精製後の濃度は 7.2が分かる。500 nm 以降の吸収帯の吸光度から、阻害剤(1)、mg/ml（BSA を標準物質とした Bradford 法による算(4)では結合体の生成率が高いものと予想される。同様出）であった。緩衝液には 10%グリセロールを含むに、図 6 に各試料の蛍光スペクトルを示す。ただし各ス10mM ピロリン酸ナトリウムバッファー（pH8.3）を用

ペクトルは、その形状を比較するため蛍光帯のピーク波

いた。阻害分子には、(1) 3-hydroxycoumarin、(2) Imidazo

長（522 nm）で規格化してある。DAAO のみの試料（最[1,2-a]pyridine-6-carboxlic acid 、 (3)3-thiophencarboxylic

下段）で観測される蛍光帯は Iso の励起 S1 状態からのもacid 、 (4)5,6-dihydro-4H-cyclopenta[b]thiophene-2-carbo-のであるが、阻害剤を付加した試料はいずれもこれと同

xylic acid、(5) Sodium Benzoate（安息香酸ナトリウム）

一のスペクトルを示し、結合体の生成による新たな蛍光の計 5 種を用いた（図 4）。DAAO と阻害分子の結合は主に、補因子 FAD および阻害分子の芳香環同士の

(1)

(2)

(3)

π-πスタッキングと、FAD 周囲のアミノ酸残基と阻害分子の O や N、S が持つ対電子との水素結合により起こるため、用いた阻害分子は芳香環の大きさと対電

(4)

(5)

子を持つ元素の種類を様々に変えてある。阻害剤付加
試料は、各阻害剤を緩衝液に溶解させた後その水溶液
─ 45 ─

図 4 阻害剤の分子図（5 種）

帯は生成していない。これは一般的に CT 錯体の励起寿命が非常に短いため（< 1 ps）であり、通常の蛍光測定
ではより強いIso の蛍光とオーバーラップすることもあり判別は難しい。

3.2 時間分解蛍光計測による Human DAAO の機能阻害効果の検討
図 7 に、human DAAO の観測波長 520 nm （蛍光ピー
ク波長付近）における時間分解蛍光を示す。蛍光は主に寿命約 50 ps で減衰するが、その他数 100 ps、数 ns の長寿命減衰も観測される。蛍光減衰の各寿命を求めるため、

図5 human DAAOおよび阻害剤(1)~(5)を付加した各試

4 成分指数関数（式(1)、i は蛍光寿命、Ai は各寿命の前料の吸収スペクトル

指数因子）を用い、装置応答関数を考慮した最小二乗法によるフィッティングを行った結果、47 ps (0.74)、235 ps(0.11)、1.17 ns (0.04)、4.5 ns (0.11) が得られた（ 2 = 1.06、( ) 内は前指数因子の比を示す）。ブタ腎臓由来 DAAO

4

F(t)   Ai exp(t /  i )

(1)

i1

を用いた先行研究では、約 40 ps、160 ps の 2 成分の蛍光寿命成分が得られており、それぞれDAAOの2量体、単量体の励起寿命に帰属されている 5, 6)。これらの蛍光図6 human DAAOおよび阻害剤(1)~(5)を付加した各料

寿命は、
DAAO内で起こるIsoと周囲のアミノ酸残基（チの蛍光スペクトル（規格化後、励起波長 400 nm）

ロシン、トリプトファン）との光誘起電子移動反応の速度に依存し、蛋白構造が異なると Iso とアミノ酸残基間の距離、配向が変化するため寿命も変化するが、X 線結晶構造解析から得られている human DAAO のアミノ酸配列および立体構造（PDB ID: 2DU8）をブタ腎臓由来のそれ（PDB ID: 1Kif）と比較すると、アミノ酸配列は若干異なっているものの（一致率 85%）構造類似度（TheNumber of Equivalent residues、Protein Data Bank Japan ホームページを参照）は非常に高く（NER (4) = 332）、両者の構造は殆ど一致している。このことから、Human
DAAO で観測された蛍光寿命 47 ps、235 ps はそれぞれ

図 7 human DAAO の時間分解蛍光（観測波長 520 nm

2 量体、単量体の励起寿命に帰属できる。一方長寿命成と 4 成分指数関数によるフィッティング結果（図分（4.5 ns）は、試料中に不純物として含まれる、蛋白

中点線は装置応答関数）

─ 46 ─

質構造が解け水溶液中に露出した FAD（Iso）の励起寿命であると考えられる。実際に、FAD とほぼ同じ構造を持つ FMN（フラビンモノヌクレオチド）を緩衝液に溶解させ参照実験を行った結果、蛍光は寿命 4.7 ns の指数関数減衰を示すことが確認された。
1.17 ns の寿命成分に関しては、存在比が最も小さく（0.04）、何らかの不純物である可能性もあるがその由来は明確ではない。
図 8 に、human DAAO および阻害剤 (1)~(5)を付加した各試料の時間分解蛍光観測結果を示す（観測波長520nm）。阻害剤付加試料では、その種類に応じて高速

図 8 human DAAO および阻害剤 (1) ~ (5) 付加試料の減衰寿命成分（47 ps、235 ps）の存在比が低下する。阻

時間分解蛍光データ（観測波長 520nm）と 4 成分

害剤(1)、(4)付加試料では高速成分は殆ど観測されず、指数関数によるフィッティング曲線（表 1 参照）

両観測値はほぼオーバーラップしている。この挙動は、錯体生成に伴う DAAO の吸収スペクトルの変化（図 5）

直接関連がなく、阻害剤付加時にも蛍光強度や寿命は変とよく合致している。一方、生成する錯体の蛍光は実験化しないと考えられるため、各因子の比は長寿命成分

では観測されなかったが、これはレーザー波長（400（4.5 ns、4）のもの（A4）を基準（= 1）とした。上述

nm）が錯体の吸収帯（>450 nm）よりも短波長であるこしたように長寿命成分は溶液中に直接露出した FAD にとや、錯体の励起寿命が装置の時間分解能（~20 ps）よ由来するため、錯体形成反応と直接関連がなく、阻害剤

りも非常に短い（< 1 ps）ことによるものである 2)。表 1

付加時にも蛍光強度や寿命は変化しないと考えられるに、各試料の錯体生成率を見積もるため蛍光減衰を 4ためである。いずれの試料もフィッティングのカイ�乗

成分指数関数によりフィッティングした結果を示す。た（χ2）は＜ 1.3 と観測値を良く再現しており、阻害剤付

だし、ここでは錯体を形成しない DAAO の励起寿命に加に伴う各寿命の顕著な変化はほぼないことがわかる。

変化はないものとして各寿命は DAAO で得られた値で前指数因子の変化が大きいのは 2 量体の励起寿命（47固定し、前指数因子のみをフリーパラメータとした。まps）であり、中でも阻害剤(1)を付加した場合に最もそのた阻害剤付加時の前指数因子の変化を比較するため、各存在比が低下、つまり錯体の生成率が高いと考えられる。

因子の比は長寿命成分（4.5 ns、4）のもの（A4）を基

前指数因子の低下率から、錯体生成率は阻害剤(5)、(2)、

準（= 1）とした。上述したように長寿命成分は溶液中(3)、(4)、(1)の順に高くなるものと考えられる。単量体に直接露出した FAD に由来するため、錯体形成反応との励起寿命（235 ps）については同様の前指数因子比の表 1 human DAAO および阻害剤(1)~(5)付加試料の 4 成分指数関による蛍光減衰フィッティング結果
A4 a

�

6.73
235
1
1.17
47
0.36
4.5
1
DAAO
b
b
b
b
0.23
235
0.23
1.17
47
1
0.24
4.5
DAAO + (1)
0.80
235 b
0.27
1.17 b
47 b
1
0.15
4.5 b
DAAO + (2)
b
b
b
b
0.60
235
0.21
1.17
47
1
0.13
4.5
DAAO + (3)
0.25
235b
0.25
1.17 b
47 b
1
0.19
4.5 b
DAAO + (4)
b
b
b
b
2.03
235
0.28
1.17
47
1
0.17
4.5
DAAO + (5)aA1、A2、A3 、A4 はそれぞれ蛍光寿命 1、2、3、4 の A4=1 とした場合の前指数因子の比を表す
b
フィッティング時に数値を固定した

1.06
1.22
1.08
1.14
1.10
1.19

Sample1 /psA1a

2 /psA2 a

─ 47 ─

3 /nsA3 a

4 /ns低下はみられるものの、2 量体のような阻害剤の種類に

表 2 蛍光減衰から見積もった DAAO 2 量体、単量よる顕著な変化はない。そこで、2 量体と単量体の錯体

体と阻害剤 (1) ~ (5)との錯体生成率
q2 /%
q1 /%
Sample(2量体, 47ps) (単量体, 235ps)

生成率について比較するため、各寿命成分の前指数因子比の低下が錯体の生成にのみよるものと仮定し、各阻害

DAAO + (1)
DAAO + (2)
DAAO + (3)DAAO + (4)DAAO + (5)剤添加時の 2 量体および単量体の錯体生成率（それぞれq1、q2）を求めた。結果を表 2 に示す。DAAO 2 量体は阻害剤(1)〜(4)付加時において約 90%と非常に高い錯体生成率を持つことがわかる。また錯体生成率の違いが誤

97
89
91
94
70

77
73
79
75
72

差ではない（阻害剤(5)、(2)、(3)、(4)、(1)の順で高くな（70%）を逆転するなど、2 量体の挙動との相関はあまる）ことは蛍光減衰データの変化をみても明らかである。

りみられていない。この主な要因にはやはり、2 量体と上述したように、DAAO と阻害分子の錯体形成は主に単量体における蛋白構造の違いが挙げられる。2 量体とFAD（Iso）と阻害分子の芳香環同士のπ-πスタッキン

単量体の励起寿命の変化は FAD (Iso)と周囲のチロシン

グと、FAD 周囲のアミノ酸残基と阻害分子の O や N、またはトリプトファンの電子移動速度に依存するが、2S が持つ対電子との水素結合により起こると考えられ量体の方が寿命は短くより高速の電子移動が起こってる。各阻害剤の分子構造を比較すると（図 4）、阻害剤

いることから、2 量体では FAD とアミノ酸残基はより(1) は他の分子に比べ分子のπ電子平面が大きく、FAD

近接した配置を持つと考えられる。これは言いかえれば、とのπ-πスタッキングが最も起こりやすいものと考え

2 量体はよりタイトな蛋白構造を持ち、単量体の構造はられる。また阻害剤 (1) は他の分子とは異なりカルボ

よりルーズであるともいえる。よりタイトな構造を持つ

キシ基（-COOH）の種類が異なっていることも要因の2 量体では阻害剤との錯体生成率は概して高く、また阻一つに挙げられる。カルボキシ基は阻害分子を緩衝液に害分子の構造に対する反応性の変化もより顕著なもの

溶解させるために付加した置換基であるが（緩衝液中でとなる（反応選択性が高い）。これに対して単量体の場

イオン化して-COO-となる）、アミノ酸残基との水素結合には、蛋白構造がルーズであるためアミノ酸残基と阻合サイトとしても機能する。阻害分子(2)~(4)ではα型

害分子との水素結合力が安定せず錯体生成率は低下し、（ =O と –OH が同一炭素上に結合）のカルボキシ基で阻害分子の構造に対する反応選択性も低くなるものとあるのに対し、阻害剤 (1) はβ型（ =O と –OH がそれ推定できる。実際に、human DAAO が生体内で機能す

ぞれ隣り合う炭素に結合）であり、おそらく FAD 周囲る形態（生物学的単位）は単量体ではなく 4 量体（またのアミノ酸残基がβ型のカルボキシ基との水素結合には 2 量体）とされており、今回得られた知見はその事実有利な配置を取っているものと予測される。一方、阻害と矛盾しないものである。しかしながら今回の結果を明剤 (1) の次に錯体結合率が高い阻害剤 (4) については確なものにするためには、水溶液中における 2 量体と単チオフェン環上の S の水素結合効果が高いものと考え

量体の蛋白構造の変化や、生成した錯体の立体構造、安られるが、(3)と比較して錯体生成率がより高い理由は定化エネルギー等についてより具体的に議論する必要

明確ではない。
(3)と(4)を比較するとチオフェン環上の Sがある。今後は実験結果を元に、分子動力学（MD）にの位置が異なっており、アミノ酸残基との水素結合力がよる構造計算や、分子軌道計算による反応速度の分析等変化する可能性はある。一方単量体の場合には、いずれを進める予定である。

も錯体生成率は 70~80%と 2 量体に比べて低く、また阻
害剤 (3) 付加時の錯体生成率が 79%と最も高いことや、

４．まとめ

阻害剤 (5) 付加時に錯体生成率が 72%と 2 量体の値

本研究では、ヒト由来の D-アミノ酸酸化酵素（human─ 48 ─DAAO）の機能阻害効果について検討するため、DAAO

謝辞

および 5 種の阻害剤を付加した試料の時間分解蛍光計

本研究の実施にあたり、科学研究費補助金（基盤研究測を行った。DAAO の蛍光は多成分指数関数で減衰し、(C)、課題番号26410029）の支援を得た。また本研究は

4 成分指数関数によるフィッティングから47 ps、
235 ps、

田中文夫 Chulalongkorn大学客員教授（レーザー総研特1.17 ns、4.5 ns の各寿命成分が得られた。ブタ腎臓由来別研究員（兼務））との共同研究である。実験に用いた

DAAO の研究結果との比較から、47 ps、235 ps の各寿酵素（human DAAO）は、北里大学薬学部生体分子解析

命成分はそれぞれ DAAO 2 量体、単量体の励起寿命に

学教室片根助教により作成されたものである。時間分解帰属できる。阻害剤を付加した試料では、阻害剤の種類

蛍光計測には大阪大学大学院基礎工学研究科物質創成に応じて 2 量体の寿命成分の存在比が低下することが専攻宮坂研究室所有のフォトンカウンティング装置をわかった。これは 2 量体と阻害分子が結合し錯体を生成使用し、同研究室伊都准教授の協力を得た。ご協力頂いするためである。蛍光減衰の前指数因子を用いて阻害剤た方々に感謝致します。

付加時の錯体生成率を見積もると、3-hydroxy- coumarinを阻害剤に用いた場合に生成率が最も高い（97%）こと

参考文献がわかった。またチオフェン環を持つ 5,6-dihydro-4H-1) K. Fukui, H. K. Park, T. Kawazoe, K. Ono, S. Iwana, Y. Tomita,

cyclopenta[b]thiophene-2-carboxylic acid および 3-thiophen-

K. Yorita, T. Sakai and Y. H. Kong: Flavins and Flavoproteins,carboxylic acid を用いた場合にも同様に高い錯体生成率

2005, 853-860, 2005.

を示した（それぞれ 94%、91%）。これらの結果は、時

2) R. Miura et al.: J. Biochem., 122, 825-833, 1997.

間分解蛍光計測法により DAAO の錯体生成率が高い精

3) 谷口誠治他: ILT2014 年報、レーザー技術総合研究所、2014.

度で得られることを示しており、本手法が阻害薬の開発

4) Y.Takagi, T.Kunishi, T. Katayama et al.: Photochem. Photobiol.
Sci., 11, 1661-1665, 2012.

研究にも有用であるといえる。一方、DAAO 単量体の錯体生成率は 2 量体よりも低下し、阻害剤の種類による

5) N. Nakashima, K. Yoshihara, F. Tanaka and K. Yagi: J. Biol.
Chem., 256, 5361-5263, 1980.

選択性も低くなることがわかった。この挙動の違いには、
2 量体と単量体における蛋白質構造の変化が関与して

6) F. Tanaka, N. Tamai and I. Yamazaki: Biochemistry, 28,

いるものと考えられる。今後、本研究で得られた知見を明確なものにするため分子動力学（MD）による構造計
算や、分子軌道計算による反応速度の分析等を進める。

─ 49 ─

4259-4262, 1989.

液中レーザーアブレーション法によるナノ粒子作製:レーザー還元マグネシウムの空気電池への応用
レーザーバイオ化学研究チーム 1、関西大学システム理工学部 2
谷口誠治 1、出島 満 2、吉武和義 2、佐伯 拓 2池を回収し内部の金属酸化物を還元・微細化することに

１．はじめに燃料電池は負極の活物質に水素、正極の活物質に酸素

より、電池のリサイクルも可能になると考えられる。本を用い、活物質同士の化学反応を利用して電力を得る装研究では、液中レーザーアブレーション法を用いて空気置であり、地球温暖化等の環境問題を解決するクリーン

電池に用いられる代表的な金属の一つであるマグネシ

なエネルギー源としてその実用化が期待されている。しウムの酸化物（MgO）を用いて還元・ナノ粒子化実験

かしながら、水素は通常気体であるため取り扱いが難しを行い、生成物の物性を調査した。また、生成物を用いく、その製造法や貯蔵法が実用化への問題点の一つとなて実際に水素発生実験、および空気電池を作製し、それっている。これに対し近年注目されているのが（金属）らの電気的特性について検討した。

空気電池である。空気電池は燃料電池の一種であるが、負極の活物質には亜鉛やアルミニウム等の純金属を用いるため取り扱いが容易である。また電池は正極側に活物質を必要とせず、その分電池内に負極の活物質を多く充填できることから従来の電池に比べて放電容量を大きくできるという利点があり（図 1）、リチウムイオン

図 1 金属空気電池の動作原理図

電池に代わる電源として、様々な金属を負極側活物質に用いた研究が行われており、亜鉛を用いたものは既に実用化されている。一方空気電池の問題は、使用後金属が２．実験

酸化（水酸化）するため、再利用するには金属を還元す

図 2 に液中レーザーアブレーション実験の配置図をる必要があるという点にある。最近は空気電池の二次電示す。ターゲット試料には酸化マグネシウム粉体（MgO

池化を目指した研究も多いが、実用化には至っていない。

特級、純度< 98%、キシダ化学）を用いた。溶媒には純

筆者らはこれまで、水素発生源として用いることを目的

水および有機溶媒であるアセトン（分光分析用、純度に、液中レーザーアブレーション法を用いて酸化鉄の還>99%、和光純薬）を用いた。ガラス製の容器に定量の元とナノ粒子化を 1 段階で行う簡便な手法の開発に関

MgO と溶媒を加え、マグネットスターラーによる撹拌する研究を行ってきた。その結果、有機溶媒や水等の溶を行いながらレーザーをレンズ集光して照射した。レー

媒中で酸化第二鉄（Fe2O3）粉体にパルスレーザーを照ザー光源には、高繰り返しマイクロチップ Nd: YAG パ

射することで、第二酸化鉄の鉄（Fe）への還元およびナルスレーザー（波長 1064 nm、パルス幅 8 ns、発振周波ノ粒子化が起こることが分かった。また実際に水素発生

数 18 kHz、出力 0.3 W）、低繰り返しナノ秒パルス Nd:

実験を行い、生成物と水との反応により高効率で水素がYAG レーザー（波長 1064 nm、
パルス幅 8 ns（FWHM）、

生成することがわかった 1,2)。このことから、本手法を発振周波数 10 Hz、出力 2.5 W）およびフェムト秒 Ti:

他の金属にも適用できれば、生成物を空気電池の材料にSappire レーザー
（波長750 nm、
パルス幅 100 fs（FWHM）、

そのまま使用することができるだけでなく、使用後の電発振周波数 1 kHz、出力 2 W）を使用した。

─ 50 ─

ーでは照射回数が十分でなく反応が十分に進行していない可能性がある。また、MgO の還元過程はアブレーションによる直接的な１段階での（分解）
反応ではなく、熱反応（水和）による Mg(OH)2 の生成とアブレーション過程がともに関与した多段階過程で起こる可能性も考えられる。図 4 に、水 5 ml に MgO100 mg を加えた試料に高繰り返しレーザーを 20 分照射した後の試料のXRD パターンを示す。照射後の試料は Mg(OH)2 および

図 2 液中レーザーアブレーション実験配置

Mg に帰属されるピークが観測されている。ピーク強度
３．結果と考察自体は各種の存在比を示すものではないため、残留した

3.1 液中レーザーアブレーションによる酸化マグネシかあるいは再酸化された MgO を含め、XRD 分析からこれらの生成比は明らかにはならないもののレーザー

ウムの反応
液中レーザーアブレーションによる生成物の典型的照射によりMgO の還元および水和が起こっていることな例として、図 3 左）に、水 5 ml 中に MgO を 1 g 加え

がわかる。
また、
Mgは通常水や酸素と反応してMg(OH)2た試料に高繰り返し Nd:YAG レーザー（0.3 W）を 10や MgO に変化するが、XRD パターンには Mg のピーク

分間照射した後、生成物を乾燥させたものの写真を示す。

が観測されている。おそらく還元された Mg 粒子はその

MgO は可視領域に吸収帯を持たないため、その粉体は表面のみが水和（酸化）され膜を形成し、粒子内部は金白色に見える（図.3 右）が、レーザー照射後は灰色に

属 Mg として保持されていると考えられる。

変化し、さらに粒子の微細化も進んでいることがわかった。この結果は、レーザー照射による MgO 粉体の還元・微細化により金属マグネシウム（Mg）が生成することを示すものと思われるが、MgO は高温水中（>50℃）で水和反応を引き起こすことから、この反応により水酸化
マグネシウム（Mg(OH)2）が生成する可能性もある 3)。
一方、低繰り返し Nd:YAG レーザーによる照射実験（20

図 3 水中での右）レーザー照射前、左）レーザー照射分照射）では、全入射エネルギー（3.6 kJ）、ピーク強度後（300 mW, 20 min.）の MgO 粉体（乾燥後）（1×109 J/cm2・pulse）は高繰り返しレーザーによる実験
時（全入射エネルギー180J、ピーク強度〜3×107 J/cm2・
pulse）よりも大きいため試料の変化はより顕著にみられると予想されたが、実際には実験後の試料の色彩などの変化はあまりみられなかった。この結果は有機溶媒（アセトン）を用いた場合にも同様であった。フェムト秒レ
ーザーを用いた実験（全入射エネルギー2.4 kJ、ピーク
強度 5×108 J/cm2・pulse）についても、結果は低繰り返しレーザーによる実験時と同様であった。この要因は現在
明確ではないが、3 種のレーザーの照射条件では発振周

図 4 低繰り返しレーザー照射（20 分）後の試料の XRD

波数が大きく異なっていることから、低繰り返しレーザ─ 51 ─

パターンと各回折ピークの帰属

3.2 水素生成実験
レーザー照射後の MgO の Mg への還元率についての知見を得るため、3 種のレーザー照射後の試料を用いて水素発生実験を行った。実験には自作した小型水素発生器 1,2)を用い、レーザー照射後乾燥した試料と水を直接反応させ、発生した気体（水素）量を測定した。水は気体の発生量が一定になるまで少量ずつ加えた。試料の重量は、高繰り返しNd:YAGレーザー照射後の試料40 mg、
低繰り返し Nd:YAG レーザー照射後の試料 40 mg、フェ

図5 高繰り返しNd:YAGレーザー照射後（40 mg、□）、

ムト秒レーザー照射後の試料 30 mg である。結果を図 5

低繰り返しレーザー照射後（40 mg、◯）、フェムに示す。高繰り返し Nd:YAG レーザー照射後の試料でト秒レーザー照射後（30 mg、△）の各 MgO 試料

では、水素発生量の予測値（試料が全て還元金属であるでの水注入量に対する発生気体（水素）量と仮定し、それが全て水と反応した場合に発生する水素量）4）の 98%にあたる 36ml の気体が生成した。一方、結合に金属を組み込み、安定した分散特性を得るためで

低繰り返し Nd:YAG レーザー照射試料の場合には予測ある。XRD 分析の結果、作成した電極の組成はほぼ Ag、

値の 73%（27ml）、フェムト秒レーザー照射後の試料でMg のみであり、Mg(OH)2 は殆ど存在しないことがわか

は予測値の 87%(26 ml) であり、上記したように高繰りった。Mg(OH)2 は空気中で加熱すると脱水して MgO と返しNd:YAGレーザーがMgへの還元率が最も高いといなるため、焼成時にまず還元 Mg 粒子表層の Mg(OH)2

う結果を得た。また、気体発生量は低繰り返し Nd:YAGが MgO となり、その後 MgO が還元（脱酸素）されるレーザーが最も小さいことから、MgO の Mg への還元ものと考えられるが、Ag ペースト内には有機化合物（ア

率は発振周波数に依存しているように思われる。この要ミン）が含まれていることから、おそらく焼成時にアミ因を明確にするためには、MgO 還元効率のレーザー発

ン中の炭素が MgO から酸素を引き抜き、二酸化炭素

振周波数への依存性についてさらに詳細に検討するこ（CO2）となり大気中に放出されるものと考えられる。

と、また多段階反応を含む MgO の反応経路を特定する

電池の電解液には飽和食塩水を用い、酸素を供給する正ことが重要であり、今後の課題である。

極には多孔質炭素電極を使用した（図 1）。正極側および負極側の化学反応を下式に示す。空気中の酸素は正極側で水と反応して水酸化イオン（OH— ）となり、水酸化

3.3 レーザー還元 Mg の空気電池への応用
レーザー照射により還元した Mg 試料の空気電池への応用について検討するため、実際に空気電池用の負極

イオンは負極側の Mg と反応して Mg(OH)2 を形成する
ことにより発電する。

電極を作成し、その電気的特性を調べた。レーザー還元
試料には、最も高い還元率が得られた高繰り返し

正極側： 1/2O2 + H2O + 2e—

Nd:YAG レーザー照射後の MgO 試料を用いた。負電極

負極側： Mg + 2OH—

→ 2OH—→ Mg(OH)2 + 2e—

は、レーザー照射後乾燥した試料 1 g と 10 mg の Ag ペースト（大研化学工業）を混合、焼成してペースト化し

図 7 に、作成した Mg 焼成板空気電池（図中 ■ ）と、た後金属板の上に塗布し、ホットプレートで加熱（260℃

比較のため作成した金属 Mg 板を負極に用いた空気電

5 分）することにより作成した（図 6）。Ag ペーストを池（図中 □ ）の I-V 特性の計測結果を併せて示す。出

混合する理由は、還元 Mg 粒子表面の酸素を外し、配位力電流は、金属 Mg 板電池では最大で 150 mA、Mg ペ─ 52 ─

2
Mg bulk
Mg pasteー
図 6 レーザー照射後の MgO 試料を用いて作成した空Voltage (V)Mg paste 10 min. after

1

気電池用電極0スト電池では 120 mA であった。また出力電圧は、Mg

050

Current (mA)

100

150

ペースト板の方が Mg 板に比べ 10~15%程度低くなって

図 7 マグネシウム空気電池の I-V 特性（ □：Mg 板、■：いる。これらの要因には、Mg 板と Mg ペースト板で実Mg ペースト焼成板（電解液注入直後）、■：Mg

効的な表面積が異なること、金属 Mg と焼成 Mg の構造

ペースト焼成板（電解液注入 10 分後））の違いなどが関与しているものと考えられる。また、実験値の傾きから得られた各電池の内部抵抗値はともにて高い機能性を示すことを明らかとした。しかしながら

約 3Ωであった。Mg ペースト電極の抵抗値を計測した

還元 Mg の生成過程については、レーザーパルスの発振

ところ 10-2 Ω レベルの低い値であったことから、電池の周波数との関連が見られたものの、詳細は明らかではな

内部抵抗はほぼ正極（炭素電極）の構造に依存したもの

い。この要因を明確にするため、今後 MgO 還元効率のであり、電流の取り出しに関して Mg ペースト電極に大レーザー発振周波数への依存性に関する検討や、多段階きな問題はないことを示している。しかし一方で、Mg反応を含むMgO の反応過程の特定に向けた研究を行う

ペースト電池では、I-V 測定を行った電解液注入直後か予定である。また空気電池への応用に関しては今後、顕ら時間が経過すると計測値が変化するという現象が見微観測等を含め電極の微細構造に関してさらに詳細なられた。図中■は電解液注入後 10 分経過した時点での分析を行うことを予定している。

測定値であるが、注入直後に比べて電圧値が若干上昇し、Mg 板電池の I-V 特性により近い挙動を示しているよう謝辞にみえる。Mg ペースト板の構造は Mg 粒子が焼成され本研究の遂行にあたり、平成 26 年度大阪大学レーザたものであり、バルク金属とは異なりある程度ポーラス

ーエネルギー学研究センター共同利用・共同研究（自由（多孔性）構造を保持すると考えられることから、電解研究課題型 B2-13）の支援を得た。

液が電極内に浸透し電池が安定な状態を形成するまで時間を要するものと予測される。今後は電子顕微鏡によ参考文献

る観測等、電極構造のより詳細な分析が必要である。

1)

T. Saiki, S. Taniguchi at al.: ISRN Renewable Energy, 2013,827681, 2013.

2)

谷口誠治: 月刊光アライアンス, 8 月号, 20-23, 2013.

本研究では、液中レーザーアブレーションにより酸化3)

大平勇一他: 化学工学論文集，35, 543–547, 2009.

マグネシウム（MgO）の還元・ナノ粒子化実験を行い、

4)

谷口誠治, 岡田竹弘, 佐伯 拓: ILT2012 年報, レーザー技

４．まとめ

生成物が水素発生源、および空気電池の負極活物質とし─ 53 ─

術総合研究所, 2012.

極端紫外(EUV)光源開発研究
理論・シミュレーションチーム
砂原 淳、竹内 靖、西原功修 1
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センターに増大し、徐々に量産光源としての目標である EUV 出

１．はじめに波長13.5 nmの極端紫外線(Extreme Ultra-Violet : EUV)

力 250 W に近づきつつある。

が半導体リソグラフーにおける次世代光源として期待

レーザー技術総合研究所では H15-19 年度に阪大レーされている 1)。現在量産されている回路線幅 22 nm(ハーザー研を中心として実施された文部科学省リーディンフピッチ)の半導体は ArF レーザー（192 nm）を光源とグプロジェクトにおいて、レーザー生成スズプラズマかして用い、液浸技術により屈折率を大きくする露光方式

らの EUV 発光効率 3%の実証、炭酸ガスレーザーの優を用いたリソグラフィーで製造されている。

位性の発見、スズドロップレットに対してダブルパルス

しかし、
この方法で今後計画されている 10 nm 以下の照射を行うことによる EUV 変換効率 4%の実証など、

回路線幅の半導体リソグラフィーに対応するのは技術

レーザー生成スズプラズマからのEUV 発光の高効率化的に容易でない。技術的には、現在使用されている ArFの指針を世界に先駆けて見いだし、EUV 発光の物理機

レーザーを使用し、ダブルパターニング等、多数の工程

構解明と高効率、高出力化に向けたプラズマ条件最適化

を経る多重露光技術や液浸技術を用いることにより 10において実績を挙げて来た。

nm 以下の半導体リソグラフィーが可能であるとの見積

現在、世界の EUV 光源研究は炭酸ガスレーザーを用りはある。しかしこの場合は露光工程の増大による半導い、スズドロップレットにダブルパルス照射を行う方式

体製造コストの増大が避けられない。

を中心に研究が進められている（図 1）。この方式は直また半導体リソグラフィーに代わる技術としてイン

径数10 μmのスズドロップレットにまずプレパルスレ

プリントや自己組織化等の研究開発も進んできているーザーを照射し、適切な大きさに膨張させる。続いてメが、10 nm 以下の半導体製造にそれらの技術を適用する

インパルスである炭酸ガスレーザーを膨張させたスズことに関してはまだ技術的解決課題が多い。そのため半プリプラズマに照射し、EUV 光を発生させる、二段階導体製造コストの増大を抑制しつつ 10 nm 以下の半導のレーザー照射を行うものである。 この方式で重要な体製造を可能にする技術として、EUV 光源を用いた半のは、プレパルスレーザーを照射されたスズドロップレ

導体リソグラフィーが目下のところ最も有力な次世代半導体製造の方法と見なされている。
一方で、EUV 光源にも解決すべき課題として、光源出力が足りないという問題がある。高いスループットで半導体製造を可能にするためにはEUV 出力250 W が必要とされているが、10 年以上にわたる研究開発にもかかわらず EUV 光源出力がなかなか増大せず、EUV 光源による次世代半導体リソグラフィーは一時実現が危ぶまれていた。しかしながら、世界の二大 EUV 光源メーカーであるオランダ ASML の傘下にある米国 CYMER
社、及び日本の（株）ギガフォトンにより精力的な研究

図1 ダブルパルス照射方式によるレーザープラズマEUV開発が進められ、この数年間で EUV 光源出力は飛躍的─ 54 ─

光源の概念

ットの加熱・膨張などの時間的空間的挙動、プラズマ生

度は右向きを正にとる。

成過程の解明、制御と、その後の炭酸ガスレーザー照射

図 3(a)は時刻 9 ns の密度、速度の分布である。この時による EUV 発光の高効率化である。我々は（株）ギガ

刻はプレパルスレーザーを照射中であり、アブレーショ

フォトンや大阪大学と協力してひき続き EUV 光源開発

ン圧力により駆動された衝撃波がスズを圧縮しながら研究を行っており、研究目標として（１）スズドロップ

伝播しているところである。流体速度分布は衝撃波の波

レットの挙動を流体シミュレーションにより探求する面が大きく、そこから右側のレーザー照射面に向かってこと、（２）計算されたスズプラズマの密度温度分布に減速している。これはアブレーション圧力により左に加対して炭酸ガスレーザーを照射した計算を行い、EUV

速しようとする衝撃波に伴う動きと希薄波によりアブ発光に至までの一連の計算手法を確立することを目指

レーション面から右側に加速しようとする２種類の運している 2)。特に（１）のスズドロップレットの挙動と動が同時進行するからである。

プラズマ生成過程は未だよく判っていないことが多い。

図 3(b)は時刻 15 ns の密度、速度の分布を示す。このまた、物理的、数値計算的な困難さがあり、現在に至る

時刻でプレパルスレーザーは照射終了する。図よりスズまで定性的な計算しかなされていなかったのが実情でターゲット左面から衝撃波が通り抜け、ターゲット本体ある。

と分離しながらターゲット左側（裏面）を加速している

我々はドロップレットの挙動を解明するべく放射流ことがわかる。また、この分離飛翔部分はターゲット本

体コードを開発し, ドロップレットにプレパルスレー

体左端より速く、ターゲットが２つに分れて行くことをザーが照射される際の流体の挙動を解析した。また、別示唆している。

途共同研究をおこなっているギガフォトンにより、スズ

図3(c)には時刻50 nsにおける密度、速度分布を示す。

ドロップレットをプラズマ化する際の条件次第で、5%

この時刻になると、スズターゲット本体と先行飛翔部分を程度の EUV 発光効率が得られることが実証されるとが完全に分れており、密度分布が２つの山を持ち、その共に、プラズマの計測精度が向上し、物理の理解と定量間の谷の部分の密度が非常に低くなっている。これは分評価手法の確立が一層求められるようになっている。

裂 (spallation)の結果として、谷の部分に低密度の空隙が我々は状態方程式など、高い精度を追求した放射流体コ出来たことを示している。本計算は一次元計算であり、ードを用いてドロップレットの膨脹を詳細に計算し、ド2 つの山と谷の構造をスズターゲット本体と先行飛翔

ロップレットの挙動とプラズマ化過程を現実の実験パ

部分の分裂と解釈出来るが、昨年度報告した二次元計算

ラメータ領域で調べた。本研究の進展により、レーザーにおけるプリパルスレーザー照射されたスズドロップ

生成 EUV 光源の物理の理解を通じたプラズマ条件最適

レットの中空構造形成も本質的に全く同じ現象である化が格段に進歩すると期待される。

と言える。
図3(d)には時刻100ns における密度、速度分布を示す。
興味深いことに、図 3(b)及び(c)で見られた２つの山と谷

２．気液混合状態のスズの挙動
プレパルスレーザー照射されたスズの挙動を詳細にの構造は消え、単一の密度ピークを持つ分布に変化して解析するため、図 2 のように、スズ平板にプレパルスレ

いる。これはスズターゲット本体が加速され、先行飛翔

ーザーを照射し、その後の時間発展を一次元放射流体シ部分に追いついた結果、一つのピークを持つ密度分布へ

ミュレーションで調べた。このときの時間発展を図 3(a)と変化したためである。密度構造の谷に相当する部分は〜図 3(d)に示す。横軸は位置であり、スズターゲット初

低密度の空隙であったが、完全に消えている。この図

期表面は 20 μm の位置にある。この表面に向かって右3(d)における密度構造の変化はスズの状態方程式におからレーザーが入射する。また、スズターゲットの初期

ける気体と液体の混合相の性質で説明出来る。プリパルの裏面の位置を 0 μm にとっている。衝撃波が通り抜

スレーザーを照射されたスズが気体と液体の混合状態

けるとターゲットは左へ運動を始める。図 3 における速に入ることは昨年の年報で報告した。この気体と液体の─ 55 ─

混合相では音速が小さい。このことは言い換えると圧縮に追いつくことはない。これはプレパルスレーザーがピ率が高いということであり、圧縮率が高いと僅かな圧力

コ秒になったため、レーザーアブレーション圧力がレー増加で大きな密度変化を生じる。図３(d)で示された空ザー終了後、速やかになくなり、スズターゲット本体の隙構造の消滅も、気体と液体の混合相における圧縮率の加速がほとんどないためである。図 5(a)と(b)を比較する

高さに起因する。即ち、低密度空隙構造は圧縮を受けると、レーザー照射されたスズターゲット本体は 1000 nsと高い圧縮性が消えるまで圧縮され続け、気体と液体のの間、ほとんど位置を変えていないことがわかる。その混合相と液相との境界に達して圧縮が止まる。このため、

結果、先行飛翔部分はスズターゲット本体に追いつかれ空隙の低密度状態は液体状態の密度まで圧縮される。先ることはなく、先行飛翔部分とスズターゲット本体との行飛翔部分の分裂と、気体と液体の混合相が高い圧縮率

間の低密度空隙部分も時間的に維持される。これはピコを持つが故の再圧縮過程による密度回復、合体現象はこ

秒プレパルスレーザーを照射されたスズドロップレッ

こで示したスズ以外にも気体と液体混合層をもつ物質

トにおける中空構造形成と同様の現象であると言える。

の挙動に共通する現象だと考えられる。

ピコ秒プレパルスレーザー照射の場合にはナノ秒プレ

次に図 4 に本計算の時刻—位置ダイアグラムを示す。
この図では全てのラグランジアン流体要素の時々刻々

パルスレーザー照射と異なり、空隙構造が時間的に発展することがわかる。

の位置を一本の線で示すことで、流体要素の時間的な挙動を理解することが可能である。図 4 ではレーザーが上から入射してスズターゲットに照射され、衝撃波がターゲット裏面を抜け、先行飛翔部分が V1 の速度で先行することがわかる。この時速度は絶対値で V1 = 8.5×104
cm/s であり、ターゲット裏面の速度 V2 = 6.4×104 cm/s
よりも速い速度で飛翔する。しかし、十分に時間が経った後、スズターゲット本体は V3 の速度まで加速される。
この V3 の速度は V1 の速度よりも速い 1×105 cm/s であり、時刻 100 ns においてスズターゲット本体は先行飛
翔部分に追いついている。本計算ではナノ秒のプレパル
スレーザーを照射しているため、レーザー照射面においてアブレーション圧力が数 10 ns に渡って残留し、その結果、スズターゲット本体が V3 の速度に加速されたと解釈出来る。
次にレーザー照射条件を変更し、ナノ秒レーザーから
ピコ秒レーザーにした場合の計算を示す。図 5(a)及び(b)に、ピコ秒のプレパルスレーザーを照射したスズの密度、速度の時間発展を示す。ターゲット形状等は図 2 と同様である。図 5(a)は時刻 100 ns に相当し、図 4 のナノ秒プ
レパルスレーザー照射時と同様に、スズターゲット裏面

図5 ピコ秒プレパルス照射時のスズターゲット（左端）からレーザーアブレーション圧力で駆動されたの密度、速度分布の時間発展. (a)時刻100 ns,

衝撃波が通り抜け、先行飛翔部分がスズターゲット本体(b)時刻 1000 ns.

から分離していることがわかる。しかし図 5(b)の時刻
1000 ns になってもスズターゲット本体が先行飛翔部分
─ 56 ─

を中心に、次世代半導体リソグラフィーに必須である高３．まとめ
ナノ秒プレパパルスレーザーとピコ秒プレパルスレ
ーザーをそれぞれ照射されたスズドロップレットの挙効率・高出力光源の開発に向けてシミュレーション研究を進める予定である。

動を一次元計算で比較し、両者の違いがスズターゲット
本体と先行飛翔部分の速度差にあることを示した。また、

参考文献

空隙形成、一体化による空隙の消滅に気体と液体の混合

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

状態の性質である高圧縮性が効いていることを示した。
ここで示したように、レーザー照射されたスズドロップ

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

レットの挙動は極端紫外光源開発において重要である

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

ばかりでなく、より一般的な物理的、工学的見地からもY. Izawa, N. Miyanaga, and K. Mima: J. Plasma Fusion Res., 83,

興味あると言える。今後、ドロップレットの挙動、及び920-926, 2007.

生成するプリプラズマへの炭酸ガスレーザー照射計算

─ 57 ─

高速点火における爆縮プラズマ加熱方式の新提案
理論・シミュレーションチーム
砂原淳
２．新方式の提案

１．はじめに大阪大学では高速点火実験（FIREX 実験）を推進し新方式の重要な要素は２つあり、一つは直接内面照射ており、あらかじめ爆縮した高密度プラズマを核融合点による加熱効率の増大である。従来の高速点火では爆縮

火温度である 5 keV に加熱することを目指して研究をコアの外部から高速電子によるプラズマ加熱をしてい

展開している。目下の課題は加熱効率、即ち、「高密度たため、幾何的ファクターによる効率の低下が生じてし爆縮コアに付与された外部からの加熱エネルギー」/

まうが、新方式では次節で詳述するように爆縮コアの内「加熱用レーザーエネルギー」を向上させることで、よ

面照射、もしくはコアに極近い場所から爆縮コアプラズ

り少ない加熱レーザーエネルギーでより高いプラズマ

マ加熱を加熱する。これにより幾何的ファクターを最大温度達成が求められている。この加熱効率は FIREX 実

化でし、加熱効率を飛躍的に増大出来る可能性がある。

験のみならず、将来の核融合点火設計においても重要な

もう一つの重要な要素は高速電子の運動エネルギーの意味を持つ。高速点火方式が中心点火方式など他の点火抑制である。加熱用の高強度レーザー照射時に発生する方式と比べて優位であるためには、中心点火方式におけ

高速電子の運動エネルギーを抑制し、飛程の短い高速電る流体力学的効率の理論限界である 10%以上の加熱効

子を多く発生させ、より多くの高速電子のエネルギーを率を実現しなくてはいけない。ここでは加熱効率を向上

爆縮コアプラズマに付与することを目指す。直接加熱及させる新提案について、その概要を紹介する。

び発生する高速電子のエネルギー抑制の両方を達成するために図１に示す新方式を提案する。

(a)

(b)
planning(a)(c)
Reported at 2013APS(b)This time

(c)

High
dense
core

heating of inner surface

implosionstart

No implosion

Heating
図1

plasma expansion&
direct heating

Time

Max.
compression

HeatingTime

direct core heating

implosion
start

Max.
compression
Time
Heating

加熱効率を向上させる新方式の概念。爆縮タイミングと加熱用レーザーの照射タイミングを変化させる

─ 58 ─

４．比較的低エネルギーの高速電子の利用

３．直接加熱図１では(a)〜(c)の３つの方式が示されているが、爆次に重要なもう一つの要素として、高速電子の運動エ縮に対して加熱用レーザーの照射タイミングを(a)爆縮ネルギー抑制を考える。発生する高速電子の運動エネル

途上、(b)圧縮前、(c)最大圧縮時と変化させている。こギーはレーザー強度の 1 乗から 1/3 乗に比例するため、の３つの方式は、いずれもコーンターゲットの先端部がレーザー強度が低下すれば高速電子の運動エネルギー

閉じておらず、従来の高速点火方式とは異なり、加熱用も低下すると考えられる。高速電子の運動エネルギーがレーザーは直接、核融合燃料を照射する。

小さいほど核融合燃料における飛程が短いため、効率的

現在 FIREX 実験で用いられる典型的なターゲットはなエネルギー付与による爆縮コア加熱が達成できる。こ

加熱用超高強度レーザーの通り道を真空に保つため、プのため、本方式では従来の高速点火で考えられてきた

ラズマよけであるコーンターゲットを核融合燃料球に

1019 ~ 1022 W/cm2 よりも数桁小さい 1017〜1020 W/cm2 を取り付けた形となっている。最初に爆縮レーザーにより想定する。従来の高速点火方式では加熱レーザーを低強

燃料球を圧縮した後、超高強度レーザーをコーンターゲ

度化するとレーザー吸収率も低下してしまうという難ット内部先端部に集光し、高速電子を発生させ、コーン点があったが、本方式では図１(a)及び図 1(b)に示すようターゲットの壁を透過する高速電子により爆縮プラズに、加熱レーザーは爆縮途上の燃料球内で多数回の反射

マコアを加熱する。コーンターゲット壁を透過した高速が可能である。一回の照射でレーザー吸収率が低くても、電子のみが加熱に寄与できるため、比較的低エネルギー

多数回反射し、燃料球内壁に照射されることにより、全の高速電子は加熱に寄与出来ない。そこで加熱レーザー体で高い吸収率を得ることが可能になる。また、燃料球をコーン内壁でなく、核融合燃料に直接照射することで内部をレーザーが多数回反射することにより、実効的な幾何学的ファクター増大に加え、比較的低エネルギーのレーザー照射面積の増大、レーザー照射強度の低下を期

高速電子の加熱寄与により、加熱効率を飛躍的に増大さ待できる。
現状の激光 XII 号レーザーによる爆縮を考えると面せる。
図 1(a)-(c)のうち、最終的なゴールとしては高密度か

密度が 0.2 g/cm2 程度に限られているが、将来的には核つ高温スパーク生成を達成可能な図 1(b)の方式が望ま

融合点火級のより面密度が大きい爆縮を想定すれば、主しいと考えられる。

燃料を含む全体の面密度は 3 g/cm2 を超え得る。爆縮減

図 1(b)の点火シナリオを詳しく述べる。まず爆縮コア

速相開始直前の燃料の面密度をこれより小さな 0.5の減速相開始直前に加熱用レーザーをコア内部に照射

g/cm2 と仮定すると、これは 1 MeV の高速電子の飛程にする。発生する高速電子により爆縮途上のシェルは先行相当する量になる。即ち、1 MeV の高速電子を発生させ加熱される。先行加熱によりシェルの圧力が上がり、シることができれば、飛程 0.5 g/cm2 の燃料部に、加熱用

ェル内部には内側と外側の両方向に向かって衝撃波が超高強度レーザーで発生した全ての高速電子を衝突さ発生する。内側に向かう向心衝撃波はターゲット中心部

せ、そのエネルギーを燃料の内部エネルギーにすることで衝突し、ホットスパークが形成される。本方式では加が可能になる。燃料球内面の加熱の一様性が問題となる

熱用レーザーを直接爆縮コアの内部に入れるため、散乱恐れがあるが、片側１ビームで照射したとしても発生す

光を無視出来るとすれば、発生する高速電子のエネルギ

る高速電子は４π 方向に広がるため、比較的均一に燃料

ーのほとんどをシェルの先行加熱に費やすことができ、内面を加熱出来る。

加熱効率を飛躍的に大きくすることが可能である。

─ 59 ─

後、100 ps 経過後(図 3(b))の分布を見ても、中心部の高５．プラズマの挙動計算
本方式は、点火部だけを見ると従来の高速点火方式よ

温は持続している。

りも中心点火方式に近く、高温で比較的低密度のホット

（ａ）
(
a
)

スパークを高密度で比較的低温の主燃料部が取り囲む
比較的均一な圧力分布を持つ点火スパーク形成になる。

Ti

爆縮途上の燃料シェルを一様温度に加熱すると、密度分
布はそのまま圧力分布となる。圧力勾配により衝撃波が形成され、この衝撃波がターゲット中心部で衝突すると、中心点火方式と同様に高温部（スパーク）を形成可能でρある。この衝撃波の速度は圧縮性流体のリーマン保存量の理論から簡単に見積もることが出来る。リーマン不変Te

量理論に従うと、衝撃波の速度は初期音速の３倍である。
例えば、シェルを初期に 500eV に加熱したとすれば、

（ｂ）
(
b
)

発生する衝撃波の速度は音速の 3 倍の 6×10 cm/s とな
7ρ

る。この衝撃波速度は、真空への噴き出しを考えると、希薄波の波頭の速度と言い換えるべきものである。また、
図 2 に数値シミュレーションを示す。リーマン不変量のTi

理論どおり、音速の 3 倍の速度で衝撃波が形成されている。この高速流体はターゲット中心部で衝突すると、流体の運動エネルギーが内部エネルギーに転換され、高温Te

スパークを形成する。流体の速度が 6×106 cm/s であると仮定して、この運動エネルギーが全て内部エネルギーに変換されると 20 keV の温度が達成されるが、数値シ

図 3 数値シミュレーションによる高温形成部の密ミュレーションでは図 3 に示すように、中心部で衝突後度、温度分布. (a) 時刻 400 ps, (b)時刻 500 ps.

(図 3(a))、温度は 10 keV 以上になっている。また、衝突
６．実験検証本スキームの有効性を実証するために、大阪大学レー
ザーエネルギー学研究センターの GXII レーザーの 100
ps モード照射により、本加熱スキームの模擬実験を実施した。従来より GXII レーザーを用いた爆縮で標準的に用いられて来た 500 μmΦ、7 μm 厚さの CD シェル
を内面から加熱し、ホットスパーク形成を試みた。
現在、実験結果の解析を進めているところであるが、高温スパ
図 2 直径 500 μm の CD 燃料球を一様に 500 eV にーク形成が確認されつつある。

加熱した時のプラズマの挙動の時間—半径ダイアグラム.
─ 60 ─

熱実験を行い、現在解析を進めているところである。本

７．まとめ
高速点火実験（FIREX 実験）において、加熱効率、方式は従来の高速点火とは異なり、中心点火方式に近い

即ち、「高密度爆縮コアに付与された外部からの加熱エ点火を目指すものであり、有効性の確認とともに、核融ネルギー」/ 「加熱用レーザーエネルギー」の向上を達

合点火のデザインに向けた理論•シミュレーション解析

成可能な新しい加熱スキームを提案し、実験及び解析をを進める計画である。

行った。また、大阪大学激光 XII 号レーザーを用いて加─ 61 ─

レーザー核融合炉壁のアブレーション
理論・シミュレーションチーム
砂原

淳、高木一茂 1、山内智輝 1、籔内俊毅 1、田中和夫 11

大阪大学大学院工学研究科
源として用いて壁材料に熱負荷を与える。レーザーを用

１．はじめに核融合炉工学を目指した研究において第一壁の問題いることで、熱入力条件を比較的広い範囲で容易に変化

は、レーザー核融合、磁場閉じ込め型の方式を問わず重させられる、様々な物質をターゲットに用いることが容要な研究課題である。レーザー総研では大阪大学と共同易である、多数の実験データにより定量的な物理モデリ

で図 1 に示すように、ターゲットにレーザーを照射してングが可能である等、多くの利点がある。現在までに多プラズマプルームを発生させ、そのプルーム同士をチャ数の実験データが蓄積されて来ており、我々は理論•シンバー中心付近で衝突させることにより、実際の核融合

ミュレーション手法を用いてこれらのレーザー生成プ

炉壁からのプラズマ発生とダイナミクスを現在の実験

ルームの発生、膨張、衝突のダイナミクス、壁（材料）

室レベルで模擬する実験を行っている。実際の炉壁は Xのアブレーションを定量的に理解し、実際の核融合炉壁

線やアルファ粒子、プラズマデブリなどによる熱インパの熱応答問題に対する知見を得ることを目指して、シミルスを受けるが、本実験では代わりにレーザーを模擬熱ュレーションコードの開発と実験解析を行っている。
平成 26 年度にはレーザー核融合炉炉心プラズマから発生するアルファ粒子による核融合炉壁の加熱及びア
ブレーションを計算し、壁表面が加熱され、噴き出した
後、プラズマガスカーテンとして機能させることで、壁への熱負荷を抑制できることなどを見いだし、このプラ
ズマガスカーテンについて、入射するアルファ粒子のエ
ネルギーを変化させて熱応答の変化を調べた。

２．アルファ粒子による壁表面の加熱 1)
レーザー核融合では炉の中心部で核燃焼が生じ、そこから核反応生成物としてのアルファ粒子を中心として、様々な電離状態のイオンが核融合炉壁へ入射する。そして、それらは壁入射後、表面付近で減速され、壁に対してエネルギーを与える。その結果として、壁表面は加熱され、昇華温度を超えるとアブレーションする。実際の核融合炉設計においては、入射粒子の加熱に耐え得る核融合炉の第一壁材料の選択が重要である。核融合炉材料として近年注目されているのはタングステンと炭素で
図 1 レーザー生成アルミプラズマプルームの交差実験ある。ここでは炭素の固定壁を想定して、アルファ粒子
入射時のアブレーションの解析結果についてまとめる。

─ 62 ─

核融合炉は 4 m の半径を想定し、典型的なアルファ粒子

３．まとめの入射強度を 1.6 × 109 W/cm2 とした。計算は 1 次元ラグ

炭素核融合炉壁へのアルファ粒子照射によるプルー

ランジアン流体スキームをベースにしており、入射したム生成を一次元流体—粒子ハイブリッドシミュレーショ

アルファ粒子の炭素による阻止能 2, 3)を毎時間ステップンで見積もった。レーザーアブレーションと異なり、入ごとに計算し、減速に応じて運動エネルギーの減少分を射するアルファ粒子のエネルギーに応じて阻止能が変

炭素ターゲットに熱エネルギーとして付与する。アルフ化するため、粒子エネルギー密度一定下では、高エネル

ァ粒子のエネルギーは実際の核燃焼プラズマに近い状

ギーになるほど壁の奥まで粒子が入射し、結果として発態を模擬するため 1 MeV とした。図 2 に 6 ns までの時
間発展を 2 ns ごとに示す。横軸は壁の深さであり、正の領域が壁であり、負の領域は真空である。アルファ粒
子は左から壁に入射する。 加熱されたカーボン壁表面
はアブレーションにより固体密度よりも 3 桁程度低い
気体となってカーボン壁から噴き出す。図 2（c）のアルファ粒子入射開始後 6 ns の密度分布を見ると、炭素はごく表面のみがアブレーションされており、噴き出していない部分は固体密度を保持している。また、噴き出した炭素は真空側に向かって温度が増加していることがわかる。入射するアルファ粒子のエネルギーを 100
keV にした場合には図 2 に示した場合に比べ、より表面でアルファ粒子が運動エネルギーを壁に与えるため、ピークで 2.5 eV に匹敵する、より高温で速度の大きなプルームが形成される。これに対し、図 2 に示した入射ア
ルファエネルギーの場合では噴き出しプルームの温度
は 0.5eV 程度であり、入射アルファ粒子のエネルギー増
加に伴い減速距離が長くなり、より低温のプラズマが生成されたと解釈出来る。また、噴き出し距離に関して比較すると、入射アルファ粒子が 100 keV の場合では時刻
6ns で壁表面から 80 μm の距離まで膨張するのに対し、
1 MeV の場合では 20 μm しか膨張していない。これは噴き出しプラズマの音速の差に加えて、温度上昇により融点を超え、アブレーションが開始されるまでの時刻に差があることがこの膨張距離の違いに影響している。ア

図2 アルファ粒子入射によるカーボン壁のアブレーシ

ブレーションしきい値についてもアルファ粒子の入射ョンの計算結果。(a)アルファ粒子入射開始後 2 ns,

エネルギー密度一定の環境下では入射粒子エネルギー(b)アルファ粒子入射開始後 4 ns, (c)アルファ粒子が高くなるとしきい値も高くなっており、入射粒子の高入射開始後 6 ns のそれぞれ密度、温度分布。密度エネルギー化によって壁の熱応答が大きく影響を受けはカーボンの固体密度で規格化されている。

ることが本数値計算から見いだされた。
─ 63 ─

生するプルームの温度は低温化することが100 keV と1

参考文献

MeV の入射エネルギーの計算比較から明らかになった。

1) K. Takaki, K. Kageyama, A. Sunahara, T. Yabuuchi, and今後、炭素の状態方程式や輻射等、さらにモデルを高精K. A. Tanaka: Journal of nuclear materials, 459, 77-80,

度にして行く予定である。レーザーアブレーションと高2015.

エネルギーイオンによるアブレーションの違い等、アブ

2) J. F. Ziegler, J. P. Biersack, M. D. Ziegler: SRIM-The

レーション物理の観点からも詳細な物理機構を探求す

Stopping and Range of Ions in Matter (SRIM Co., 2008).

ることで、よりよいレーザー核融合炉のデザインが可能

3) J. F. Ziegler: Helium: stopping powers and ranges in allelemental matter (Pergamon Press, New York, 1977).

になると考えている。

─ 64 ─

金属原子-レーザー加熱自由電子の熱平衡を実現する
分子シミュレーション手法の開発
理論・シミュレーションチーム
竹内 靖
る。分子動力学(MD)法やモンテカルロ(MC)法に代表さ

１. はじめに本研究の目的は、レーザー加熱下の金属の物性を原子れる分子シミュレーションは、構成原子多体系の振舞い

スケールのシミュレーションから求めることにある。本を数値的にシミュレーションすることにより、物性の統研究で開発するシミュレーション手法は、金属原子と、計力学計算を可能とする 3-6)。分子シミュレーションに

レーザー加熱された自由電子の熱平衡を実現し、レーザよる物性計算の実現可能性に沿い、本研究は、連続体(輻ー加熱下の金属の物性計算を可能とするものである 1,2)。

射流体)シミュレーションにて不正確な Sn の物性値を、

本稿では、シミュレーションの理論的な形式化と手法、

分子シミュレーションから求めることを目的とする。た

予備研究の結果を報告する。まず本節にて、研究の背景

だし、従来の分子シミュレーションは、電子を陽に扱わを述べる。

ず、したがって、原子と、レーザー加熱された電子の熱

近年、半導体集積回路の高密度化は著しく、ナノスケ平衡を実現しない。そこで、竹内はまず、金属原子と自ール集積回路の素子へのインプリンティング技術とし由電子の熱平衡を実現する分子シミュレーション手法て、ナノメートル波長光、即ち極端紫外(EUV)光によるとして、二温度ランジュバン動力学(2T-LD)法7)の開発を

ナノリソグラフィーの技術開発が進められている。ナノ進めている。

リソグラフィーEUV 光源の有力候補の筆頭はスズ(Sn)続く第 2 節にて、金属の 2T-LD シミュレーションとプラズマであり、プラズマ生成時の EUV 放射の効率化

その結果を報告する。まず、分子シミュレーション、特は、EUV ナノリソグラフィーの実用化へ向けた重要課に MD シミュレーションの概要を説明し、続いて、題である。

2T-LD 法を MD 法の拡張として導入する。報告するシ

竹内は、平成 26 年 6 月末の着任以来、砂原研究員(理ミュレーションとその結果は、予備研究によるものであ論・シミュレーションチーム)と共に、レーザーアブレ

り、簡単化のためスズ(Sn)ではなく銅(Cu)をシミュレーーションによる Sn プラズマの生成を輻射流体計算によションしている。最後に第 3 節にて、スズのレーザーア

りシミュレーションし、EUV 放射の効率化条件を探求

ブレーションプラズマへの応用を含む、今後の展望を述している。我々の輻射流体シミュレーションは、効率化

べる。輻射流体シミュレーションについては、本年報の条件(例えば、入射レーザーの最適なスポット径や強度砂原の報告を参照して頂きたい。

など)を、少なくとも定性的に、提示する段階に至った。
しかし、レーザー加熱下の Sn の相状態や状態方程式、

２. 二温度ランジュバン動力学シミュレーション

輸送係数など、入力情報として輻射流体シミュレーショ

2.1 分子動力学シミュレーションによる物性計算
MD シミュレーションは、物質を構成原子の多体系とンに与える物性値に不確実性が残り、故に、シミュレー
ション結果は定量的な不確実性を伴う。

みなし、その運動方程式

一般に、相状態や状態方程式、輸送係数など、物質の巨視的な、連続体としての性質は、微視的な、構成原子の多体系としての振舞いから、統計力学に従い求められ─ 65 ─݉௜ௗ మ ௥೔ ሺ௧ሻௗ௧ మ ൌ ‫ܨ‬௜ ሺ‫ݐ‬ሻ

(1)

(mi は原子iの質量、ri (t)は原子iの時刻tにおける位置、しえない。

Fi (t)は時刻 t に原子 i へ作用する力)を時間 t に関し数値的に積分して、
構成原子i = 1, …, N の位置ri (t)、速度vi (t)金属原子-自由電子熱平衡を実現するために、MD 法
を 2T-LD 法へ拡張した 1,2);の時系列を生成する。そして、エルゴード性の仮定のもと、生成された時系列をアンサンブル(統計力学集団)と��� � �� ���

�� �
���

� � �� ��� � � �� �� ��� � � �� ���� � ����� ��� � � � ����� � � �� �

(3)
(4)

される。例えば、温度 T は、構成原子集団の運動エネル��

ギーのアンサンブル平均から定義される;

ここで、γi, Ri (t)は原子 i に作用する摩擦係数および搖動

して適用することにより、物質の巨視的な物理量が計算��力、Ce, ke は電子比熱および電子熱伝導度、Te, Ta は電子
�

�

�
〈∑�
��� �� �� ���〉 � � � ��� �
�

�

(2)

温度および原子温度、g は電子-フォノン結合係数である。
2T-LD 法は、原子の運動方程式(1)をランジュバン方

ここで、〈… 〉はアンサンブル平均を表し、kB はボルツマ

程式(3)へ変更し、かつ、電子を連続体として扱い、そン定数である。MD シミュレーションは、長時間平均にのエネルギー輸送を熱伝導方程式(4)で記述する。ランよりアンサンブル平均を計算し、式(2)から温度 T を求

ジュバン方程式の統計力学的導出 5,8)によれば、搖動-散める。

逸定理に従い、Ri (t)はガウス雑音であり、その分散は系

構成原子多体系の原子間相互作用から Fi (t)を求めれの温度に比例するが、2T-LD 法は、Ri (t)の分散を電子温ば、式(1)の数値積分は可能となる。故に、原子間相互度Te に比例させて、
原子温度Ta をTe に結合する。
他方、作用の計算精度/確度に、MD シミュレーションと物性

Te は、電子-フォノン結合(式(4)の右辺第二項)を通じ、計算の精度/確度は強く依存する。MD シミュレーショ

Ta に結合する。また、式(3)右辺第二項の原子摩擦によンは、こうして、物質の巨視的性質を、構成原子の微視るエネルギー散逸は、式(4)右辺第二項の電子-フォノン

的性質から与える。したがって、高温/高圧状態など、結合によるエネルギー散逸と釣合い、したがって、パラ

実験測定の困難な条件下の物性を、MD シミュレーショ

メターγi, g は、エネルギー保存を通じ互いに関係付けらンにより、構成原子の情報のみから求めることができれる。以上の二温度 Te, Ta の結合により、2T-LD 法は、る 3,4)。

金属原子-自由電子熱平衡を実現する。
2T-LD 法は、当初、放射性損傷による加速原子の、自由電子による減速を記述するために提唱された 7)。原子2.2 二温度ランジュバン動力学法
MD シミュレーションは、構成原子の多体系として物運動の記述を、運動方程式からランジュバン方程式へ変質を記述するが、電子を陽に扱わない。仮に、電子の量更したことは、生成されるアンサンブルの性質に影響を子性を無視し、古典粒子として電子を扱っても、原子-与えるが、従来研究はこの点に留意していない。2T-LD

電子多体系を MD シミュレーションで扱うことは、非シミュレーションから生成されるアンサンブルの性質

常な困難を伴う。何故ならば、電子の質量は原子核の質については第 3.2 節にて言及する。

量に比して圧倒的に小さいので、電子の運動方程式を、原子の運動方程式と同等の時間スケールで数値積分す

2.3 シミュレーションと結果

ることは、事実上不可能である。故に、MD シミュレー

本研究では、まず予備的に、銅(Cu)の 2T-LD シミュ

ションは原子-電子多体系を扱えず、したがって、レーレーションを実行し、拡散係数など物性値を計算する。

ザー加熱下の金属のMD シミュレーションを試みても、

周期境界条件を課した三次元ボックスに 4,000 個の Cu

金属原子は、レーザー加熱された自由電子と熱平衡に達原子を収容し、そのランジュバン方程式を数値積分して、

─ 66 ─アンサンブルを生成する。数値積分は、パリネロらの提唱する時間積分法 9)に従い、離散時間の増分を Δt = 1 fs(= 10-15 s)とする。簡単化のため、原子間相互作用を簡便なモースポテンシャル 10)で記述する。また、自由電子の熱伝導方程式の数値積分にて、簡単化のため、パラメタ
ーCe, ke, g を温度に依存しない定数とし、その値を実験
測定値 11-13)から決定する;
Ce = 3  104 J m-3K-1,
ke = 400 W m-1K-1,
g = 1  1017 W m-3K-1.
まず、常温常圧状態(T = 300 K, P = 1 bar)の結晶 Cu を
シミュレーションするために、全原子の収容された三次元周期系をサイズ L ≈ 36 Å の立方体として、常温常圧結
晶Cuの密度ρ = 8960 kg m-3 を維持し、最大時間t = 100 ps(= 10-10 s = 100000  Δt)までランジュバン方程式および
熱伝導方程式の時間積分を実行する。時間積分の安定性
は、図 1 に示すとおり、系の温度変動が T ≈ 300 K の近傍に収まっていることから保証される(内部エネルギーの保存も系の安定性を示すが、その議論は本稿では省略

図 2 結晶 Cu(上)および液体 Cu(下)の動径分布函数

する)。
続いて、レーザー加熱による結晶 Cu の熔融をシミュ
レーションするために、上記のシミュレーション系のサ
イズ(密度)を維持したまま、系全体の自由電子温度を Te= 2000 K へ、80 ps の間、上昇させる。図 1 に示すとおり、加熱により、系全体の(Cu 原子)温度は T ≈ 1600 K へ
到達し、融点 Tm = 1356 K を超える(ただし、沸点 Tv= 2843 K を超えていない)。加熱終了の後、引続き 100 psの間、平衡状態を維持しつつ時間積分を実行する。
自由電子の加熱による Cu の熔融は、RDF ピーク幅の
図 1 常温常圧状態(青)およびレーザー加熱下(赤)の Cu

拡大、特に、高次ピークの不明瞭化により示される(図2)。
液体Cu の最近接配位数Nc ≈ 12 がRDF から得られ、の温度の時間変化

結晶と同じ短距離秩序を液体が有することを示す 14)。
結晶構造は動径分布函数(RDF)から同定される。図 2結晶および液体中の Cu 原子の位置、速度の時系列かに示すとおり、RDF の第一ピークおよび高次ピークは

ら、揺動-散逸定理に従い、Cu 原子の拡散係数が求めら明瞭であり、結晶状態を示す。また、RDF 第一ピーク

れる 5,6)。液体 Cu の拡散係数 D = 1.14  10-5 cm2s-1 は、液の空間積分から最近接配位数 Nc = 12 が得られ、面心立体中の原子の易動性を示す。対して、結晶格子中の原子方(FCC)最密充填構造を示す。

の移動は抑制され、拡散係数はD ~ 10-7 cm2s-1 と小さい。
─ 67 ─

ーEUV 光源の Sn プラズマは、10 μm (= 10-5 m)オーダー

これら計算値と実験測定値 13,14)の一致は良い。

のサイズの液滴から生成されるのに対し、原子のサイズ
３. 今後の展望は 1 Å (= 10-10 m)のオーダーである。したがって、液滴3.1 スズのレーザーアブレーションの分子シミュレー

中の Sn 原子数は 1015 個のオーダーであり、これほど多数の原子を分子シミュレーションで扱うことは、現在のションへ向けて
第 2 節に報告した予備研究を発展させて、スズ(Sn)の計算機の能力では不可能である。故に、現象の空間/時

レーザーアブレーションをシミュレーションするにあ間スケールに合せ、分子シミュレーションと連続体シミたり、改善を要する点を以下に論ずる。

ュレーションを相補的に用いることが必要である。

第一に重要な点は、Sn 原子間相互作用を高精度かつ高確度で与える相互作用ポテンシャルの選択である。し3.2. 自由電子の熱浴効果

かし、Sn 原子間相互作用ポテンシャルを与える従来研第 2 節にて述べたとおり、MD 法や 2T-LD 法など分究は乏しい。その主たる理由は、非金属と金属の中間に子シミュレーションの本来の目的は、原子運動の追跡よ

Sn が位置することにある。今後、従来研究 15)を参照す

りも、アンサンブルの生成と、アンサンブル平均によるると同時に、Sn 原子間相互作用ポテンシャルの開発も統計力学計算にある。
2T-LD シミュレーションの統計力検討する。

学的基礎として、自由電子系が金属原子系に対する熱浴

Sn 原子間相互作用ポテンシャルの決定に加え、自由として働くこと、および、熱浴の効果、即ち、金属原子

電子の熱伝導方程式パラメターCe, ke, g を温度依存パラ-自由電子熱平衡のアンサンブルに対する影響を、以下メターとして決定することも、シミュレーションをよりに論ずる。
一般に、ランジュバン方程式の記述する多原子系には、現実へ近付けるために必要である。
レーザーアブレーションをシミュレーションするた

原子摩擦および揺動力を通じ、温度を調節する熱浴が働めに、第 2 節のシミュレーション設定を変更する必要がく。したがって 2T-LD シミュレーションでは、自由電ある。第 2 節のシミュレーションは、構成原子を三次元子系が金属原子系に対する熱浴として働く。一定粒子数

周期系に収容することにより、物質表面の影響を排し、からなる系が、温度の指定された熱浴と接して熱平衡にバルク物質を扱っている。対して、バルク系を平面である状態は、カノニカルアンサンブル(正準集合)をなす。

”切断”し表面を構成すれば、物質表面から原子が蒸発でしかし、確率過程(揺動力)を伴うランジュバン動力学かきる。さらに、アブレーションを誘起するために、表面らカノニカルアンサンブルが生成されるか否かは、長年原子層もしくはより深部の金属原子周辺の自由電子をにわたり不明であった 16)。

加熱する。ここで、加熱の領域と時間、自由電子の昇温

近年、ランジュバン動力学からカノニカルアンサンブ

を、入射レーザーの設定条件(波長、スポット径、パルルを生成するアルゴリズムが提唱された 9)。本研究はこス時間幅、入射エネルギー)に合せて設定する。

のアルゴリズムを採用し、平衡状態でのカノニカルアン

以上の設定のもと、Sn のレーザーアブレーションのサンブルの生成を指向する。ただし、2T-LD 法は、以下

2T-LD シミュレーションと物性計算が可能となる。
今後、の点において、通常のランジュバン動力学法と異なる;計算した物性値を、入力情報として輻射流体シミュレー(1)熱浴(自由電子系)温度の空間/時間不均一、(2)多原子ションへ与え、EUV 放射の効率化条件を定量的に決定

系から熱浴(自由電子系)へのフィードバック。これら相する。ここで留意すべき点は、一般に、分子シミュレー

違点のアンサンブルに対する影響は、今後の研究対象でションで連続体の全体像を記述することは、事実上不可ある。

能であるということである。例えば、ナノリソグラフィ
─ 68 ─

6） D. Frenkel and B. Smit: Understanding Molecular Simulation,

3.3. 発展研究の展望
金属原子-自由電子熱平衡を実現する 2T-LD 法は、金属以外の、伝導電子を有する物質(半金属)へも応用され2nd Ed. (Academic Press, San Diego, 2002).
7） D. M. Duffy and A. M. Rutherford: J. Phys.: Condens. Matter
19, 016207, 2007.

る。応用対象の例として、グラファイトなどカーボン物
質が挙げられる。
特にグラフェンは、
ディラック電子(質8） H. Mori: Prog. Theor. Phys. 33, 423-455, 1965.

量ゼロの電子)を実現する二次元伝導物質 17)として、近9） G. Bussi and M. Parrinello: Phys. Rev. E 75, 056707, 2007.

年、基礎科学のみならず、産業技術の観点からも多大な

10） L. A. Girifalco and V. G. Weizer: Phys. Rev. 114, 687-690,
1959.

関心を集めている。グラフェン中の電子-フォノン結合効果の研究も広く進められており、今後、グラフェンの

11） H. E. Elsayed-Ali, T. B. Norris, M. A. Pessot, and G. A.

2T-LD シミュレーションに着手する予定である。

Mourou: Phys. Rev. Lett. 58, 1212-1215, 1987.
12） M. Bonn, D. N. Denzler, S. Funk, M. Wolf, S. -S. Wellershoff,and J. Hohlfeld: Phys. Rev. B 61, 1101-1105, 2000.

参考文献
1） Y. Takéuchi, A. Sunahara, and K. Nishihara: International

13） C. Kittel: Introduction to Solid State Physics, 7th Ed. (John
Wiley & Sons, New York, 1996).

Symposium on Extended Molecular Dynamics and Enhanced
Sampling: Nosé Dynamics 30 Years ,2014.

14） P. A. Egelstaff: An Introduction to the Liquid State, 2nd Ed.
(Oxford University Press, Oxford, 1992).

2） 竹内 靖, 砂原 淳, 西原 功修: 第 28 回分子シミュレーション討論会, 2014.

15） R. Ravelo and M. Baskes: Phys. Rev. Lett. 79, 2482-2485,
1997.

3） Y. Takéuchi: Prog. Theor. Phys. Suppl. 178, 181-186, 2009,
and references therein.

16） S. Nosé: Prog. Theor. Phys. Suppl. 103, 1-46, 1991.

4） Y. Takéuchi: JPS Conf. Proc. 1, 016007, 2014, and references

17） A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S.
Novoselov, and A.K. Geim: Rev. Mod. Phys. 81, 109-162,

therein.
5） M.P. Allen and D.J. Tildesley: Computer Simulation of
Liquids (Oxford University Press, New York, 1987).

─ 69 ─

2009.

レーザーピーニング時の塑性応力生成のシミュレーション
理論・シミュレーションチーム
古河裕之、部谷1

学 1、中野人志 2

大阪産業大学工学部2

近畿大学理工学部開発したシミュレーションコードの新規性を述べる。

１．はじめにレーザーピーニングとは、図 1 に示すように、レーザ

1)レーザーと固体金属、及びプルームの相互作用、固ーアブレーション誘起衝撃波によって金属中に圧縮残体から液体、液体から中性気体、中性気体から部分留応力を生成させ、硬度を高め、金属部品の高強度化、

電離プラズマへの相変化の効果を取り入れた１次長寿命化を実現できる技術である。
既に、
宇宙航空産業、元のレーザーピーニング統合シミュレーションコ

原子力産業に実用化されている。非接触でかつ局所的にードを開発した 1-3)。

表面処理でき、プロセスの再現性が高く、装置が小型で2)レーザー照射から固体内部の応力分布の評価まで、可搬性に優れているため、精密部品（複雑形状、小型、統合的にシミュレーション可能である。塑性応力も薄板）への応用が期待されている。

計算可能である。
3)

真空中、大気中でレーザーを照射する場合のみでな
く、水中又はガラス中の計算も可能である。

Pulsed laser レーザー本研究において、塑性応力の計算のモデリングを行い、レンズ統合シミュレーションを行った。塑性応力の空間分布の時間発展が、固体内部の圧力分布の時間発展に大きく影

大気又は水響されることを見出した。
プルーム

２．開発したシミュレーションコード 1-3)
衝撃波

2.1 統合シミュレーションコードの概要
図 2 は、開発した統合シミュレーションコード
(Integrated Simulation code for Laser Ablation Peening,

図 1 レーザーピーニングの概念図

ISLAP)のフローチャートである 1-3)。原子モデルコード
レーザーピーニングを用いて材料に圧縮残留応力をを用いて、原子のエネルギー準位、ポピュレーション、

生成させる場合、各種材料にあったレーザー条件（レー電離度を様々な温度密度で求める。そのデータを状態方

ザー強度、パルス幅、レーザー波長、パルス波形等）で

程式コードに入力し、圧力、比熱等を求める。原子のエ処理する必要がある。適切な衝撃波圧力を発生させ、金

ネルギー準位、ポピュレーション、電離度などのデータ

属材料の降伏応力を超えた領域で塑性変形を起こさせをスペクトルコードに入力し、X 線の放射係数、吸収係る。レーザー条件の最適化のためには、シミュレ数等を求める。圧力、比熱、X 線の放射係数、吸収係数ーションにより、レーザーと金属材料、及びプルーム

等のデータをテーブル化し、Laser Ablation Peening Codeの相互作用を正確に理解し、アブレーション生成プ(LAPCO)に入力し、固体金属の温度上昇、固体中の応力

ルームの圧力、固体中の圧縮塑性応力等を詳細に

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

評価する必要がある。
─ 70 ─

2.2 応力計算のモデリング 4)原子モデル

変位量 uz と弾性歪 ze の関係は、次式で表される 4)。
電離度 ポピュレーション, エネルギー準位

状態方程式コード

スペクトルコード

圧力、比熱

放射係数、吸収係数

 ze  z , t   uz  z, t z(1)

弾性応力 ze と弾性歪 ze の関係は次式で与えられる 4)。

 ze  z, t   2   ze  z, t (2)

ここではラメ定数であり、ヤング率 E、ポアソン

Laser Ablation Peening COde (LAPCO)

図 2 統合シミュレーションコードのフローチャート

比  を用いて、次のように表される 4)。




E
 E

, 
2 1   
1  1  2 

(3)(1)式の両辺を時間微分することにより、弾性歪 ze と固体内部の場の速度 vz が関係づけられる 4)。

  ze  z, t    uz  z , t   u z  z , t   vz  z , t 

 
t
t
z
z
t
z
(4)
場の速度 vz は、次の運動方程式を解いて得られる。
  vz  z , t   z, t  t vz  z , t  

z 

(5)


 ze  z , t    zp  z , t   P  z , t  z 



図 3 LAPCO のフローチャート。

v

ここで P は圧力であり、状態方程式から得られる。 は質量密度である。

図 4は、
本シミュレーションコードにおけるgeometry

塑性応力について考察する。せん断応力は無視する。

である。左から右（z 軸の負から正）に向かってレーザ

x, y 方向の全歪を 0 とし、塑性歪の非圧縮性より、以ーが照射され、物質は右から左（z 軸の正から負）に閉下の関係式が得られる 4)。

じ込め媒質に向かって噴き出す。物質の相構造は、基本 x   xe   zp / 2 
0(6)的（定常的）には、右から固体、固体と液体の混合領域、

pyy    / 2 
0(7)

液体、液体と気体の混合領域、気体（部分電離プラズマ） z   ze   zp

(8)と連続的に分布しているとしている。閉じ込め媒質中で

x 
 e  2   xe  e    zp

(9)

は、レーザーは吸収されない、と仮定している。

y  e  2   ye  e    zp

e
y

(10)

z 
 e  2   
 2     
e
z

レーザー

大気、水

気体
(部分電離 気液混合 液体 固液混合 固体
またはガラス プラズマ)ze   xe   ye   ze   ze   zp

e
z

p
z

(11)
(12)

塑性歪の増分と応力の関係より、次式が得られる 4)。
p
d 
z

2
1

d   z   x   y  32  d   2  ze   zp 
3
2


(13)

図 4 本シミュレーションコードにおける geometry
─ 71 ─

ここで、dは非負のスカラーファクターである。

シミュレーションで、プルーム中の圧力の空間平均値

Von Mises の降伏条件は、以下のように書ける 4)。

の時間変化を求めた。レーザーの強度 10 GW/cm2、波長

1/ 2
2
2
1 
2

















x
y
y
z
z
x

2 

 0  eq

  2  ze   zp

1064 nm、パルス幅 10 ns、時間波形は矩形波である。結果を図 6 に示す。シミュレーションにより得られた圧力の最大値は、
Fabbro モデル 5)と良い一致を示している。

(14)
ここで、0 は降伏応力である。

レーザー照射終了後のプルーム中の圧力の空間平均値の時間変化も、Fabbro モデルとよく一致している。プルーム中の圧力の空間平均値は、次式で定義した。

３．レーザーアブレーション生成プルームの評価

Zm t レーザーの強度 10 GW/cm 、波長 1064 nm、パルス幅
2Pave  t  

10 ns、時間波形は矩形波とし、シミュレーションを行った。図 5 は、シミュレーションで求めた、10 ns 時のプ   P  z, t  d z
Zp t

(15)

Zm t   Z p t 

5ルームの圧力の空間分布である。横軸は初期の固体表面

10 GW / cm 2 ,  = 10 ns

4からの位置である。z = 0 は初期の固体表面である。初Pave (GPa)

期 (t = 0) とは、レーザー照射が開始された時刻の事である。初期の固体アルミニウムの厚さは 2 mm、水の厚さは 100 mm である。
アルミニウムの裏面に 1000 mm ( 1m ) の余白領域を設定した。理由は 4 章で述べる。計矩形

32
Fabbro1

算領域は、- 100 mm から 1002 mm までである。固体ア
ルミニウムと水の初期温度は 300 K である。プルームの0先端近傍では急激に圧力が低下している。溶融したため固体表面が最初の位置から正に移動している。プルーム

020

Simulation

40

60

Time (ns)80100の先端は次のように定義した。任意の時刻で、「固体と図 6 シミュレーションにより得られた、プルーム中の液体の混合領域」と「液体」の境界 z = Zm(t) の位置か

圧力の平均値の時間発展

ら負の方向に向けて圧力を求め、最大圧力値の 1 / 100
図 7 は、シミュレーション、及び Fabbro モデルで求となる位置をプルームの先端位置 Zp(t)とした。

めたプルームの長さである。レーザー強度 10 GW/cm2、

10

P (GPa)

波長 1064 nm、パルス幅 10 ns、時間波形は矩形波である。15 ns 程度までは両者はよく一致しているが、それ1以降はシミュレーションの方がプルーム長が長い。
10 GW / cm 2 ,  = 10 ns

Fabbro モデルでは、断熱膨張する際も空間的には圧力

矩形

分布は均一（一定）としている。図 8 に、シミュレー

0.1

ションで求めた 100 ns 時のプルームの圧力の空間分布
0.01
-30

Zp (t)

を示す。図 8 と図 5 を比較すると、100 ns 時には 10 ns
-20

-10

z ( m)0

図 5 10 ns 時の圧力の空間分布

10時よりもプルームの先端近傍での圧力の低下が緩やかである。そのため、15 ns 程度以降ではシミュレーショ
ンの方がプルーム長が長くなっている、と考えられる。
─ 72 ─

200

レーザーの時間波形は矩形波とし、レーザー強度を

2.5 GW/cm2、5 GW/cm2、10 GW/cm2 とした場合の、プ

Simulation

150

ルーム中の圧力の空間平均値の最大値を図 10 に示す。
強度が低くなると、融解熱及び気化熱等の影響が大きく

100

0

なり、シミュレーション結果は Fabbro モデルより少し

Fabbro50

圧力が低くなるが、比較的良い一致を示している。
0

20

40

60

Time (ns)

80

10

100

Simulation

プルームの長さの時間発展
10

P (GPa)FabbroPave max (GPa)

図 7 シミュレーション及び Fabbro モデルで得られた

1

1

0.1

0.01
-200

-150

-100

-50

0

z (m)

1

10

Laser intensity (GW/cm2 )

図 10 レーザー強度の関数として表したプルーム中の50

圧力の空間平均値の最大値



図 8 100 ns 時の圧力の空間分布

４．塑性応力の評価
レーザーの時間波形をガウシアンとし、波長 1064 nm、アルミニウムのラメ定数、熱拡散係数から求められる、

パルス幅 10 ns、強度を 10 GW/cm2 とした場合の、プル

弾性波、塑性波、熱波が 2 mm 厚さを伝搬する時間は、

ーム中の圧力の空間平均値の時間変化を図 9 に示す。矩それぞれ、307 ns, 366 ns, 40.0 ms である。固体中の熱の形波 (図 6) の場合と比べ、最大値が減少し、圧力が最伝搬にかかる時間が桁違いに長い。40.0 ms 間に、弾性大になる時間が、レーザーピーク時より 7 ns 程度遅れ

波は約 2.6 x 107 mm ( 2.6 x 104 m ) 進む。弾性波、塑性

ている。レーザー照射終了後も 0.6 GPa 程度以上の圧力波の境界からの反射による影響を完全に抑えるためにを維持している。

は、計算上の余白領域が 2.6 x 104 m 必要になるが、現

5Pave (GPa)

8

3

6

2

4
Pave

1

0

20

40

60

Time (ns)280

Laser intensity (W/cm2)

Laser intensity

40

実的ではない。本シミュレーションでは、2 mm 厚さの

10

0
100

図 9 プルーム中の圧力の平均値の時間発展展

アルミニウムの裏面（レーザー照射面の反対側）に 1000mm ( 1 m ) の余白領域を設定した。水の厚みは、100 mmとした。本シミュレーションでは、余白領域での弾性波の伝搬等より、シミュレーション時間を 80 s とした。
レーザーの強度 10 GW/cm2、波長 1064 nm、パルス幅

10 ns、時間波形は矩形波とし、シミュレーションを行った。
得られた、
塑性応力分布の時間発展を図 11 に示す。

(a) は 0.1 s から 0.366 s まで、(b) は 0.366 s から 10─ 73 ─

s まで、(c) は10 s から 80 s までである。
(a) では、

図 11 に示された塑性応力分布の時間発展の傾向は、

塑性波の伝搬に伴い塑性応力が固体の奥まで伝搬して圧力分布の時間発展より説明できる。図 12 は、固体内いることが分かる。(b) では時間経過に伴い圧縮塑性応部の圧力分布の時間発展である。(a) では殆ど圧力が内力が大きくなっているが、(c) では時間経過に伴い圧縮部に進展していない。(b) では圧力が固体内部に進展し、塑性応力が小さくなっており、固体表面近傍では引張塑

熱衝撃波の前面の塑性応力が大きくなっている。(c) で性応力が生成されている。

は圧力分布がなだらかになり、衝撃波が崩れる。圧力が高い所は歪が正となり、引張塑性応力が生成される。

1

1.5

10 GW / cm2 , = 10 ns

(a)

(a)

P (GPa)p (GPa)0.5

00.366 s0.3 s0.2 s0.1 s

-0.5

-1

0

0.5

1

z (mm)

1.5

10.366 s0.3 s0.2 s0.1  s

0.5

2

0

1

0

0.5

1.5

2

1.5

(b)
0.5

(b)

10  s5 s
1 s
0.366 s0

P (GPa)p (GPa)1z (mm)

1

10  s5 s
1 s
0.366  s

0.5

-0.5

-1

0

0.5

1

z (mm)

1.5

0

2

1

0

0.5

1

z (mm)

1.5

2

1.5

(c)

(c)

P (GPa)p (GPa)

0.5
80  s40 s30 s10  s01

80  s
40 s
30 s
10 s

0.5

-0.5

-1

0

0.5

1

z (mm)

1.5

0

2

0

0.5

1

z (mm)

1.5

2

図 11 塑性応力分布の時間発展。
(a) 0.1 s から 0.366 s

図 12 固体内部の圧力分布の時間発展。(a) 0.1 s からまで、(b) 0.366 s から 10 s まで、(c) 10 s から 80 s

0.366 s まで、(b) 0.366 s から 10 s まで、(c) 10 s かまで

ら 80 s まで
─ 74 ─

図 12 の (c) において、圧力が時間とともに大きくな

５．結言っていることに関しては、プルームからの電子熱伝導で固体から液体、液体から中性気体、中性気体から部分説明できる。図 13 にプルームの電子温度分布の時間発

電離プラズマへの相変化の効果を取り入れたレーザー展を示す。z = 0 は初期の固体表面の位置であるが、溶ピーニング統合シミュレーションコード (ISLAP) を開融、及び気化（アブレーション）により、固体表面の位発した。

置が正の向きに移動している。固体表面近傍の温度分布

水中レーザーピーニングのシミュレーションを行い、を表示するために、表示する横軸の範囲を- 0.2 mm から

プルームの圧力の空間平均値の時間発展について、パル

0.05 mm までとした。本統合シミュレーションでは、プ

ス波形依存性を評価した。レーザー照射強度の関数としルーム中のエネルギー方程式と固体内のエネルギー方て、プルームの圧力の空間平均の最大値を求めた。融解

程式とプルームと固体のエネルギーのやり取りを、1 つ

熱及び気化熱等の影響のため、レーザー強度が低くなるの時間ステップの中で一括して計算している。

とシミュレーション結果の方が Fabbro モデルより少し
圧力が低くなるが、比較的良い一致を示した。
塑性応力の空間分布の時間発展が、固体内部の圧力分

1100

布の時間発展に大きく影響されることを見出した。

1000

Te (K)

900

参考文献

800

1) 古河裕之: レーザー研究, 36, 742-746, 2008.

700
600
500
400
300
-0.2

2) 古河裕之、藤田和久、森谷信一: プラズマ核融合学会誌, 87,

80  s40  s30  s10  s642-649, 2011.

3)

古河裕之、部谷学、中野人志: レーザー研究, 24, 784-791,
2014.

-0.15

-0.1

-0.05

z (mm)

00.05

図 13 プルームの電子温度分布の時間発展.

4)10) K. Ding, and L. Ye: ‘Laser shock peening Performance andprocess simulation’, CRC Press (2006)..

5) R. Fabbro, J. Fournier,P. Ballard, P. Peyre, D. Devaux, and J.
Virmont:: J. Appl. Phys. 68, 775-784, 1990.

─ 75 ─

平成 26 年度レーザー損傷耐力データベース化試験
レーザー技術開発室
本越伸二、岸田知門、實野孝久 1
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
結果をまとめるとともに、平成 21 年度に実施した第 3

１．はじめにレーザー装置には多くの光学素子が使用され、その回、4 回の結果と比較し検討した。また、低いエネルギ

光学素子の性能によって、得られるレーザー装置の性能ー密度から徐々に照射エネルギー密度を増加することは大きく左右される。特に、高出力で動作するレーザー

により、レーザー損傷しきい値が向上する「レーザーコ

装置では、使用される光学素子が、高出力エネルギーをンディショニング効果 10.11」」の違いについてまとめた。

持つレーザー光に長時間曝されることによりしばしば損傷が発生し、装置の性能、稼働率を低下させる要因に

２．光学特性仕様なる。そのため、光学素子のレーザー損傷物理の理解と第 13 回、14 回のデータベース化試験で指定した光学

レーザー損傷耐力（損傷しきい値）の向上は、高出力レ素子の特性仕様と参加企業数、試料数を表 1 に示す。高ーザー装置を開発する上で重要な課題となり、国内外の反射膜では、多く使用されている 45°入射ミラーで、多くの企業・研究機関で研究が行われている。

反射率を 99.5％以上（P 偏光）とした。P 偏光は、S 偏

我々は、高耐力光学素子の開発を進めるとともに、平光に比べて高い反射率を得ることが難しく、その分、層成 17 年度より、企業からの依頼により光学素子のレー数や屈折率差を増やす必要があり、一般に S 偏光に比べザー損傷しきい値評価試験を行っている。平成 26 年度て損傷しきい値は低くなる。反射防止膜の基板材料は、は、37 件の相談を受け、14 件の評価試験を実施した。

石英ガラスに統一した。また、反射防止膜では基板ガラ

その一方で、光学素子のレーザー損傷しきい値の標準化

ス面までレーザー光が届くため、コート前の表面粗さやと情報発信を目的として、「レーザー損傷耐力データベ

クリーニングの状態がレーザー損傷耐力に大きな影響

ース化試験（以下、データベース化試験）」を実施してを及ぼす。
そのため前回同様、
表面粗さのみを指定した。

いる。これまで、波長 1064 nm、532 nm、355 nm、248 nm
で用いる光学素子に対してデータベース化試験を実施
し 1-8)、試料を提供頂いた企業に直接結果を報告すると

表 1 平成 26 年度データベース化試験試料仕様

ともに、レーザー総研のホームページ上で結果を公開し、

第13回
高反射膜

ユーザーの皆さんにも各光学素子のレーザー損傷耐性

平成 26 年度は、532 nm 用光学素子（第 13 回高反射

[nm]

532

パルス幅

[ns]

8

入射角度

[°]

45

0

P

-

>99.5

<0.5

基板材料

指定なし

石英ガラス

膜、第 14 回反射防止膜）についてデータベース化試験偏を行った。532nm 用光学素子については、平成 21 年度

反射率に第3回および第4回データベース化試験で既に実施し

反射防止膜

長

波

の現状として紹介している 9)。

第14回

光
[%]

基板研磨状態

光学研磨ている 2,7)が、技術相談でも試験依頼の多い光学素子でRMS<10Å

裏面研磨状態

指定なし

表面と同様

あることから、再度同じ仕様でデータベース化試験を行

参加企業数

9

13

った。本報告では、平成 26 年度データベース化試験の

評価試料数

18

33

─ 76 ─

参加企業数、試料数は、13 回、14 回の試験に対して、それぞれ 9 社 18 個、13 社 33 個であった。

射前後の試料表面をノマルスキー顕微鏡（50 倍）により観察した。レーザー損傷しきい値は、損傷が発生した
最小エネルギー密度として決定し、照射ガウス分布のピーク値エネルギー密度で表した。

３．評価装置と方法
レーザー損傷しきい値評価試験には、波長 1064 nm、
パルス幅 10 ns の Q スイッチ Nd:YAG レーザー（Spectra

４．532 nm 用高反射膜の評価結果

Physics 社 Quanta-ray）を使用した。縦モード、横モード

高反射膜のデータベース化試験結果を図 2 に示す。まともに単一モード発振器の出力を増幅器により増幅した比較のために、図 3 に平成 21 年度の第 3 回データベ

た後、KTP 結晶（7×7×7 mm3）を用いて第二高調波（波ース化試験の結果 2,7)を示す。第 3 回と試料数が大きく

長 532 nm）を発生し、焦点距離 3000 mm のレンズを用異なるが、頻度分布図はほぼ同じである。今回の最大損

いて試料上に集光した。試料に照射するレーザーの時間
波形、エネルギーは、バイプラナ光電管とエネルギーメ

5
海外サンプルータでそれぞれ計測した。また、レンズから試料表面までと同じ距離になる位置に CCD カメラを設置し、試料上のビーム形状およびビームサイズを計測した。照射レ

参加サンプル4

3

ーザー光のエネルギーは、1/2 波長板と平板偏光子を用いて調整した。

2

評価方法には、1-on-1（1 パルス照射毎に損傷の有無に関わらず照射位置を移動する）試験法を採用した。照

1

0

0

50

100

150

200

[J/cm 2]

レーザー損傷しきい値

図 2 532nm 高反射膜データベース化試験結果

12
海外サンプル
参加サンプル

10

8

6

4

2

0

0

50

100
レーザー損傷しきい値

図 1 レーザー損傷しきい値評価装置

150

200

[J/cm 2]図 3 第 3 回データベース化試験結果 2,7)
─ 77 ─

250

傷しきい値は約170 J/cm2 であった。
第3回では200 J/cm2

い値は、69 J/cm2 と 20－25 J/cm2 であったが、今回の最を超える試料が 2 個（1 社）存在したが、今回はこの企

大および最頻度しきい値はそれぞれ 104 J/cm2 と 55－60

業は参加していない。最頻度しきい値は 30－40 J/cm2 で、

J/cm2 となり、大幅に向上していることが分かった。こ

データベースとしては 5 年間で大きな変化はなかった

れは、第 3 回の高反射膜の結果に比べ、第 4 回の反射防と言える。

止膜の結果が極端に低かったことから、成膜技術よりもコート前の基板の状態、洗浄技術などを改善することを提案したこともあり、各社見直しができたものと思われ

５．532nm 用反射防止膜の評価結果
図 4、図 5 に、今回の 532 nm 用反射防止膜のデータる。使用するレーザー波長が短くなるに従い、基板表面

ベース化試験結果と、第 4 回データベース化試験の結果の僅かな欠陥や残留不純物もレーザー損傷耐性に大きを示す。第 4 回の時の最大損傷しきい値と最頻度しきな影響を及ぼすため、コート前の洗浄技術はより重要度

2,7)を増してくると考えられる。

６．レーザーコンディショニング効果の評価

7

光学素子にレーザー光を照射する場合、低いエネルギ

海外サンプル6

参加サンプルーから徐々に増加し照射すると、1-on-1 損傷しきい値よ5

りも高いエネルギーに対して耐性を持つようになるこ

4とが知られている。この現象は、一般に、レーザーコン

3

ディショニング効果と呼ばれている 10,11)。これは、1-on-1
損傷しきい値を決定する要因になっている局所的な不2純物や欠陥が、低エネルギー照射により除去されるため

10と考えらえている。レーザー損傷しきい値評価試験では、
0

20

40

60

80

100

レーザー損傷しきい値

120

140

照射位置を固定し、低いエネルギーから照射エネルギーを増加し、損傷が発生したエネルギー密度を損傷しきい[J/cm 2]

図 4 532nm 用反射防止膜データベース化試験結果値と定義する「N-on-1」試験として、上述の「1-on-1」試験と比べられる。一般に、「N-on-1」損傷しきい値は、「1-on-1」損傷しきい値よりも高い値となる。言い換え20

ると、「1-on-1」損傷しきい値に比べて、高い「N-on-1」

海外サンプル
参加サンプル

損傷しきい値を持つ試料は、混入する不純物を抑制する

15

ことにより高耐力化が望めると見ることができる。
図 6 に第 13 回、14 回の試料の「1-on-1」損傷しきい10値に対する「N-on-1」損傷しきい値の関係を示す。赤丸が第 13 回高反射膜の試料、青丸が第 14 回反射防止膜の5

試料の結果である。損傷しきい値の変化を判りやすくするために、「1-on-1」と「N-on-1」損傷しきい値が等し0い場合を赤線で示した。
0

10

20

30

40

50

レーザー損傷しきい値

60

70

80

90

[J/cm 2]

図 5 第 4 回データベース化試験結果 2,7)100

図より、高反射膜の 18 個全ての試料が N-on-1 試験により高い損傷しきい値を示した。特に、約 40 J/cm2 より
─ 78 ─

が図られていることが確認できた。また、N-on-1 損傷
300

しきい値と比較した結果、高反射膜については耐力向上
HR
AR

250

が確認され、特に、1-on-1 損傷しきい値 50 J/cm2 以上を持つ試料については大幅な改善が期待できる。一方、反200

射防止膜については、レーザーコンディショニング効果
150は余り期待できないことが分かった。
今度、反射防止膜において多重照射でレーザー損傷し100

きい値が低下する原因の調査を進めるとともに、CW お50

よび高繰返し照射に対するデータベース化試験につい
0

0

50

100

150

て準備を進めていきたい。

200

1-on-1 損傷しきい値 [J/cm2]

謝辞

図6 1-on-1損傷しきい値に対するN-on-1損傷試料を提供しご協力頂いた高耐力光学素子研究会参

しきい値

加企業各社に御礼申し上げます。
も高い 1-on-1 損傷しきい値を持つ試料では、約 2 倍も高耐力になることが分かった。一方、反射防止膜については、高反射膜の場合ほどの効果は見られない。特に、全試料の約 1/3 は、1-on-1 損傷しきい値よりも低いしきい値となった。これは、局所的な不純物の除去を期待した低エネルギー照射によって反射防止膜自身が顕微鏡で確認できない微小な損傷を生じ、それが繰返し照射により成長したものと考えられる。このような光学素子をレーザー装置内に使用すると、時間とともに損傷を起こ

参考文献
1） 本越伸二他: ILT 2009, レーザー技術総合研究所, 2009.
2） 本越伸二他: ILT 2010, レーザー技術総合研究所, 2010.
3） 本越伸二他: ILT 2011, レーザー技術総合研究所, 2011.
4） 本越伸二他: ILT 2012, レーザー技術総合研究所, 2012.
5） 本越伸二他: ILT 2013, レーザー技術総合研究所, 2013.
6） 本越伸二他: ILT 2014, レーザー技術総合研究所, 20147） S.Motokoshi, et al.: Proc. of Laser-Induced Damage in Optical
Materials 2010, SPIE 7842, 78420F-1, 2011.

しやすくなり、装置の稼働率を低下する原因となる。多重照射によりレーザー損傷しきい値を下げる要因につ

8） S.Motokoshi, et al.: Proc. of Laser-Induced Damage in Optical
Materials 2011, SPIE 8190, 81900I-1, 2012.

いては、今後明らかにしていきたい。

9） http://www.ilt.or.jp/kenkyukai.html
10）L.Sheehan, et al.: Proc. of Laser-Induced Damage in Optical

７．まとめ
平成26年度に実施した波長532 nm用光学素子のデータベース化試験結果についてまとめ、考察を行った。高

Materials 1993, SPIE 2114, 559-568.
11）M.R.Kozlowski and R.Chow: Proc. of Laser-Induced Damage in

反射膜の試料では、5 年前に実施した試験とほぼ同じ頻度分布であったが、反射防止膜については、約 2 倍向上

─ 79 ─

Optical Materials 1993, SPIE 2114, 640-649.

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 L. Zhang, Y. Wei, M. Zhang, G. Guo, Y. Wan, M. Zhang, Z. Lu, Y. Gong, W. Wang, D. Li
題
目 A novel sine ridge waveguide for 0.65THz backward wave oscillator
論文誌名

Proceddings of International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves, pp.934,
2014

著者 C. Ding, Y. Wei, L. Zhang, G. Guo, Y. Wang, M. Zhang, Z. Lu, Y. Gong, W. Wang, D. Li

題

目

論文誌名

Beam-wave interaction study on a novel Ka-band ring-shaped microstrip meander-line slow
wave structure
Proceedings of International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves, pp.936,
2014

著者 D. Li, Y. Wang, M. Hangyo, Y. Wei, Z. Yang, S. Miyamoto
題
目 Cherenkov radiation oscillator without reflectors
論文誌名 Applied Physics letters, 104, 194102-1 - 194102-3, 2014著
者 Y. Wang, Y. Wei, D. Li , Z. Duan, Y. Gong, W. Wang
題
目 Study on Surface Waves in a Medium Plate Made from Negative Index Materials
論文誌名 IEEE International Vacuum Electronics Conference proceeding, pp.465, 2014著
者 Y. Wang, Y. Wei, D. Li, M. Hangyo, Y. Gong
題目 Surface waves excited from negative-index materials
論文誌名 Physics letters A, 378, 2345-2349, 2014
著
者 M. Zhang, Y. Wei, L. Yue, J. Xu, Z. Lu, T. Tang, D. Li
題目 U-shaped Quasi-parallel-plate for Low Voltage THz BWO
論文誌名Proceedings of International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves, pp.933,
2014○レーザープロセス研究チーム
著者

K. Takahashi, M. Tsukamoto, S. Masuno, Y. Sato, H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita,
N. Miyanaga, M. Fujita, H. Ogata

題目 Influence of laser scanning conditions on CFRP processing with a pulsed fiber laser
論文誌名 Journal of Materials Processing Technology, 222, pp.110–121, 2015
著
者 T. Somekawa, M. Fujita, Y. Izawa, M. Kasaoka, and Y. Nagano
題
目 Furfural Analysis in Transformer Oils Using Laser Raman Spectroscopy
論文誌名 IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 22, pp.229-231, 2014
著
者 T. Somekawa, T. Takeuchi, C. Yamanaka, M. Fujita
題目Raman spectroscopy measurements of CO2 dissolved in water and CO2 bubbles for laser
remote sensing in water

論文誌名 SPIE. Remote Sensing 2014, 9240, 92400J-1, 2014
著

者

J. Izawa, T. Yokozawa, T. Kurata, A. Yoshida, Y. Matsunaga, T. Somekawa, S. Eto,
N. Manago, H. Horisawa, S. Yamaguchi., T. Fujii, and H. Kuze

題目Stand-off detection and classification of CBRNe using a lidar system based on a high power
femtosecond laser

論文誌名 SPIE. Security+Defence2014, 9253, 92530C-1, 2014

─ 83 ─

著

者 T. Samoto, H. Hirano, T. Somekawa, K. Hikichi, M. Fujita, M. Esashi, and S. Tanaka

題目

Wafer-to-wafer transfer process of barium strontium titanate for frequency tuning applications
using laser pre-irradiation

論文誌名 Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.25, Issue 3, 035015, 2015
著者 藤田雅之、染川智弘、尾崎巧、吉田実、宮永憲明、中瀬拓也、小林隆
題
目 フェムト秒レーザーを用いたAl-Si合金の低摩擦化加工
論文誌名 光アライアンス, 2015年2月号, pp.4-7, 2014
著者 藤田雅之題
目 高輝度レーザーの産業利用
論文誌名 放射線と産業, 137号, pp.10-13, 2014
著者 藤田雅之題
目 レーザー加工が得意な公設試 総論
論文誌名 オプトロニクス, 388巻, 4号, pp.144-145, 2014
著者 染川智弘題
目 超短パルスレーザを用いた白色光ライダーの開発
論文誌名 光アライアンス, 2015年2月号, pp.4-7, 2014
○レーザー計測研究チーム
著者 御崎哲一、篠田昌弘、島田義則、オレグコ チャエフ
題
目 レーザーリモートセンシングを用いたコンクリート剥離検知装置の開発
論文誌名 プレストレストコンクリート, Vol.56, No.6, Nov. 2014., pp.61-66, 2014
著者 倉橋慎理、オレグコ チャエフ、島田義則、乗松孝好
題

レーザー差動干渉計を用いた環境振動下におけるコンクリート構造物の内部欠陥検出目法

論文誌名 レーザー研究, 42巻, 11号, pp.849-853, 2014
著
者 島田義則題
目 「レーザーによるコンクリート欠陥検査・診断技術」
論文誌名 「巨大構造物ヘルスモニタリング」NTS出版, pp.154-1582015○レーザーバイオ化学研究チーム
K. Lugsanangarm, A. Nueangaudom, S. Kokpol, S. Pianwanit, N. Nunthaboot, F. Tanaka,
S. Taniguchi and H. Chosrowjan

著

者

題

Heterogeneous subunit structures in the pyranose 2-oxidase homotetramer revealed by
目 theoretical analysis of the rates of photoinduced electron transfer from a tryptophan tothe excited flavin

論文誌名 (JPPA) - Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, pp.306, 66-79, 2015
A. Nueangaudom, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S. Kokpol, N. Nunthaboot, F. Tanaka,
S.Taniguchi, H. Chosrowjan

著

者

題

目 complex dimer from porcine kidney: Molecular dynamics simulation and photoinduced

Theoretical analyses of the fluorescence lifetimes of the D-amino acid oxidase–benzoate
electron transfer

論文誌名 Royal Society of Chemistry Advances, Vol.4, pp.54096-54108, 2014─ 84 ─

著
者 H. Chosrowjan, S. Taniguchi, F. Tanaka
題
目 Ultrafast fluorescence up-conversion technique and its applications on proteins
論文誌名 FEBS Journal, Special issue: Flavins and Flavoproteins,DOI:10.1111/febs.13180, pp.1-13, 2015
著
者 G. Khosrovian, S. Taniguchi, M. Fujita, Y. Izawa, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga
題
目 Filled-aperture coherent summation technique for multiple high average power laser beams
論文誌名 IEEE Xplore Digital Library, DOI: 10.1109/LO.2014.6886323, 1, 2014
著

者

H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga,
and Y. Izawa

題

目Filled-aperture, Single detector Coherent Beam Combining Technique Using Simple
Algorithms

論文誌名 ALPS'14, The 3rd Advanced Lasers and Photon Sources, Paper No. ALPS-p03, 151 - 152, 2014著
者 H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga, Y. Izawa
題
目 New Techniques for High-power Coherent Beam Combination
論文誌名 レーザー学会第471回研究会報告, 471, 5, 1-5, 2014
○理論・シミュレーションチーム
著

Y. Mori, T. Sekine, O. Komeda, Y. Nishimura, E. Miura, S. Nakayama, K. Ishii, R. Hanayama,
N. Satoh, T. Kurita, T. Kawashima, H, Kan, N. Nakamura, T. Kondo, M. Fujine, M. Kakeno,
者
S. Ohshima, H. Azuma, T. Hioki, T. Kajino, T. Motohiro, A. Sunahara, Y. Sentoku,
and Y. Kitagawa

題目

Repetitive 1Hz Fast-Heating Fusion Driver HAMA Pumped by Diode Pumped Solid State
Laser

論文誌名 The review of laser engineering, 42, 154-159, 2014
著
者 T. Yanagawa、H. Sakagami, A. Sunahara and H. Nagatomo
題
目 Asymmetric implosion of a cone-guided target irradiation by GekkoXII laser
論文誌名 Laser particle and beams、accepted, 34, 1-12, 2015
著

者

T. Johzaki, T. Taguchi, T. Sentoku, A. Sunahara, H. Nagatomo, H. Sakagami, K. Mima,
S. Fujioka, H. Shiraga

題

目Control of Electron Beam Using Strong Magnetic Field for Efficient Core Heating inFast ignition

論文誌名 Nuclear Fusion, 55, 0530225, 2015
著

K. Yoshida、S. Fujioka, T. Higashiguchi, T. Ugomori, N. Tanaka, M. Kawasaki, Y Suzuki,
者 C. Suzuki, K. Tomita, R. Hirose, T. Ejima, H. Ohashi, M. Nishikino, A. Sunahara, B. Li,
P. Dunne, G. O’sullivan, T. Yanagida, H. Azechi, and H. Nishimura

題目Density and x-ray emission profile relationships in highly ionized high-Z laser-produced
plasmas

論文誌名 Applied Physics Letters, 106, 121109, 2015
著

者

T-H. Dinh、Y. Suzuki, R. Hirose, H. Hara, H. Ohashi, P. Dunne, G. O'Sullivan, A. Sunahara,
and T. Higashiguchi

題目Development of a volume-limited dot target for a high brightness extreme ultraviolet
microplasma source

論文誌名 Review of Scientific Instruments, 85, 116104, 2015

─ 85 ─

著
者 A. Maeno, A. Sunahara, S. Fujioka, and H. Nakasima
題
目 Effect of Magnetic Field Strength on a Magnetic Thrust Chamber System
論文誌名 JOURNAL OF PROPULSION AND POWER, 30, 54-61, 2015
著

K. Yoshida, S. Fujioka, T. Higashiguchi, T. Ugomori, N. Tanaka, H. Ohashi, M. Kawasaki,
者 Y. Suzuki, C. Suzuki, K. Tomita, R. Hirose, T. Ejima, M. Nishikino, A. Sunahara, E. Scally,
B. Li, T. Yanagida, H. Nishimura, H. Azechi, and G. Osullivan

題目Efficient extreme ultraviolet emission from multiple laser-produced one-dimensional sphericalplasmas

論文誌名 Appl. Phys. Express, 7, 086202, 2014
著

者

A. Roy, G. Arai, H. Hara, T. Higashiguchi, H. Ohashi, A. Sunahara, B. Li, P. Dunne,
G. O’Sullivan, T. Miura, T. Mocek, A. Endo

題
目 Evolution of laser produced Sn EUV source
論文誌名 Appl. Phys. Lett, 105, 074103, 2014
著

T. Ozaki, A. Sunahara, H. Shiraga, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Sakagami, Z. Zhang,
者 H. Nagatomo, T. Johzaki, T. Namimoto, M. Taga, S. Kojima, Y. Abe, K. Ishihara, T. Nagai,
S. Sakata, S. Hattori, Y. Sakawa, H. Nishimura, H. Azechi

題

目Hot electron spectra in hole-cone shell target and a new proposal of the target for fast ignitionin laser fusion

論文誌名 Physica Scripta, T161, 014025, 2014
著
者 K. Nishimura, R. Shibata, T. Yabuuchi, A. Sunahara, and K. A. Tanaka
題
目 Laser Scattered Images Observed form Carbon Plasma Stagnation
論文誌名 Appl. Phys. Lett., 104, 244105, 2014
著
者 A. Sunahara
題
目 Numerical Simulation for Laser-processing
論文誌名 Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 80, 824-830, 2014

著

A. Casner, L. Masse, B. Delorme, D. Martinez, G. Huser, D. Galmiche, S. Liberatore,
I. Igumenshchev, M. Olazabal-Loumé, Ph. Nicolaï, J. Breil, D. T. Michel, D. Froula,者 W. Seka, G. Riazuelo, S. Fujioka, A. Sunahara, M. Grech, C. Chicanne, M. Theobald,
N. Borisenko, A. Orekhov, V. T. Tikhonchuk, B. Remington, V. N. Goncharov andV. A. Smalyuk
目 Progress in indirect and direct-drive planar experiments on hydrodynamic instability

題
論文誌名 Phys. Plasmas, 21, 122702, 2014
著
者 T. Higashiguchi, S. Fujioka, A. Sunahara, T. Yanagida, and H. Mizoguhi
題目 Progress of Extreme Ultraviolet (EUV) Source Development for Micro-Lithography
論文誌名 The review of laser engineering, 42, 14-22 , 2014
著
者 A. Sunahara
題
目 Radiation Hydrodynamic Simulation of the Efficient Extreme Ultraviolet Light Plasma
論文誌名 OYO BUTSURI, 83, 741-746, 2014
著

T. Zh. Esirkepov, J. Koga, A. Sunahara, T. Morita, M. Nishikino, K. Kageyama, H. Nagatomo,
者 K. Nishihara, A. Sagisaka; H. Kotaki, T. Nakamura; Y. Fukuda, H. Okada, A. Pirozhkov,
A. Yogo, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, K. Kondo, M. Kando, S. V. Bulanov

題目repulse and amplified spontaneous emission effects on the interaction of a petawatt class laser
with thin solid targets

論文誌名 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 754, 150-163, 2014
─ 86 ─

著
者 K. Takaki, K. Kageyama, A. Sunahara, T. Yabuuchi, and K. A. Tanaka
題
目 Simulation of the Ablation by Charged Particles for Laser Fusion Reactor Wall
論文誌名 Journal of nuclear materials, 459, 77-80, 2014
著
者 M. Masuda, N. Tanaka, K. Hane, A. Sunahara, S. Fujioka, and H, Nishimura
題
目 Spectroscopic observation of ablation plasma generated with a laser-driven extreme light source
論文誌名 Applied Physics B, 119, 421-425, 2015
著者 古河裕之、部谷学、中野人志
題
目 レーザーピーニングのためのレーザーアブレーション生成プルームのシミュレーション
論文誌名 レーザー研究, 42巻, 10号, pp.784-791, 2014
○レーザー技術開発室
著
者 Y.Honda, S.Motokoshi, T.Jitsuno, N.Miyanaga, K.Fujioka, M.Nakatsuka, M.Yoshida
題目 Temperature dependence of optical properties in Nd/Cr:YAG materials
論文誌名 Journal of Luminescence, Vol.148, pp.342-346, 2014

─ 87 ─

国際学会発表リスト○レーザーエネルギー研究チーム
著者 M. Zhang, M. Zhang, Y. Wei, L. Yue, J. Xu, Z. Lu, T. Tang, and D. Li
題目 U-shaped Quasi-parallel-plate for Low Voltage THz BWO
論文誌名 39TH Int. Conf. on Infrared,Millimeter and THz Waves, sep.14-19,2014,Tucson,USA
L. Zhang, L.i Zhang, Y. Wei, M. Zhang, C. Ding, Y. Wang, G. Guo, Y.i Wang,
著
者
H. Yin, G. Zhao, W. Wang, Y. Gong, J. Feng and D. Li
題
目 A Novel Sine Ridge Waveguide for 0.65THz Backward Wave Oscillator
論文誌名 39TH Int. Conf. on Infrared,Millimeter and THz Waves, sep.14-19,2014,Tuscon,USA
C. Ding, C. Ding, Y. Wei, L. Zhang, G. Guo, Y. Wang, M. Zhang, Z. Lu,Y. Gong,
著
者
W. Wang, D. Li, and J. Feng
Wave Interaction Study on a Novel Ka-band Ring-Shaped Microstrip Meander-Line
題
目
Slow Wave Structure
論文誌名 39TH Int. Conf. on Infrared,Millimeter and THz Waves, sep.14-19,2014,Tuscon,USA○レーザープロセス研究チーム
H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita, N. Miyanaga, G. Khosrovian, S. Taniguchi,
著者
M. Fujita, Y. Izawa, T. Yamamura, T.Sakagawa
Multiple high-average-power nanosecond laser beams based on rod PCFs for filled題
目aperture coherent combination
6th EPS-QEOD EUROPHOTON CONFERENCE "Solid State, Fibre, and Waveguide
論文誌名
Coherent Light Sources", 24-29 August, 2014,Neuchatel,Switzerland
M. Fujita, H. Ohkawa, M. Otsuka, T. Somekawa, Y. Maeda, T. Matsutani, Y. Orii,
著者
K. Inaba, G. Okada, N. Miyanaga
題目 Micromachining of thin CFRP with UV-ps laser pulses
論文誌名 ICALEO2014, Oct.19-23,2014,San Diego,USA
H. Fujita, K. Iyama, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, M. Fujita, N. Miyanagaa, and著
者
T. Kawashima
題
目 High Power Nd:YAG Ceramic Thin Disc Laser for Advanced Laser Machining
論文誌名 The 3rd Advance Lasers and Photon Sources, Apr.22-25,2014,Yokohama,Japan
H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga,
著者
and Y. Izawa
Filled-aperture, Single detector Coherent Beam Combining Technique Using Simple
題
目
Algorithms
論文誌名 The 3rd Advanced Lasers and Photon Sources, Apr.22-25,2014,Yokohama,Japan
M. Fujita, H. Ohkawa, M. Otsuka, T. Somekawa, Y. Maeda, Y. Orii, K. Inaba,
著者
G. Okada, and N. Miyanaga
題目 Micromachining of Thin CFRP with UV-ps Laser Pulses
論文誌名 The First Smart Laser Processing Conference, Apr.22-24,2014,Yokohama,Japan─ 88 ─

著

K. Takahashi, M. Tsukamoto, S. Masuno, Y. Sato, M. Matsushita, K. Furukawa,
H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita, N. Miyanaga, T. Yamamura, M. Ishikawa,者
M. Fujita, H. Niino, Y. Harada, M. Muramatsu, M. Nishino, T. Kamiya, O. Matsumoto,
T. Mano, S. Nakai, and H. Ogata

題目 Influences of Laser Scanning Conditions for CFRP Processing with Fiber Laser
論文誌名 The First Smart Laser Processing Conference, Apr.22-24,2014,Yokohama,Japan
M. Fujita, H. Ohkawa, M. Otsuka, T. Somekawa, Y. Maeda, Y. Orii, K. Inaba,
著者
G. Okada, and N. Miyanaga
題目 Micromachining of Thin CFRP with Ultra-Short Pulse Lasers
論文誌名 Stuttgart Laser Technology Forum, June.24-25,2014,Stuttgart,Germany
G. Khosrovian, S. Taniguchi, M. Fujita, Y. Izawa, K. Tsubakimoto, H. Yoshida,
著者
N. Miyanaga
Filled-aperture Coherent Summation Technique for Multiple High Average Power
題目
Laser Beams
論文誌名 16th International Conference Laser Optic,June 30-July 4,2014,St. Petersburg,Russia
著者 T. Somekawa, T. Takeuchi, C. Yamanaka, M. Fujita
Raman spectroscopy measurements of CO2 dissolved in water and CO2 bubbles for題目
laser remote sensing in water
論文誌名 SPIE. Remote Sensing , Sep.22-25, 2014,Amsterdam,Netherlands
J. Izawa,T. Yokozawa, T. Kurata, A. Yoshida, Y. Matsunaga, T. Somekawa, S. Eto,
著者
N. Manago, H. Horisawa, S. Yamaguchi., T. Fujii, and H. Kuze
Stand-off detection and classification of CBRNe using a lidar system based on a high題目power femtosecond laser
論文誌名 SPIE. Security+Defence, Sep.22-25,2014,Amsterdam,Netherlands○レーザー計測研究チーム
O. Kotyaev, Y. Shimada, S. Hirose, H. Tachibana, K. Nakamoto, N. Misaki,
著
者
H. Takinami
Actual Laser-based Methods for Remote Inspection of Shinkansen Tunnels and
題目Highway Bridges
論文誌名 The fifth US-Japan Symposium,Jun.15-20, 2015,Hawaii,USA○レーザーバイオ化学研究チーム
著者 H. Chosrowjan, S. Taniguchi, F. Tanaka, P. Chaiyen
題目 Ultrafast fluorescence up-conversion technique and its applications on proteins
The 18th International Symposium on Flavins and Flavoproteins, July 27-Aug1,
論文誌名2014,Phechaburi,Thailand
F. Tanaka,A. Nueangaudom, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S. Kokpol,
著者
N. Nunthaboot, S. Taniguchi and H. Chosrowjan
題

Conformational heterogeneity between the two subunits in the D-amino acid oxidase–
目 benzoate complex dimer from porcine kidney: Molecular dynamics simulation andphotoinduced electron transfer

論文誌名

The 18th International Symposium on Flavins and Flavoproteins, July 27-Aug 1, 2014,
Phechaburi, Thailand

─ 89 ─

○理論・シミュレーションチーム
A. Sunahara, T. Johzaki, H. Nagatomo, K. Mima, Y. Arikawa, S. Fujioka, H. Shiraga,
著
者
H. Azechi, and FIREX project
題
目 Direct heating of imploded plasma by ultra-intense laser in the fast ignition scheme
IAEA FUSION ENERGY CONFERNCE (IAEA FEC 2014), Oct.13-18,2014,St.
論文誌名
Petersburg, Russia,Russia
著者

A. Sunahara, T. Nagati, Y. Abe, S. Ho Lee, Y. Arikawa, S. Fujioka, T. Johzaki,
K. Mima, H. Shiraga, H. Azechi, and FIREX project

Irradiation of intense laser on the inner surface of CD shell to generate the hot spark"in the fast ignition"
論文誌名 56th Annual Meeting of the APS DPP, Oct.26-31, 2014, New Orleans, Louisiana,USA
A. Sunahara, T. Nagati, Y. Abe, S. Ho Lee, Y. Arikawa, S. Fujioka, T. Johzaki,
著者
K. Mima, H. Shiraga, H. Azechi, and FIREX project
Irradiation of intense laser on the inner surface of CD shell to generate the hot spark in
題目
the fast ignition
Theory and Simulation on the new frontier of fast-ignition, Oct.3-4,2014, Austin,Texas,
論文誌名
USA
著
者 A. Sunahara
題
目 Dynamics of laser-irradiated Tin Droplet
論文誌名 EUV Source Workshop Satellite meeting, Nov.8-11,2014,Dublin, Ireland
著
者 Y. Takeuchi, A. Sunahara, K. Nichihara
題
目 Two-Temperature Langevin Dynamics in Laser-Ablated Metals
International Symposium on Extended Molecular Dynamics and Enhanced Sampling:
論文誌名
Nose Dynamics 30 Years (NOSE30), Nov.10-11,2014,Tokyo,Japan
題

目○レーザー技術開発室
著
者 S. Motokoshi, K. Mikami, K. Kato, K. Kishida
題目 Construction of database on damage thresholds for optical coatings
論文誌名 Pacific Rim Laser Damage, Apr.22-24, 2014,Yokohama,Japan著
者 T. Isshiki, S. Motokoshi, Y. Honda, K. Fujioka, T. Jitsuno, M. Murakami
題
目 Fluorescence properties for Nd:CNGG powders
論文誌名 The 3rd Advanced Laser ans Photon Sources, Apr.22-25,2014,Yokohama,Japan著
者 K. Mikami, S. Papernov, S. Motokoshi, Stephen D Jacobs, T. Jitsuno
Detection of the laser-damage onset in optical coatings by the photo-thermal deflection
題目
method
論文誌名 Laser Damage Symposium, Sep.14-17,2014,Boulder,CO,USA
T. Jitsuno, H. Murakami, K. Mikami, S. Motokoshi, T. Kawasaki, N Miyanaga,
著
者
H. Azechi
題
目 Control of contamination of optical components in vacuum chambers
論文誌名 Laser Damage Symposium, Sep.14-17,2014,Boulder,CO,USA─ 90 ─

著
者 K. Mikami, S. Motokoshi, T. Somekawa, T. Jitsuno, M. Fujita, and K. A. Tanaka
題
目 Temperature dependence of laser-induced damage threshold by ultra-short IR laser pulse
論文誌名 Pacific Rim Laser Damage, Apr.22-24, 2014,Yokohama,Japan著
者 T. Saiki, S. Uchida, T. Karita, K. Nakamura, Y. Nishikawa, S. Taniguchi, Y. Iida
題
目 Evaluation of electrical property for recyclable air cell using sintered Mg paste
The 3rd Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS'14), Apr.22-25,2014,Yokohama,
論文誌名
Japan

─ 91 ─

国内学会発表リスト○レーザーエネルギー研究チーム
著
題者 李大治、高野恵介、中嶋誠、宮本修治
目 負の屈折率媒質による電子ビームからの放射の基礎研究
会 議 名 ミリ波・テラヘルツ波研究会、2015年2月27日、核融合科学研究所
著者 李大治、高野恵介、中嶋誠、宮本修治

題

目 負の屈折率媒質による電子ビームからの電磁波放射会 議 名 第62回応用物理学会春季学術講演会、2015年3月12日、東海大学湘南キャンパス○レーザープロセス研究チーム
著者 藤田雅之題
目 高輝度レーザーの産業利用会 議 名 第15回放射線プロセスシンポジウム、2014年6月18日、東京大学弥生キャンパス著

者 藤田雅之題
目 レーザー加工の基礎と応用会 議 名 短パルスレーザー加工セミナー、2014年7月4日、大阪大学テクノアライアンス棟著者 藤田雅之題目 パルスレーザー加工の基礎

会 議 名

短パルスレーザー加工実習セミナー、2014年8月26日、大阪大学テクノアライアンス棟著

大河弘志、染川智弘、藤田雅之、前田佳伸、松谷貴臣、宮永憲明、折井庸介、
稲葉弘二、岡田穣治

者

題
目 CFRPのUVピコ秒レーザー加工における熱影響層評価
会 議 名 第75回応用物理学会秋季学術講演会、2014年9月17日、北海道大学札幌キャンパス
K. Takahashi, M. Tsukamoto, S. Masuno, Y. Sato, H. Yoshida, K. Tsubakimoto, H. Fujita,
N. Miyanaga, M. Fujita, H. Ogata

著

者

題

目 Effective Scanning Condition of Laser CFRP Processing with High Power Pulsed Fiber Laser

会 議 名

第75回応用物理学会秋季学術講演会
北海道大学札幌キャンパス

JSAP-OSA Joint Symposia、2014年9月19日、者 H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga, Y. Izawa
題
目 Filled-aperture coherent combination of ns pulse laser beams
会 議 名 第75回応用物理学会秋季学術講演会、2014年9月18日、北海道大学札幌キャンパス著

M. Fujita, H. Ohkawa, M. Otsuka, Y. Maeda, T. Matsutani, N. Miyanaga, Y. Orii, .K. Inaba,
G. Okada

著

者

題目 Micromachining of CFRP with Short Pulse Lasers
JSAP-OSA Joint Symposia、2014年9月19日、

会 議 名

第75回応用物理学会秋季学術講演会
北海道大学札幌キャンパス著

ハイク コスロービアン、谷口誠治、 藤田雅之、椿本幸治、吉田英次、
宮永憲明、井澤靖和

者

題

目 ナノ秒パルスレーザーの重ねアパーチャコヒーレントビーム結合会 議 名 第75回応用物理学会秋季学術講演会、2014年9月18日、 北海道大学札幌キャンパス─ 92 ─

著者

大塚昌孝、染川智弘、川上慈郎、西藪和明、前田佳伸、松谷貴臣、藤田雅之、
宮永憲明

題目 フェムト秒レーザーによる微細周期構造のナノインプリント法への応用
会 議 名 第75回応用物理学会秋季学術講演会、2014年9月17日、北海道大学札幌キャンパス著者 染川智弘、笠岡誠、永野芳智、藤田雅之、井澤靖和

題
目 ラマン分光法を用いた変圧器異常診断手法の開発
会 議 名 第32回レーザーセンシングシンポジウム、2014年9月4日、高山市民文化会館
著
題者 染川智弘、藤田雅之、井澤靖和、笠岡誠、永野芳智
目 レーザーラマン分光法による変圧器の異常診断会 議 名

平成26年電気学会電子・情報・システム部門大会、2014年9月3日、島根大学松江キャンパス著

吉田英次、山村健、椿本孝治、藤田尚徳、宮永憲明、塚本雅裕、酒川友一、
ハイク コスロービアン、谷口誠治、藤田雅之、井澤靖和

者

題
目 高出力パルス動作Ybファイバーレーザーシステムの開発(6)会 議 名 第75回応用物理学会秋季学術講演会、2014年9月19日、北海道大学札幌キャンパス著者 染川智弘、竹内智紀、藤田雅之
題
目 水中レーザーリモートセンシングに向けたCO2気泡のラマン分光測定会 議 名 第75回応用物理学会秋季学術講演会、2014年9月18日、北海道大学札幌キャンパス著
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 インターオプト2014光技術動向セミナ−、2014年10月16日、パシフィコ横浜
著
者 藤田雅之題

目 複合材の超短パルスレーザー加工

会 議 名
著
題

第15回 光量子科学研究シンポジウム、2014年11月14日、関西光科学研究所・
多目的ホール者 藤田雅之目 レーザー微細加工の可能性と最近のトレンド

会 議 名

レーザー微細加工の最新ソリューションセミナー、2014年11月18日、東京国際フォーラム

者 T. Sakurai, H. Chosrowjan, T. Somekawa, M. Fujita, H. Motoyama, O. Watanabe, Y. Izawa
題
目 CO2レーザーを利用した氷の融解および掘削に関する研究会 議 名 第5回極域科学シンポジウム、2014年12月2日、国立極地研究所
著者 H. Chosrowjan, S. Taniguchi, M. Fujita, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, N. Miyanaga, Y. Izawa
題
目 New Techniques for High-power Coherent Beam Combination
著

会 議 名

レーザー学会第471回研究会「短波長量子ビーム発生と応用」、2014年12月11日、ホテルラフォーレ琵琶湖

著

吉田英次、山村健一、椿本孝治、藤田尚徳、宮永憲明、塚本雅裕、酒川友一、
ハイク コスロービアン、谷口誠治、藤田雅之、井澤靖和

者

題目 短パルス、高平均出力1.5kWファイバレーザーシステムの開発
会 議 名 レーザー学会学術講演会第35回年次大会、2015年1月12日、東海大学高輪校舎
著
題者 染川智弘、笠岡誠、永野芳智、藤田雅之、井澤靖和
目 変圧器油中のフルフラールのレーザーラマン分光分析会 議 名 レーザー学会学術講演会第35回年次大会、2015年1月12日、東海大学高輪校舎

─ 93 ─

著
題者 染川智弘、眞子直弘、久世宏明
目 赤外吸収を用いたガス可視化技術の開発
会 議 名 第17回環境リモートセンシングシンポジウム、2015年2月20日、千葉大学けやき会館
著者 藤田雅之題目 パルスレーザー加工の基礎会 議 名 短パルスレーザー加工実習セミナー、2015年3月3日、大阪大学テクノアライアンス棟著者 染川智弘、藤田雅之
題
目 水中レーザーリモートセンシングに向けた海水溶存ガスのラマン分光
会 議 名 第62回応用物理学会春季学術講演会、2015年3月11日、東海大学 湘南キャンパス著
者 ハイク コスロービアン、北村俊幸、 M. Musha、藤田雅之、井澤靖和
題目 ベルヌーイアルゴリズムを用いたタイルアパーチャ多ビームコヒーレント結合
会 議 名 第62回応用物理学会春季学術講演会、2015年3月11日、東海大学湘南キャンパス著
者 H. Chosrowjan, T. Kitamura, M. Musha, M. Fujita, Y. Izawa
題
目 Tiled Aperture Coherent Combining of Multiple Beams using Bernoulli Algorithm
会 議 名 第62回応用物理学会春季学術講演会、2015年3月12日、東海大学湘南キャンパス
著

者

吉田英次、山村健一、椿本孝治、藤田尚徳、宮永憲明、塚本雅裕、酒川友一、
ハイク コスロービアン、谷口誠治、藤田雅之、井澤靖和

題
目 高出力パルス動作Ybファイバーレーザーシステムの開発(7)会 議 名 第62回応用物理学会春季学術講演会、2015年3月12日、東海大学湘南キャンパス○レーザー計測研究チーム
著者 島田義則、オレグ コチャエフ、篠田昌弘、御崎哲一、瀧浪秀元

題
目 レーザーを用いたコンクリート構造物の健全性評価技術装置の開発
会 議 名 第53回光波センシング技術研究会、2014年6月18日、東京理科大学
著者 御崎哲一、髙橋康将、瀧浪秀元、島田義則、 オレグ コチャエフ、篠田昌弘
題目

レーザーリモートセンシングを用いたコンクリート構造物の健全性評価技術（１）コンクリートの欠陥検出

会 議 名 土木学会全国大会、2014年9月10日、大阪大学豊中キャンパス著
者 島田義則、 オレグ コチャエフ、御崎哲一、髙橋康将、瀧浪秀元、篠田昌弘
題目

レーザーリモートセンシングを用いたコンクリート構造物の健全性評価技術（２）ケミカルアンカーボルトの接着不良検出

会 議 名 土木学会全国大会、2014年9月10日、大阪大学豊中キャンパス著
者 島田義則、谷口誠治、本越伸二、岸田知門
題
目 レーザーを用いた碍子表面塩分計測
会 議 名 電気学会C部門大会、2014年9月3日、島根大学
著
者 橘肇、中本啓介、島田義則、オレグ コチャエフ、山口雅也、廣瀬壮一
題

目 鋼板接着コンクリート床版の劣化に対する非破壊検査法の研究開発

会 議 名

土木学会鋼構造委員会 道路橋床版の複合劣化に関する調査研究会、2014年10月29日、土木学会ビル講堂およびA・B会議室著
題者 島田義則目 レーザーを用いたコンクリート健全性評価技術会 議 名 レーザー学会学術講演会第35回年次大会、2015年1月11日、東海大学
著者 倉橋慎理、オレグ コチャエフ、島田義則、乗松孝好

題

目 レーザー差動干渉法による高架橋床版の内部欠陥検出法の開発
会 議 名 レーザー学会学術講演会第35回年次大会、2015年1月11-12日、東海大学高輪校舎
─ 94 ─

著

者 島田義則、オレグ コチャエフ、倉橋慎理、篠田昌弘、御崎哲一、瀧浪秀元

題

目 レーザーを用いたコンクリート構造物の健全性評価技術の開発
会 議 名 レーザー学会第472回研究会「新レーザー技術」、2014年12月17日、徳島大学
著
題者 島田義則目 レーザーを用いたコンクリート健全性評価技術

会 議 名
著

京都光技術研究会 光ものづくりセミナー、2015年2月9日、京都府中小企業技術センター

者 島田義則、オレグ コチャエフ、篠田昌弘、御崎哲一、瀧浪秀元

題

目 レーザーによるトンネル覆工コンクリートの健全性評価技術会 議 名 平成27年電気学会全国大会、2015年3月26日、東京都市大学
著者 倉橋慎理、オレグ コチャエフ、島田義則、乗松孝好
題

目 レーザーを用いた環境振動下にある高架橋床版内部欠陥遠隔検出技術の開発
会 議 名 平成27年電気学会全国大会、2015年3月26日、東京都市大学世田谷キャンパス
著
題者 島田義則目 レーザー計測法の課題と今後の展開

会 議 名

コンクリートの革新的非破壊評価技術の今後の展開、2015年3月17日、大阪大学中之島センター○レーザーバイオ化学研究チーム
著者 谷口誠治、ハイク コスロービアン、中西猛、北村昌也、田中文夫

題目 D-アミノ酸酸化酵素のフェムト秒蛍光ダイナミクス:機能阻害効果の検討

会 議 名 2014年光化学討論会、2014年10月13日、北海道大学札幌キャンパス著
者 谷口誠治、中島信昭
題
目 溶融塩中レーザーアブレーションによるナノ粒子作成
会 議 名 第62回応用物理学会春季学術講演会、2015年3月13日、東海大学湘南キャンパス○理論・シミュレーションチーム
著

砂原淳、北川米喜、森芳孝、西村靖彦、日置 辰視、東 博純、米田 修、花山 良平、者 石井 勝弘、関根 尊史、近藤 拓也、藤根 学、元廣 友美、梶野 勉、西 哲平、菅 博文、
三浦 永祐、千徳 靖彦

題目 Implosion simulation with tailored laser pulses
会 議 名 PLASMA2014、2014年11月21日、朱鷺メッセ
著
者 砂原淳
題
目 Laser ablationの数値シミュレーション
会 議 名

第15回光量子科学研究シンポジウム、2014年11月14日、日本原子力研究開発機構
関西光科学研究所

著
題

者 砂原淳
目 レーザープラズマ中の原子過程と輻射輸送
会 議 名 PLASMA2014、2014年11月21日、朱鷺メッセ
著

者 砂原淳
題
目 レーザー照射されたスズドロップレットの 輻射流体シミュレーション
会 議 名 第28回数値流体力学シンポジウム、2014年12月9日、タワーホール船堀

─ 95 ─

著
題者 砂原淳、竹内靖、佐々木明、西原功修
目 プリパルスレーザー照射時のスズドロップレットの挙動III会 議 名 第62回応用物理学会春季学術講演会、年月日、東海大学湘南キャンパス
著

者

砂原淳、城崎知至、長友英夫、 坂上仁志、 三間圀興、 有川安信、藤岡慎介、
白神宏之、疇地宏

題

目 直接照射型高速点火会 議 名 第10回核融合エネルギー連合講演会、2014年6月19日、つくば国際会議場
著
題者 砂原淳、西原功修、佐々木明
目 プリパルスレーザー照射時のドロップレットの挙動II会 議 名 第75回応用物理学会秋季学術講演会、2014年9月19日、北海道大学札幌キャンパス
著
者 砂原淳
題
目 極端紫外光源開発における輻射輸送
会 議 名 原子分子応用セミナー、2014年9月12日、核融合科学研究所
著者 J. Koga、砂原淳
題目 Modeling PW laser and pre-pulse interaction with a solid target using fluid and PIC simulation

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター共同利用・共同研究 A2 第2回課題検討会
会 議 名 「輻射減衰領域での超高強度レーザー物質相互作用によるプラズマ物理の新展開と応用」、2014年11月12日、京都大学エネルギー理工学研究所
著
題

者 砂原淳
目 レーザーアブレーションにおける状態方程式の効果

会 議 名

平成26年度レーザープラズマ加速と産業創成に関する研究会、2015年1月26日、
光産業創成大学院大学

著者 高木一茂、砂原淳
題目 高エネルギーイオン照射によるタングステン材料挙動の分子動力学シミュレーション
会 議 名 自然科学における階層と全体のシンポジウム、2015年1月19日、桑山ビル
著

砂原淳、城崎知至、柳川琢省、坂上仁志、安部勇輝、長井隆浩、 李昇浩、Z.Zhe、者 池之内孝仁、小島完興、坂田匠平、有川安信、藤岡慎介、中井光男、白神宏之、
乗松孝好、疇地宏、FIREXプロジェクトチーム

題

目 燃料球内面照射型高速点火核融合の理論と点火デザイン
会 議 名 物理学会第70回年次大会、2015年3月24日、早稲田大学
著者 古河裕之題

目 錫ドロップレットにプレパルスレーザーを照射した場合のミスト生成の可能性について
会 議 名 原子分子応用セミナー、2014年9月12日、核融合科学研究所○レーザー技術開発室
著
題者 本田能之、本越伸二、實野孝久、宮永憲明、藤岡加奈、中塚正大、吉田実
目 Nd/Cr:YAG材料におけるエネルギー移乗の解析（2）

会 議 名
著

第462回研究会「高機能固体レーザーとその応用」、2014年7月18日、ホテル阪急エキスポパーク者 久保真也、本越伸二、實野孝久、吉田実、本田能之、三上勝大

題
目 白色干渉法を用いた光学素子の群遅延測定
会 議 名 平成26年電気関係学会関西連合大会、2014年11月23日、奈良先端科学技術大学院大学

─ 96 ─

著

者

安原亮、野沢星輝、柳谷高公、古瀬裕章、河仲準二、D.Zhelevnov、I.Snetkov、
A.Starobor、O.Palashov、本越伸二

題目 TGGセラミックスの熱光学効果とkWレーザー用光アイソレータへの応用会 議 名 レーザー学会学術講演会第35回年次大会、2015年1月12日、東海大学高輪校舎
著者 三上勝大、本越伸二、實野孝久

題

目 レーザー光照射による光学素子の微少吸収変化
会 議 名 レーザー学会学術講演会第35回年次大会、2015年1月11日、東海大学高輪校舎
著
題者 加藤康平、大友一槻、古瀬裕章、本越伸二、本田能之、藤本靖、曽根宏靖
目 可視光励起によるエルビウム添加光ファイバーの蛍光特性
会 議 名 第62回応用物理学会春季学術講演会、2015年3月13日、東海大学湘南校舎

著
題者 久保真也、吉田実、實野孝久、本越伸二、藤本靖、三上勝大、本田能之
目 白色光干渉を用いた誘電体多層膜ミラーの群遅延測定
会 議 名 レーザー学会学術講演会第35回年次大会、2015年1月11日、東海大学高輪校舎

─ 97 ─

事 業 報 告 書

事

業

報

告

書

（平成 26 年度）
概況

レーザー技術総合研究所は、レーザーおよびその関連産業の振興を図り、我が国の学術の進展と科学技術の発展に貢献することを責務とし、レーザーとその応用に関する研究開発、調査、情報の収集・提供、人材の養成などの事業を鋭意推進すべく活動してきた。平成 26 年度においても関係各位の協力を得て、概ね計画どおり活動することができた。
【平成 26 年度の主な成果】
産業用レーザー開発プロジェクト研究においては、固体レーザーの高出力化に必
要な要素技術の開発を継続的に進めてきた。平成 22 年度より次世代素材等レーザー加工技術プロジェクトに参画し、レーザー媒質中での発熱や高効率波長変換の特性解析を実施した。また、kW 級出力を実現するため、多重パス増幅システム構築
技術や複数ビームのコヒーレント結合技術の開発を進め、その有効性を実証した。
レーザーエネルギー分野においては、メタマテリアルを用いた新型テラヘルツ光源を提案する一方、主として絶縁物中を対象に、テラヘルツ波を用いた非破壊遠隔欠陥検出技術の開発を進めた。
レーザープロセス分野では、フェムト秒レーザーや紫外レーザーを用い、CFRP（炭素繊維強化プラスチック）や種々の材料の加工特性を評価した。また、レーザーによるナノ粒子生成法について研究を実施した。
レーザー計測分野においては、戦略的イノベーション創造プログラム（SIP, 内閣府）や研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP, 科学技術振興機構）などに参画し、レーザー探傷技術の高感度化、高速化など、高性能化研究を進めた。また、碍
子表面の塩分濃度計測や油種の識別をめざして、レーザーを用いた成分分析の研究を実施した。
レーザーバイオ化学分野では、光応答性蛋白質の機能解明をめざした研究を実施しており、時間分解能をサブピコ秒からフェムト秒領域に展開すべく準備を進めた。
理論シミュレーション分野においては、レーザープラズマEUV(極端紫外光)光源の理論的研究を実施しており、半導体リソグラフィ用量産光源実現に重要な高出力化の指針を与えた。
レーザー技術開発室においては、多くの企業の参加を得て、レーザー用光学素子
─ 101 ─の損傷評価試験を実施し、データベース化を進めることができた。
普及啓発活動では、研究成果報告会の開催(7 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、LASER EXPO 2014 への出展(4 月)などを実施し、研究成果等の積極的な発信に努めた。

１．役員等の異動（理事・監事）年月日
H26.6.17
理事（理事の改選） 理事
理事
理事
理事
理事
理事
理事
理事
理事
理事
理事
理事
H26.8.6
理事H27.3.16
理事
（評議員）
年月日
H26.5.23
H26.7.16
H26.12.18
H27.1.29
H27.2.26

就 任
橋本 德昭
山中千代衛
中塚 正大
三宅 浩史
疇地
宏
井澤 靖和
梅田 賢治
小野寺正洋
北山 泰久
佐野 雄二
豊留 昭宏
山本 俊二
友永 匡哉
向井 成彦
松村 宏治

就 任
小森 芳廣
仙藤 敏和
中田 公明
内海
渉

退 任
再任
再任
再任
再任
再任
再任
再任
再任
再任
再任
再任
再任
新任
理事
理事

佐野
三宅

雄二
浩史

退 任
西
正孝
大塚 茂樹
山本 修一
小森 芳廣
山中 龍彦

２．役員会等の開催(1)理事会
第7回 理
決議事項

事

会

（平成 26 年 5 月 28 日 関電会館）

─ 102 ─・平成 25 年度事業報告書
・平成 25 年度財務諸表及び収支計算書
・内閣府への定期報告
・基本財産の運用
・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 3 回評議員選定委員会の決議内容
第8回 理 事 会
（平成 26 年 6 月 27 日 みなし決議）
決議事項
・理事長及び副理事長並びに常務理事の選定
第9回 理 事 会
（平成 26 年 7 月 28 日 みなし決議）
決議事項
・評議員選定委員会委員の選任
・臨時の第 6 回評議員会の招集及び目的である事項
報告事項
・第 4 回評議員選定委員会の決議内容
第 10 回 理 事 会（平成 27 年 3 月 5 日 関電会館）
決議事項
・平成 27 年度事業計画書
・平成 27 年度予算書
・臨時の第 7 回評議員会の招集及び目的である事項
報告事項
・職務執行状況の報告
・第 6 回評議員会（臨時）の決議内容
・第 5 回、第 6 回評議員選定委員会の決議内容
・評議員の退任報告
第 11 回 理 事 会（平成 27 年 3 月 21 日 みなし決議）
決議事項
・常務理事の選定
・評議員選定委員会委員の選任
・臨時の第 8 回評議員会の招集及び目的である事項
報告事項
・第 7 回評議員会（臨時）の決議内容(2)評議員会
第5回 評 議 員 会（平成 26 年 6 月 17 日 関電会館）
決議事項
・平成 25 年度財務諸表及び収支計算書
・改選期に伴う理事の選任
報告事項
・平成 25 年度事業報告
─ 103 ─・第 6 回、第 7 回理事会の決議内容
・第 3 回評議員選定委員会の決議内容
第6回 評 議 員 会（平成 26 年 8 月 6 日 みなし決議）
決議事項
・理事の選任
報告事項
・第 4 回評議員選定委員会の決議内容
・第 8 回、第 9 回理事会の決議内容
第7回 評 議 員 会（平成 27 年 3 月 16 日 みなし決議）
決議事項
・理事の選任
報告事項
・第 5 回、第 6 回評議員選定委員会の決議内容
・第 10 回理事会の決議内容(3)評議員選定委員会
第 3 回 評議員選定委員会 （平成 26 年 5 月 23 日 大阪大学）
第 4 回 評議員選定委員会 （平成 26 年 7 月 16 日 大阪大学）
第 5 回 評議員選定委員会 （平成 26 年 12 月 18 日 大阪大学）
第 6 回 評議員選定委員会 （平成 27 年 1 月 29 日 大阪大学）

３．賛助会員状況
平成 26 年度末会員数

39 社

４．学会および論文発表
学会発表
論文発表

91 件 （国内：61 件、国外：30 件）
48 件 （国内：11 件、国外：37 件）

５．特許等出願件数
平成 26 年度出願件数
平成 26 年度末特許保有件数

92 口

2 件
34 件 （登録済：17 件、公開済：14 件、未公開： 3 件）

─ 104 ─Ⅰ

研究開発および調査事業

研究開発の推進と成果の拡充を図るため、研究部門では下記の事業活動を実施した。
１．研究調査事業【産業用レーザー開発プロジェクト研究】
省エネルギー効果が期待されるレーザー加工技術の発展に活用するため、kW 級
産業用レーザーに必要とされる基盤技術の開発研究を実施した。
(1) 大出力レーザーの開発
産業利用を目的とした大出力固体レーザーの開発を進め、ファイバー増幅器の特性解析や多重パス増幅システムの構築と増幅特性の解析を進めた。
(2) 大出力レーザーの熱解析
レーザー増幅器や光学素子内部での発熱特性を解析し、波長変換特性に及ぼす発熱の効果を明らかにして、kW 級、高繰返し、短パルスレーザーシステムの実現に貢献した。
(3) ビーム結合に関する研究
レーザーの大出力化において重要となるビーム結合技術に関する研究を引き続き実施し、複数ビームの同軸コヒーレント結合を実証した。結合効率向上に必要な要
素技術について検討した。
［関連する主な受託・共同研究］
・大出力レーザー開発に関する研究
・次世代素材等レーザー加工技術開発【レーザーエネルギー研究チーム】
レーザーエネルギーの新しい応用分野を開拓するため、テラヘルツ放射源に関する研究を行った。
(1) メタマテリアルによる電磁波放射基礎研究
従来の電子ビームを用いた電磁波放射の手法に負の屈折率を有するメタマテリア
ルを導入し、従来の限界を打ち破る新型光源の可能性の検討を行った。メタマテリ
アル平板を用いた外部反射機構を必要としない新型電磁波発振器を提案した。
(2) テラヘルツによる診断・検査研究
テラヘルツ波はプラスチックや紙等に対する透過率が高く、生体に害を与えない─ 105 ─

ため、材料物性を調べるのに有用である。テラヘルツ波の発生、反射型計測用の実験装置を立ち上げ、それを用いて電力設備用絶縁材料の反射特性を調べ、内部欠陥検査への適用可能性を調べた。
［関連する主な受託・共同研究］
・テラヘルツ光源の開発研究
・テラヘルツ波による電力設備診断技術に関する調査研究
・メタマテリアルによるコヒーレント放射光の基礎研究【レーザープロセス研究チーム】
低炭素社会に資するため、レーザー加工特性の評価試験を行い、基礎技術開発を行うとともに、レーザープロセスの高性能化に資する基盤技術を開発した。
(1) フェムト秒加工に関する研究
フェムト秒レーザーパルスを用いて金属・半導体等各種材料の加工特性に関する研究を進め、微細周期構造の応用について検討を行った。
(2) CFRP のレーザー加工に関する研究
産業用部材の軽量化に期待される CFRP(炭素繊維強化プラスチック)に対して超短パルスレーザーおよび紫外ナノ秒レーザーを用いた微細加工の可能性を評価した。
(3) レーザーによるナノ粒子生成技術の研究
パルスレーザーによる金属酸化物(酸化マグネシウム)の還元および微細化、空気電池への応用に関する研究を進めた。また溶融塩中におけるナノ粒子生成技術の検討を行った。
［関連する主な受託・共同研究］
・CFRP の微細加工に関する研究
・レーザーによる金属還元ナノ粒子作成と空気電池への応用【レーザー計測研究チーム】
レーザーを用いたリモートセンシング技術をトンネルや高架橋等のインフラ構造物
健全性評価に適用するための技術開発およびレーザー分光法を用いた微量分析技術開発の研究を行った。
(1) レーザー超音波探傷技術に関する研究
レーザー干渉を用いたコンクリート欠陥検査装置の構築および新幹線トンネル覆工コンクリートの欠陥検出実験を行い、コンクリート不健全箇所の把握および装置特性の評価を行った。また、レーザー干渉技術を基に高架橋床版検査のためのレーザー差動干渉技術開発や水没コンクリートの健全性評価のためのレーザー干渉技術
─ 106 ─

開発を行った。
(2) レーザーを用いた成分分析の研究
ダブルパルスレーザーブレークダウン分光法による碍子表面付着物の塩分濃度測定技術の開発を実施した。また、レーザーラマン分光法による油種のその場識別手法の検討を行った。
(3) 高強度レーザーを用いた環境評価技術の研究
高強度レーザーを用いて、海水や河川水に含まれているガス成分等を遠隔で計測する基礎研究を行った。
［関連する主な受託・共同研究］
・レーザー計測システムの性能確認試験
・高感度ダイナミックホログラム・レーザー超音波法を用いた欠陥検出に関する研究
・レーザーによる補強橋梁床版欠陥部のリモートセンシング技術開発と実用化
・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
・レーザーを活用したサージタンク劣化調査手法の開発研究
・碍子塩分等レーザー測定装置開発研究
・海底資源様物質に対する高強度レーザー分光開発
・レーザーラマン散乱を用いた海水溶存成分測定法の開発
・現場における油種識別技術・測定方法の開発
・ピコ秒・フェムト秒レーザーの大気ライダーへの応用可能性に関する研究【レーザーバイオ化学研究チーム】
生体分子の光機能デバイスへの応用およびレーザーの生物・創薬分野への応用を目的とし、蛋白質・酵素等の機能解明、および薬剤等による機能阻害効果に関する研究を進めた。
(1) 時間分解レーザー計測による光応答性蛋白質の研究
光活性黄色蛋白質(PYP)の光機能性について、光反応時の蛋白構造変化に関する情報を取得するため、サブピコ秒領域での時間分解円二色性計測法による研究を進めた。またフェムト秒領域での円二色性計測法について、計測システム設計に関する調査を進めた。
(2) レーザー分光による生体内酵素の機能制御メカニズムの研究
生体内の d-アミノ酸濃度の調整機能を持つ d-アミノ酸酸化酵素について、薬剤分子の添加による機能阻害効果をレーザー分光法により明らかにした。
［関連する主な受託・共同研究］
・時間分解蛍光計測による蛋白質の機能阻害効果の研究
─ 107 ─【理論・シミュレーションチーム】
各研究チームが行う実験研究に対して、理論・シミュレーションにより支援を行った。レーザープラズマに関連するコードを開発し、産業応用に有用なデータを提供した。
(1) EUV(極端紫外光)光源に関する理論的研究
半導体リソグラフィ用量産光源の実現のため、EUVプラズマの解析を行い、高出力化の指針を与えた。
(2) レーザー生成高密度プラズマの理論的研究
核融合爆縮流体シミュレーションを行い、高密度爆縮及びプラズマ加熱実験に対する指針を与えた。
(3) レーザーアブレーションとその応用に関する理論的研究
相変化、凝集、応力発生、固体中の圧力伝搬などを含め、レーザーアブレーショ
ン過程を記述するシミュレーションコードの精緻化を行った。
(4) レーザー核融合炉設計に関する理論的研究
2 次元コードを開発し、レーザー核融合炉液体壁チェンバー内での金属蒸気の挙動を詳細に解析し、炉設計に有用なデータを提供した。
［関連する主な受託・共同研究］
・EUV光源プラズマの解析
・核融合流体シミュレーション【レーザー技術開発室】
高出力レーザーとその応用システムに共通する光学部品や光学材料の高性能化をめざして基礎技術開発を行った。レーザー損傷評価試験を実施し、「高耐力光学素子研究会」を通して、レーザー損傷しきい値のデータベース化を進めた。
(1) レーザー材料開発
太陽光励起レーザーへの適用に向けて、異なった濃度を持つ Nd/Cr:YAG 材料の蛍光特性を解析し、濃度の最適化を行った。また、広帯域発光が可能な Nd:CNGG
材料の合成時間と結晶性との関係を調べた。
(2) 高耐力光学部品開発
フェムト秒パルスに対する光学薄膜のレーザー損傷しきい値を評価するほか、レーザー損傷しきい値以外の光学材料内の非線形効果について調査した。
(3) レーザー損傷評価試験
技術相談窓口と連携し、展示会、ホームページなどを通して積極的に広報を行い、
─ 108 ─

14 件の依頼を受け、光学素子の損傷しきい値の測定を行った。また、損傷しきい値のデータベース化を目的に、532nm 用光学薄膜素子を対象に第 13 回、第 14 回の評価試験を実施した。
［関連する主な受託・共同研究］
・高耐力ミラーの開発

２．各種研究会活動
当研究所の研究開発活動を効率的・発展的に推進させるため、関連各界の意見・情報収集の場として、さらにはわが国の研究活動の方向性について提言を発信する場として、次のような研究会を開催し、当研究所の事業の活性化を図った。
［実施した主な研究会］
・次世代レーザー技術応用研究会
・高耐力光学素子研究会

３．産学官連携の推進
ホームページ上の技術相談窓口等から受け付けた、企業の技術開発・改良に対する技術支援、光学部品の損傷評価、微細加工、超音波診断などの相談・要望に対し、積極的に取り組んだ。50 件の技術相談に対応し、そのうち 15 件が受託研究へ結び付いた。
また、広範に拡がるレーザー技術に関するニーズに対応するため、情報、人材、技術等の交流を推進した。
学界との連携では、大阪大学レーザーエネルギー学研究センター等との共同研究をはじめ、国内外の大学と積極的に連携を図りながら研究を行った。
産学官との連携では、企業、大学等と連携を図りながら、国や(独)新エネルギー・
産業技術総合開発機構 ※１（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。
※１現

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構

４．関連団体との連携(独)宇宙航空研究開発機構(JAXA)※１ 、(独)日本原子力研究開発機構(JAEA)※２ 、(財)光産業技術振興協会(OITDA)、(財)大阪科学技術センター(OSTEC)、(財)近畿高エネ
ルギー加工技術研究所(AMPI)、 (社)レーザー学会(LSJ)、（社)レーザープラットホーム協議会(LPF）韓国原子力研究所(KAERI)、韓国光技術院(KOPTI)など関連団体とも積極的に情報交流や人的交流を図り、これら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｡※１※２

─ 109 ─

現
現

国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構
国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構

５．公募研究
国等が公募を行っている各種競争的研究資金の獲得に努め、本年度は下記の採択課題に参加した。
(1) 次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト( (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構※１ )(2) レーザーによる補強橋梁床板欠陥部のリモートセンシング技術開発と実用化( (独)科学技術振興機構※２ 研究成果最適展開支援プログラム A-STEP 産学共同促進ス
テージ ハイリスク挑戦タイプ )(3) レーザーを活用した高性能・非破壊劣化インフラ診断技術の研究開発( (独)科学技術振興機構 戦略的イノベーション創造プログラム SIP)
(4) 高効率 LPP 法 EUV 光源の実証開発 ( (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 戦略
的省エネルギー技術革新プログラム 実証開発 )※１現 国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構※２現 国立研究開発法人 科学技術振興機構

６．受託研究36 件の受託研究を実施した。(公募によるものを除く。技術相談によるものを含む。)

７．補助事業
文部科学省の科学研究費補助金や民間団体の研究助成を活用し、以下のような研究を実施した。
(1) 時間分解蛍光計測による蛋白質の機能阻害効果の研究 (基盤研究 C)(2) 負の屈折率メタマテリアルによるコヒーレント放射光源研究開発 (基盤研究 C)(3) マルチビームレーザーによる高速コンクリート欠陥探傷に関する研究 (基盤研究Ｃ)(4) 高速点火レーザー核融合における高速電子の発生と輸送の物理的制御 (基盤研
究 C)(5) Two-beam probing laser-based system for remote inspection of unstablestructures (基盤研究 C)(6) 海底資源探査・環境影響評価に向けたラマンライダーによる水中モニタリング技術の開発 (若手研究 B)(7) 短パルスレーザーを用いた炭素繊維強化複合材の微細加工技術の開発(天田財団 一般研究開発助成)(8) メタマテリアルを用いた放射光発生の基礎研究 (光科学技術振興財団 研究助
成)─ 110 ─(9) 反射機構を必要としないチェレンコフ型テラヘルツ波放射発振器に関する基礎研究(松尾学術研究助成)

Ⅱ

普

及

啓

発

活

動

事

業

レーザー技術の普及啓発活動として、情報の発信・提供、人材交流などの事業を以下のとおり実施した。
１．人材の育成大学、関連研究機関、企業など、共同研究先や技術相談の依頼元から若手研究員を受け入れ、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を行った。

２．研究成果報告会
東 京 な ら び に 大 阪 に て 、 平 成 25 年 度 の 研 究 成 果 を 報 告 す る 研 究 成 果 報 告 会(ILT2014)を開催した。
7 月 11 日
7 月 18 日

千里ライフサイエンスセンター (大阪)
KKR ホテル東京 (東京)３．機関誌等の発行
機関誌「Laser Cross」の月 1 回の発行、および、電子メールでの情報配信により、当研究所の研究成果やレーザーに関する国内外の研究開発動向など、幅広い情報の提供を行った。

４．展示会への出展
関係団体が主催する光技術やレーザーに関する展示会へ積極的に出展し、当研究所の広報活動に努めた。
・LASER EXPO 20144 月 23 日～25 日 パシフィコ横浜 (神奈川)

５．国際交流海外のレーザー技術の開発動向や産業応用に関連した情報を収集するとともにレ─ 111 ─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 10 の国際会議へ参加した。また、韓国原子力研究所(KAERI)、韓国光技術院(KOPTI)等との共同研究を実施した。主なものは以下のとおり。
(1) SLT2014 (6 月，ドイツ)(2) 16th International Conference Laser Optics 2014（7 月，ロシア）(3) SPIE Remote Sensing (9 月, オランダ)(4) ICALEO2014 (10 月, 米国)(5) 56th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics （10 月，米国）(6) 2014 International Workshop on EUV and Soft X-ray Sources(11 月, アイルランド)

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
慣性核融合エネルギー開発事業の推進をめざし、レーザーによるエネルギー開発に向けた有識者会議を設置した。また、レーザー核融合とそれに関連する科学技術の展開をめざし、日本学術会議が主催する国際シンポジウム「大型レーザーによる高エネルギー密度科学研究の新展開」等の活動を支援した。

２．出版物の刊行
平成 25 年度の研究成果を年報にまとめ、刊行した。
・「ILT2014 年報」(2013～2014) (平成 26 年 7 月発行)

３．泰山賞の贈呈
7 月の成果報告会にて第 6 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グルー
プに進歩賞を贈呈した。

─ 112 ─

組

織

図

構成員一覧

組

監

織

図

名

事

山中千代衛

誉
所
長

レーザーエネルギー研究チーム

選定委員会

評議員

レーザープロセス研究チーム
副

所

所
長

員

事

事

会

長

副
理

常
務

事

理

長

事

レーザーバイオ化学研究チーム
理論・シミュレーションチーム

井澤靖和

大石富彦

レーザー技術開発室

松村宏治
中塚正大

会

理

中塚正大

議

理

長
井澤靖和

評

レーザー計測研究チーム

事務
長

ＩＦＥフォーラム

レーザー核融合技術振興会

─ 115 ─

松村宏治

局

総 務 部

構 成 員 一 覧
理事長
副理事長･名誉所長
所 長
常務理事
常務理事･副所長

大石富彦
山中千代衛
井澤靖和
松村宏治
中塚正大

【レーザーエネルギー研究チーム】

チームリーダー研究員

井澤靖和（兼務）
李 大治【レーザープロセス研究チーム】

主席研究員（チームリーダー）
副主任研究員
副主任研究員
研究員

藤田雅之

主任研究員
（チームリーダー）
副主任研究員
研究員
研究員

島田義則

【レーザーバイオ化学研究チーム】

チームリーダー
副主任研究員
副主任研究員中島信昭
ハイク コスロービアン
谷口誠治【理論･シミュレーションチーム】

チームリーダー
副主任研究員
研究員
研究員

井澤靖和（兼務）
砂原 淳
古河裕之
竹内 靖

【レーザー技術開発室】

主任研究員
（室長）
研究員

本越伸二

事務局長
総務部長
マネージャー
マネージャー
マネージャー
事務員

松村宏治（兼務）
松村宏治（兼務）
幸脇朱美
小野田理恵
藤本 勲

【レーザー計測研究チーム】【総務部】【特別研究員】

京都大学 名誉教授
元日新電機株式会社
元三菱電機株式会社
三重県立看護大学 名誉教授
元東京工業大学 准教授
大阪市立大学 特任教授
元（財）レーザー技術総合研究所

ハイク コスロービアン(兼務)
染川智弘
北村俊幸

谷口誠治（兼務）
オレグ コチャエフ
倉橋慎理

岸田知門

藤田淑子
毛利明博
鈴木泰雄
田畑則一
田中文夫
糟谷紘一
中島信昭
今崎一夫

（平成 27 年 6 月末現在）
─ 116 ─【共同研究員】
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
大阪大学大学院工学研究科
大阪大学大学院工学研究科
大阪大学大学院工学研究科
大阪大学大学院基礎工学研究科
大阪大学大学院理学研究科
大阪大学接合科学研究所
大阪大学接合科学研究所
大阪大学光科学センター
大阪大学
大阪工業大学工学部
大阪産業大学工学部
大阪産業大学
大阪市立大学大学院理学研究科
岡山大学大学院自然科学研究科
核融合科学研究所
核融合科学研究所
関西学院大学理工学部
関西大学システム理工学部
関西大学システム理工学部
北見工業大学
京都大学化学研究所
京都大学化学研究所
京都大学大学院理学研究科
京都大学大学院理学研究科
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部電気電子工学科
高知工業高等専門学校
高知工業高等専門学校
情報・システム研究機構 国立極地研究所
摂南大学工学部
台湾国立交通大学
千葉大学
電気通信大学 企画調査室
電気通信大学レーザー新世代研究センター
電気通信大学レーザー新世代研究センター

センター長
教授
教授
教授
教授
准教授
准教授
准教授
准教授
講師
講師
助教
特任研究員
特任教授
教授
教授
教授
教授
准教授
教授
准教授
特任教授
名誉教授
教授
教授
准教授
教授
助教
准教授
助教
教授
教授
准教授
助教
教授
准教授
教授
教授
教授
教授
教授
准教授
准教授
准教授
特任研究員
教授
講座教授
教授
特任教授
教授
准教授
─ 117 ─

疇地 宏
斗内政吉
西村博明
乗松孝好
宮永憲明
河仲準二
坂和洋一
藤岡慎介
中嶋 誠
藤本 靖
時田茂樹
椿本孝治
西原功修
實野孝久
兒玉了祐
粟津邦男
田中和夫
宮坂 博
山中千博
節原裕一
塚本雅裕
佐々木孝友
柳田祥三
西口彰夫
草場光博
部谷 学
八ツ橋知幸
西川 亘
岩本晃史
安原 亮
玉井尚登
淺川 誠
佐伯 拓
古瀬裕章
阪部周二
橋田昌樹
七田芳則
大須賀篤弘
吉田 実
橋新裕一
中野人志
前田佳伸
赤松重則
芝 治也
櫻井俊光
田口俊弘
増原 宏
久世宏明
植田憲一
西岡 一
武者 満

東京工業大学大学院総合理工学研究科
東北大学大学院工学研究科
東京工業大学大学院総合理工学研究科
東北大学大学院理学研究科
東北大学大学院工学研究科
日本原子力研究開発機構敦賀本部レーザー共同研究所
東北大学大学院理学研究科
日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門
日本原子力研究開発機構敦賀本部レーザー共同研究所
日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門
日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門
光産業創成大学院大学
日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門
光産業創成大学院大学
光産業創成大学院大学
光産業創成大学院大学
光産業創成大学院大学
兵庫県立大学大学院工学研究科
光産業創成大学院大学
兵庫県立大学高度産業科学技術研究所
兵庫県立大学大学院工学研究科
兵庫県立大学高度産業科学技術研究所
兵庫県立大学高度産業科学技術研究所
広島大学大学院工学研究科
兵庫県立大学高度産業科学技術研究所
広島大学大学院工学研究科
広島大学大学院工学研究科
福井大学大学院工学研究科
広島大学大学院工学研究科
福井大学大学院工学研究科
福井大学大学院工学研究科
福岡工業大学工学部
福井大学大学院工学研究科
福岡工業大学情報工学部
福岡工業大学工学部
北海道大学大学院工学研究院
福岡工業大学情報工学部
北海道大学大学院工学研究院
北海道大学大学院工学研究院
宮崎大学産学・地域連携センター
北海道大学大学院工学研究院
山梨大学大学院医学工学総合研究部
宮崎大学産学・地域連携センター
山梨大学大学院医学工学総合研究部
山梨大学大学院医学工学総合研究部
立命館大学情報理工学部
山梨大学大学院医学工学総合研究部
立命館大学情報理工学部

講師 河村 徹教授 田中秀治
講師 河村 徹准教授 柴田 穣
教授 田中秀治
所長 大道博行
准教授 柴田 穣
研究主幹 山川考一
所長 大道博行
研究副主幹 佐々木 明
研究主幹 山川考一
教授 藤田和久研究副主幹 佐々木 明
特任教授 三間圀興
教授 藤田和久
客員教授 内田成明
特任教授 三間圀興
教授 藤原閲夫
客員教授 内田成明
特任教授 望月孝晏
教授 藤原閲夫
所長 宮本修治
特任教授 望月孝晏
教授 遠藤琢磨
所長 宮本修治
准教授 城﨑知至
教授 遠藤琢磨
教授 仁木秀明
准教授 城﨑知至
教授 金邉 忠教授 仁木秀明
教授 河村良行
教授 金邉 忠准教授 中村龍史教授 河村良行
教授 足立 智准教授 中村龍史教授 長谷川靖哉
教授 足立 智准教授 甲藤正人
教授 長谷川靖哉
教授 張本鉄雄
准教授 甲藤正人
助教 宇野和行
教授 張本鉄雄
教授 陳 延偉
助教 宇野和行
教授 陳 延偉（平成27年6月末現在）
─ 118 ─（平成27年6月末現在）

評

議

員

理 事・ 監 事
評議員選定委員
企

画

委

員

評

議

員
（敬称略）

評議員

礒嶋茂樹
内海 渉
尾崎 博

住友電気工業株式会社 研究統括部 担当技師長
兼 パワーシステム研究開発センター
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 関西光科学研究所 所長

加藤有一

富士電機株式会社 電力・社会インフラ事業本部発電プラント事業部
原子力技術部長
一般財団法人電力中央研究所 常務理事

菅 博文

浜松ホトニクス株式会社 取締役

仙藤敏和

関西電力株式会社 原子燃料サイクル室長
原子力事業本部副事業本部長
三菱電機株式会社開発本部 役員技監

田中健一
中田公明
西

亨

パナソニック株式会社 エコソリューション社 ものづくり革新本部
生産技術開発センター長
一般財団法人大阪科学技術センター 専務理事

東 邦夫

京都大学 名誉教授

望月孝晏

兵庫県立大学 特任教授

─ 121 ─（平成27年6月末現在）

理

事 ・ 監

事
（敬称略）

理事長

大石富彦

関西電力株式会社 常務執行役員

理

井澤靖和

大阪大学 名誉教授

中塚正大

大阪大学 名誉教授

松村宏治

公益財団法人レーザー技術総合研究所 事務局長

疇地 宏

大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター センター長

小野寺正洋

東京電力株式会社 原子燃料サイクル部長

小森憲昭

中部電力株式会社 長野支店 技術部長

友永匡哉

日本電気株式会社 関西支社 第三営業部長

豊留昭宏

富士電機株式会社 関西支社 営業第二部長

宮口仁一

山中千代衛

三菱重工業株式会社 エネルギー・環境ドメイン 原子力事業本部
原子力技術部 部長
株式会社東芝電力システム社 電力・社会システム開発センター
電気計装不技術開発部長
大阪大学 名誉教授

山本俊二

三菱電機株式会社 電力・産業システム事業本部 技術顧問

西原功修

大阪大学 名誉教授

日根野文三

日根野公認会計士事務所 所長

湯浅英生

株式会社三井住友銀行 大阪本店営業第二部長

事

向井成彦

監

事

─ 122 ─（平成27年6月末現在）

評議員選定委員
（敬称略）
阪部周二

京都大学化学研究所 教授

佐々木孝友

大阪大学 名誉教授

仙藤敏和

関西電力株式会社 原子燃料サイクル室長 原子力事業本部副事業本部長

西原功修

大阪大学 名誉教授

松村宏治

公益財団法人レーザー技術総合研究所 事務局長

─ 123 ─（平成27年6月末現在）

企

画

委

員
（敬称略）

委員長

木島和夫

関西電力株式会社 原子燃料サイクル室 原子燃料サイクル部長

委

粟津邦男

大阪大学大学院 工学研究科 教授

石津京二

一般財団法人大阪科学技術センター 総務部 企画室長

植田憲一

電気通信大学 特任教授

大谷浩司

三菱電機株式会社 電力システム製作所 磁気応用先端システム部 次長

沖野圭司

オムロンレーザーフロント株式会社 取締役

奥田泰弘

住友電気工業株式会社 エレクトロニクス・材料研究所
エレクトロニクス接続技術研究部 部長
大阪大学大学院 工学研究科 教授

員

兒玉了祐
近藤公伯
白神宏之
武田和仁

国立研究法人日本原子力研究開発機構 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター 先進ビーム技術研究ユニット長
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 教授

竹辺晴夫

東京電力株式会社 原子燃料サイクル部 サイクル技術グループ
マネージャー
富士電機株式会社 電力・社会インフラ事業本部 事業企画部 主席

斗内政吉

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 教授

中島信昭

大阪市立大学

西村博明

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 教授

浜崎 学

三菱重工業株式会社 原子力事業本部 原子力技術部 次長

藤原閲夫

兵庫県立大学大学院 工学研究科 教授

宮永憲明

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター 教授

向井成彦

株式会社東芝電力システム社 電力・社会システム開発センター
電気計装不技術開発部長
大阪大学大学院 工学研究科 教授

森 勇介
山口浩司

特任教授

関西電力株式会社 原子燃料サイクル室 サイクル事業グループ
マネジャー

─ 124 ─（平成27年6月末現在）

賛
【建設業】

助

会

員

【精密機器具製造業】

株式会社環境総合テクノス

有限会社岡本光学加工所

関電プラント株式会社

オムロンレーザーフロント株式会社

株式会社きんでん

株式会社片岡製作所
光伸光学工業株式会社【鉄鋼・非鉄金属製造】

ジオマテック株式会社

株式会社神戸製鋼所

株式会社島津製作所

住友電気工業株式会社

浜松ホトニクス株式会社

三菱電線工業株式会社【商社・その他】【電気機器具製造業】

株式会社オプトサイエンス

株式会社ダイヘン
株式会社東芝【銀行・その他金融】

日新電機株式会社

株式会社三井住友銀行

日本電気株式会社
パナソニック株式会社【電気・ガス業】

株式会社日立製作所

関西電力株式会社

富士電機株式会社

中国電力株式会社

三菱電機株式会社

北陸電力株式会社

三菱電機株式会社【鉄道業】【機械・輸送用機器具】

西日本旅客鉄道株式会社

三菱重工業株式会社【サービス業・その他】
関電不動産株式会社株式会社ケイ・オプティコム

─ 125 ─【団体関係】
一般財団法人大阪科学技術センター
一般財団法人関西情報センター
一般財団法人電力中央研究所
一般財団法人光産業技術振興協会
一般社団法人レーザー学会

合計36社(他1社含む)（平成27年6末月現在）
─ 126 ─

お わ り に
レーザー技術総合研究所年報第 27 巻 ILT2015（平成 26 年度成果報告書）を取りまとめました。7 月に東京と大阪で開催する成果報告会においてその内容をご報告し、皆様からご批判、ご教示を頂きたいものと願っています。
当研究所では、レーザーエネルギー、レーザープロセス、レーザー計測、レーザーバ
イオ化学、理論・シミュレーションの 5 研究チームとレーザー技術開発室の体制で研究を進めています。また、全所横断型のプロジェクトとして、これまでの産業用レーザー開発に加え、平成 26 年度後半よりレーザー探傷技術開発プロジェクトを立ち上げました。
産業用レーザー開発では、小型、高出力、高効率、高ビーム品質の固体レーザー実現をめざして、レーザー増幅特性や熱特性の解析に取り組み、併せて新しい冷却方式を開発
して、kW 級出力を達成しました。また、多ビーム構成により更なる高出力を実現するた
め、独自のコヒーレントビーム結合方式をファイバレーザー増幅器に導入し、高い結合効率を実証しました。
レーザー探傷技術開発では、SIP（戦略的イノベーションプログラム）「レーザーを活用した高性能・非破壊劣化インフラ診断技術の開発研究」に参画し、山陽新幹線トンネル
における内部欠陥検出実地試験での成果をベースにして、探傷技術の高速化をめざした研究開発に着手し、実用化に向けて開発を加速しました。また、独自の研究では、トンネル欠陥検出システムの小型化、コンクリートクラック深さの測定、高速道路橋梁の健全性評
価などを継続して進めるとともに、水中でのコンクリート構造物探傷実験に着手しました。
チーム研究でも成果の積み上げを図っています。碍子表面の塩分量計測用に開発してきた可搬型システムとハンドホールド型計測ヘッドや、溶液中に溶存している不純物の遠隔計測をめざすラマンライダーでは、実用機をめざして、システムとしての完成度を高める努力を続けています。紫外ナノ秒レーザーによる CFRP の微細加工、溶液中でのレーザーアブレーションを利用した酸化還元反応とナノ粒子生成、テラヘルツ波を利用した電力設備の欠陥検出、次世代半導体リソグラフィ用 EUV 光源のシミュレーション研究でも順調な進展が見られました。レーザー技術開発室では、産業界からの様々な技術相談に対応するとともに、光学素子の損傷評価や高耐力化の分野で貢献することができました。
今後とも、研究開発活動を積極的に推進し、わが国の産業活力向上に貢献できるよう、
鋭意努力する所存でございます。長年にわたる皆様方のご指導、ご協力に深く感謝申し上
げますとともに、これからも相変わりませず、ご支援、ご鞭撻下さいますようお願い申し上げます。
平成 27 年 7 月
公益財団法人 レーザー技術総合研究所所長
井 澤 靖 和─ 127 ─

ILT2015 年報
平成 27 年 7 月 発行
公益財団法人 レーザー技術総合研究所〒550-0004
大阪市西区靭本町 1 丁目 8 番 4 号
大阪科学技術センタービル 4F
TEL（06）6443-6311（代）