は	
  じ	
  め	
  に	
 
当研究所は、1987 年の創設以来、レーザーおよびその関連産業の振興を図り、我が国の学術の進展と科学技術の発展に貢献することを目的として、レーザーとその応用に関する研究開発、調査、情報の収集・提供、人材の養成などの事業を鋭意推進してまいりました。長年にわたり、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。
基礎研究の成果を産業界に役立てることを使命とし、レーザーの高性能化研究や、電力・原子力、環境・宇宙、物質・材料、生命科学、建築・土木など幅広い分野におけるレーザー応用研究を行ってまいりました。近年は、「次世代素材等レーザー加工技術開発プ
ロジェクト」や「高効率 LPP 法 EUV 光源の実証開発」などの NEDO プロジェクトにも参画し、レーザーの高出力化に寄与し得るビーム結合技術や次世代半導体製造に必須の EUV
光源プラズマの研究を進めています。JR 西日本などとの協力の下で開発してきたレーザ
ー超音波を利用したコンクリート建造物の欠陥検査技術では、昨年のレーザー学会進歩賞に引き続き、今年度は土木学会より技術開発賞を受賞いたしました。省エネルギー化に資する先端材料のフェムト秒レーザー微細加工、レーザーによる遠隔微量分析技術、光学素
子の損傷耐力評価などでは産業界との強い連携の下で研究を進めており、新しい成果が生まれてきています。
平成 23 年度から始まった第 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。「21 世紀は光の時代」ともいわれ、レーザー・光技術は先進科学、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。
このたび研究所年報第 26 巻（平成 25 年度研究成果報告書）を発行いたしました。何卒ご高覧のうえ、ご助言、ご指導下さいますようお願い申し上げます｡
平成 26 年 7 月
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  公益財団法人 レーザー技術総合研究所
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  理事長	
  	
  橋	
  本	
  德	
  昭

ILT2014 �報�Annual Progress Report 2013-2014）
目	
  	
  	
  次
は じ め に	 	 研 究 報 告 書	 レーザーエネルギー研究チーム	
 テラヘルツ波による絶縁材料欠陥診断研究
メタマテリアルによる電磁モードの存在条件研究

14

レーザープロセス研究チーム
CFRP のレーザー微細加工

7

Filled-aperture coherent summation technique for multiple high average power laser beams

11

低温冷却 Yb:YAG TRAM レーザーの時間変化計測
レーザーラマン分光法による変圧器油中フルフラールの分析	
 

15
18

レーザー計測研究チーム
レーザーを用いたコンクリート埋め込みボルトの健全性評価技術の開発
Two-beam probing interferometry: bridge inspection
レーザーを用いた碍子表面塩分計測

22
25
29

レーザーバイオ化学研究チーム
レーザー計測による光活性蛋白質のフェムト秒反応ダイナミクス

34

Ultrafast fluorescence up-conversion technique and its applications to flavoproteins39

液中レーザーアブレーション法によるナノ粒子作製：溶融塩の効果

45

理論・シミュレーションチーム
極端紫外(EUV)光源開発研究
レーザー生成高速電子・イオンを用いたプラズマ加熱
レーザー核融合炉壁のアブレーション
レーザーピーニングの統合シミュレーションによる塑性圧縮応力の評価
	  シミュレーションによるレーザー核融合炉設計研究

50
53
56
59
66

レーザー技術開発室
H25 年度レーザー損傷耐力データベース化試験
新レーザー材料開発

	 
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

70
74
81
101
115
116
121
122
123
124
125
127

研 究 報 告 書�������������������
レーザーエネルギー研究チーム
李

大治、本越伸二
��������������

������
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。しかし光源や検出実験装置としてテラヘルツ時間領域分光法を基にし器ともに適切なものがなかったため、電磁波利用におけた図1に示すような計測装置を構築した。光源にはフェる谷間とも呼ばれてきた。現在、テラヘルツ波の発生方

ムト秒レーザーを用い、テラヘルツ波は光伝導アンテナ法として、様々なものが提案されている 1,2)。大型のシにより発生検出を行っている。チタンサファイアレーザ

ンクロトロン放射設備では、数 10 W のテラヘルツ波のー装置（波長800 nm、100 fs、80 MHz）から出力された発生に成功している。研究用としては、短パルスレーザ

約40 mWのレーザー光は、半透鏡により励起光とプロー

ーと光伝導アンテナを用いた装置が、数 THz の電磁波

ブ光に分けられる。約20 mWの励起光を、放射用光伝導を容易に得られることから現在広く使用されている。まアンテナの5 μm幅のギャップに集光する。アンテナへた、より小型のものとして、量子カスケード半導体素子

10.3 kHz、20 Vppのバイアス電圧を印加することにより、や、非線形光学結晶を用いた差周波テラヘルツ波発生技

テラヘルツ帯の電磁波を発生させる。放射されたテラヘ術などが、積極的に研究されている。一方、テラヘルツ

ルツ波は、口径25 mmの放物面鏡により、平行光に変換波を用いた診断応用では、電子部品、医薬品、文化財なして検出系に伝送する。サンプルを測定するために、集ど非破壊検査装置として実用化が進んでいる。電力設備

光レンズ2枚を設置してビームスポットを作り、ビーム

診断においても、
ケーブル絶縁層、
遮熱コーティング層、スポットにアパーチャとサンプルホルダーを設置した。

塗装下の鋼材発錆など、先行研究が行われている 3-5)。

テラヘルツ波イメージングによる検査・診断を実現する

我々は電力設備用の絶縁材料内部の非破壊検査や半ため、サンプルホルダーは2軸の移動ステージにより走導体内部に隠された欠陥や劣化の検査など、新しい非破査できるようになっている。一方、プローブ光は時間遅壊・非接触センシング技術に関する研究に着手した。本

延ラインを通過して検出用光伝導アンテナのギャップ

文では、透過型計測系を用いた研究の進展状況を報告す

上に集光される。サンプルを透過したテラヘルツ波も検る。

出用光伝導アンテナに集光され、プローブ光と時間的に一致した時にテラヘルツ波電場に応じた微弱電流を発─1─生する。この電流をプローブ光の遅延時間を変えながら

全帯域で 1 に近いことが分かる。一方、FRP の透過性は検出することにより、テラヘルツ波電場の時間依存デー

周波数に敏感で、0.2 THz において透過率が 0.5 である

タを得る。開発したデータ収集・処理・制御用ソフトをが、周波数が上がると急激に減衰する。その他の材料も用いて、テラヘルツ波電場の時間波形を自動的に検出し、FRP によく似た透過特性を示した。
材料の透過性を把握

その波形をフーリエ変換することにより周波数スペク
トルが得られる。更に、サンプル移動ステージと同期することによって、サンプル内部の欠陥や劣化等をイメージ化することが可能となる。図2に実験装置のテラヘル
ツ波の発生部、検出部、集光レンズ、
サンプルステージ、
時間遅延ライン、イメージングソフトの画面などを示す。

�����������������

図 3 各試料の透過性測定

図 2 実験装置写真
電力設備の電気絶縁には、固体、気体、液体など多くの材料が使用されている。本研究では、代表的な 5 種類の材料についてテラヘルツ波透過特性を評価した。サン
プルの厚みはそれぞれ異なり、シリコンゴムが 5 mm、
FRP が 3 mm、PVC が 4 mm、ポリエチレンが 3 mm、エ
図 4 イメージングにより欠陥検出

ポキシが 4 mm である。サンプルが無い場合（参照）と、有る場合（サンプル）で、それぞれ透過伝搬してきたテすることにより、個々の材料に対して適切な測定周波数

ラヘルツ波を計測し、サンプル信号と参照信号の比を算を選ぶことが診断応用には重要である。

出することにより、材料の透過率を求めた。測定した透過率スペクトルを図 3 に示す。0.2 THz 以下で計測され���������������

た信号は、テラヘルツ光学系の物理的サイズの影響によ

テラヘルツイメージングに基づく欠陥検出を行うたり誤差が大きく信頼性がないので削除した。1 THz 以上

めに、模擬欠陥のあるサンプルを用いて測定実験を行っの値もまた、サンプルの吸収により信号対雑音比が低い

た。内部に針の挿入痕（直径0.7 mm）を付けたポリエチ

ことから削除した。図 3 から、ポリエチレンの透過率は

レンと金属針（直径0.7 mm）を挿入したエポキシをサン

─2─プルに用いた。測定間隔を0.25 mmとし、欠陥部を含む

今後、具体的な電力設備を想定し、その劣化診断への10 mm × 10 mmの領域を二次元走査した。図4(a)はエポ

テラヘルツ波の利用と技術的課題に取り組む予定であキシサンプルのイメージである。金属の針はテラヘルツる。
本研究は、関西電力からの受託研究により実施された。

波を透過しないため、強度の違いから検出できている。
図4(b)に示すのはポリエチレンサンプルのイメージでまた THz-TDS 装置構築および測定解析について、大阪ある。針の挿入痕の部分は、屈折散乱等による透過率の大学レーザーエネルギー学研究センターの北原英明氏

違いから確認できている。見かけ上の欠陥幅が実際の欠に多大な御指導を頂いた。この場を借りて感謝したい。

陥幅よりも大きくなった原因は、測定に用いているテラ
ヘルツ波の波長やサンプル走査時の空間分解能の影響

����

である。

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
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�����京，2005．

テラヘルツ波透過特性測定装置を構築し、代表的な絶縁材料の透過スペクトルのデータを取得すると共に、掃3) K. Liu: Applied Physics Letters, 81, 4115-4117, 2002.

引走査装置を導入することによりサンプルの模擬欠陥

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

検出が可能であることを明らかにした。

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

─3─����������������������
レーザーエネルギー研究チーム
大治、萩行正憲 1、宮本修治 2

李1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
2

兵庫県立大学高度産業科学技術研究所られる。本文では、均質で、等方的、線形の負の屈折率

������
通常の物質では屈折率は正であり、その中を伝播する
電磁波は電場、磁場、波数ベクトルの方向が右手系の関媒質から作られた平板を考え、その表面に伝搬する電磁波の存在条件に関する解析結果を報告する。

係になるため右手系物質と呼ばれる。しかし、誘電率と透磁率が共に負の物質は、負の屈折率を有し、その中で������

は電場、磁場、波数ベクトルの方向が左手系の関係を持

まず、図 1(a)に示すように、真空と無限に厚い媒質平つため、左手系物質(NIM)と呼ばれる。このような系は板との二次元スキームを考える。媒質平板は比誘電率

全く新しい光学材料として機能する可能性を秘め、逆チ r と比透磁率  r を有し、負の屈折率媒質の場合には、ェレンコフ放射や逆ドップラー偏移などの特異な電磁比誘電率と比透磁率の実数部が負であり、正の屈折率媒1)気現象を示し、研究が注目を集めている 。最近、これ質の場合には、比誘電率と比透磁率の実数部が正である。

らの人工材料（メタマテリアル）の製作技術で進展が見ビームと電磁波の相互作用では、縦方向の電場成分が主られ、また製作した材料の性能も向上していることから要であるから、理論解析では、縦の電場を持つ磁気的横2-4)波（TM タイプモード）に着目する。図 1(a)に示すスキ、新しい物理現象および新しい応用領域の開拓に向けての努力が始まっている

5-7)。真空と誘電体との境界面に沿って伝搬する表面電磁波は、チェレンコフ型の電磁ームによると、真空領域( x  0 )における、y 方向の磁場成分は下式のように与えられる。

波放射源の開発に重要な役割を果たすことはよく知られていることである 8-10)。一定の速度で誘電体表面を移H y (1 )  Ae   x e jkz(1)

動する電子ビームは、電子の速度と同期した位相速度をk 2   2 c 2 、 は角周波数、c は真空もつ表面電磁波と相互作用し、また、発振条件を満足さ

ここで、 

せれば、電磁波が増幅されて空間に放出される。そのた中の光速度、 A は係数である。一方、媒質領域( x  0 )め、表面電磁波の研究は小型の電磁波放射源の開発に重における y 方向の磁場成分は、要であり、特に、大出力テラヘルツ波源への応用研究が活発に行われている。A.V. Kats らは、異なる材料の界面で励起される電磁現象を研究し、負の屈折率媒質の表面に電磁波が存在する条件を導出した 11)。しかしながら、その条件は誘電率と透磁率への要求が厳しすぎるので、小型電磁波放射源の開発には適用できないことがわかった。この問題を解決するために、我々は媒質平板の下に完全導体の基板を使う発想を提案した。完全導体の基板を利用すると、電磁界の境界条件が変わり、それにより誘電率と透磁率への制限を緩めることが可能と考え─4─

図 1 平板モデル概念図（(a)完全導体基板なし、(b)完全導体基板あり）

H y( 2 )  Be  x e jkz(2)

ドは誘電率と透過率の狭い領域でのみ存在できることがわかった。誘電率と透過率の制限により、負の屈折率と表される。ここで、   k 2   r  r  2 c 2 、 B は媒質で小型チェレンコフ型電磁波放射源を実現するの係数である。電磁波の表面モードは、 x  0 の境界面かが非常に難しいことがわかる。この限界を大幅に緩和す

ら離れるにつれて指数関数的に減衰する特徴があり、こるために、図 1(b)に示すような完全導体基板を付ける構れにより  0 と   0 の条件が得られる。他の電磁場造を考える。導体基板に入射する電磁波が反射されるこ成分は(1)と式(2)を用いてマクスウル方程式式の関係かとで電磁的境界条件が変化する。それにより表面電磁波

ら求めることができる。

存在の制限を大幅に改善することが可能である。完全導電磁場の各成分を用いて電磁界の境界条件を導入す
ると、表面電磁波の分散方程式が導出される。

r


 1


体基板を付けた構造において、媒質中( x  0 )での y 方向の磁場成分をH y( 2 )  ( C cos(  x )  D sin(  x )) e jkz

(3)

(5)

と書き直す。ここで、   r  r  2 c 2  k 2 、 C とこれにより z 方向の伝搬定数 k を推定できる。

D は係数である。そうすると、表面電磁波の分散方程式は次の式のように導ける。
k2  2  r ( r   r )c2
 r2  1

(4)

r


 tan(h)(6)

電磁波の伝搬条件 k  0 、および表面モードの減衰条件
  0 と   0 により、表面電磁波が存在するための誘ここで、 h は媒質平板の厚みである。前述の処理と同電率と透磁率への要求条件が導出できる。それは図 2様に、 k  0 、  0 、   0 の条件から表面電磁モーのグレーの領域で与えられる。図 2 より、表面電磁モードの存在条件を求めることができる。

 r r  1(7)

これを図 2 のストライプ領域に示す。予測の通り、グレー範囲に比べてストライプ領域の方が広くなり、従来の表面電磁波存在の限界が突破された。正の屈折率媒質による表面電磁波についての研究 8-10)が既に行われているが、負の屈折率のほうはまだ開拓されていない。次に、負の屈折率媒質において、  r  r  1 の範囲で表面電磁モードを実際に求める。

㸱㸬ᩘ್ィ⟬
図 2 誘電率と透磁率における表面電磁波存在条件（グレーは基板なし、ストライプは基板あり）

一般的に、負の屈折率媒質の比誘電率と比透磁率はDrude モデルで与えられる。
─5─ r ( )    p㸲㸬ࡲ࡜ࡵ

(8) (  i c )負の屈折率媒質平板による表面電磁モードの存在条
件に関する解析を行った。表面電磁波の分散方程式を導ここで、  p はプラズマ周波数、 c は衝突周波数、
9   1 である。計算例として、ωp = 32π × 10 rad/s、
4

出し、数値計算の手法を用いて分散方程式を解き、分散関係を求めた。
それにより、
完全導体基板を使うことで、Hz を採用し、  r   r と仮定する。また、従来の誘電率と透磁率への制限を大幅に緩和できるこ

本文の解析では、媒質中での電磁波のロスを考えない。

とが明らかになり、  r  r  1 の範囲に表面電磁モード

プラズマ周波数以下の電磁波周波数に対応する比誘電が存在できることが明らかとなった。負の屈折率媒質を率と比透磁率は負数になる。

用いた小型かつ大出力チェレンコフ型電磁波放射源の c  10誘電率と透磁率の Drude 式(8)を分散方程式(6)に代入

開発 12)が可能になると考えられる。

し、数値計算の手法を用いて方程式を解くと、表面電磁モードの分散関係を求めることができる。この計算では、媒質平板の厚みを 2 mm とした。その時の負の屈折率を本研究の一部は科研費(24560057)と光科学技術振興財団からの研究助成により実施した。

有する媒質平板に局在する表面電磁波の分散関係を図3 に示す。そこには二つの分散カーブがあり、それぞれ

ཧ⪃ᩥ⊩

基本モードと二番目の高次モードを表す。比較のために、

1) V.G. Veselago: Sov. Phys. Usp. , 10, 509-514, 1968.

正の屈折率媒質(PIM)(  r  10,  r  1 )平板に対しても

2) R.A.Shelby, D.R.Smith, S.Schultz: Science, 292, 77-79, 2001.

計算を行った。基本モードの分散曲線を同図に赤い曲線

3) H.-T Chen, W.J. Padilla, J.M.O. Zide, A.C. Gossard, and A.J.

Taylor: Nature, 444, 597-600, 2006.

で示した。また、電子ビームとの相互作用を表現するた
めに、100 keV エネルギーの電子ビームに対する、電子

4) K. Tkano, T. Kawabata, C. Hsieh, K. Aklyama, F. Miyamaru, Y.

の速度 vb と  kvb の関係を図 3 の青い線で示す。こAbe, Y.Tokuda, R. Pan, C. Pan, and M. Hangyo: Appl. Phys.

の直線と各分散曲線との交点が、電子ビームと電磁モーExpress, 3, 016701, 2010.

ドとの同期点を表す。同期点では、電子の速度が電磁波

5) D. R. Smith,W. Padilla, D. C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, and S.

Schultz: Phys. Rev. Lett., 84 ,4184-4187, 2000.

の位相速度と等しく、電子ビームと電磁波との相互作用が可能であることを意味する。そのため、交点或いは同

6) C.G. Parazzoli, R. B. Greegor, K. Li, B. E. C. Koltenbah,M.

Tanielian: Phys. Rev. Lett., 90, 107401, 2003.

期点に対する周波数が一定のエネルギーの電子ビーム
による励起された電磁波の周波数と考えられる。

7) A. A. Houck, J. B. Brock, and I. L. Chuang: Phys. Rev. Lett., 90 ,

137401, 2003.
8) H.L. Andrews and C. A. Brau: J. Appl. Phys., 101, 104904, 2007.
9) D. Li, G. Huo, K. Imasaki, M. Asakawa: Nucl. Instr. Meth. Phys.,

A606, 689-692, 2009.
10) I.J. Owens and J. H. Brownell: J. Appl. Phys, 97, 104915, 2005.
11) A.V.Kats, Sergey Savel’ev, V.A.Yampol’skii and Franco Nori:

Phys. Rev. Lett., 98, 073901, 2007.
12) D. Li, M. Hangyo, Z. Yang, M.R. Asakawa, S. Miyamoto, Y.

Tsunawaki, K. Takano, K. Imasaki: Nuclear Instruments and

図 3 表面電磁モードの分散関係曲線

Methods in Physics Research, A 637, 135-137, 2011.

─6─

CFRP ���������
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、前田佳伸 1
1

近畿大学理工学部

������

る。また、熱膨張係数は一般的な金属材料に対して 2 桁

次世代エンジニアリング材料として注目されている

低く、ほとんどゼロである。さらに、優れた電磁波シー

CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic:炭素繊維強化樹脂

ルド特性を有しており、金属部材の代替に適した樹脂材

複合材料）に対するレーザー加工の適用可能性について料であると考えられる。

研究を進めている 1,2)。CFRP は炭素繊維を積層し樹脂でこのような炭素繊維の特性を活かすことで、“軽量固めた構造であるため、樹脂が何らかのダメージを受け化”は二次的な効果と考えてもいいぐらいのメリットがると層間剥離が生じて強度が低下してしまう恐れがあ得られる用途が期待される。炭素繊維の直径は 7 〜

る。基本的に熱加工であるレーザー加工の場合は、炭素10μm で、髪の毛の約 1/10 の太さであり、5〜10 層を繊維の昇華温度よりも一桁低い融点をもつ樹脂が先に積層しても厚さ100 μm程度である。
10層も積めばCFRP

溶融し、炭素繊維と樹脂の間に隙間が生じたり炭素繊維としての特性が充分発揮されることが期待される。前述が露出してしまうことが問題となっている。樹脂が熱的のような特徴を活かせば、極薄の CFRP は精密な微細構

ダメージを受けた領域は HAZ（Heat Affected Zone：熱造体を形成するのに適している材料と考えられる。

影響領域）と呼ばれ、10 〜 100 μm 以下に抑制するこ

CFRP は金属とは異なり、フォトリソ、化学エッチングとが求められている。

による微細加工が困難であり、パルスレーザーによる直我々は、超短パルスレーザーを用いることで CFRP の接描画、精密微細加工が重要となる。

レーザー加工に伴う HAZ を最小限に抑制できることを示してきた 2)。しかし、市販の超短パルスレーザーの出������������������

力は一般的に数 W レベルであり、輸送機器等の構造材

CFRP のレーザー加工における PAN 系と PITCH 系のとして用いられる厚さ数 mm の CFRP を切断するのに比較を行うために、波長 266 nm、パルス幅 35 ps のレー要する加工時間は産業応用とはほど遠いものであった。

ザーを用いて CFRP の切断実験を行った。レーザーパワ

そこで、超短パルスレーザーの高品質な加工を活用する

ーを 0.5 〜 2 W、繰り返し周波数を 25 〜 100 kHz と変ために、厚さ数 100 μm の極薄 CFRP の微細加工に着目化させ、厚さ 250 μm の CFRP に焦点距離 100 mm のレすることとした。炭素繊維は「軽くて丈夫」という特徴

ンズを用いてレーザー光を集光照射した。CFRP 試料は以外にも、数々の熱的・機械的な優れた特性を有してい

図１に示す様に直進ステージまたは高速モーター上にる。

固定した。直進ステージを用いた場合は 10〜40 mm/s

炭素繊維は、ポリアクリルニトリルを炭素化して得られる PAN 系とコールタールなどを原料として得られる
PITCH 系に大別される 3)。PAN 系炭素繊維は高強度でしなり易いという特徴から、自動車車体、航空機、ゴルフシャフト、テニスラケット等に広く使われている。一方で、PITCH 系は繊維軸方向に高度に配向した黒鉛結

図 1 レーザー光の掃引方法；(a) 直進ステージを用い晶であり、熱伝導率が高く放熱部材として利用可能であ

た低速掃引、(b) 高速モーターを用いた高速掃引

─7─

図2 PAN系クロスCFRPを低速で直線加工した際に観察される熱影響層（矢印部分）の SEM 像。(a) 炭
素繊維と垂直に加工、(b) 炭素繊維と平行に加工の掃引速度で試料を直線加工し、高速モーターを用いた

図 3 PAN 系炭素繊維と平行に直線加工した場合の繊場合は 1500 mm/s の掃引速度で試料を円形に加工した。

維露出幅の掃引速度依存性。

円形加工の半径は 10 mm であった。用いた高速モータ
ーの回転部分は中空シャフト形状をしており、試料を貫通切断した後のレーザー光はそのままモーターを通過するようになっている。CFRP 試料の形態としては、
PAN 系クロス、PAN 系一方向、PITCH 系一方向の 3 種類を用いて実験を行った。

 ప㏿┤⥺ຍᕤ࡟࠾ࡅࡿ 3$1 ⣔ &)53 ࡢ⇕ᙳ㡪㡿ᇦ
図 2 に PAN 系クロス CFRP を低速で直線加工した際に観察される熱影響領域（HAZ : Heat Affected Zone）のSEM 像（矢印部分）を示す。ここでは、CFRP の樹脂

図 4 PAN 系炭素繊維と垂直に直線加工した場合の繊が蒸発し炭素繊維が露出した領域を HAZ として測定し維露出幅の掃引速度依存性た。
図3 にレーザーパワーを1 W に固定してPAN 系炭素

存性が繰り返し周波数が高い時に顕著に現れている。掃

繊維と“平行に”直線加工した場合の繊維露出幅の掃引

引速度が遅いほど熱影響領域が大きくなっており、炭素

速度依存性を示す。掃引速度に対する依存性は見られな繊維に対して垂直に加工する場合は局所的な加熱の影

いが、繰り返し周波数が高いほど熱影響領域が拡大する

響が著しいことが分かる。PAN 系炭素繊維の熱伝導率傾向がある。これは、繰り返し周波数が高いほど照射ス

は鉄と同程度であり繊維内での熱伝導は比較的良好でポットの重なりが大きくなり、局所的な加熱が起きていあるが、隣接する繊維間の熱伝導は極めて低い。炭素繊るためであると考えられる。また、繰り返し周波数が高維と平行に直線加工する場合は繊維に沿って熱影響領

いほどパルスエネルギーが小さくなり、炭素繊維の加工域が現れても、そこはレーザー加工によって除去されてしきい値以下のエネルギー成分が増えていることも考しまう。一方、炭素繊維と垂直に直線加工する場合は、えられる。

繊維に沿った熱影響領域がそのまま残ってしまうこと

図4 にレーザーパワーを1 W に固定してPAN 系炭素
繊維と“垂直に”直線加工した場合の繊維露出幅の掃引になる。この傾向はパルスエネルギーが小さいほど、又はピーク強度が低いほど顕著に現れている。

速度依存性を示す。図 3 と異なり、掃引速度に対する依─8─

図 5 PAN 系 CFRP を炭素繊維に対して垂直に加工した試料の SEM 像。繰り返し周波数は 50kHz でレーザーパ
ワーと掃引速度はそれぞれ、(a) 0.5 W、1500 mm/s、(b) 2 W、1500 mm/s、(c) 2 W、40 mm/s

図 6 PITCH 系 CFRP を炭素繊維に対して垂直に加工した試料の SEM 像。画面右側が CFRP 試料。実験条件は
図 5 と同じ ᤲᘬ㏿ᗘ࡟ᑐࡍࡿ 3$1 ⣔࡜ 3,7&+ ⣔ࡢẚ㍑

速掃引することで熱影響領域が無視できるレーザー加

図 5 に PAN 系 CFRP を炭素繊維に対して垂直に加工工を実現できることを示した。高速掃引における加工部

した試料の SEM 像を示す。繰り返し周波数は 50 kHz

周辺の状態はPAN 系、
PITCH 系ともに差が見られない。

でレーザーパワーと掃引速度はそれぞれ、(a) 0.5 W、

炭素繊維の熱伝導率の違いは加工にどのような影響を1500 mm/s、(b) 2 W、1500 mm/s、(c) 2 W、40 mm/s であ与えているのか？ 図 7 に厚さ 250 μm の CFRP シートった。図 5(a)と(b)を比較すると、レーザーパワーが 4 倍から直径 20 mm の円板を切り抜くのに要する時間をレ

異なるにもかかわらず 1500 mm/s で高速掃引した場合

ーザー出力に対してプロットした。図中〔 〕で示したは顕著な熱影響領域が見られない。一方、図 5(b)と(c)

データを除くと概ね、加工時間とレーザー出力の間にはを比較すると、同じ照射パワーでも 40 mm/s の低速掃引
では炭素繊維が露出しており、熱影響領域が確認できる。
同様の実験を PITCH 系炭素繊維に対して行った結果を
図 6 に示す。PITCH 系 CFRP の場合は、低速加工においても炭素繊維の露出が見られない。PAN 系に比べてPITCH 系炭素繊維は熱伝導率が数倍高いために、局所的に熱が溜まることなく加工が行われていることが分かる。

 㧗㏿෇ᙧຍᕤ࡟࠾ࡅࡿຍᕤຠ⋡
前節においては PAN 系、PITCH 系にかかわらず、高─9─

図 7 高速円形加工における加工時間の比較

ルス幅 8ps、繰り返し 200 kHz のレーザーを用いて、波長（1064 nm、532 nm、355 nm）に依存せず 1 mm3/min./Wという値が報告されている 4)。我々の実験で用いたレー
ザーのパルス幅は 35 ps であり、レーザー照射後約 10 psで発生するプラズマの加熱に余分なエネルギーが費やされたために加工効率が低下したと推察される。

�����
図8 高速円形加工において直径20mmの円板を切り抜

パルス幅 35 ps、波長 266 nm のレーザーを用いて厚さくのに要したレーザーエネルギーの比較

250 μmのCFRPをレーザー加工する実験を行った。
PAN
系と PITCH 系の炭素繊維を用いた CFRP の加工特性の反比例の関係がある。〔 〕付きのデータは繰り返し周比較を行い、（1）PAN 系 CFRP は低速掃引において熱波数 100 kHz、パルスエネルギー5 μJ の時に得られた値

影響領域が発生しやすい、（2）高速掃引においてはであり、加工しきい値近傍の照射条件であったため他のPAN 系、PITCH 系共に熱影響領域が無視できる加工がデータ（パルスエネルギー10 〜 40 μJ）よりも加工時可能である、（3）PITCH 系 CFRP は熱伝導率が高いた

間が多くなっている。

めに熱影響は発生しにくいが、PAN 系よりも多くのエ

図 8 に高速円形加工において直径 20 mm の円板を切

ネルギーを加工に要する、ことが分かった。加工に要す

り抜くのに要したレーザーエネルギーの比較を示す。図るエネルギーと熱影響の受けやすさはトレードオフの

7 の（加工時間×レーザー出力）をパルスエネルギー毎関係にあると言える。

にプロットした。図 8 では図 7 中の〔 〕付きのデータは除外している。図 7 で概ね反比例の関係が示されたこ��とに対応して、（加工時間×レーザー出力）のパルスエ

本研究はスペクトロニクス社のご厚意により開発中

ネルギーに対する著しい依存性は見られない。消費エネのレーザーを借用して実施したものであり、関係者各位

ルギーの平均値は PAN 系で 60J、PITCH 系で 180 J であに感謝致します。

った。PITCH 系は PAN 系よりも約 3 倍のエネルギーを要して加工が行われたことになる。これは、PITCH 系

����

炭素繊維の高い熱伝導率によるものと考えられる。

1) 藤田 雅之，染川 智弘 :レーザ加工学会誌, 20, .34-38, 2013.

加工試料上で測定した切り幅 15 μm と切り抜かれた2) 藤田 雅之，染川 智弘，尾崎 巧，吉田 実，宮永 憲明：レ

円板の直径 20 mm から、アブレーションされた体積は
3

0.24 mm と見積もられる。レーザーパワー1 W 当たりのーザー研究, 39, 701-705, 2011.
3) 炭 素 繊 維 協 会 第 24 回 複 合 材 料 セ ミ ナ ー 資 料 、
http://www.carbonfiber.gr.jp/tech/seminar.html.

アブレーションレートは消費エネルギーの平均値から計算すると、
PAN 系で0.24、
PITCH 系で0.08 mm3/min./W

4) A. Wolynskia, T. Herrmanna, P. Muchab, H. Halouic, J.

となる。独シュツットガルト大学で行われた実験ではパ─ 10 ─

L’huillier, Physics Procedia, 12, 292-301, 2011..

Filled-aperture coherent summation technique formultiple high average power laser beams
Laser Process Research TeamHaik Chosrowjan, Seiji Taniguchi, Masayuki Fujita, and Yasukazu Izawa
1．Introduction

drilling applications on CFRP (carbon fiber reinforced plastics)

Powerful lasers with high brightness and good beam

or applications in MEMS (micro-electro-mechanical systems).

quality are increasingly required for many appli-

For such cases, FA CBC designs are preferred, because FA

cations in material processing, medicine, environment

CBC is side lobe free (Fig. 1 (b), bottom), hence better suited

monitoring, etc. To reach higher intensities, one needs

for the precision material processing. Additionally, using side

to increase the output power of the laser beam and atlobe free beam profiles, SH (second harmonics) and TH (third

the same time keep or improve the beam quality.

harmonics) can be also efficiently generated, which are

Within a “High-power laser development for efficientmaterial processing applications” project of NEDO (Newindispensable for some specific material processing
applications.

Energy and Industrial Technology Development Organization

Basically, there are two modes for FA CBC: polarizationof Japan), we are developing single mode, 400 ps - 10 ns

addition and DOE (diffractive optical element) based

adjustable pulse duration, high repetition rate (500 kHz - 1

combinations. Several FA CBC implementations have beenMHz), tunable (1040 nm - 1060 nm) high average power (150

already proposed and realized2, 3). In polarization combination

W - 200 W) laser amplifier units based on Yb-doped LMA

technique, for addition of each 2 beam pairs, 2 detectors, a(large mode area) PCFs (photonic crystal fibers). For final

polarizer cube and a /2 wave-plate are required, making thedesign of a desired laser system with 1.5 kW average output

scaling of the number of beams quite challenging. In single

power, beam combining concept seems to be one of the viable

DOE based FA CBC technique, the requirements on DOE arechoices. The motivation behind it is simple; to achieve higher

very strict (diffraction limited), making DOE fabrication

power, intensity and brightness than is obtainable from a single
laser source. A number of coherent, incoherent and spectralbeam combining techniques have been already proposed1).
Theoretically, for far-field on axis applications, TA(tiled-aperture, side by side alignment of the beams) CBC(coherent beam combining) is better suited, because in contrast
to FA (filled-aperture) beam combining techniques, in thiscase the central lobe intensity I is proportional to ~N2, where N
is the number of amplified beam channels. However, inpractice this method is often impaired by an important factor f- aperture fill-factor, which is in most practical cases
remarkably smaller than unity. As shown in Fig. 1 (a), theFig. 1 (From top to bottom) Near-field, far-field and (x, 0)

appearance of side lobes in far-field (beam focus) due to f < 1intensity distribution profiles for (a) tiled- and (b)makes TA designs disadvantageous for precision cutting andfilled-aperture CBC cases.

─ 11 ─

challenging and very costly. Moreover, in single DOE based
CBC the number of beams is fixed, i.e. to increase the numberof the beams by just one beam, one needs to manufacture a
new DOE suitable for that number. Hence, simple scaling of
the beams number in CBC based on a single DOE is
impossible. Finally, when multiple DOEs (50/50 beam
splitters) have been used, multiple detectors have been often
employed, like in the case of polarization addition. Here we
propose a single-detector, FA CBC geometry based on half
mirrors design and use of simple “climbing hill” or SPGD
(stochastic parallel gradient descent) algorithms for phaselocking. As a proof of a principle, it is demonstrated for four
low power beams in CW regime. In the final laser systemdesign, 3 CBC units combining four beams each (~600 W
total power per unit) at slightly different wavelengths has beenplanned. In the final stage, outputs of those three CBC units
will be combined by SBC (spectral beam combination)

Fig. 2 Schematic diagram for 4 beam FA CBC apparatus.

technique, eventually delivering more than 1.5 kW average

PM1 - PM3 - phase modulators, BS - beam splitters, PD

output power beam for material processing applications.

- photo-detector.

2．Experimental

We have tested two algorithms; one is based on discrete

Laser beam from a master oscillator (1064 nm, d ~ 2 mm)

Bernoulli distribution with zero mean value dithering SPGD,

was split into four channels and aligned again in FA design as

and another is based on quasi-two dimensional diagonalshown in Fig. 2. All four beams imitate “amplified” beams toclimbing hill logic on the power-phase map. Here we will

be combined coherently. The “amplification process” in each

describe only the Bernoulli distribution based algorithm.

channel will induce independent time variations of beam

Briefly, Bernoulli distribution is a discrete probability

phases due to thermal, mechanical and non-linear optical

distribution which takes value 1 with success probability andeffects. To compensate and lock the phases between the beams,

value 0 with failure probability. At an arbitrary starting point,a single photo-detector (PD) was placed in the path of thewe supply small voltage with the same amplitude (|Vi|) to all

diagnostics (<< 1%) beam after the last beam splitter. The

three piezo-actuators (PM1-PM3, Fig. 2). The voltage sign tosignal captured by the fast PD was used as a feedback control

each PM, however, is applied in such a way, that the mean

signal to piezo-actuators (PM1 - PM3) located on the paths ofvalue of the applied voltage to each PM over many iteration

three beams. The fourth channel was used as a reference beam

steps remains zero. For the three PMs (N = 3), there are eightand its phase was not controlled. The PD signal was

possible combinations (2N = 8) and four possible dithering

maximized by a feedback loop to PMs using simple “climbing

pairs ensuring zero mean values. After the first dithering step,hill” algorithms. In contrast to TA CBC4), no aperture in front

the PD signals for positive (P+) and negative (P-) movementof the PD is required for the presented FA CBC method.

directions are captured. For the next step, the control algorithm─ 12 ─

uses the following recurrent formulae (1) and makes a guessshows an example of the phase locking convergence, stability

for the magnitude and direction of the “Bernoulli voltages” toand bandwidth for four beams CBC in CW regime. Typicalbe applied to each PM.

values for piston phase RMS deviation and phase locking
convergence time were estimated to be ~/100 and ~0.1 s,(1)𝑉𝑉𝑖𝑖 = 𝑉𝑉𝑖𝑖,𝑛𝑛−1 + γ ∗ 𝛿𝛿𝛿𝛿𝑖𝑖 ∗ (𝑃𝑃+ − 𝑃𝑃− )respectively. The same CBC scheme and algorithms can beused also for high repetition rate (> 500 kHz), sub-ns or longer

Here, Vi, n is the “Bernoulli voltage” applied to the i PM at the

duration pulse beams. This can be achieved by adjusting

nth iteration.  is the gain constant, Vi is the dithering voltage

temporal overlaps of the pulses in all four beams and by

for the ith PM and P+ and P- are the PD readings for positive

simply keeping the bandwidth () of the single

and negative movement directions, respectively. In this way

photo-detector well below the pulse repetition rate, averaging

the PD signal is maximized and the (P+ − P-) difference isthe captured signal over many pulses and maximizing it byminimized. Eventually, the system converges and reaches the

SPGD algorithms.

thmaximum PD value. It is kept there as long as the algorithm is

The CBC efficiency S (Strehl ratio) for the present systemrunning. The whole described process continues indefinitely.

was estimated to be ~0.9 (Fig. 4). The RMS deviation of the

As a result, the phases of all beams are locked and the output

piston phase was roughly estimated to be ~/100, which

formed by them behaves as a single coherent beam. Figure 3

accounts for less than 1% of the CBC efficiency drop. The
remaining drop was caused by the power imbalance between
individual beams, divergence, pointing, overlap mismatches
and wavefront distortions of the individual beams. Several ofthese factors causing the efficiency drop in binary-tree FA
CBC have been analyzed theoretically. As an example, twotypical results describing the efficiency drop due to the beam
splitter imbalance and wavefront deformation (small,non-correlated wavefront RMS deviation ( case) are

Fig. 3 4 beams CBC unit’s phase locking convergence, RMS

Fig. 4 (bottom to top) Far-field intensity distribution

deviation and stability (a), and corresponding bandwidth

profiles on a (x, 0) horizontal axis shown for total(Fourier transform) for the construction noise around thepower loss (gray), single beam (black), coherent

laboratory (b). In each graph the red and black lines

combination (red) and maximum possible output

show the cases when the CBC system is “off” and “on”.

(blue), respectively.

─ 13 ─

presented in Fig. 5. The contribution to the efficiency drop

3．Conclusions

from the BS imbalance, as seen from Fig. 5 (a), is quite

For industrial applications of high average power laser

manageable. For example, even for 70% transmission (30%beams in precision machining like cutting/drilling on CFRP

reflection) values for all BSs, the Strehl ratio can be kept

materials, a simple and cost effective CBC scheme using

greater than 0.9, if no other efficiency drop sources exist.

single-detector, filled-aperture coherent beam combining

Similarly, calculations confirm that contributions to thetechnique for CW and high repetition rate ns pulse laser beams

efficiency drop from the power imbalances, spot-sizehas been proposed and demonstrated. Proof of principle

mismatches and lateral shifts of individual beams are notexperiments and efficiency calculations have been performed

critical (not shown here). However, as shown in Fig. 5 (b), thefor four beams coherent combination. The combining

steepest drop in CBC efficiency is expected from theefficiency for the present laser system was experimentallywave-front phase deformations of the individual beams.

estimated to be ~0.9. The proposed CBC technique canNamely, to achieve 0.9 or higher Strehl ratio, one needs toaccommodate kW level average power beams, be integrated

keep the  values of individual beams at /20 or smaller. It is

into various MOPA architectures and perform with high speed

also important to note, that for high average power CBC case,and accuracy. The phase RMS deviation (combining

except phase-front deformations caused by amplifiers, allsensitivity) for the present laser and experimental set-up was

optical components such as BSs and mirrors could also

estimated to be/100. Due to the pieso-actuator bandwidth

introduce wave-front distortions, further reducing theof ~1 kHz, at present we can reach only ~100 Hz phasecombining efficiency5). This, however, is not a CBC-method

locking bandwidth at best. In real amplifier systems the phase

specific efficiency drop, but caused by the FA CBC naturedrift will be faster, so using piezo-actuators is not practical for

itself, which can be essentially considered as a “spatial

single diode CBC and faster phase shifters like electro-opticalcoherence filter”.

modulator (EOM) units have to be employed.

References
1) T. Y. Fan: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum
Electronics, 11, 567-577, 2005.
2) A. Klenke, S. Breitkopf, M. Kienel, T. Gottschall, T. Eidam, S.
Hädrich, J. Rothhardt, J. Limpert, and A. Tünnermann: Opt. Lett.,
38, 2283-2285, 2013.
3) E. C. Cheung, J. G. Ho, G. D. Goodno, R. R. Rice, J. Rothenberg,
P. Thielen, M. Weber, and M. Wickham: Opt. Lett. 33, 354-356,
2008.
4) 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,

Fig. 5 Analysis of beam combining efficiency S (Strehl

2011.

ratio); (a) No wavefront distortions; S dependence
on the beam splitters transmission (or reflection),

5) W. Liang, N. Satyan, F. Aflatouni, A. Yariv, A. Kewitsch, G.
Rakuljic, and H. Hashemi: J. Opt. Soc. Am. 24, 2930-2939, 2007.

(b) No power imbalance; S dependence on noncorrelated wavefront RMS deviation.
─ 14 ─

���� Yb:YAG TRAM �����������
レーザープロセス研究チーム
櫻井俊光、ハイク

コスロービアン、谷口誠治、河仲準二 1、宮永憲明 1、石井伸也 2、
藤田雅之、井澤靖和
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
2

三菱重工業株式会社�� ����

3に示す。
最大出力3 kWのスタックLD光をTRAM（9.8

固体レーザー開発における重要な課題の一つは、レーザー媒質の冷却技術である。Yb:YAG は、Nd:YAGに比べて量子欠損が小さく、本質的に、高効率、低熱損失が期待できる固体レーザー材料といえる。さらに、低温冷却すれば、低い励起入力で大きな増幅利得が得られ、熱伝導特性が向上するため、レーザー媒質の温度上昇を抑えながら、より高い効率と高ビーム品質が可能となる。当研究所では、Yb:YAG を用いた全反射
アクティブミラー方式の TRAM（Total Reflection Active
Mirror）レーザー１） を提案し、高出力レーザーの開発を行ってきた 2-6)。TRAM では Yb:YAG を直接液体窒素

図 1 Yb:YAG の蛍光スペクトルの温度依存性で冷却する方式を採用している。
一方で、Yb:YAG から放出される蛍光スペクトルの形状が温度に依存して変化することを利用して、LD 励
起された Yb:YAG の温度を評価する手法を開発し、レーザー媒質内の空間温度分布の測定を行うとともに、温度解析結果との比較を行ってきた 7）。昨年度はこの手法を拡張し、温度の時間変化を測定できるようにス
ペクトル計測系を改良した。本稿では Yb:YAG 温度の時間変化計測結果について紹介する。
図2 蛍光スペクトルの強度比（1022 nm/1027 nm）と温度の関係�� ������������Yb:YAG 蛍光スペクトルの温度依存性を図1 に示す。
低温では数本のピークが観測されるが、温度上昇とと

at% Yb:YAG, 0.6 mm 厚）に照射した。Yb:YAG 励起面

もにピーク強度が減少し、なだらかなスペクトル形状

での LD 光のサイズは 10 mm×11 mm である。励起領となる。図 2 は、1022 nm のピークと 1027 nm の谷の位域中心部からの蛍光をファイバで導き分光器（Oceans

置での蛍光強度比の温度依存性である。この比を測定

Opt. HR4000、
波長帯域：920－1080 nm、分解能：0.2 nm）することにより Yb:YAG の動作温度を評価できることに入射した。

がわかる。
温度評価のための蛍光スペクトル計測実験配位を図

─ 15 ─

図 3 蛍光スペクトル計測実験配位
図 5 液体窒素の沸騰曲線．A-C：核沸騰領域、分光器付属のソフトウェアを利用して蛍光スペクトル

C-D：遷移沸騰領域、D-F：膜沸騰領域の時間変化を抽出して保存した。実際の計測では、10ms 毎に計測されたスペクトルの3 データの平均値を取

つれて、急激に温度が上昇するタイミングが早くなっ出し保存できるように設定した。スペクトルデータのている。

中から1022 nm と1027 nm を中心とする波長幅0.05 nm

95 K 付近から見られる急激な温度上昇は Yb:YAG を内のデータを平均して、2 波長における蛍光強度比を求冷却している液体窒素が核沸騰から膜沸騰へ移行する

めるソフトを開発した。

ことによるものと考えられる。図 5 は常圧時における液体窒素の沸騰曲線である 5)。図 5 によると、サンプル壁（今の場合は Yb:YAG）と液体窒素の温度差が 20 K ま㸱㸬Yb:YAG ࡢ ᗘୖ᪼࡜ᾮయ❅⣲ࡢἛ㦐ホ౯
図 4 に、蛍光強度比から得られた Yb:YAG 温度の時での間（図中の A 点から C 点の間）は、サンプル壁か間変化を示す。励起用 LD パワーが 331 W 以下では、

ら液体窒素への熱流束は増大するが、C 点を超えると熱

Yb:YAG の温度は LD 照射後数秒から10 秒以内に平衡流束は急激に減少する。これは液体窒素が核沸騰から膜温度まで上昇し、その後ほぼ一定値を保っている。平
衡温度は LD パワーの増大とともに 95 K 程度まで上昇している。一方、LD パワーが 331 W より大きい場合
では、温度 95 K 付近から 110 K 程度まで、急激に温度沸騰へ移行することによる。C 点を超えたところで
Yb:YAG と液体窒素の界面に窒素ガスの膜が生成されて除熱効率が極端に低下することになる。

が上昇する現象が見られる。LD パワーが大きくなるに

図 6 蛍光スペクトルの積分値の時間変化。下部に拡大図を示す。急激な温度上昇時刻を矢印（↑）で示す（図 4 の時刻↓に対応している）

図 4 蛍光スペクトルの強度比から評価した
Yb:YAG 温度の時間変化
─ 16 ─

図 6 は測定した蛍光スペクトルデータを波長 1020

ると考えられる。

nmから1035 nmの領域で積分した蛍光強度の時間変化である。図中矢印で示した時点で蛍光強度のわずかな増大が見られる。この時点は、図 4 に示す温度の時間変化で、急激な温度上昇が見られる時点と同じ時刻である。図 3 に示した実験配位でファイバは、Yb:YAG
からファイバ方向に放出される蛍光成分と、液体窒素
側に放出され液体窒素と Yb:YAG 界面で反射され戻ってくる蛍光成分を受光している。液体窒素が核沸騰から膜沸騰に移行すると液体窒素と Yb:YAG 界面での反射率が変化する。
液体窒素の屈折率 nLN2 = 1.2、窒素ガス（N2）の屈折率 nN2 = 1.0003、YAG の屈折率 nYAG = 1.82 を考慮して
Yb:YAG－LN2 界面の反射強度（IR）は、入射の蛍光強度を Itotal として、�� ���
レーザー媒質の排熱効率を向上させることが高平均
出力レーザー開発では重要な要素技術となる。そこで本研究では、LD 励起時における Yb:YAG 温度の時間変化を計測した。その結果、LD パワーの増大に伴い、温度が 95K から 110K 程度まで急激に上昇する現象が観測された。液体窒素の沸騰曲線と、急激な温度上昇が観測される時点での蛍光強度の変化より、この急激な温度上昇は液体窒素が核沸騰から膜沸騰へ移行することに起因していると推測される。膜沸騰状態では、
核沸騰状態よりも液体窒素の除熱特性が劣化するため、より高出力化をめざすためには、大きな除熱効果が期
待できる冷却技術の開発が重要である。

I���� ⁄I����� � ��n��� � n��� �⁄�n��� � n��� �������で表現される。界面での屈折率変化により蛍光が反射される N2 と LN2 における強度比（ I��� /I���� ）は 0.085/ 0.042 = 2.01 である。界面での反射を含めた全体の蛍光強度比は(1+0.085)／(1+0.042) ＝ 1.041 であり、窒素ガ

1） 古瀬ほか: ILT2010 年報, レーザー技術総合研究所, 2010.
2） 古瀬ほか: ILT201１年報, レーザー技術総合研究所, 2011.
3） 古瀬ほか: ILT2012 年報, レーザー技術総合研究所, 2012.
4） 古瀬ほか: ILT2013 年報, レーザー技術総合研究所, 2013.

スの場合は液体窒素の場合に比べて 4.1%増加する。実5） H.Furuse et al.: Opt. Lett., 34, 3439-3441, 2009.

験で得られた増加率は 4.4%であり、ほぼ計算値と一致

6） H.Furuse et al.: Opt. Express, 20, 21739-21748, 2012.

している。すなわち、急激な温度上昇後における

7） 櫻井ほか: ILT2013 年報, レーザー技術総合研究所, 2013.

Yb:YAG 界面では、液体（LN2）ではなく気体（N2）が8） http://frontier.ltm.kyoto-u.ac.jp/kouginote.html

定常的に生成されている、液体窒素の膜沸騰状態にあ─ 17 ─

࣮ࣞࢨ࣮࣐ࣛࣥศගἲ࡟ࡼࡿኚᅽჾἜ୰ࣇࣝࣇ࣮ࣛࣝศᯒ
レーザープロセス研究チーム
誠 1、永野芳智 1、藤田雅之、井澤靖和

染川智弘、笠岡1

かんでんエンジニアリング㸯㸬ࡣࡌࡵ࡟

には、一般的に絶縁油中のガスやフルフラールを抽出し変圧器は電気を効率よく消費地に送電するために使た後に、ガス・液体クロマトグラフィーにより測定する用される機器である。発電所で発電された電気は発電所

が、変圧器からの採油や対象物質の抽出など時間のかか

内の変圧器によって適切な電圧に昇圧して送電し、途中る前処理工程を必要とする。そこで、油からガスを抽出の変電所や需要家側が設置している変圧器で所要の電することなく、レーザーを用いて直接油中の異常同定物

圧に降圧して利用されている。そのため、変圧器の状態

質の分析手法を開発している。これまでに、絶縁油由来を監視し異常を早期に検出することは、電力設備の信頼の評価物質であるアセチレンガスのラマン分光測定を性を確保するのに不可欠である 1)。

行ってきた 2,3)。アセチレンガスは放電により絶縁物が変圧器では、電圧と電流の大きさを変換する鉄心と巻

非常に高温にさらされた時に発生するため、変圧器の内線が絶縁油で満たされた油入変圧器が一般的であり、変部異常を診断するために重要な測定ガスとされ、本手法

圧器全体の約 90%を占めている。運転中の変圧器内部

では 0.37%の検出限界で油中のアセチレンの評価が可

で異常が生じた際、異常箇所、異常内容に応じて絶縁油能であった。

または絶縁紙が分解され、特有のガス成分や、紙の主成

本報告では、これまでの絶縁油が分解された際に出る分であるセルロースが分解してフルフラールが発生すガス成分だけでなく、絶縁紙が分解させた際に生成するる。これらの物質は変圧器内の絶縁油に溶解するため、

フルフラールに対して行ったラマン分光測定の結果を

この溶存成分を分析することにより、変圧器の内部異常報告する。フルフラールは油のラマンスペクトルと重複を診断することができる（図 1）。油中溶存成分の分析することなく検出できることがわかった。

過熱・放電により周囲の絶縁物（絶縁油・絶縁紙等）が分解
変圧器内を��

絶縁油
C2H4

C2H2

C2H2

変圧器

過熱

C2H6

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

C2H4

油中に
C2H6
溶解

循環

ガス��

鉄 心

絶縁油

コイル

絶縁油

内部異常(過熱)
（放電）

絶縁紙

ガス��
・一酸化炭素・二酸化炭素��物・フルフラール

絶縁油に溶解する

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

抽出物質の分析

図 1 変圧器の絶縁油溶存ガスを用いた従来の異常診断手法

─ 18 ─

内部異常
を診断

油

��油����������������

フルフラールSpectrometer+CCD

2.1 ������

エッジ＋ノッチフィルター

フルフラールは図 2 の挿入図に示すような構造式をしており、アルコール、エーテルなどの有機溶剤には易ビームダンパー532 nm, 100 mJ, 10ns

溶であるが、水やアルカン類には微溶である。もともとSurelite 2ω 1W, 10Hzは透明の液体であるが、水や空気によりすぐに酸化し茶

λ/2

ポララ
イザー

図 3 油溶存アセチレンのラマン分光実験配置図

色に変色する。また、本実験で使用した絶縁油はかんでんエンジニアリング社製のサンオームオイル MU である。組成はナフテン系炭化水素が 41.6%、パラフィン系

マン散乱を測定している。集光光学系には 532 nm のエ炭化水素が 50.0%、芳香族炭化水素が 8.4%である。まッジフィルターとノッチフィルターを挿入し、背景光とた、少量のベンゾトリアゾール（BTA）を添加物としてなる波長 532 nm のレイリー光をカットしている。ファ含んでいる。

イバーで分光器まで導き、液体窒素冷却 CCD カメラで図 2 に新油とフルフラールの透過スペクトルを示す。

測定した。CCD カメラの露光時間は 90 ms である。

透過スペクトルの測定には、分光光度計 U-4100 を用い

図 4 に(a)油、(b)フルフラールのラマンスペクトルをた（石英セル：光路長 10 mm）。測定の波長分解能は 1示す。
500 回積算信号を5 回平均したスペクトルであり、nm である。挿入図には測定を行ったフルフラールを示

波長分解能は 0.27 nm である。(a)油では、～1450 cm-1

す。フルフラールは茶色であることからもわかるようににCH3-CH2 の変角モードの大きな信号が見られ、～1302,

新油に比べて、青～緑領域で吸収が見られる。850 nm

1350 cm-1 に見られる二つの信号は C-H のねじれモードに見られるくぼみは分光光度計の光源を切り替える際と考えられる。また、～1610 cm-1 に見られる信号は芳に見られたノイズである。

香族系の C=C の伸縮モードであり、～2725 cm-1 は C-Hの伸縮モードと考えられる。
図 2 からフルフラールは波長 532 nm に吸収があるた

2.2 油����������������
図 3 にラマン実験配置図を示す。試料油は挿入図に示

めに蛍光が出ることが予想されたが、フルフラールは波すようなΦ3 cm のバイアル瓶に入れた。使用したレー

長 532 nm で蛍光を発しないことがわかる。 (b)フルフ

ザー光は波長 532 nm、パルス幅 10 ns、繰り返し 10 Hz、ラールでは～1372 cm-1 に H-C-C/O の変角モードが見ら

パルスエネルギー100 mJ である。このレーザーを集光れ、～1398 cm-1 が C-C の伸縮モードである。また、～せずにバイアル瓶に照射し、後方約 25°の位置からラ1478, ～1573 cm-1 に見られるラマン信号は C=C の伸縮
モード、～1675 cm-1 に見られるラマン信号が C=O の伸

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

縮モードである 4)。したがって、(a)油のラマンスペクト
新油

Transmittance (%)

ルと比較すると、フルフラールは油由来の信号とは識別
フルフラール

できる～1675 cm-1 のラマン信号を持つことがわかる。
次に油にフルフラールを溶存させたモデル試料のラマンスペクトルを図 5 に示す。スペクトルはそれぞれ3000 回積算信号（露光時間：90 ms）の 5 回平均をとり、

250

400

550
700
Wavelength (nm)

850

1000

図 2 新油、フルフラールの透過スペクトル

波長分解能は 0.23 nm である。フルフラール濃度は液体
クロマトグラフィーで別途測定し、104, 251, 415, 900,

（挿入図：フルフラールの構造式とサンプル写真）

1106ppm である。

─ 19 ─

Intensity (count arb. unit)

1の C=O の伸縮モードが確認でき、油由来のラマン信号(a) Oil0.8と区別して測定できることがわかる。ここで、～1707

0.6

cm-1に見られるフルフラールの信号は図4に示した信号

0.4とスペクトル形状が異なっていることがわかる。このラ

0.2

マン信号は 2 本のピークが重なるダブレットであり、フルフラールと溶媒との濃度の関係によってフルフラー

Intensity (count arb. unit)

011100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700
Raman shift (Δcm-1)(b) Furfural

ルの異性体の割合が変化し 2 本のピーク高さが変化していると考えられる 5)。

0.8
0.6

2.3 ᳨ฟ㝈⏺ࡢ᳨ウ

0.4

ラマン分光では、測定時のレーザー強度のふらつきや、

0.2

光路の状態によってラマン信号強度が変化するために、

01100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700
Raman shift (Δcm-1)

定量評価には同時に取得した濃度が一定である他のラ

図 4 (a)油、(b)フルフラールのラマンスペクトル

マン信号強度との比を用いる。フルフラールの検出限界の検討には図 5 に示した油由来の～1612 cm-1 のラマン

Intensity (count arb. unit)

1

信号とフルフラール（～1707 cm-1）のラマン信号強度と0.8のラマン信号強度比を利用した。
図 6 にフルフラール（～1707cm-1）と油（～1612cm-1）

0.6
0.4

のラマン信号強度比と濃度の関係を示す。測定の誤差は1106ppm
900ppm
415pm
0ppm

0.2

5 回測定の平均値からの誤差で評価しているが、シンボ

01100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700
Raman shift (Δcm-1)
1.41612 cm-1

1707 cm-1

ルに隠れる程度である。0ppm の 1675～1720 cm-1 の直線近似からのずれの標準偏差σの 3σで検出限界を定義
すると 14.4ppm（0.00144%）であることがわかった。
フルフラールを指標とした絶縁紙の劣化診断は注意1レベルで 1.5ppm、危険レベルで 15 ppm（0.0015%）で0.8

ある 6)。したがって、本手法では危険レベルでのフルフ
1106ppm
900ppm415ppm251ppm104ppm
0ppm

0.6
0.4
0.2
0
1500

1550

1600
1650
1700
Raman shift (Δcm-1)

1750

ラールの測定は可能ではあるが、より検出感度の向上が必要である。
0.25

1800

図 5 油溶存フルフラールのラマンスペクトル-1

Raman peak intensity ratio

Intensity (count arb. unit)

1.2

上図が 1100～2800 cm の広帯域なスペクトルであり、

0.2
0.15
0.1
0.05
0
0

下図がフルフラールのラマン信号が見られる 1500～
1800 cm-1 の拡大図である。～1707 cm-1 にフルフラール

図6─ 20 ─

200

400
600
800
Furfural concentration (ppm)

1000

1200

ラマン信号強度比とフルフラール濃度の関係

３．���

機絶縁油測定に向けた研究を行う予定である。

変圧器の異常診断をその場で簡易に行う手法としてレーザーラマン分光法を用いた油溶存物質の検出手法

����の開発を行っている。これまでに波長 532 nm のパルス

1) 石油学会編: 電気絶縁油ハンドブック, 講談社, 1987.

レーザーを用いて絶縁油の分解生成物であるアセチレ

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

ンの油溶存状態でのラマン信号の検出に成功しており、本報告では絶縁紙が分解した際に生じるフルフラール

3) 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.

の油溶存状態での検出に成功した。
本手法を利用すれば、レーザーを油に照射するだけで、

4) T. Kim, R. S. Assary, L. A. Curtiss, C. L. Marshall, P. C. Stair: J.
Raman Spectrosc., 42, 2069-2076, 2011.

その場で絶縁油・紙由来の変圧器の異常を診断することが可能となる。現状のフルフラールの検出限界は

5) G. Allen and H. J. Bernstain: Can. J. Chem., 33, 1055-1061, 1955.

14.4ppm と危険レベルでの検知は可能であるが、今後は6) S. Okabe, G. Ueta, T. Tsuboi: IEEE Trans. Dielectr. Insul., 20,

さらに測定システムの検出感度を向上し、その場での実─ 21 ─

346-355, 2012.

࣮ࣞࢨ࣮ࢆ⏝࠸ࡓࢥࣥࢡ࣮ࣜࢺᇙࡵ㎸ࡳ࣎ࣝࢺࡢ೺඲ᛶホ౯ᢏ⾡ࡢ㛤Ⓨ
レーザー計測研究チーム
島田義則、コチャエフ オレグ、御﨑哲一 1、高橋康将 1、瀧浪秀元 1
1

西日本旅客鉄道株式会社㸯㸬ࡣࡌࡵ࡟

ンネルの中央通路を走行してトンネル覆工コン

近年、高度成長期に建設された構造物の老朽

クリート検査を行える装置の開発を行った 3)。

化が大きな社会問題となっている。鉄道ではトン

レーザー法はトンネル覆工コンクリート検査

ネルの覆工コンクリートが剥落して新幹線のパ

のみならず、トンネル内の下束や照明器具、配ンタグラフや屋根を損傷した事故や、高速道路で管などを固定するためのケミカルアンカボルト

は吊り天井が崩落した事故などが起こっており、の欠陥検査にも適用できる可能性がある。当研

構造物の健全性を効率よく診断できる技術の開究グループではレーザー法を用いてボルト等の発が急務である。

検査技術を確立するために基礎実験を開始した。

現在、健全性の評価には打音検査法（打音法）

本稿ではボルトとコンクリートを接着させるが主に用いられている。ハンマーで構造物表面

ケミカル樹脂量を変化させたコンクリート供試をたたき、健全部と劣化部の音スペクトルの違い体を作製して欠陥ボルトの検出実験を行って、そから劣化部を検出するものである。この手法には、の可能性を確認した 4)。この結果について述べる。

1)

人的および時間的な面でコストがかかることや客観的データに乏しいこと、更に前の検査と比較㸰㸬࣎ࣝࢺᇙࡵ㎸ࡳࢥࣥࢡ࣮ࣜࢺ౪ヨయ࡜ィ ⤖ᯝ

した劣化進行状況（経年劣化）が把握困難である

ケミカル樹脂注入量の違いや削孔が複数あることなどの問題がある。このため、低コスト、高欠陥ボルトなど3種類のコンクリート供試体を用速、高精度で検査できる新しい検査手法の開発が意した。3種類のボルトの違いを図1に示す。ボル

強く求められている。

ト径は24mmφ、削孔深さは360mmでボルトを底ま打音法に代わる検査方法として、レーザーをで挿入した。ボルト“１”は360mmの削孔全てにケ用いた方法（レーザー法）がある。パルスレーザ

ミカル樹脂を注入した健全ボルトである。ボルトーをコンクリート表面に照射して振動を誘起し、“２”はケミカル樹脂注入量をコンクリート面から表面振動をレーザー干渉計で計測して欠陥などを検出する手法で、遠隔かつ非接触で検査が行え、他の方式に比べて検査箇所への高速移動が可能であることや、コンクリート曲面の計測が容易に行えるなどの利点がある。当研究グループではレーザー法の実用化を目指して、検査技術に関する

深さ30mmまでとした樹脂注入量不足欠陥ボルトである。ボルト“３”は斜め方向を含めて削孔が複数本ある試験体で、垂直方向の削孔にのみボルトを挿入し、削孔全てにケミカル樹脂を注入してある。

基礎実験を行い、装置の開発を進めてきた 1-2)。こはじめに、インパクトハンマーを用いて打撃力れまでに、この技術を山陽新幹線トンネルに適用を一定とした場合の各ボルトの振動スペクトル

して、欠陥検出性能を有することを確認した。まを計測した。図2中図にコンクリート供試体を上た、検出システムの小型化に取り組み、新幹線トから見た写真を示す。左側がボルト“３”、右側が─ 22 ─

図 1 ケミカル樹脂注入量やボルト埋め込み長さ等を変化させたコンクリート供試体

ボルト“２”である。ボルト上部の側面を打撃し、卓越振動数を持つ大きな揺れを示した。これよりピエゾセンサーをボルトの頭に取り付けた。図2

ケミカル樹脂注入量不足のボルトは健全ボルト

上図にボルト“３”の時系列波形とその周波数スペと区別することが可能であることが分かった。

クトルを示す。ボルト“３”は健全ボルト“１”と同次にレーザーを用いた計測結果を示す。レーザ

じ1kHzの卓越振動数をもつ周波数スペクトルをー 装置からコ ンクリート 供試体まで の距離 は示した。この結果より、ボルト“１”とボルト“３”7.5mである。図3中図はコンクリート供試体をレ

は周波数スペクトルでは区別がつかず削孔が複ーザーが照射される正面から見た写真で、左側が数でも健全の応答を示すことが分かった。

ボルト“２”、右側がボルト“３”である。衝撃波励

また、図2下図にボルト“２”の時系列波形とそ

起用レーザーには4Jの炭酸ガスレーザーを用いた。

の周波数スペクトルを示す。ボルト“２”は多くのレーザーをボルトに集光照射すると痕が残るた

䇾䠏䇿㻌

䇾䠎䇿㻌

図 2 打音検査法を用いた計測結果
─ 23 ─

䇾䠎䇿㻌

䇾䠏䇿㻌

図 3 レーザーを用いた計測結果
め、ビーム径を30mm程度に広げて照射した。左䠏䠊䜎䛸䜑

側のボルト“２”にレーザー照射位置を示す。ボル

レーザー法を用いてコンクリート埋め込みボル

ト先端から20mm下がったボルト側面に振動検出

トのケミカル樹脂量注入不足欠陥を評価するこ用レーザーを照射した。また、その20mm下に衝とが可能であることを示した。

撃波励起用レーザーを照射した。
時系列波形と周波数スペクトル結果を図3

上

図および下図に示す。ボルト“３”は1kHzに卓越振ཧ⪃ᩥ⊩1) 島田義則，オレグコチャエフ:電気学会論文誌 129-C,

動数が現れ、ボルト“２”は4, 5.5, 7.5 kHz付近に複数の卓越振動数が現れた。この結果は、レーザ

pp.1192-1197, (2009).
2) 島田義則，オレグコチャエフ: レーザー研究、38(10),pp.749-753, (2010).

ー法でも、打音検査法とよく似たスペクトルが現れ、ケミカル樹脂注入量不足のボルトをS健全ボ

3) Oleg Kotyaev: ILT 年報, レーザー技術総合研究所, 2013.

ルトと区別することが可能であることを示して

4) 島田義則，他：第69 回土木学会年次学術講演会予稿集, To be
published, (2014).

いると言える。

─ 24 ─

Two-beam probing interferometry: bridge inspection
Laser measurement teamOleg Kotyaev and Yoshinori Shimada

1．Introduction

is illustrated.

The Laser Measurement Team has gained wide experience

In this idea, interference occurs between two signals formedin laser-based inspection of civil structures 1,2). Photorefractivefrom scattered radiation of the two probe beams. If the distancelaser interferometry has demonstrated very promising

between the two probing points is much less than size of3)

performance in the inspection of transportation tunnels .

bouncing bridge span then these points will be moving almost

However, reliable inspection of bouncing structures, likesynchronously. As a result, interference pattern will be muchtransportation bridges, with the use of conventional ormore stable and measurement of laser-initiated vibration will

photorefractive laser interferometry is hardly possible. In thisbe much easier.

case, interferometry is strongly affected by instability ofActual laser-based inspection system is supposed to be usedinterference pattern, which caused by irregular bouncing of thefor location of defects in the metal-concrete interface on theinspected bridge, especially under heavy traffic conditions. Ifbottom side of the bridge span. Impact beam initiates vibration

total displacement of the probing point on the bouncing bridgein metal plate and probe beams are used for vibration detection.

is about 3 mm and bouncing frequency is about 3 Hz, then the

Useful distance between the probe beams is found to be 5 - 20

conventional interference pattern will be moving with phasecm. It is much smaller than bridge span; and when the span ischange rate up to 100 kHz. It is quite difficult to recognize

bouncing the movement of the two probing points islaser-initiated vibration in the range of several kilohertz overpractically synchronous.
Probe-1 is used as a source of reference wave inthis background.

interferometry. Probe-2 is located close to the point of impact.
2．Two-beam probing idea

If there is no defect in the inspected area then laser impact will

Interferometry based on two-beam probing of inspected

not initiate detectable vibration. However, if some defect exists

area can reduce influence of bridge span bouncing on stability

in the position of impact beam and Probe-2 then vibration willof interference pattern. In Fig. 1, the idea of two-beam probing

be initiated just over the defect area. During the laser-initiatedFig. 1 Two-beam probing inspection of highway bridge.
─ 25 ─

vibration, probing points will have different character oflaser signals obtained in the defect and no-defect cases.

movement: Probe-1 will not move and Probe-2 will move

After successful laboratory tests, the system was preparedwith vibrating surface. This difference in movement can befor the field experiments under real highway bridge. The

easily recognized by detection of resulting interference patternsystem table was installed on the small track and delivered towhich will move with frequency of laser-initiated vibration.

the test site. Figure 5 shows the system under real highway

Actually, power of interference signal in the detection channel

bridge.

will be fluctuating with frequency of laser-initiated vibration.
This fluctuation can be used as a criterion of defectrecognition.
It should be noted that both signals from two probing points
will have speckle character. For effective interferometry it isnecessary to use spatial filtering of the two signals.
3．Laboratory and field tests
The two-beam probing system has been designed
assembled and tested both in laboratory and field conditions. In
Figs. 2 and 3, laboratory setup and one of samples are

Fig. 2 Laboratory setup. Detection distance – 8 meters.

demonstrated. Green (bright) points on the sample surface areprobe positions and red (dim) point indicates impact position.
In this design, CO2 laser impact in thermal mode ispreferable. Pulse duration of 100 ns, impact energy 5 J, andimpact beam spot of 35 × 25 mm were used. In this case, nolaser damage of metal painting takes place.
When impact position and at least one of the probes position
is located over defect area, detectable vibration can be initiatedand detected. In no-defect area, no detectable vibration isFig. 3 A sample with metal/concrete interface.

Spectrum, lin. units

Signal amplitude, V

Signal amplitude, V

Spectrum, lin. units

observed. Figure 4 demonstrates waveforms and spectra ofFig. 4 Waveforms and spectra obtained in the defect (top) and in no-defect area (bottom).
─ 26 ─

system was capable to run inspection procedure without
removing the special protection net which is usually stretchedunder the bridge spans. It was found that despite of 30% lossof impact energy and power of signals after passing throughthe net it was still possible to detect laser-initiated vibration andlocate defect areas.
4．Discussion and conclusions
The two-beam probing technique of laser-based inspection
Fig. 5 Two-beam probing system under highway bridge.

of civil structures has been presented.
Sensitivity of detection is acceptable for the location ofLike in tunnel experiments, previously discovered defects
were used for the system tests. During the experiments, thedangerous defects. Reliable location of real defects in the field
conditions has been demonstrated.

bridge was open for traffic and was heavy loaded all the time.

The technique provides really remote and non-destructive

As a result, field conditions were much more extreme than inprocedure of inspection. The technique does not require

laboratory. However, two-beam probing technique allows toassembling and disassembling special scaffoldings which areoperate even under these tough conditions. Figure 6

necessary for hammer-based inspection.

demonstrates waveforms and spectra obtained in real defect of

In contrast to piezo-based inspection, laser-based techniquemetal/concrete interface of the highway bridge bottom side.

requires very short time for changing impact/detection position.

Like in laboratory, vibration signal can be initiated andIn principle, it is possible to develop inspection system with

detected in real defect situation. In no-defect case, no vibration

high-speed automatic scanning of inspected area and real-timeis detected. Only some signal instability is still observed.

processing of obtained data.
The main problem of the laser-based inspection is keeping

all of them were recognized using the two-beam probing

signal stability. Many factors affect the system performance.

system. The results are considered to be very promising.

The environment and the system itself should be as quiet as

Moreover, additional impressive benefit was revealed: thepossible. Otherwise, protection against mechanical vibration

Spectrum, lin. units

Signal amplitude, V

Spectrum, lin. units

Signal amplitude, V

In these experiments, 6 defect locations were inspected andFig. 6 Waveform and spectrum obtained in real defect (top) and in no-defect area (bottom).
─ 27 ─

collected power of probing radiation scattered by inspected

and acoustic noise is necessary.
Comparison between the two-beam probing technique andsurface may be too low and not sufficient for the recording thephotorefractive interferometry allows to say that the main

efficient dynamic grating. In two-beam probing technique,advantage of photorefractive over two-beam probing

signal power is limited only by dynamic range ofinterferometry is possibility of working with speckled laser

photodetectors.

beams. This fact leads to comparative simplicity of the system

Finally, two-beam probing technique is still affected byalignment. To realize interference and to record the dynamic

speckled character of working signals. In spite of the fact thathologram it is necessary just to intersect two signals inboth signals are spatially filtered, signal intensity after spatial

photorefractive crystal. In contrast, the two-beam probing

filters is randomly fluctuating. This leads to narrowing the timerequires spatial filtering of both interfering signals. That means

windows where it is possible to collect and process theit is necessary to take care of very accurate alignment of beaminspection data.
Generally, both techniques can find their appropriate

paths through spatial filters, and to keep this alignment in theapplications. Our team keeps working in both directions. Now,

field conditions.
The main disadvantage of photorefractive interferometry is

one of the main tasks is development of inspection algorithm

insidewith automatic scanning, real-time data processing and reliable

photorefractive material. Recording the dynamic grating withdefect recognition. Another task is speeding up the inspection

high diffraction efficiency takes certain time: for example,

procedure.

non-linear

character oflaser beam mixing

15-20 ms in BSO crystal. This fact limits the field of
application of this technique. For example, it is practically

References

impossible to use photorefractive interferometry for the1) O. Kotyaev, Y. Shimada. ILT Annual Progress Report, 2013.

inspection of highway bridges under heavy traffic conditions.

2) O. Kotyaev, Y. Shimada, K. Hashimoto. Laser-Based

The two-beam probing technique is free of these problems.

Non-Destructive Detection of Inner Flaws in Concrete with the

And it can be used effectively for inspection of unstable

Use of Lamb Waves, Proceedings of the 9-th European

structures.

Conference on Non-Destructive Testing. Berlin, Germany, 2006,

As well, it should be remembered that one of the mostp.23,

important conditions of realization of reliable photorefractive3) Y. Shimada, O. Kotyaev, N. Misaki et al. Development ofinterferometry is forming the signal with intensity which is

Laset-based Remote Sensing System for Detecting Concreteenough for recording the efficient dynamic grating. In field

Defects. Journal of the Japan Society for Non-destructive

conditions, when the inspection distance is 5-10 meters,

Inspection, 61, 519-524, 2012 (in Japanese).

─ 28 ─

䝺䞊䝄䞊䜢⏝䛔䛯☀Ꮚ⾲㠃ሷศィ
レーザー計測研究チーム
谷口誠治、島田義則、本越伸二、岸田知門
閾値の違いはあるものの同様の現象が起こることが明������
碍子は絶縁保持のため発変電所や送配電システムでらかとなった（図 2）。藤吉らも基本波での碍子のダメ数多く用いられている。碍子は野外に設置されることがージ閾値を同様に計測しており、その値は 1.03J/cm2 と、多く、その表面には塩分が付着しやすいため定期的に付

我々の値とほぼ一致する。碍子釉薬の主成分がガラスで着量を計測し、一定値を超えた時点で洗浄を行うことにあることを考慮すると、近赤外〜近紫外の波長領域のレより閃絡事故を防いでいる。塩分付着量の計測には筆洗ーザー光は碍子内部まで透過し、釉薬層と碍子本体の融（ふであらい）法 1,2)（ハンド測定）を用いるのが一般

着面を破壊するものと考えられる。さらに、我々の実験的であるが、この手法は蒸留水で付着した塩分を完全にでは碍子表面に塩分付着がない条件にもかかわらず、レ

洗い流すのに熟練が必要で、手間もかかるという課題がーザー照射により碍子表面でナトリウム発光がみられある。
そこで当研究所では、レーザーを用いてより簡便、ることも明らかとなった。釉薬には酸化ナトリウム

迅速に付着塩分量の計測を行う手法を開発し、かつ実用（Na2O）がわずかに（~0.1%）含まれていることから、的で安価な計測装置を作製することを目標に研究を進

レーザーエネルギーの一部が釉薬内のNa2Oを熱励起すめてきた。
レーザーを用いた碍子付着塩分量計測法の開発に関しては、藤吉（九大）らによる先行研究がある 3）。彼
らはナノ秒パルスYAG レーザーの基本波を光源に用い、
碍子表面にレーザーを集光して付着した塩分（塩化ナトリウム）を蒸発、解離させ、ナトリウム原子からの自然図 1 ナノ秒パルス YAG レーザー（1064nm,

放出（D 線、〜589nm）のピーク強度を PMT（光電子

1.5J/cm2）照射時に碍子表面に発生す増倍管）により計測して付着塩分量（密度）を求める手るダメージ法について検討しており、碍子に人工的に定量の塩分を付着させた試料を用いた実験において、塩分密度
0.005~0.1mg/cm2 の範囲内では塩分密度とナトリウム D
線の強度が線形関係にあることを明らかにした。しかしながらこれ以後は、続報や実用化例などは報告されていない。このことから我々は、まずこの手法の検証を行う
ため、実際に屋外で使用されている碍子を用い、碍子表��� ����
���������� ����
���������� ����
�����

面へのナノ秒 YAG レーザー（1064nm）照射実験を行った。その結果、レーザー光強度が大きくなると碍子表面がダメージを受け、碍子表面に塗布された釉薬が剥離することが明らかとなった（図 1）。また YAG レーザーの高調波（355、532 nm）を用いた場合にも、ダメージ─ 29 ─

図 2 照射波長に対するダメージ閾値の変化 5）（N-on-1 方式 6）での観測値）

るものと考えられる。一方、藤吉らの報告では、0.8J/cm2の条件で洗浄後の碍子を用いた計測を行い、ナトリウム発光が計測されたと報告しているが、彼らはこの結果を
碍子表面洗浄し残した塩分に起因するものとしており、釉薬中のNa2O が発光する可能性については言及していない。また、彼らは塩分塗布剤として食塩水に砥の粉を混合した

光ファイバー

水溶液を用いていることから、おそらく表面に塗布された砥の粉がレーザーエネルギーを吸収する役割を果た
し、付着塩分の発光のみを観測できたものと考えられる。

プレパルスレーザー

しかしながら実際の碍子では、砥の粉のような大きな粒

図3 ダブルパルスレーザーを用いた付着塩分計測

子がない場合にも、碍子表面に直接塩分が付着する状況

法の原理図が多くみられる。これらのことから我々は、YAG レー
ザーを用いたシングルパルスによる塩分計測法は碍子
のダメージを誘発する危険性が高いと判断し、新たな手法として、2 本のパルスレーザーを用いた塩分計測法（ダブルパルス方式）を考案し、その開発に着手した。

図 4 プレパルスレーザー（CO2 レーザー）

計測原理を図 3 に示す。この方式では、まず低強度のパルスレーザー（プレパルスレーザー）を碍子表面に照射付着させた碍子（塩分密度〜0.05mg/cm2）へ照射したとして付着した塩分のみを飛散させる。その後遅延時間をころ、碍子表面にダメージを与えることなく付着塩分の制御した高強度のパルスレーザー（メインレーザー）をみを飛散させることに成功した。また、この照射条件で飛散塩分に集光照射してナトリウムを発光させ、その強はNa2Oによるナトリウムの発光も観測されないことも度から付着塩分密度を計測する。この方式で重要となるがわかった。短パルス化した条件ではこの出力がほぼ最のは、プレパルスレーザーの選択である。碍子表面に付大であるため （max. 3.3mJ/pulse）ダメージ閾値は明確着した塩分を飛翔させるには、紫外領域のレーザーを塩ではないが、少なくとも塩分を飛散させるために必要な分に直接吸収させる方法、あるいは赤外領域のレーザー

エネルギーはナトリウムの発光やダメージを与えるたを吸収性が高い碍子表面のガラス成分や塩分に含まれめに必要なエネルギー値よりも低いものと考えられる。

る水に吸収させ付着塩分を加熱する方法があるが、本研

一方、メインレーザーは空気中で集光するため碍子にダ

究では、レーザー装置の価格や安全性、可搬性なども考

メージを与える懸念がなくYAG レーザーを用いること

慮して、赤外領域（波長約 10μm）の CO2 パルスレーザが可能であるが、飛散した塩分を燃焼させるため、レンー（図 4）を採用した。しかしながら、CO2 レーザーは

ズ集光時に109 W/cm2 以上の強度を出力する光源が必要

釉薬内のガラス成分に主に吸収されるため、強度が高いである。

場合には碍子表面が融解することによるダメージが入次の段階として我々は一昨年度、プレパルスレーザー

る。これを防ぐため、我々は装置の回路設計の見直しやに自作した CO2 レーザーを、メインレーザーには上記

ガスの混合比、気圧などを調整してレーザー光を短パルの条件を満たし、かつ小型のレーザーであるマイクロチ

ス化（〜100ns）し、碍子表面の長時間加熱による影響

ップレーザー（浜松ホトニクス、レーザー出力 0.3mJ、（融解など）を抑制した。このレーザー光を低強度

パルス幅 2ns）を用いてそれらを組み合わせた可搬型の（3mJ/pulse、~0.6 J/cm2）で食塩水のみを用いて塩分を付着塩分計測装置を作製した。またこの装置を用いて一─ 30 ─

定期間野外で自然汚染させた碍子（曝露碍子）の付着塩
分密度計測を行い、筆洗法で求めた塩分密度値と比較したところ、定量的にも比較的良い一致が見られたことか
ら、本手法の有用性が示された 4)。しかしながら、一昨
年度に作製した装置は、レーザー照射および発光計測用の光学系を配置した計測ヘッド部を CO2 レーザー（重量約 10kg）の出射口に直接取り付けたため、計測時に図 5 計測機器構成

は碍子（重量約 5kg）の位置を動かす必要があり、計測点を増加させるためには長い時間が必要、という難点もあった。このことから昨年度（平成 25 年度）は、より簡便で迅速な計測を可能にするため、CO2 レーザーと計測ヘッド部をファイバー伝送により分離して操作性を高めた装置（ハンドホールド型）を新たに製作した。本
稿では、装置の概要、および本装置を用いて曝露碍子の塩分密度計測を行いその性能を評価した結果について
図 6 レーザー計測器電源部

報告する。

㸰㸬ィ ⿦⨨
計測機器構成を図 5 に示す。プレパルスレーザーを
碍子表面に垂直入射して付着塩分を飛翔させ、特定の遅延時間後にメインパルスレーザーを碍子表面の手前1mm に焦点がくるように斜め方向から集光入射してナ

図 7 計測ヘッド部

トリウム発光を発生させた。図 3 に示すように、本来メインレーザーの照射方向は試料面に対して平行である

AC100V の電源が確保できれば屋外での計測も可能でのが理想的であるが、集光用レンズには径 4.7mmφ（厚ある。計測ヘッド部はプレパルス光をファイバー伝送す

さ 3.5mm）のものを使用しているため、試料との接触面ることによりCO2 レーザーを計測ヘッド部から分離し、からはみ出さないようレンズに角度をつけてある。ただ手で持つことが可能な形状に改良したものである（ハンし、レンズの有効焦点距離は 6.1mm と短く、焦点通過

ドホールド型）。これにより装置の操作性は大きく向上

後のメインレーザーはエアーブレークダウンによる大し、ヘッド部を動かして碍子表面に接触させることが出

幅な強度の減少と光径の広がりが同時に起こるため、メ来るようになったため（図 8）、計測点 1 点あたりに要インレーザー自体が碍子表面にダメージを与えることする時間を大幅に短縮できるようになった。

はない（図 9）。発生したナトリウムの D 線は光ファイ

模擬試料（スライドガラスに一定濃度の食塩水を塗布

バーを通してマルチチャンネル小型分光器（USB 2000+、

して乾燥し塩分を付着させた試料）を用いた計測例を図オーシャンオプティクス）に導くことにより分光し、そ9に示す。塩分付着がない場合にはメインインパルスレの発光強度を計測した。装置写真を図 6 に示す。計測ヘーザーによる大気ブレークダウン光のみが観測される。

ッド部（図 7）および電源部等をキャリーケース内に納スライドガラス内にも通常、Na2Oが成分として含まれめることができるため装置の運搬が容易であり、ていることから、この結果は、Na2Oに起因するナトリ─ 31 ─

ウム発光が発生しないことを示しており、プレパルスレ

144点の計測データを取得した。計測点によってはナト

ーザーおよびメインレーザーが試料に直接ダメージをリウム発光が得られない箇所もあるが、塩分は碍子上に与えることがないことを示している。一方、塩分が付着

不均一に（まばらに）付着していると考えられるため、した試料では、ナトリウム D線の発光ピーク（590 nm

それらの結果は計測点に塩分付着がないものとして含付近）が塩分密度に依存した形で検出されていることがめた。得られたデータは碍子の表面積を考慮した上で平わかる。また、通常2ピーク（589nm, 589.6nm）生成す

均化し、碍子全体の塩分密度を示す値とした。基準となるナトリウムD線が実験では1ピークしか観測されないる曝露碍子全体の付着塩分密度は、レーザー計測後に同が、これは分光器の分解能によるものであり、実際の計じ碍子を筆洗法により求めた。曝露碍子には塩分だけで測に大きな問題はないと考えられる。

なくさまざまな塩類が付着しているが、濃度計測にはNaイオンメーターを用いており、碍子上に付着したナトリウム塩濃度とD線のピーク強度を直接比較できる。
両計測値を比較した結果を図9に示す。両計測値はほぼ比例関係にあるため、検量線を作成することにより付着塩分の計測ができる。また測定可能域については密度約0.002 mg/cm2の付着塩分が検出できている。碍子洗浄が必要な密度は0.03 mg/cm2 であるため、本装置を用いれば少なくともその10分の1以下の低密度の計測が可能で

図 8 作製した装置による碍子表面塩分計測の様子ある。

図10 レーザー計測による曝露碍子のナトリウムD線
図 9 ナトリウムD線の発光スペクトル5)のピーク強度の平均値と筆洗法により求めた付
着塩分密度の比較 5)�������������
製作した装置を用いて屋外で曝露した碍子（曝露碍�����子）の塩分密度計測を行い、その性能評価を行った。曝碍子付着塩分量計測の簡便化、迅速化を目指し、ヘ

露時期、期間、塩分付着量も異なる3種類の曝露碍子をッド部をハンディホールド型に改良したレーザー計測用いた。レーザー計測では、1度の測定で得られる値は装置を構築し、曝露碍子の塩分密度計測を行った。そのプレパルスの照射面積に相当する0.8mmφであることか

結果、約0.002mg/cm2 の低密度計測が可能であることがら、曝露碍子全体の平均塩分密度を計測するためには多わかった。また本装置は計測に必要な面積が微小である点での計測が必要である。このため碍子の裏面（ひだ）ため、検査後も塩分付着の履歴がリセットされずトレン部分を6つの領域に分け、各領域で24点を選択し、合計ド管理が可能であることや碍子の部位別（碍子裏面の外─ 32 ─

ひだと内ひだなど）の塩分密度や付着塩分の分布が計測

����

できる等、従来法にない利点も持ち合わせている。

1) 変電設備の耐塩設計, 付録Ⅳ汚損量の測定方法と汚損検出器”, 電気協同研究, 35(5) , 125-128, 1979.
2) 秤 俊久、R&D News Kansai, 8, 35-37, 1997.

��
本研究は、
関西電力
（株）
の受託研究により行われた。

3) 藤吉晋一郎,本田親久, 村岡克紀, 前田三男,レーザー研究,
20(12), 955-962, 1992.

また塩分計測に用いた曝露碍子は日本ネットワークサ
ポート（株）より提供を受けた。また、CO2レーザーの

4) 島田義則, ILT2013 年報, レーザー技術総合研究所, 2013.

作製にあたり、大阪大学レーザーエネルギー学研究セン

5) 島田義則他, “レーザーを用いた碍子表面塩分計測”, 平成26
年電気学会C 部門大会予稿集, to be published.

ター實野孝久特任教授から技術提供を受けた。

6) J. G. Wilde, et al.: NIST Spec. Publ., 755, 259-264, 1989.

─ 33 ─

�����������������������������
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(a)������

(b)

本研究チームでは、創薬への応用や光機能性素子の開発を目指し、生体内で様々な機能を果たす蛋白質や酵素等の生体関連物質の光初期反応メカニズムとダイナミ
クスを、超短パルスレーザーを用いた時間分解計測法により明らかにする研究を行ってきた。本稿では、生体内で D-体のアミノ酸を酸化分解する機能を持つ D-アミノ
図 1 (a) ブタ腎臓由来 D-アミノ酸酸化酵素

酸酸化酵素（D-amino acid oxidase, DAAO）の機能阻害効（DAAO）の結晶構造（2 量体、PDB ID :果について検討した結果を報告する。

1VE9）、 (b) 補因子フラビンアデニン
ジヌクレオチド（FAD）の分子図

��D-���������DAAO��������
������
蛋白質、あるいは蛋白質を基に構成される酵素は、
化学物質の吸収、輸送、代謝等、生体内における様々な化学反応を制御する触媒としての機能を担う。それらの機能メカニズムを明らかにすることは生物学や生化学、医学分野において必須の課題である。蛋白質の機能解明のため多く行われている研究手法に、特定の蛋白質（蛋図 2 DAAO の反応スキーム

白質中に存在する補因子）に蛋白質が作用する特定の分子（基質）以外の分子を付加し、それらの反応性の変化を観測することで蛋白機能の要因を明らかにしようとするものがある。またこのような手法は、薬学分野においてはウィルスや細菌内の蛋白質の機能を阻害して増殖を抑制する、体内で異常に活性化した蛋白質を不活性化し疾病を治療する、等を目的とした薬剤（阻害剤）の

図 3 阻害分子による DAAO の機能阻害効果

開発手法でもある。
蛋白質の機能阻害効果の研究に関して最近、D-アミ的に代謝（分解）する反応を示す（図 2）が、FAD

ノ酸酸化酵素（DAAO、図 1(a)）のアミノ酸濃度

が安息香酸等種々の分子と結合して錯体を形成調整機能が注目を集めている。DAAO は分子量するため、薬剤による阻害効果が顕著に見られる

39335（39kDa）の比較的小さな酵素で、補因子にことでも知られている 1)（図 3）。また DAAO はフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD、図 1(b)）

古くからその存在が知られており、ヒトを含む高を持ち、生体内で D-アミノ酸（D-セリン）を選択

等生物の腎臓や肝臓、脳等に多く存在するが、本─ 34 ─

来生体は L-アミノ酸のみによって構成されるた害分子を添加した試料の光励起ダイナミクスをフェム

め、DAAO が体内で具体的にどのような役割を担

ト秒蛍光計測法により観測した。本稿では、阻害剤としっているかについてはよくわかっていなかった。

て高い阻害効果を示すことで知られるアミノ安息香酸

これに対し近年、福井ら（徳島大）は統合失調症を用いた結果について報告する。

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、㸱㸬ᐇ㦂

薬剤（阻害剤）の投与が脳内 DAAO の反応活性を実験には、ブタ腎臓由来 D-アミノ酸オキシダーゼ

抑制し、脳疾患の治療に有効であると報告した 2)。

（和光純薬工業、592-00771）を精製したものを使用しこの報告は、生体内での DAAO の役割を明らかとた。溶媒には、塩酸により pH を 8.3 に調整したピロリするだけでなく、様々な脳疾患に対する治療薬開ン酸緩衝液（17 mM）を用いた。また阻害剤には 4-ア

発の足がかりとなるという意味で非常に重要な

ミノ安息香酸ナトリウム（Sodium Anthranilate、東京化

ものであるが、それと同時に DAAO と阻害分子の成工業、A0501、図 4）を用いた。フェムト秒蛍光の計

錯体形成メカニズムや、形成された錯体の物性に

測には Ti:サファイアレーザー（Coherent, Mira-800）をも興味が注がれる。

光源に用いた蛍光アップコンバージョンシステムを用一方、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

いた 4)。
励起波長は 410 nm、装置の時間分解能は約 200
fs である。

ラビン蛋白質の一種で、FAD 中のイソアロキサジン（Iso、図 1(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は蛋白質の反応に敏感に応答するため、それらを分光学的手法により観測すれば反応メカニズムに関する有益な情報

図 4 阻害剤（4-アミノ安息香酸ナトリウム）の分子図が取得できる。またフラビン蛋白質は光励起により周囲のアミノ酸残基（チロシン、トリプトファ㸲㸬⤖ᯝ࡜⪃ᐹン）との電子移動や水素移動反応を引き起こすも ྾཰ࠊ⺯ගࢫ࣌ࢡࢺࣝ

のが多く、蛍光強度の時間変化を計測する手法

図 5、図 6 に DAAO（160μM）、および DAAO に（時間分解蛍光計測法）を用いれば蛋白質の光反4-アミノ安息香酸ナトリウム（o-AB）を過剰（32mM）

応過程を直接的に観測できる。さらに興味深いこに添加した試料の吸収、蛍光スペクトル（励起波長 410とに、福井らはクロルプロマジン等一部の阻害剤nm）をそれぞれ示す。観測されたスペクトルは FAD のに光照射による阻害活性の増大効果がある 3)こと

第一電子励起状態に由来し、吸収ピーク波長は 375、449も報告している。このことから我々は、DAAO とnm、蛍光ピーク波長は 525 nm である。ただし、DAAO

阻害剤との反応を分光手法により観測するによは溶液中では単量体だけでなく 2 量体としても存在す

り、DAAO の機能阻害メカニズムに関するこれまることが知られており 5)、この試料は DAAO 単量体と 2でにない有益な知見が得られると考えた。本研究

量体の 2 種が混合したものである。DAAO に o-AB を添

では、DAAO の蛍光過程と機能阻害効果の関連性や、加すると、吸収スペクトルに変化がみられる。48 0nm

時間分解蛍光計測法の阻害効果観測への有用性等を明付近の吸収の肩が減少し、500 ~ 600 nm の領域に新たならかにすることを目的に、DAAO、および DAAO に阻

吸収帯が生成する。この吸収帯は DAAO 中の FAD と─ 35 ─

o-AB が結合し生成した電荷移動錯体（CT 錯体）6)に由来し、それぞれの吸収帯の吸光係数の比から存在比を求めると試料全体の約 13%が錯体化したと考えられる。
一方蛍光スペクトルは、o-AB の添加により若干短波長側にシフトした。o-AB 添加により pH 等 FAD 周囲の蛋白質環境がやや変化したものと考えられるが、FAD の電子状態が大きくは変化しない CT 錯体とは別種の

図 5 DAAO（実線）、および DAAO に 4-アミノ安息

o-AB 配位体が存在する可能性もある。また CT 錯体の香酸（32 mM）を添加した試料（破線）の吸収ス

励起（励起波長 540 nm）では蛍光は観測されなかった

ペクトル

が、このことから CT 錯体の励起状態は短寿命であると考えられる。

(a)

図 6 DAAO（実線）、および DAAO に 4-アミノ安息香酸（32 mM）を添加した試料（破線）の蛍
光スペクトル(b)��� DAAO ��������������DAAO（163 μM）のフェムト秒蛍光計測結果（観測波長 525 nm）を図 7(a)に示す。蛍光は非指数関数の減衰を示し、2成分指数関数でのフィッティングにより3.7 ps（0.49）、37.8 ps（0.51）の寿命成分が得られた（（ ）内は前指数因子の比を示す）。FAD 単体の蛍光寿命は2. 5ns と長寿命であるため、この速い減衰は光励起され(c)

た FAD と周囲に複数存在するアミノ酸残基（チロシン）との電子移動反応に起因するものである 6)。ブタ腎
臓由来 DAAO の蛍光寿命は、先に中島、田中らによる単一光子計数法を用いたピコ秒領域での計測例があり、単量体の蛍光寿命は約 160 ps、2 量体の寿命は約 40 psと報告されている 5)。このことから、本測定で得られた
図 7 (a)DAAO、(b) o-AB（18 mM）添加、(c) o-AB
（71 mM）
添加試料のフェムト秒蛍光と多成分指数関数によるフィッティング曲線37.8 ps の寿命は 2 量体の励起寿命に同定される。
試料内には単量体、および蛋白構造が壊れた FAD が不純物として存在し、それらの蛍光減衰成分は 2 量体の減衰に含まれていると考えられるが、フェムト秒領域の計測では

─ 36 ─

表 1 DAAO および 4-アミノ安息香酸(o-AB)添加試料の蛍光寿命フィッティング結果
A2 a

3 /ps

A3 a

�

3.7
0.49
DAAO
b
0.38
0.27
3.7
0.40
DAAO + o-AB (18mM)
0.26
0.71
3.7b
0.31
DAAO + o-AB (71mM)
a
A1、A2、A3 はそれぞれ蛍光寿命 1、2、3 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

37.8
37.8b
37.8b

0.51
0.33
0.18

0.102
0.131
0.184

Sample1 /psA1a

2 /ps

長寿命（>100 ps）の蛍光減衰は成分比が小さくなるた

DAAO の構造に関して、最近 Kokpol, 田中らが興味

め、ここでは無視できる。一方、本測定では 3.7 ps の速深い報告を行っている 7)。彼らは分子動力学（MD）計い減衰成分が新たに観測されている。蛍光減衰寿命の変

算法を用い、X 線結晶構造解析により得られた 2 量体の化は FAD とアミノ酸残基間の電子移動速度が変化する構造を出発点として水溶液中での DAAO の構造を計算ことにより起こると考えられるため、DAAO には単量した。その結果、2 量体を形成する DAAO のそれぞれ体や 2 量体とは別の構造を持つもの（蛋白構造異性体）が異なる蛋白構造（サブユニット）を持つことが明らかが存在している可能性がある。これについては後述する。

となった（SubA10 および SubB10、図 8 を参照）。この

図 7(b)、(c)に、DAAO に o-AB をそれぞれ 18 mM、結果を今回の計測結果と比較すると、DAAO の光励起

71 mM 加えた試料のフェムト秒蛍光を示す。o-AB の添過程に関して以下のような説明が可能となる。DAAO 2

加により寿命数 100 fs の超高速減衰成分が生成した。

量体はそれぞれが異なる構造を持つ 2 種のサブユニッ

o-AB 濃度の増大によりその成分比が大きくなることか

トで構成されており、光によりそのどちらかの FAD がら、この減衰は DAAO 中の FAD と o-AB 間で形成され励起される。FAD の吸収帯は変化していないことからた CT 錯体に起因するものと考えられる。各実験データ

励起比は 1:1 と予想される。励起された FAD は周囲のは超高速成分を加えた 3 成分指数関数によりフィッテ

チロシンと電子移動反応を引き起こすが、サブユニット

ィングした。ただし、DAAO の計測で得られた 2 つのの蛋白構造の違いにより、電子移動過程は寿命が 3.7ps

寿命（3.6 ps、37.8 ps）は、o-AB と錯体を形成しないのものと 37.8 ps のものの 2 種が存在する。また各サブ

DAAO に起因するものであるため、パラメータ化せず

ユニットの阻害剤との反応性は異なっており、o-AB を固定した。結果を表 1 に示す。超高速減衰成分の寿命添加した場合、サブユニットのどちらかが優先的に結合（1）は o-AB 18 mM 添加試料で 380 fs（0.27）、71 mMするため、o-AB と結合せずに残った DAAO のサブユニ

添加試料では 280 fs（0.51）であり、濃度の増大に対しットの存在比はo-ABの濃度に依存して変化するものとてその存在比も増大することがわかる。一方、o-AB と考えられる。これらの結果は、水溶液中での DAAO の錯体を形成しない DAAO の 2 つの寿命（2、3）に関し構造が結晶中とは異なり多様に変化すること、その変化て、それらの前指数因子の比（A2/A3）が DAAO のみのにより阻害剤による効果も異なる可能性があることを試料では 0.96（0.49/0.51）、o-AB 濃度 18 mM で 1.21

示しており非常に興味深い。現状ではどちらのサブユニ（0.40/0.33）、71 mM の試料では 1.72（0.31/0.18）と o-AB

ットがより速い電子移動を示し、また優先的に o-AB と濃度に依存して変化することがわかった。これはおそら

結合するか等については明らかではないが、今後電子移く37.8 psの寿命を持つ構造異性体のo-ABとの反応性が動理論計算や、蛍光ダイナミクス計測による阻害剤効果3.7 ps の寿命を持つものよりも高く、
o-AB との錯体形成の検討を継続し、これらについてより詳細に検討する予が優先して起こるためであると考えられる。このことか定である。また今後はヒト由来の DAAO を用いた研究

ら、やはり DAAO には単量体、2 量体とは別の構造異を同様に進め、創薬等への応用に向けたより実用的な知性体が存在する可能性が高い。

見を得たいと考えている。
─ 37 ─

フェムト秒蛍光計測により初めて明らかにされたものであり、本手法が酵素の機能阻害効果の観測に有効であることを示すものである。今後、理論計算も含めこれらについてさらに詳細に検討するとともに、ヒト由来の
DAAO を用いた研究を同様に進め、創薬等への応用に向けたより実用的な知見を提供する予定である。
図 8 MD 計算により予測した、水溶液中で 2 量体を形成する DAAO の 2 種の蛋白構造（10℃）（参考文ㅰ㎡

献 7 より抜粋）

本研究は、田中文夫 Chulalongkorn 大学客員教授（レーザー総研特別研究員（兼務））との共同研究として行㸳㸬ࡲ࡜ࡵ

われたものである。また計測に用いた酵素の精製には、

本研究では、ブタ腎臓由来の D-アミノ酸酸化酵
素（DAAO）の機能阻害効果について検討するた

北村昌也大阪市立大学大学院工学研究科教授、中西猛同講師の協力を得た。ご協力に感謝致します。

め、阻害剤に 4-アミノ安息香酸（o-AB）を用いてDAAO および阻害剤を添加した試料のフェムトཧ⪃ᩥ⊩秒蛍光ダイナミクスを観測した。DAAO の蛍光は

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

寿命 3.7 ps、37.8 ps の 2 成分指数関数の減衰を示

2) K. Fukui, H. K. Park, T. Kawazoe, K. Ono, S. Iwana, Y.

した。分子動力学計算から水溶液中では蛋白構造

Tomita, K. Yorita, T. Sakai and Y. H. Kong: Flavins andが異なる 2 種の DAAO 異性体（サブユニット）のFlavoproteins, 2005, 853-860, 2005.

存在が予測されることから、得られた寿命成分は

3) S. Ishikawa, T. Kawazoe, H. K. Park, K. Tsuchiya, K. Ono, K.

それぞれ各異性体で起こる光誘起電子移動反応

Yorita, T. Sakai, T. Kusumi and K. Fukui: J. Enzim.

の速度を表していると考えられる。o-AB を添加

Inhib., 23, 901-911, 2008.

した試料では寿命約 300 fs の超高速減衰が観測さ

4) N. Mataga, H. Chosrowjan, S. Taniguchi, F. Tanaka, N . Kido and

れ、その成分比は o-AB の濃度に依存して増大し

M. Kitamura: J. Phys. Chem. B, 106, 8917-8920, 2002.

たことから、この減衰は補因子 FAD が o-AB と結5) H. Chosrowjan, S. Taniguchi, N. Mataga, T. Nakanishi, Y.

合した CT 錯体に起因するものであると考えられ

Haruyama, S. Sato, M. Kitamura and F. Tanaka: J. Phys. Chem. B,る。一方、o-AB と錯体を形成せず残った DAAO

114, 6175-6182, 2010.

の蛍光減衰寿命の成分比は o-AB の濃度に依存し6) (a) N. Nakashima, K. Yoshihara, F. Tanaka and K. Yagi: J. Biol.

て変化したため、サブユニットの違いにより o-AB

Chem., 256, 5361-5263, 1980. (b) F. Tanaka, N. Tamai and I.

との反応性が異なることがわかった。これらの結

Yamazaki: Biochemistry, 28, 4259-4262, 1989.

果は DAAO の蛋白構造の変化が阻害剤効果にも影響

7) A. Nueangaudom, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S. Kokpol, N.

することを示しており、興味深い。またこれらの結果はNunthaboot and F. Tanaka: Phys. Chem. Chem. Phys., 16,
1930-1944, 2014.

─ 38 ─

Ultrafast fluorescence up-conversion techniqueand its applications to flavoproteins
Laser Biochemistry Research TeamHaik Chosrowjan and Seiji Taniguchi
1．Introduction

transient birefringence (3rd order nonlinear effect) induced in a

Time resolved fluorescence spectroscopy is one of themedium with high nonlinear susceptibility 3 by an intense

widely used techniques for studying the structure, function andlaser pulse to create an ultrafast shutter. Liquids (CS2, benzene,

reaction dynamics of macromolecules in chemistry andtoluene) or solid state materials (glasses, fused silica doped

biology. Fluorescence is often sensitive to small environmental

with gold nano-particles) have been used as a gate andchanges of chromophores – small molecules embedded in

instrument response function as fast as ~ 200 fs wasproteins and absorbing light, hence responsible for proteinsdemonstrated4). However, the Kerr shutter contrast iscolor. So, fluorescence measurements could reveal ligand-inherently poor due to the nuclear motion induced slow

induced conformational changes in proteins, origins of chargebirefringence recovery component. Furthermore, lowtransfer reactions, solvent relaxation phenomena and local

sensitivity and spectral restriction to a visible range limit theconformational changes in- and around the chromophore inapplications of this technique.

proteins. Most fluorescence decays occur in the time window

Another nonlinear sampling technique is based on aof ~ 100 fs to nanoseconds, measurements thus require shortphenomenon of sum frequency generation of light (2nd order

light pulses and high temporal resolution instrumentation.

nonlinear effect) in a non-linear crystal (KDP, LiNbO3, BBO,

Many different techniques have been developed to obtain timeetc.), thus being an intrinsically high resolution spectroscopic

resolution in fluorescence spectroscopy. For instance,technique. Because the emission signal is generated at the sum

photo-cathode based techniques like TCSPC (time-correlated

frequency (higher photon energy), this technique is called

single photon counting)1) and streak camera2) allow detecting“fluorescence up-conversion”. In regard to time resolution,

weak time-resolved fluorescence signals, however, verymeasurement sensitivity and accuracy, the fluorescencecareful de-convolution procedures are needed to get

up-conversion technique is ultimately the most competitive

picoseconds time resolution. At sub-picoseconds resolution

one. In Section 2 of this report, the basic principles of thelevel these techniques become both expensive and labile, andtechnique, requirements to the non-linear crystals, mixing

system maintenance for day to day reproducibility of sensitive

spectral bandwidth, acceptance angle, etc. have beensample measurements is challenging and often impossible. Insummarized. We have developed conventional- andrecent years, a number of advanced and stable ultrafast lasers

microscope based fluorescence up-conversion techniques for(primarily Ti:Sapphire based lasers with ~ 100 fs or shorter

studies of protein reaction dynamics and other ultrafast

pulse widths) and associated optoelectronic instruments havephenomena in solution and solid state phases, respectively.

emerged and are commercially available. Hence, as a matter of

Flavoproteins contain FAD (flavin adenine dinucleotide)

fact, to obtain time resolution comparable to excitation laseror FMN (flavin mono-nucleotide) as a cofactor (Fig. 1 a, b)

pulse width, nonlinear laser sampling techniques could be theand play an important role in oxidation, oxygenation and ET

best choice. The use of an optical Kerr effect as an optical(electron transfer) reactions. Applications of fluorescence

shutter was first proposed in 19681). It makes use of the

up-conversion technique to various “non-fluorescent”

─ 39 ─

flavoproteins - RBP (Riboflavin binding protein), MCAD

2．Fluorescence up-conversion technique(Medium-chain acyl-CoA dehydrogenase), FD (Flavodoxin),

2.1 Basic principles
The time resolution

DAAO (d-amino acid oxidase), etc., have been performed inmechanism underlying the

our laboratory and some results related to solution phasefluorescence up-conversion technique is illustrated in Fig. 2.

dynamics are presented here. Briefly, the flavin enzymes (Fig.

The up-conversion is actually a cross-correlation between the1 c) are especially interesting model systems for elucidating

fluorescence and a probe laser pulse. At time t = 0, the sample

ultra-fast ET reactions taking place in chromophore binding

is electronically excited by second (in some cases third)

pockets. When the flavin chromophore is in the oxidized form,

harmonics of an ultrafast laser pulse with frequency p. The

it acts as a strong electron acceptor, therefore, if such aromaticcollected incoherent fluorescence (f) and the probe laser pulse

amino acid residues as tryptophan and/or tyrosine are in closep arriving at time t =  are co-focused in a non-linear opticalproximity to flavin, strong fluorescence quenching via ET on

crystal oriented at an appropriate angle with respect to the-10

ultrafast time scale (10 - 10 s) occurs. In Section 3, we will

fluorescence and laser beams. Sum frequency photons arepresent and discuss effects of ES (electro-static) charge

generated only during the time that the probe laser pulse isvariations in proximity of donors and acceptor on ultrafast ET

present in the crystal, acting as a “gate” – thus keeping the time

dynamics of FBP (FMN-binding protein).

resolution within the laser pulse width. The time evolution of-14

the fluorescence may then be traced by varying the delay of
NH2

OH
O

P

H O H

O
O

signal beam at sum frequency and at a given delay time  isNNO

the probe laser beam. It is easy to show that the intensity of the

N

N

H

P OH

OH

proportional to the correlation function of the fluorescence

H
OH

O

O

H3C
H3C

H

H

HO

H

H

OH

HO

H
N

HO

N

O

up-conversion measurements are briefly summarized below:

OH
OH
OH

Polarization; The up-conversion process (sum frequency

H

H
N

HN

NH

N

O
H

O

with the probe laser pulse. Main features for successful

OH
P

N

CH3

generation) is intrinsically a polarization selection process (forN

CH3

example, O + O → E conversion in Type I NLO crystal).

O

O

(a)

(b)

(c)
Fig. 1 Molecular structures of flavin chromophores; (a) FAD(flavin adenine dinucleotide) and (b) FMN (flavinmono-nucleotide), (c) The ribbon diagram of theFig. 2 Schematic diagram describing the basic principles of thefluorescence up-conversion technique.

chromophore binding pocket of FBP enzyme.
─ 40 ─

Hence, for collection of different polarized emission

complicated interplay between the NLO crystal thickness andcomponents, rotation of excitation pulse polarization with afluorescence spectral bandwidth. For L = 0.4 mm BBO crystal

thin half-wave plate is required.

at 820 nm/500 nm mixing, the spectral bandwidth is less thanPhase matching condition; The up-conversion process is

1 nm. Up-conversion is an intrinsically high-resolution

efficient only when condition for phase matching is satisfied.

spectroscopy.

This happens for a narrow band of wavelengths centered at a

Quantum efficiency of up-conversion; Quantum efficiency

wavelength determined by the phase matching angle  of theof up-conversion can be estimated for “small signal” condition,

NLO crystal. The conditions for the involved frequencies

i.e. no depletion of the fluorescence and probe pulse powers.

and corresponding wave vectors k (2n/) are Sf +p

For example, for 100 fs probe pulse, 0.5 W average power atand kS = kf + kp, respectively. Here the indexes S, f and p

820 nm, 0.1 mm spot diameter and 76 MHz repetition rate it isdenote the up-converted signal, fluorescence and probe laser

about 0.001 % for L = 0.4 mm BBO crystal. This is, however,beams, respectively. In practice, the angle between kf and kp is

more than enough for monitoring by average UV photo-

kept constant (~ 15 in our apparatus). For BBO (-barium

multipliers. The obtained S/N ratio is routinely 102.

borate) crystal, which is well suited for the up-conversion, theGroup velocity mismatch; In non-linear processes such asphase matching angle (the angle between crystal optical axis

sum frequency generation, the mismatch between the groupand vertical axis) is about 30 for 800 nm and 400 nm mixing

velocity of ultrafast probe pulse and fluorescence may lead to a(signal at 266.7 nm). For other monitoring wavelengths, thetemporal broadening of the generated up-conversion signal.

crystal angle can be gently tuned. For the probe wavelength atThis restriction is more severe than the one imposed by phase~ 800 nm, the BBO crystal can cover 250 – 2000 nm broad

mismatching discussed above. This broadening effect can bemixing spectral range.

pre-compensated by a pulse compressor and/or minimized by

Acceptance angle; The acceptance angle is the angle wherea proper choice of optical elements by using refractive optics

the phase mismatch is less than 90. This is another importantand thinner NLO crystals.

factor in up-conversion experiments. Since the fluorescence isspontaneous, it is emitted in all directions from the excited spot

2.2 Home-made fluorescence up-conversion apparatusof the sample, then collected and refocused onto the NLO

As it was presented above, ultrafast fluorescence up-

crystal in a broad cone. Hence, the larger the acceptance angle

conversion technique has many peculiarities, that’s probablythat can be phase matched by the crystal, the larger thewhy it is not available commercially. We have built a reliable

up-conversion efficiency. Roughly, the acceptance angle system in our laboratory (Fig. 3) with high temporal resolution

increases inversely with the crystal length L. Thus, for thinner
crystals the focus can be tightened due to larger acceptanceangle. As a result, the total up-conversion signal will stayrelatively constant for thinner crystals in addition to better time
resolution. For L = 0.4 mm BBO crystal the acceptance angle
is estimated to be ~ 8.
Spectral bandwidth; The up-conversion spectral bandwidthis estimated by the spectral position difference when thequantum efficiency drops to 50%. Additionally, there is a

Fig. 3 Schematic diagram of the fluorescence up-conversion.

─ 41 ─

and sensitivity, briefly described below.

Disulfovibrio vulgaris (Miyazaki F) is one of the smallest

A Ti:Sapphire laser system (Verdi-V8 pumped Mira 900,

flavoproteins (122 amino acids, 13 kDa) and contains FMN as

Coherent, Inc.) was used as a light source (120 fs, 76 MHz,a cofactor. It is thought to play an important role in ET

800 mW at 820 nm). The pulses were further compressed up

processes in the bacterium, however, the whole picture of theto ~ 70 fs fwhm using a prism pair compressor. The second

electron flow and coupling to the redox proteins is not clear yet.

harmonic (~ 20 mW) was generated in a 0.1 mm thin BBO

According to the three-dimensional structures determined by

crystal and focused onto the sample circulating in a flow cell

X-ray crystallography, there are 3 potential quenchers located(50 ml/min) with 1 mm light path length to generate theclose to the Iso (isoalloxazine) rings of the FMN (Fig.4, top):

fluorescence. It is then collected with a pair of parabolic
mirrors and focused, together with the residual fundamental
laser pulse, on a 0.4 mm BBO type I crystal to generate theup-converted signal at the sum frequency. After passing
through a grating monochromator (1200 g/mm, Acton
Research Corp.), the fluorescence is detected by a photomultiplier (R1527P) coupled with a photon counter (C5410)
system (both from Hamamatsu Photonics K. K.). The
fluorescence decay curves can be obtained by varying theoptical path length of the computer controlled delay stage forthe fundamental laser pulse. Ten scans (~6.67 fs or 20 fs steps)
in alternate directions are usually accumulated to obtain asingle transient with acceptable S/N ratio. As an instrument
response function, the cross-correlation signal between thefundamental and its second harmonic pulses is used (fwhm ~130 fs). All measurements are usually carried out at ~ 20C. In
the experiments described below, the optical density per 1 cm
path-length was ~ 3 at 410 nm.
3．Applications to flavoproteins
As an application example, here we present our recent
studies on wild type (WT) FBP (flavin binding protein) and its
six point mutants W32Y, W32A, E13R, E13K, E13Q and
E13T. Generally, proteins including also FBP, contain manyionic groups which may influence the intra-protein ET rates.
The specific purpose of this study was to understand andelucidate the role and influence of ES (electro-static) charges

Fig. 4 Chromophore binding pocket structures of WT FBP,

and corresponding energies on the ET rate. Many details of

E13K and E13R point mutants determined by X-ray

this study can be found elsewhere6). Briefly, FBP fromcrystallography.

─ 42 ─

tryptophan at 32nd position (Trp32), Tyrosine at 35th position

pocket structures are sufficiently rigid in all systems and(Tyr35) and another tryptophan at 106th position (Trp106).

further discussions are carried out for the single wavelength

Corresponding center-to-center distances from Iso to Trp32,

measurements at emission maxima (~ 530 nm) of these

Tyr35 and Trp106 were 0.71 nm, 0.77 nm and 0.85 nm,

proteins. For comparison, the ET rate in W32A, where

respectively. Firstly, to determine which amino acid is thetryptophan is replaced with neutral alanine possessing no

dominant quencher in this protein, fluorescence dynamics ofquenching capability, is more than 200 times lower compared

two point mutations W32Y (Trp at 32 position was replacedwith the ET rate in WT FBP, indicating, that the ET

by Tyrosine) and W32A (Trp at 32nd position was replaced bycontributions from two other quenchers Tyr35 and Trp106 are

Alanine) were studied and compared with the dynamics ofnegligible. Even when the tryptophan at 32nd position is

WT FBP (Fig. 5).

replaced by potential quencher tyrosine in W32Y, the ET ratend

It is important to note, that fluorescence up-conversion

is about 65 times lower vs. the WT FBP. Hence, Fig. 5 clearlytechnique can experimentally determine if there is substantial

shows that the main fluorescence quencher in FBP isamount of water involved in the chromophore surroundings ortryptophan at 32nd position due to its close proximity to Iso andif the protein binding pocket structure is flexible. Suchhigher (~ 8 eV) ionization potential. Next, to elucidate theinformation can be obtained by spectral measurements. In theeffect of electrostatic charge distribution in the protein on thepresent study, transient fluorescence decays were measured at

ET rate, we have investigated four single-substitution

several observation wavelengths between 480 – 600 nm andisomorphs: E13K, E13R, E13T and E13Q. In all theseno dynamic Stokes shift or other marked wavelength

systems the negatively charged glutamic acid at 13th position

dependences were observed in all seven proteins examined.

was replaced by positively charged lysine (E13K) or arguinine

Furthermore, the time-resolved anisotropy was ca. 0.4 and(E13R), and neutral threonine (E13T) or glutamine (E13G).

constant for all systems, further confirming that neither

Interestingly, according to X-ray crystallographic structures ofrotational motions nor changes in electronic state of Iso takeplace. Hence, we can safely conclude that the protein binding

Fig. 6 (bottom to top) Fluorescence decay curves of E13R,
E13K, WT FBP, E13T and E13Q isomorphs at steadyFig. 5 Fluorescence decay curves of WT FBP, W32Y andstate fluorescence maxima (~ 530 nm). The dotted line

W32A point mutants at steady state fluorescence

represents the instrumental response function. The

maxima (~ 530 nm) with ~ 170 fs, ~ 11 ps and ~ 40 ps

fitting curves to experimentally obtained data haveaverage lifetimes, respectively.

been omitted for clarity.
─ 43 ─

these mutants, the distances between the Iso and all threeenergy gap (–GT) is plotted. The observed bell-shaped ET

quenchers Trp32, Tyr35 and Trp106 were almost unchanged

rate dependence explains why for WT FBP the ET rate

(Fig. 4). Moreover, the hydrogen bonding network between

decreases while the total energy gap increases. This is one of

Iso and Gly49, Pro47, Thr31 in WT FBP was unaltered in all

the rarely observed cases when the ET process in a native

other systems as well. Hence, one would expect the same ET

protein occurs in the inverted region of the energy gap law.

rate as in the WT FBP for all four mutants. However, aspresented in Fig. 6, the experimentally obtained ET rates

4．Conclusions

varied for these systems. The observed fine tuning ofWe have discussed time-resolution potential of existing

fluorescence decay curves describing the ET rate changes

transient fluorescence spectroscopic methods and presented

could be ascribed to the ES charge redistribution in the protein

basic principles of the ultrafast fluorescence up-conversion

binding pocket. Indeed, ET rate calculations using Kakitani –technique. Details of our home-made femtosecond up-

Mataga ET model theory confirmed that the main reason forconversion apparatus have been presented and its application

the observed rate changes is the change in net ES energies ofon flavoproteins was demonstrated. Effects of ionic charges on

Trp32 in each system. For reference, the net ES energy ofultrafast fluorescence dynamics were investigated.

6,7)

Trp32 in WT FBP was ~ 0.026 eV, however, in E13K and

We have shown that replacement of ionic amino-acid

E13R it increased to ~ 0.29 eV; in E13T and E13Q it was ~Glu13 and resulting modification of the electrostatic charge

0.4 eV. Calculations of the total free energy gap (–GT)

distribution in the protein binding pocket substantially alters

showed that its value was smallest for E13T and E13Q (ca.

the ultrafast fluorescence quenching dynamics and ET rate in

0.065 eV), followed by E13K and E13Q, and then by WT

the FBP. We have concluded that together with

FBP, which has the largest value equal to ~ 0.45 eV.

donor-acceptor distances, electrostatic interactions between

Interestingly, the ET rates from Trp32 to excited Iso* wereionic photoproducts and other ionic groups in the proteins are

fastest in E13K and E13R, followed by WT FBP, E13T andimportant factors influencing the ET rates in proteins.

E13Q, respectively. This seemingly inconsistent result isclarified in Fig. 7, where ET rate (kET) dependence on total free

References
1) R. R. Duncan, A. Bergmann, M. A. Cousin, D. K. Apps, and M. J.
Shipston: Journal of Microscopy, 215, 1 - 12, 2004.
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Fig. 7 Trp32 to excited Iso* ET rate dependence on total free5) H. Mahr, and M. D. Hirsch: Opt. Commun. 13, 96 - 99, 1975.

energy gap, –GT. Donor-acceptor distances were

6) S. Taniguchi, H. Chosrowjan, F. Tanaka, T. Nakanishi, S. Sato, Y.

similar in all five FBP isomorphs. The main reason for

Haruyama, and M. Kitamura: Bull. Chem. Soc. Jpn., 86, 339 - 350,

the observed ET rate changes is the net ES energy

2013.

differences of Trp32 in each system.

7) T. Kakitani, and N. Mataga: J. Phys. Chem., 89, 8 - 10, 1985.

─ 44 ─

������������������������������
レーザーバイオ化学研究チーム
谷口誠治
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ナノ粒子は比表面積が大きく、またバルク材料とは異なった特有の物性を示すことから、その応用に向けた研究開発が様々な分野で進められている。近年では、金や銅等、電気抵抗が小さな金属のナノ粒子は IC 基盤等に微細配線を形成するためのインク等に用いられ、また白金ナノ粒子の化粧品や食品への利用、磁性ナノ粒子を用いたガン治療の研究等、多くの応用例が報告されている。
図 1 液中レーザーアブレーション法の原理図

このことから、ナノ粒子の需要は今後飛躍的に増大すると予想されるため、生産性の高いナノ粒子作製法の開発は重要な課題となっている。従来のナノ粒子作製法には、まう可能性も指摘されている。このことから、本手法の金属の塊をボールミル等で粉砕する手法や、真空中で金開発には、化学的により安定で、且つ凝集抑制作用を持属を加熱して気化させたりスパッタする手法、常温の液

つ溶媒の選定が重要となる。

相中で金属塩を還元したり金属錯体を熱分解する手法

この点に関して最近、溶媒に溶融塩を用いた手法が注等があり、これまで数多くの製造プロセスが提案されて目されている。溶融塩は高温（＞300℃）でも化学的にきたが、これらの手法では粒子サイズの微細化や均一化

安定で、多くの物質を効率よく溶解させる等の特徴を持に限界がある、原料や設備が複雑で高コストである、生つことから、チタンやタングステン等、高融点材料のナ産性に乏しい等、多くの問題も残されている。これらのノ粒子化に適しており、またナノ粒子間に溶融塩分子が問題に対し筆者は、ナノ粒子をより簡便に作製する手法

入り込むことで凝集抑制作用を持つ可能性も指摘されとして液中レーザーアブレーション法を提案している。

ている。さらには、作製したナノ粒子懸濁液を常温まで

液中レーザーアブレーション法とは、液相中でターゲッ

冷却することにより、ナノ粒子を固体中で保存できるトとなるバルク材料にパルスレーザー光を集光照射す（保存中に凝集が起こる懸念がない）といった利点もあることにより、材料を直接的に原子化、プラズマ化するる。このため溶融塩は噴霧熱分解法やプラズマ誘起電解手法であり、原子化された材料は周囲の溶媒により瞬時法等の各種ナノ粒子製造法の溶媒に利用され、一次粒径に冷却され凝集、ナノ粒子化する（図 1）。

が約 10 nm のナノ粒子の効率的な作製が可能になりつ

筆者はこれまで、水あるいはアセトン等の有機溶媒をつある 4)が、液中レーザーアブレーション法に応用され用いて酸化チタンや鉄ナノ粒子の作製に関する研究をた例はない。そこで本研究では、溶融塩を溶媒に、ナノ行い、本手法により粒径 10〜30 nm のナノ粒子を作製す

粒子関連研究の標準的な材料である金、および高融点材ることに成功した

1-3)。しかしながら溶媒に水を用いた料のチタンを用いてナノ粒子作製実験を行い、本手法に場合には、ナノ粒子が水と反応してしまう場合や、凝集

おける溶融塩の有用性について検討した。本稿では、溶性が強まる可能性がある。また有機溶媒を用いた場合に融塩中および水中で作製したナノ粒子の物性比較を行

は、溶媒分子の熱化学反応により炭化物等が生成してしった結果について報告する。

─ 45 ─

性を調べた。図 3（左）に実験時の写真を、図 3（右）に光強度 50mW（2×109 J/cm2・sec・pulse）で 40 分、75mW（3×109 J/cm2・sec・pulse）で 15 分、100 mW（4×109 J/cm2・sec・pulse）で 15 分の照射実験を行った後の試料の写真を示す。光強度 50 mW では試料は赤色を呈したが、照射光強度が大きくなるに従い紫〜青色に変化した。試料の着色は生成金ナノ粒子の表面プラズモン
吸収帯に起因するものであり、粒径に依存性して吸収ピークがシフトし色の変化が起こる。図 4 に各試料の吸収

図 2 溶融塩中レーザーアブレーション実験図

スペクトルを示す。ただし、照射光強度 75 mW、100 mWの試料では生成粒子が凝集しスペクトルに散乱の効果㸰㸬ᐇ㦂
図 2 に液中レーザーアブレーション実験の配置図をが見られたため、その効果はデータから差し引いてある。

示す。溶融塩には、塩化リチウム（LiCl）、塩化カリウ

いずれの試料にも表面プラズモン吸収帯が観測されてム（KCl）および塩化セシウム（CsCl）を重量比 1:1:1

おり、
そのピーク波長は50 mW照射時で523 nm、75 mWで混合したもの（LiCl-KCl-CsCl）を用いた。融点は約照射時では 550 nm あった。また 100 mW 照射時には幅260℃である。溶融塩をセラミック製のるつぼに入れ、広い吸収帯が観測され。ピーク波長およびスペクトル形

ホットプレート上で加熱して溶融させた後、るつぼの底状から生成ナノ粒子の平均粒径を求めると、50 mW 照部にターゲット材料（金、チタン）を配置し、上部から射試料（図中 (a)）では 15 nm、75 mW 照射（図中 (b)）

焦点距離 15 cm のレンズにより集光したパルスレーザ

Laserーを照射した。レーザー光源には、ナノ秒パルス YAG

(a)

(b)

(c)

Au

レーザー（Continuum Surelite I、波長 1064 nm、パルス幅
8 ns（FWHM）、光径 6 mmφ、繰り返し 10 Hz）を使用した。実験中はホットプレートの位置を常に移動させ、water

ターゲット材料の同じ位置にレーザーが照射され続けることがないようにした。試料に一定時間レーザー照射

図 3 （左）水中における金のレーザーアブレーションを行った後、生成ナノ粒子を含む懸濁液を常温まで冷却

実験時、（右）光強度 (a)50 mW、 (b)75 mW、し固化させた。固化した試料は水を加えて水溶液とした(c)100 mW での実験後の試料の写真後、吸収スペクトル測定および動的散光乱法による粒径分布測定を行った。吸収スペクトル測定には分光光度計（HITACHI U-4100）を、粒径分布測定には粒度分布計（HORIBA LB-550）を使用した。

㸱㸬⤖ᯝ࡜⪃ᐹ ᾮ୰࣮ࣞࢨ࣮࢔ࣈ࣮ࣞࢩࣙࣥ࡟ࡼࡿ㔠ࢼࣀ  ⢏Ꮚࡢస〇⁐⼥ሷࡢຠᯝ
溶融塩との比較のため、まず水中における金のレーザ

図 4 水中レーザーアブレーションにより作製したーアブレーション実験を行い、生成した金ナノ粒子の物

金ナノ粒子 (図 3(a)~(c)）の吸収スペクトル─ 46 ─

および 100 mW 照射試料（図中 (c)）ではそれぞれ約 70長から求めた金ナノ粒子の平均粒径は約 80 nm であっ

nm、200 nm で、照射光強度の増大により生成粒子の粒た。

径が大きくなることが分かった。光強度による生成粒子

次に、溶融塩の凝集抑制効果について検討するため水の粒径の変化は、1 パルスあたりに原子化される金の濃に重量比 10%の溶融塩を加えた水溶液を用い、常温で度（密度）に依存すると考えられる。つまり、高強度のレーザーアブレーション実験を行った。その結果、光強レーザー照射により一度に多量の金がアブレートされ

度 75 mW（15 分）での照射時にナノ粒子の生成が確認

ると、プルーム内の金原子の濃度が増大するため原子同された。試料の吸収スペクトルを図 7 に示す。水中での士の衝突頻度が大きくなり、その結果粒子の大粒径化が実験結果（図 3 (b)）に比べ、プラズモン吸収帯は明確に起こるものと考えられる。

観測された。ピーク波長（554 nm）から求めた平均粒径

溶融塩中におけるレーザーアブレーション実験結果

は約 50 nm で、水中（約 80 nm）よりも小粒径の粒子がを以下に示す。用いた溶融塩は 3 g、水中で最も小粒径

生成したことから、溶融塩が凝集抑制効果を持つことがのナノ粒子が得られた照射条件（光強度 50 mW）で実示唆される。一方で、光強度 50 mW の照射ではナノ粒験を行った。図 5 に実験中（図 5 (a)）および実験後（冷子の生成は確認できなかったことから、溶融塩の光吸収却後、図 5 (b)）の試料の写真を示す。融解した溶融塩がにより光強度がアブレーション閾値以下にまで低下しナノ粒子の生成により赤く着色し、また冷却後固化したた可能性もあるため、今後その詳細について検討する必試料もその着色を保持していることから、溶融塩中にお要がある。

いてもアブレーションにより金ナノ粒子が生成するこ

溶融塩中と水中での実験結果を比較すると、同じ光強とが明らかとなった。図 6 (a)に、実験後の試料に水を加度では溶融塩中の方が大粒径の粒子が生成している。こえ水溶液化した試料の吸収スペクトルを示す。プラズモの主な要因には、おそらく溶媒の温度が関連しているもン吸収帯のピーク波長は 554 nm で、水中での結果（図のと考えられる。金の融点はバルク状態では 1064℃で6(b)）に比べて 20 nm 長波長側にシフトした。ピーク波

あるが、粒径が数 10nm あたりから比表面積の増加によ

(a)

Au

Laser

り融点が低下しはじめ、
粒径 2 nm では 400-300℃付近ま(b)で低下する 5)。このため溶融塩の融点（260℃）付近では、一旦生成した小粒径のナノ粒子同士が融着し大粒径化すると考えられる。一方で融着により粒径が大きくな

Moltensalt

るに従い融点も上昇するため、ある程度の粒径で粒子の図 5 溶融塩中での金ナノ粒子作製実験での (a)レーザ

成長が抑制されるものと考えられる。現時点でその詳細

ー照射時、 (b)照射後（常温）の試料の写真

図 6 (a)溶融塩中（実線）、(b)水中（点線）で作製した金ナノ粒子の吸収スペクトル（光強度 50 mW）
─ 47 ─

図 7 溶融塩混合水（10wt%）中で作製した金ナノ粒子の吸収スペクトル（光強度 75 mW）

は明らかではないが、今後溶媒の温度と生成粒子の粒径

98 nm（変動係数 45.2）であるのに対し、溶融塩中でのとの関連性を明確にしていく。

粒子は平均粒径 2.9 μm（変動係数 29.1）と大粒径化していることがわかった。酸化チタンナノ粒子には凝集性が ⁐⼥ሷ୰࣮ࣞࢨ࣮࢔ࣈ࣮ࣞࢩࣙࣥ࡟ࡼࡿ㓟

あり、水中では粒径数 nm〜数 10 nm の 1 次粒子が凝集  ໬ࢳࢱࣥࢼࣀ⢏Ꮚࡢస〇

して 2 次粒子を形成するが、溶融塩中では上記したよう

酸化チタン(TiO2)ナノ粒子は、n 型半導体の特性や紫に酸化チタンよりも反応活性が高いチタン粒子が先に外線吸収能を有しており、太陽電池や紫外線遮蔽材、抗生成すると考えられるため、溶融塩中で粒子間の凝集が菌材等数多くの応用例がある。筆者はこれまで、水中レさらに進んだものと考えられる。このメカニズムの詳細

ーザーアブレーションによるチタンナノ粒子の作製をを明らかにするためには、溶融塩が融解した状態（高温行い、アブレートされたチタンが水あるいは水中の酸素状態）で生成粒子の物性を観測する必要がある。今後装と反応して酸化され、酸化チタンナノ粒子として生成す

置作製を含めさらに検討を進める予定である。

1)

ることを明らかにした が、溶融塩中での挙動は明らかではない。実験には 4.5 g の溶融塩を用い、加熱融解し㸲㸬ࡲ࡜ࡵ

た溶融塩中にチタン板（純度 99.5%、ニラコ）を配置し本研究では、溶融塩（LiCl-KCl-CsCl）溶媒中でレーザて光強度 200 mW（9×109 J/cm2・sec・pulse）で 20 分レーアブレーション法による金およびチタンのナノ粒子ーザー照射を行った。金の実験時よりも光強度が高いが、作製実験を行い、水中での実験結果と比較した。その結これはチタンの融点が金よりも高く（〜1800℃）、チタ

(a)

(b)
(a)

ンのアブレーションにより多くのエネルギーを必要と(b)するためである。同様に水中（5 ml）でも同照射条件で実験を行い、結果を比較した。図 8 (a)、(b) に水および溶融塩中の実験で得られた試料と、実験後のチタン板の写真をそれぞれ示す。ただし溶融塩中の試料は実験後、水を加え水溶液化したものである。試料はいずれも白濁

図 8 (a)水中、(b)溶融塩中でのレーザーアブレーシ化しており、レーザー照射により白色の酸化チタンナノョン実験後の懸濁液試料とチタン板の写真粒子が生成したことがわかる。実験後のチタン板は水中では表面の黒化が見られる。これはチタン表面で低次の(a)

酸化チタン（ TinO2n-1（n = 1〜10））が生成するためであり 6)、レーザー照射面でチタンの水あるいは酸素による酸化反応が起こることを示す。一方、溶融塩中ではチタン表面の黒化は顕著ではない。溶融塩は分子中に酸素を含まず、また高温状態であるため水中に比べ溶存酸素(b)

量も低いと考えられることから、溶融塩中ではレーザー照射によりチタン（Ti）粒子が生成し、その後加えた水や空気中の酸素により酸化されたものと考えられる。生成粒子の粒径計測の結果を図 9 に示す。酸化チタンナノ
粒子は表面プラズモン吸収を持たないため、計測には粒度分布計を用いた。水中での生成ナノ粒子の平均粒径は
─ 48 ─

図 9 (a)水中、(b)溶融塩中で生成した酸化チタンナ
ノ粒子の粒径分布

果、溶融塩中においても金および酸化チタンナノ粒子が����

生成することを確認した。一方、金、酸化チタンとも溶

1) 谷口誠治, 佐伯 拓, 岡田竹弘, 古 隆志: レーザー学会第融塩中の方が生成粒子の粒径が大きくなることがわか

421 回研究会報告「21 世紀のレーザー技術」, RTM-11-56,

った。金の場合には、溶融塩中では高温下（〜300℃）

25-30, 2011.

でナノ粒子同士が融着し大粒径化すると考えられ、酸化2) T. Okada, T. Saiki, S.Taniguchi, T. Ueda, K. Nakamura, Y.

チタンの場合には、溶融塩中で先にチタンナノ粒子が生

Nishikawa and Y. iida: ISRN Renewable Energy (Open access

成した後凝集して大粒径化し、その後水や酸素による酸journal), 2013, 827681, 2013.

化が起こる可能性が高い。今後、溶融塩中でのナノ粒子

3) 谷口誠治, 岡田竹弘, 佐伯 拓, ILT2013 年報, レーザー技術総合研究所, 2013.

物性について実験装置の作製を含めて検討を進め、その

4) 伊藤靖彦, 後藤琢也, 河村博行, 特許第4688796 号, 2011.

生成メカニズムを明らかにする予定である。

5) N. Wada: Chem. Eng., 9, 17-21, 1984.
6) 谷口誠治, 古河裕之, 佐伯 拓, ILT2011 年報, レーザー技術��
本研究の遂行にあたり平成 25 年度大阪大学レーザー
エネルギー学研究センター共同利用・共同研究（自由研
究課題型 B2-20）の支援を得た。

─ 49 ─

総合研究所, 2011.

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

１．はじめに

これまでに我々はレーザー生成スズプラズマに注目

現在量産されている半導体の最も細い回路線幅は22

し、EUV発光の物理探究とプラズマ条件の最適化を行

nm(ハーフピッチ)であるが、それらはArFレーザー(192って来た。平成15-19年度に阪大レーザー研を中心としnm)を光源として採用し、液浸技術により屈折率を大きて実施された文部科学省リーディングプロジェクトにくする露光方式を用い、さらに二重露光を行う複雑な行

おいて、レーザー生成スズプラズマからのEUV発光効程で製造されている。しかしながら、この方法で今後の率3%を実証した後、炭酸ガスレーザーの優位性を発見

回路線幅16 nmの半導体リソグラフィーに対応するためし、スズドロップレットに対してダブルパルス照射を行にはさらなる多重露光技術が必要とされ、半導体製造コ

い、EUV変換効率4%を実証するなど、レーザー生成ス

ストの増大が懸念されている。そこでダブルパターニン

ズプラズマからのEUV発光の高効率化の指針を世界にグなどの複雑な行程が不要で、11 nmプロセスよりもさ先駆けて見出し、EUV発光の物理機構解明と高効率、らに微細な回路線幅の半導体まで製造可能である波長

高出力化に向けたプラズマ条件最適化において実績を

13.5 nmの極端紫外線（Extreme Ultra-Violet: EUV）が半挙げて来た。現在、世界のEUV光源研究は2017年頃の導体リソグラフィー用次世代光源として期待されてい量産開始を目標に、炭酸ガスレーザーを用い、スズドロ

る。EUV光源に求められるのは高い発光効率、高出力、ップレットにダブルパルス照射を行う方式を中心に研

高 い 安 定 度 で あ る 。 2014 年 4 月 の SPIE advanced

究が進められている。この方式でさらなる高効率化及びlithography会議において、世界の二大EUV光源メーカー、

高出力化を目指す上で重要なのは、スズドロップレット

即ち、米国CYMER社と日本のGigaphoton社からそれぞに最初のレーザーを照射したときのドロップレットのれ開発中のEUV光源の出力について報告があり、

挙動、プラズマ生成過程の解明・制御と、その後の炭酸

CYMER社は70W、Gigaphoton社は43WのEUV出力達成

ガスレーザー照射によるEUV発光の高効率化である。

を報告した。これらは従来のEUV出力に比べると飛躍

スズドロップレットにプリパルスを照射後、生成したプ

的に出力が向上しているが、まだ量産光源の目標である

リプラズマに炭酸ガスレーザーを照射するところまで

EUV出力180 Wには到達していない。

の全ての過程をトータルに最適化するのが本研究目的

我々はギガフォトン社と協力して、EUV出力180 Wをである。本稿では、スズドロップレットのダイナミクス

達成すべく、光源プラズマの最適化研究を行っている。

を流体シミュレーションにより探求することを目標と

現状のレーザー生成スズプラズマEUV光源のEUV出力して行ったH25年度の研究成果についてまとめる。スズを基準として、レーザー出力を3倍、レーザーからEUV

ドロップレットの挙動とプラズマ生成過程は未だよく光への変換効率を2倍にできれば、EUV出力を現在の6

判っていない事が多く、その計算も物理的、数値計算的倍にすることができ、180 Wを超えるEUV出力が可能にな困難さがあり、定性的な計算のみであったのが現実でなると考えている。より具体的にはEUV変換効率は6%あるが、我々は開発した輻射流体コード(STAR-2D)1)を以上が我々の目標である。6%以上のEUV変換効率が達用いてドロップレットの膨脹を計算した。その結果、高成できれば、EUV光源としてのスズプラズマの最適化

効率化を目指したスズプラズマの最適化に有用な知見はひとまず一段落する。

が2次元シミュレーションにより得られた。次章で詳し

─ 50 ─

く述べる。

的には、炭酸ガスレーザーの充分な吸収を期待するには
密度スケール長は典型的な値として 200 μm 以上が必要である。そのため、プリプラズマの生成、即ちプリパル
スレーザー照射されたスズドロップレットの挙動を密度分布を中心に解析し、挙動を理解することにより、EUV 放射に最適なプリプラズマ生成条件を明らかにすることが出来る。しかしながら、典型的なプリパルスレ
ーザー照射条件において、スズドロップレットは高密
度・低温のいわゆる Warm Dense Matter 領域に入り、非図 1 ダブルパルス照射方式によるレーザープラ

理想的なプラズマとしての状態方程式の影響を強く受

ズマ EUV 光源の概念

けることになる。我々は米国の Dr. R. More の協力を得て、高精度な状態方程式を輻射流体コードに導入し、ス

２．スズドロップレットの挙動

ズドロップレットにプリパルスが照射される際のスズ

現在、我々が考えているEUV光源は図1に示すように、

ドロップレットの挙動を計算した。H24 年度は一次元的

ダブルパルスを用いる2段階照射方式である２)。まず、計算を行い、プリパルスレーザー照射されたスズドロッ

スズドロップレットに最初のレーザー（プリパルス）をプレットが気体と液体の混合状態になることを見いだ

照射する。プリパルスの波長 は1 μmを想定している。

した。H25 年度はさらに、2 次元計算を行うことで、プ

スズドロップレットへのプリパルス照射によりプリ

リパルスレーザーを照射されたスズドロップレットのプラズマが生成され、数 100 ns から数 μs の時間をかけ

実際の挙動を解析した。プリパルスは従来ナノ秒パルスて、ドロップレットの典型的なサイズ（直径）20 μm かが用いられて来たが、ギガフォトンにより、ピコ秒パル

ら数 100 μm までプラズマが膨脹する。膨脹したスズプ

スがより大きな EUV 変換効率を与えることが見いださ

ラズマに対して、2 段階目のメインパルスである炭酸ガ

れて来ており、ここではピコ秒プリパルスを中心に記述

スレーザーを照射し、EUV 光を発生させる。この時、する。図 2 に典型的な軸対称 2 次元計算のスズドロップ

一番大事な事は炭酸ガスレーザーの吸収率を如何に高レット内部の圧力と密度の時間発展を示す。図 2 ではド

めるか、ということであり、スズのプリプラズマが充分

ロップレットに対し、レーザーは右から照射される。そな密度スケール長を有していることが必須である。具体の際、レーザーのスポットサイズはドロップレットと同

(a)

( b)

(c)

(d)

図 2 ピコ秒プリパルスを照射されたスズドロップレットの 2 次元計算結果。それぞれ(a) レーザー照射後
100 ps、 (b) レーザー照射後 5 ns、 (c) レーザー照射後 10 ns、(d) レーザー照射後 60 ns である。
─ 51 ─

じ直径 20 μm である。レーザー波長は 1.06 μm、レーザ（spallation）と同様の現象が生じている。さらに時間がー強度は 5 × 1012 W/cm2、パルス幅は 15 fs である。ドロ

経つと、図 2(d)に示すようにレーザー照射後 60 ns 後にップレットの右からレーザーを照射し、最初の 15 fs のは高密度のシェルと低密度の中空部分の 2 層構造を保レーザー照射により、ドロップレット表面に最高100 eV

ったまま、スズドロップレットは膨張し、スケールが大程度のプラズマが生成する。そのため、図 2(a)のレーザ

きくなっていくことが解った。

ー照射後 100 ps の圧力分布に見られるように、
レーザー
生成プラズマの高圧力でドロップレット表面に右から

３．まとめ

衝撃波が形成される。衝撃波はドロップレット中心部にスズドロップレットにレーザーを照射する際のドロ向かって進行し、中心部である程度収束した後に、レーップレットの挙動を中心に、次世代半導体リソグラフィ

ザー照射と反対側に伝播し、ドロップレットを通り抜け

ーに必須である高効率・高出力光源の開発に向けてシミる。衝撃波がドロップレット中心から広がりながら伝播

ュレーション研究を行った。今後は分子動力学的手法をする際に、ドロップレットの密度は膨張により希薄にな用いてスズドロップレットの挙動を計算し、流体計算とり、レーザー照射後 5 ns の図 2(b)ではドロップレット中比較するなど、スズの気液混合状態の物性についてさら

心部に低密度のボイドを形成する。このとき衝撃波によに深く研究を進める予定である。また、これらの知見をって圧縮されるごく一部の領域を除き、スズドロップレ

ベースに、スズドロップレットから EUV 光放射に至る

ットは固体密度よりも密度が小さく、数千度の比較的温全ての過程を統合したシミュレーションを行い、高効率

度が低い状態、即ち気体と液体の混合領域に入る。さらEUV 発光の条件を見いだす予定である。

に時間が経過し、図 2(c)に示すレーザー照射後 10 ns では衝撃波は既にドロップレットのレーザー照射面とは

参考文献

反対の側から抜けているが、ドロップレット中心部のボ

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

イドは益々大きく成長し、ドロップレット全体が気体とKoike, S. Fujioka, T. Aota, M. Yamaura, Y. Shimada, H. Nishimura,

液体の混合状態となる。この気体と液体の混合領域は密Y. Izawa, N. Miyanaga, and K. Mima: J. Plasma Fusion Res., 83,

度が圧力及び音速が極端に小さいという特徴を持ち、音920-926, 2007.

速の小ささから、ボイドの領域が広がるのを補償するだ

2) K. Nishihara, A. Sunahara, A. Sasaki, et al.: Phys. Plasmas, 15,

けの流体運動が生じない。そのため、スパレーション

─ 52 ─

056708, 2008.

������������������������
理論・シミュレーションチーム
砂原淳������
大阪大学では高速点火実験（FIREX実験）を推進してできる。

おり、爆縮プラズマを核融合点火温度である5 keVに加熱することを目指して研究が進んでいる。目下の課題は

加熱効率

加熱効率、即ち超高強度レーザーから爆縮プラズマに与＝ (1)レーザーから高速電子への変換効率えられるエネルギーの割合の更なる向上である。FIREX

×(2)コーンターゲット先端部（チップ）の透過率実験で用いられる典型的なターゲットは図1に示すよう

×(3)コーン先端からコアへの到達効率に、加熱用超高強度レーザーの通り道を真空に保つため

×(4)爆縮プラズマコアへのヘネルギー付与効率のプラズマよけであるコーンターゲットが核融合燃料
球に取り付けられた形となっている。最初に爆縮レーザ

加熱効率を最大化させるためには、式（1）の右辺の 4ーにより燃料球を圧縮した後、超高強度レーザーをコー

つの項をそれぞれ最大化させる必要がある。また、従来

ンターゲット内部先端部に集光し、高速電子を発生させ、の高速電子をベースとした高速点火スキームの研究に

高速電子により爆縮プラズマコアを加熱する。高速点火

加え、爆縮コアの加熱温度を飛躍的に向上させる方法と方式が中心点火方式など他の点火と比べて優位となる

して高速イオンの利用についても平成 24 年度に提案し、ためには、加熱効率が流体力学的効率の理論限界である研究を進めて来ている。高速イオンの利用を含め、高い10%以上にならないといけない。しかし、残念ながら加加熱効率達成を目指すためには式（1）に含まれている

熱レーザー入射から爆縮コア加熱までの加熱効率は図1

物理要素のそれぞれを理解し、全要素が統合された評価に示すように現状1%程度と見積もられている。また、ツールが有用である。そこで、我々は１次元で統合加熱

この低い加熱効率のために、高速点火時の爆縮コアの温コードを開発し、平成 25 年度は高速電子や高速イオン

度も現状では数100eV程度しか上昇していないことがの発散角を考慮するための計算幾何形状の変更等、さま

実験的に明らかになってきている。加熱効率は式（1）

ざまな改良を行い、現状の実験の解析に用いることが可に示すように次の4つのファクターの積で考えることが能なレベルに至った。次章で詳細を記述する。

図 1 爆縮コア加熱の加熱効率を決める 4 つの要素の概念図

─ 53 ─

粒子への変換効率や、図 3(b)に示す高速イオンのエネル㸰㸬୍ḟඖ㧗㏿Ⅼⅆຍ⇕ホ౯ࢥ࣮ࢻ
開発したコードの幾何形状は一次元で、前章の式（1）ギーなど、入射粒子のエネルギーが求められ、それらのの全要素を考慮したものになっている。
即ち、
高速電子、

入射粒子のプラズマ中における阻止能計算によりコア

高速イオンの発生効率、高速電子、高速イオンのプラズ加熱が計算される。

マ中における阻止能及びエネルギー付与1,2)、爆縮プラズ
マの加熱、帰還電流による加熱、輻射エネルギー損失、プラズマの加熱に伴う電離度の変化である。平成25年度
は高速電子及び高速イオンの発散角を考慮すべく、図2に示すようなコーン形状の計算領域を扱うことができるようにコードを書き直した。その結果として、高速電
子及び高速イオンの発散角をそれぞれ考慮することが可能になり、現実のFIREX実験の解析に用いることが可能になった。

図 3(a) CD プラズマを想定し、高強度レーザーから
6 価の炭素イオンへのエネルギー変換効率を算出した例。それぞれ相互作用領域の密度に応じて(1) 0.1×臨界密度, (2) 臨界密度、(3)相対論的臨界密度（直線偏光）、(4)相対論的臨
界密度（円偏光）に相当する。今回の計算では(3)を採用している。

図 2 改良した一次元加熱評価コードの計算領域の模式図. 高速電子及び高速イオンの発散
角がそれぞれ別の値として考慮できるようになっている。

図 2 には計算条件として与えるべきパラメータをまとめてあり、レーザー条件として強度 IL, パルス幅 τL、 波
長 λL、スポット径 D を与える。このスポット内で高速
電子及び高速イオンが発生し、それぞれの発散角 θe と θi
で爆縮コア中を広がりながら通り、爆縮コアを加熱する。
爆縮コアの設定パラメータは密度 ρ、初期電子温度 Te、
初期イオン温度 Ti である。これらを設定することによ

図3(b) 図3(a)に相当する6 価炭素イオンの粒子エネ

り、高速電子及び高速イオンの発生に関するモデルを用

ルギー. (1)〜(4)は相互作用領域の密度で、図

いて、図 3(a)に示すようにレーザーからそれぞれの入射3(a)と同じ定義である。

─ 54 ─

㸱㸬ィ⟬౛
図4に爆縮コア加熱の計算例を示す。ここでは高速電子の発生モデルとして、Wilksによるスケーリング則を用いたものを図4(a)に、Wilksよりも勾配温度が低くなる傾向をもつHainesモデルを用いて高速電子の発生を計算した結果を図4(b)にそれぞれ示す。爆縮密度は全て、現在のFIREX実験における爆縮を想定して10 g/cm3としている。実線は高速イオンの加熱への寄与を考慮したもので、破線は高速電子のみの加熱の場合である。レーザ
ー強度は1 ×1019 W/cm2、1 × 1020 W/cm2、1 × 1021 W/cm2の3つの場合を想定している。パルス幅は1.5 ps, スポッ
トサイズは50 μmΦ、発散角は電子を全角80度、高速イ
オンを全角30度とした。爆縮コアの初期温度は0.5 keVである。図4(a)より、Wilksモデル高で速電子の発生を考えると、レーザー強度が1019 W/cm2でスポットサイズが60 μmΦ、高速電子の発散角が全角80度の現状の実験パラメータでは高速電子のみの加熱の場合には1 keVに到
達しないことがわかる。また、高速イオン加熱を考慮しても1 keVを僅かに超える温度しか達成できない。5 keV
達成には1 × 1021 W/cm2のレーザー強度が必要であることが解る。一方Hainesのモデルで評価した場合にも電子加熱の寄与が若干増加するだけで、5 keVの爆縮コア加熱達成には1 × 1021 W/cm2レベルのレーザー強度が必要

図4

計算結果.. (a) Wilksモデルにより高速電子の発生を考慮したもの (b) Hainesモデルにより高速である。

電子の発生を考慮したもの. 実線は高速イオ㸲㸬ࡲ࡜ࡵ

ンと高速電子の両者の寄与を考慮したもので、破線は高速電子のみの加熱を考慮している。

大阪大学が中心になって進めている高速点火原理実
証実験(FIREX-I)の目標である 5 keV のコア点火温度を達成するには現在の実験のパラメータでは困難であり、でいる。具体的にはコーン形状によって勾配温度が変化

式（1）に示した加熱効率を決定づける要素を大幅に改するという実験結果について集中的に解析が進んでお善しなくてはならないことを示した。具体的には発生すり、今後の進展が期待される。

る高速電子及び高速イオンの発散角の抑制と高速電子の勾配温度の抑制、レーザーエネルギーの増加である。

ཧ⪃ᩥ⊩

高速電子の発散角抑制に対しては磁場による高速電子

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

ガイドなど、基礎実験が進んで来きている。また、高速
電子の勾配温度に関しては、何が勾配温度を高くしてし

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

まうのかを理解するための実験が行われて解析が進ん─ 55 ─

matter, Pergamon Press, New York, 1977.

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理論・シミュレーションチーム
砂原

淳、影山

慶 1、高木一茂 1、籔内俊毅 1、田中和夫 11

大阪大学大学院工学研究科
見を得ることを目指して、シミュレーションコードの開������
核融合炉工学を目指した研究が益々重要になって来発と実験解析を行っている。平成 25 年度にはレーザーている。特に、第一壁の問題はレーザー核融合、磁場閉

核融合炉炉心プラズマから発生するアルファ粒子によじ込め型の方式を問わず重要な研究課題である。大阪大

る核融合炉壁の加熱及びアブレーションを計算し、壁表

学では図 1 に示すように、ターゲットにレーザーを照射

面が加熱され、噴き出した後、入射してくるアルファ粒

してプラズマプルームを発生させ、そのプルーム同士を子を減速し、プラズマガスカーテンとして機能させるこチャンバー中心付近で衝突させることにより、実際の核とで、壁への熱負荷を抑制できることなどを見いだした。

融合炉壁からのプラズマ発生とダイナミクスを現在の

これは図 1 のプラズマプルーム生成領域のモデリング

実験室レベルで模擬する実験を行っている。実際の炉壁に相当する。次章で詳細を示す。

は X 線やアルファ粒子、プラズマデブリなどによる熱インパルスを受けるが、本実験は X 線や粒子の代わり�����������������

レーザー核融合では炉の中心部で核燃焼が生じ、にレーザーを模擬熱源として用いて壁材料に熱負荷を与える。レーザーを用いることで、熱入力条件を比較的

そこから核反応生成物としてのアルファ粒子を中広い領域で容易に変化させられる。また、様々な物質を心として、様々な電離状態のイオンが核融合炉壁へ

ターゲットとして用いることが容易であり、多数の実験入射する。そして、それらは壁入射後、表面付近で減速データにより定量的な物理モデリングが可能である等、され、壁に対してエネルギーを与える。
その結果として、多くの利点がある。現在までに多数の実験データが蓄積

壁表面は加熱され、昇華温度を超えるとアブレーション

されて来ており、我々は理論・シミュレーション手法をする。実際の核融合炉設計においては、核融合炉の第一用いてこれらのレーザー生成プルームの発生、膨張、衝壁はそれら入射粒子の加熱に耐え得る材料の選択が重突のダイナミクス、壁（材料）のアブレーションを定量要であり、さまざまな核融合炉壁材料がどのような熱特的に理解し、実際の核融合炉壁の熱応答問題に対する知性を示すのかを理解することが重要である。我々はレー

図 1 レーザー核融合炉壁アブレーションの模擬実験

─ 56 ─

図 2 核融合炉を想定した計算条件

ザー核融合の炉心プラズマを想定し、発生するアルファ粒子による核融合炉壁の熱応答を解析した。計算条件として核融合炉壁材料の候補の一つである炭素を採用し、アルファ粒子のエネルギーは100 keV として、
6 ns の間、アルファ粒子が炭素壁に入射するとした。核融合炉は 4m の半径を想定し、典型的なアルファ粒子の入射強度を1.6 × 109 W/cm2 とした。図 2 に炭素壁の条件を示す。
計算は 1 次元ラグランジアン流体スキームをベースにしており、図 2 に示すように炭素壁の左側から入射する。入射したアルファ粒子の炭素による阻止能 1,2)を毎ステップごとに計算し、減速に応じて運動エネルギーの減少分を炭素ターゲットに熱エネルギーとして付与する。図 3 に 6 ns までの時間発展を 2 ns ごとに示す。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。
ここで特徴的なことは、噴き出したカーボンがアルフ
ァ粒子を減速し続けるため、しばらくすると、壁本体への熱流は減少することである。また、これとは反対に、噴き出した炭素はアルファ粒子により加熱されつづけるため、温度は時間的に増加する。図 3（c）のアルフ

図 3 アルファ粒子入射によるカーボン壁のアブレーァ粒子入射開始後 6 ns の密度分布を見ると、炭素はごくションの計算結果。(a)アルファ粒子入射開始後 2

表面のみがアブレーションされており、噴き出していな

ns, (b)アルファ粒子入射開始後 4 ns, (c)アルファ

い部分は固体密度を保持している。また、噴き出した炭

粒子入射開始後6 ns のそれぞれ密度、温度分布。

素は真空側に向かって温度が増加していることがわか

密度はカーボンの固体密度で規格化されている。

る。これは噴き出した炭素によるアルファ粒子の遮蔽、即ち、ガスカーテン効果を示している。また、6 ns では

距離まで噴き出しており、核融合炉の典型的なショット

初期炭素壁表面から 0.5 μm の深さまでが昇華点を超え

間時間である 0.1 秒の間には 1000 m 以上の距離を進むている。

事ができることから、噴き出し気体は数 m の半径を持一方で、固体密度の 1/1000 の領域は壁から 70 μm のつ核融合炉壁内部に十分均一に膨張できることを示し─ 57 ─

ている。

程式モデルの導入が求められる。

�����

����

核融合炉壁へのアルファ粒子照射による壁の温度上

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

昇をカーボン壁に対して見積もった。噴き出した気体の温度は最高で数 eV まで上昇しており、今後は気体とプ

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

ラズマの両方を精度よく扱う阻止能、熱伝導及び状態方─ 58 ─

matter, Pergamon Press, New York, 1977.

レーザー�ー�ン������レー��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
レーザーピーニングのシミュレーションとしては、有��は���
レーザーピーニングとは、図 1 に示すように、レーザ

限要素法を用いた応力解析が殆どである 1)。プルームのーアブレーション誘起衝撃波によって金属を塑性変形

圧力は、外部からの境界条件として与えられるのみであさせ、加工硬化や圧縮残留応力を付与し、金属部品の高り、レーザーと物質の相互作用等は計算に含まれない。

強度化、長寿命化を実現できる技術である。既に、宇宙

レーザー生成プルームの解析のモデルとして良く使

航空産業、原子力産業に実用化されている。また、非接

われるものに、Fabbro のモデルがある 2)。このモデルの触でかつ局所的に表面処理でき、プロセスの再現性が高詳細は 3 章で述べるが、レーザーと物質の相互作用を詳く、装置が小型で可搬性に優れているため、精密部品（複細に取り扱ったものではない。レーザー波形が矩形波で雑形状、小型、薄板）への応用が期待されている。

あることなど、一定の条件を満たす場合には Fabbro のモデルを用いてプルームの圧力を解析的に求めることができる。文献 3 では、レーザーの波長を 1064 nm とPulsed laser レーザー

し、レーザーの照射強度とパルス幅を変え、10 m 厚

レンズ

さのアルミニウム薄膜の裏面の圧力の最大値を測定している。文献 3 の Fig. 8 において、実験で得られたレ

大気又は水ーザー照射強度の関数としてのアルミニウム薄膜の裏

プルーム

面の圧力の最大値と、Fabbro モデル中の  パラメーター（プルーム中の内部エネルギーが熱エネルギーに変わ衝撃波る割合）を 0.2 として得られた圧力値の比較が行われている。両者は良く一致している。
図 1 レーザーピーニングの概念図

レーザーと物質の相互作用、材料中の応力生成・伝搬を統合的に取り扱った数少ない研究の1つとして、
Ocana

レーザーピーニングを用いて材料に処理を施す場合、等によるものがある4) 。これはLSPSIM、HYDRA、各種材料にあったレーザー条件（レーザー強度、パルス

HARDSHOCK という3 つのコードで構成される統合

幅、レーザー波長、パルス波形等）で処理する必要があ

シミュレーションコードを用いた研究である。レーザーる。適切な衝撃波圧力を発生させ、金属材料の降伏応力と物質の相互作用はHYDRAで求め、その結果をを超えた領域で塑性変形を起こさせる。降伏応力は、材LSPSIM に入力する。LSPSIMでは、プラズマが材料に料に固有の値を取る。レーザー条件の最適化のため

与える圧力をFabbro モデルをベースに計算している。

には、シミュレーションにより、レーザーと金属材

HARDSHOCK で、応力計算を行う。Ocana 等の研究に料、及びプルームの相互作用を正確に理解し、アブレ

より、レーザーと固体の相互作用等により、固体内に発ーション生成プルームの圧力、固体中の残留圧縮

生する熱が応力の発生及び伝搬に影響を与える、ことが応力等を詳細に評価する必要がある。

示唆された4)。Ocana 等の研究では、レーザーと物質の─ 59 ─

相互作用計算において、「初めにプラズマ有き」を仮定

程式コードに入力し、圧力、比熱等を求める。原子のエしており、固体から液体、液体から中性気体、中性気体

ネルギー準位、ポピュレーション、電離度などのデータから部分電離プラズマへの相変化は含まれていない。レ

をスペクトルコードに入力し、X 線の放射係数、吸収係

ーザーピーニングで用いられるレーザーパラメーター

数等を求める。圧力、比熱、X 線の放射係数、吸収係数では最大でも電子温度は数万度程度であり、これは温度等のデータをテーブル化し、Laser Ablation Peening Code

換算した気化熱と同じ程度である。よって、相変化の効(LAPCO)に入力し、固体金属の温度上昇、固体中の応力果は重要と考えられる。

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

本研究における新規性を述べる。
1)

固体から液体、液体から中性気体、中性気体から部
分電離プラズマへの相変化の効果を取り入れた１

原子モデル

次元のレーザーピーニング統合シミュレーション
電離度 ポピュレーション, エネルギー準位

コードを開発した 5, 6)。
2)

レーザー照射から固体内部の応力の分布も評価ま

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

で、統合的に計算できる。
3)

真空中、大気中でレーザーを照射する場合のみでな
く、水中でレーザーを照射する場合、ガラスでプル

Laser Ablation Peening COde (LAPCO)

ームを閉じ込める場合の計算も可能である。
本研究で開発した統合シミュレーションコードにより得られた、レーザー照射強度の関数としてのプルーム

図 2 統合シミュレーションコードのフローチャートの圧力の空間平均の最大値は、
 = 0.2 と仮定してFabbro
モデルにより得られたプルームの圧力値と良い一致を示した。
本研究において、塑性圧縮応力の計算のモデリングを行い、レーザー照射から塑性圧縮応力生成まで統合シミュレーションを行った。固体表面からサブ mm の深さのところに、数百 MPa から 1.6 GPa 程度の塑性圧縮応力が生成される、という結果を得た。
第 2 章では、シミュレーションコードの概要について述べる。第 3 章では、Fabbro モデルについて考察する。
第 4 章ではレーザー生成プルーム、第 5 章では塑性圧縮応力の評価について述べる。第 6 章は結言である。
����������������� 5, 6)

図 3 LAPCO のフローチャート

図 2 は、開発した統合シミュレーションコードのフロ
ーチャートである 5, 6)。原子モデルコードを用いて、原子のエネルギー準位、ポピュレーション、電離度などのデータを様々な温度密度で求める。そのデータを状態方開発した統合シミュレーションコードに関して、レー
ザーピーニングのシミュレーションのプロセスに沿って説明する。

─ 60 ─

(1) 計算の対象となる金属に関して、原子モデルコードードでは、物質の相構造は、基本的（定常的）には、右を用いて、電離度、ポピュレーション、エネルギーから固体、固体と液体の混合領域、液体、液体と気体の準位などを求める。このデータは、入力したレーザ

混合領域、気体（部分電離プラズマ）と連続的に分布しーエネルギーの内、励起、電離に使われるエネルギているとしている。閉じ込め媒質中では、レーザーは吸ーの割合の評価や、中性気体から部分電離プラズマ

収されない、と仮定している。

への相変化を記述する際に、極めて重要となる。
(2) 電離度、ポピュレーション、エネルギー準位などの

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)レーザー

データを状態方程式コードに入力し、圧力、比熱なzどを求める。これは、プルームの圧力の評価、熱エ図 4 本シミュレーションコードにおける geometry

ネルギーの評価にそのまま反映される。
(3) 電離度、ポピュレーション、エネルギー準位などの変位量 u と弾性歪 e の関係は、次式で表される。

データをスペクトルコードに入力し、X 線の放射係数、吸収係数を求める。
(4) (1) - (3) で求めた「電離度、圧力、比熱、X 線の放 e  z, t   u  z, t z

射係数、吸収係数」のデータを「LAPCO」に取り(1)込む。さらに、レーザーのパラメーター、金属の厚弾性応力  e と弾性歪 e の関係は、次式で与えられみ、初期温度、閉じ込め物質の種類、厚み、初期温度などを入力し、流体シミュレーションを開始する。
入力可能なレーザーパラメーターを、以下に記す。
(4-1) ピーク強度 (4-2) パルス幅 (4-3) 波長(4-4) パルス波形
パルス波形は、ソースコードを書き換えることによる 9)。

 e  z , t      2   e  z , t (2)

ここではラメ定数であり、ヤング率 E、ポアソン
比  を用いて、次のように表される 9)。

り、任意の波形に対応可能である。
(5) LAPCO に含まれている主な物理を、以下に記す。

(5-1) 自由電子の逆制動放射、共鳴吸収、束縛電子
によるレーザーの吸収 7) 。

 E

1  1  2 , E
2 1   (3)(1)式の両辺を時間微分することにより、弾性歪 e と(5-2) 固体、液体、中性気体、部分電離プラズマの固体内部の場の速度 v が関係づけられる。

8)

相変化 。
(5-3) 電子、イオンの熱伝導、および、電子－イオ  e  z, t tン間のエネルギー緩和。

  u  z, t   u  z, t   v  z, t 


t z
 z tz(4)(5-4) 固体中の衝撃波の伝搬。応力生成。
(5-5) 金属材料から閉じ込め材料への熱伝達。

場の速度 v は、次の運動方程式を解いて得られる。

(5-6) X 線放射輸送過程。

  v  z, t   z, t  

図 4は、
本シミュレーションコードにおけるgeometryである。左から右（z 軸の負から正）に向かってレーザーが照射され、物質は右から左（z 軸の正から負）に閉
じ込め媒質に向かって噴き出す。本シミュレーションコv

 v  z, t  

z 



t




 e  z , t    p  z , t   P  z , t  
z

(5)

ここで P は圧力であり、状態方程式から得られる 6)。

─ 61 ─

塑性圧縮応力 p は、塑性歪 p を用いて次式で表さ
9)

れる 。

 p  z, t   2  p  z, t 

dL  t  3
dP  t 3 I  t   1 L t 
 P t dt2
dt
 2 

(8)(6)
ここで は、プルーム中の内部エネルギーが熱エネル
9)塑性歪 p については、次のようにモデリングした 。

  p  z, t t

ギーに変わる割合であり、Fabbro のモデル内では決められないパラメーターである。

 P  z, t 23  2 
t
0

for
for

  e Y

媒質中での衝撃インピーダンスが一定であるとすると、圧力 P(t)とプルームの長さ L(t)は、式(9)で関係付け  e Yられる 2)。

(7)
ここで、Y は降伏応力である。

dL  t 
dt㸱㸬Fabbro ࣔࢹࣝレーザー生成プルームの解析のモデルとしてよく用いられる、Fabbro モデルについて考察する。図 5 は、Fabbro モデルの概念図である 2)。時刻 t において、内部エネルギー Ei(t)、圧力 Pi(t)、長さ L(t)のプルームに、
強度 I(t)のレーザーが時間 dt の間照射された後、内部エネルギー Ei(t+dt)、圧力 Pi(t+dt)、長さ L(t+dt)のプルームを持たない、と仮定されている 2)。よって、Fabbro モデ
ルで求めた圧力は、シミュレーションで得られる圧力の2
P t  ,
Z

2 1
1


Z Z1 Z 2(9)

ここで、Z1、Z2 はそれぞれの媒質中での衝撃インピーダンスであり、媒質の質量密度 I と衝撃波速度 ui を用いて、以下のように表される。

Z i  i uiに変わるとしている。
Fabbro モデルでは各々の時刻において、プルーム中の圧力と内部エネルギーは、空間分布



(10)

レーザー強度 I を時間によらず一定とし、初期のプルームの長さを 0 とすると、(1)式と(2)式から、圧力 P とプルームの長さ L(t)は以下のように求められる。

空間平均値に相当する、と考えられる。
P

I(t)dtEi(t), P(t)2  3L t   t

L(t)

2
Z

Z

I


2  3

(11)
I

(12)

本研究では、パラメーターとして、水の質量密度 1.0

Ei(t+dt), P(t+dt)
dLg/cm3、衝撃波速度（音速）148290 cm/s、アルミニウムの質量密度 2.7 g/cm3、衝撃波速度（音速）642000 cm/s、L(t)を用いた。４章で、シミュレーション結果と Fabbro モ
デルの詳細な比較を行っている。Z = 0.2732 × 106 g/cm2/s

図 5 Fabbro モデルの概念図となる。= 0.2 を仮定し、上記値を(17) 式と(18) 式にFabbro モデルにおいて、状態方程式を理想気体のものと同じとすると、レーザーの照射強度 I(t)と圧力 P(t)とプルームの長さ L(t)は、式(1)で関係付けられる 8)。

代入すると、I = 10 GW/cm2 の場合、P = 4.02 GPa、L(10ns) = 29.35 m となる。I = 2.5 GW/cm2 の場合、P = 2.01
GPa、L(10 ns) = 14.67 m となる。

─ 62 ─

図 8 は、シミュレーション及び(12)式で求めたプルー㸲㸬࣮ࣞࢨ࣮⏕ᡂࣉ࣮࣒ࣝࡢホ౯
図 6 は、シミュレーションで求めた、時刻 10 ns 時のムの長さである。両者は良い一致を示している。図中の圧力の空間分布である。横軸は初期の固体表面からの位

Simple model は、(12)式で求めたプルーム長を指す。

置である。レーザーの強度 10 GW/cm2、波長 1064 nm、
30

パルス幅 10 ns、時間形状は矩形波である。初期の固体

 = 1064 nm,  = 10 ns

アルミニウムの厚さは 2 mm、水の厚さは 1 cm である。

I = 10 GW/cm 2

計算領域は、- 1.0 cm から 2 mm までである。初期の固�����

20

体アルミニウムと水の温度は 300 K である。図からわかるように、プルームの先端近傍では急激に圧力が低下し

10
Simulationている。初期の固体表面は z=0 であり、溶融したため固Simple model

体表面が最初の位置から正に移動している。

P���P��

10

0

1

0

2

4

6

Time (ns)810

図 8 シミュレーション及び simple model で得られた

100

プルームの長さの時間発展

 = 1064 nm,  = 10 ns
I = 10 GW / cm

10-1

2

シミュレーションで求めた、プルーム中の内部エネル
10-2
-25

ギーが熱エネルギーに変わる割合  の時間発展を図
-20

-15

-10

z ( m)-509 に示す。レーザーが照射されてからプルームが生成さ5れるまでの時間は  = 0 である。固体から液体に相変化

図 6 10 ns 時の圧力の空間分布した領域では、沸点に達するまで熱エネルギーが増加するので  は時間に対して増加する。
1 ns 時から 2 ns 時

シミュレーションで、プルーム中の圧力の空間平均値

においては、相変化に使われるエネルギーが増加し、の時間変化を求めた。結果を図 7 に示す。シミュレーシ

は時間に対して減少する。その後、 は時間に対してョンにより得られた圧力の最大値は、(11) 式で求められわずかに減少している。

る 4.02 GPa と良い一致を示している。
0.4

5

0.3

3

 ���

P������P��

4

 = 1064 nm,  = 10 ns2

I = 10 GW /cm 2

0.1

1
0

0.2

0

2

4

6

Time (ns)

8

0

10

0

2

4

6

Time (ns)810

図 7 シミュレーションにより得られた、プルーム中の圧力の平均値の時間発展

図 9 シミュレーションにより得られたの時間発展─ 63 ─

レーザーの時間形状は矩形波とし、レーザーの強度を
22�����������

2

2.5 GW/cm 、5 GW/cm 、10 GW/cm とした場合の、プレーザーピーニング統合シミュレーションにより、塑

ルーム中の圧力の空間平均値の最大値をレーザー強度

性圧縮応力の評価を行った。レーザーの時間形状が矩形、の関数として図 10 に示した。強度を変化させても、シレーザー強度 10 GW/cm2、波長 1064 nm、パルス幅 10

ミュレーションと Fabbro モデルは良い一致を示した。

500
ns の場合の塑性圧縮応力の時間発展を図 12 に示す。
ns 時には、0.8 mm 程度深さの所に 1.45 GPa 程度の塑性
圧縮応力が生成されている。2 mm 厚さの固体アルミニ

4

ウム中の音波の伝搬時間等を考慮し、シミュレーション

3の最大時間を 500 ns とした。
0

2Simulation
Simple model

1
0

2

4

6

-0.5

8

2

p ��P�)P������P�)

5

10

Laser Intensity (GW/cm )10 GW/cm2
 = 10 ns
矩形-1500 ns-1.5

450 ns
400 ns

図 10 レーザー強度の関数として表したプルーム中の-2

圧力の空間平均値の最大値0
レーザーの時間形状をガウシアンとし、パルス幅 100.5

1z (mm)

1.5

2

図 12 塑性圧縮応力の時間発展

2ns、強度を 10 GW/cm とした場合の、プルーム中の圧力の空間平均値の最大値を図 11 に示す。矩形波の場合とレーザーの時間形状は矩形波とし、パルス幅 10 ns、比べ、最大値が減少している。圧力波形の実効的な半値レーザーの強度を 2.5 GW/cm2、5 GW/cm2、10 GW/cm2

全幅は 18 ns 程度である。圧力が最大になる時間が、レとして、塑性圧縮応力の評価を行った。500 ns 時の最大ーザーピーク時より 4 ns 程度遅れている。

塑性圧縮応力の値をレーザー強度の関数として、図 13に示す。500 ns 時の最大塑性圧縮応力の値は、レーザー

2.5

強度の平方根に比例する、ことが分かった。

10
Intensity

6

Pave

1

4

0.5

2

0

0

10

20

30

Time (ns)4010- p��� ��P�)

1.5

P��� ��P�)

8����������������2)

2

1

0
50
0.1

1

Intensity (GW/cm 2)10

図 11 レーザーの時間形状をガウシアンとした場合の図 13 最大塑性圧縮応力値のレーザー強度依存性

プルーム中の圧力の空間平均値の最大値
─ 64 ─

レーザーの時間形状は矩形波、レーザーの強度を 10
2

レーザー生成プルームの解析のモデルとしてよく用

GW/cm とし、パルス幅を 3.2 ns、5 ns、10 ns、15 ns、20

いられる、Fabbro モデルについて、水中レーザーピーニ

ns とした場合の塑性圧縮応力の評価を行った。500 ns 時

ングの場合の圧力とプルームの長さの解を導出した。

の最大塑性圧縮応力の値をパルス幅の関数として、図水中レーザーピーニングのシミュレーションを行い、14 に示す。500 ns 時の最大塑性圧縮応力の値は、パル

圧力及びプルームの長さが Fabbro モデルのそれと良い

ス幅の対数に比例する、ことが分かった。

一致を示した。プルームの圧力の平均値の時間発展について、パルス波形依存性を評価した。
本研究において、塑性圧縮応力の計算のモデリングを3- p��� �����

行い、レーザー照射から塑性圧縮応力生成までの統合シ
ミュレーションを行った。固体表面からサブ mm の深2さのところに、数百 MPa から 1.6 GPa 程度の塑性圧縮応力が生成される、という結果を得た。

1500 ns 時の最大塑性圧縮応力の値について、レーザー
強度依存性、パルス幅依存性、及びパルス波形依存性を

0

1

10

Pulse duration (ns)

評価した。

100

��
図 14 最大塑性圧縮応力値のパルス幅依存性

伊藤良祐氏においては、近畿大学理工学部在学時に、有益な議論を行った。ここに謝意を表す。

レーザー強度 10 GW/cm2、波長 1064 nm、パルス幅

10 ns とし、パルス波形を変えた場合の塑性圧縮応力の����

結果を図 15 に示す。大きな差異はなかった。

1) William Braisted, and Robert Brockman:
International Journal of Fatigue 21, 719–724, 1999.

02) R. Fabbro, J. Fournier,P. Ballard, P. Peyre, D. Devaux, and J.
Virmont:: J. Appl. Phys. 68, 775-784, 1990.

p �����

-0.5

3) P Peyre, L Berthe, R Fabbro, and A Sollier: J. Phys. D: Appl. Phys.
-133, 498–503, 2000.
4) J.L. Ocana, M. Morales, C. Molpeceres, J. Torresa:

-1.5

-2

▴ᙧ
䜺䜴䝅䜰䞁
0

0.5

1

z (mm)

1.5

Applied Surface Science 238, 242–248, 2004.
5) 古河裕之: レーザー研究, 36, 742-746, 2008.

26) 古河裕之、藤田和久、森谷信一: プラズマ核融合学会誌, 87,
642-649, 2011.

図 15 パルス波形を変えた場合の塑性圧縮応力

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

����
本研究において、固体から液体、液体から中性気体、

8) S. I. Anisimov and B. S. Luk’yanchuk: Physics-Uspekhi, 45,
293-324, 2002.

中性気体から部分電離プラズマへの相変化の効果を取り入れたレーザーピーニング統合シミュレーションコ

9) ABAQUS, 1996, Users' Manual, Version 5.5. Hibbitt, Karlsson &Sorensen.

ードを開発した。
─ 65 ─

シミュレーションによるレーザー核融合炉設計研究
理論・シミュレーションチーム
古河裕之、乗松孝好 1
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センターに伴う技術課題の検証と、トリチウム製造、液体

１．はじめにレーザー核融合炉の研究においては、新たに多金属循環による腐食の試験、商用炉に向けた材料

くの技術開発、材料開発等を行わなければならな試験が行われる。液体壁固有の課題とは、照射後い。現在、IFE フォーラム・レーザー核融合技術のチェンバー内の排気、液体金属による腐食、最振興会では、レーザー核融合実験炉概念設計委員

終光学系への金属蒸気の影響などである。冷却系会（委員長神前康次、副委員長乗松孝好）を設けは液体 LiPb のループと水ループで構成され、熱て、点火燃焼後に発電実証を行う実験炉の概念を

交換器を通したトリチウムの拡散の防止対策な明らかにし、商用炉へ向けた研究、開発方針を明どもテストされる。

らかにすることを目的とし、レーザー核融合実験

点火燃焼を実現した後、最終的に核融合エネル

炉の設計を行っている。点火燃焼の物理、ターゲ

ギーを実用化する商用発電プランとの建設のたット製作供給技術、レーザー照射精度に対する利めには、フェイズ III クラスのシステムでの材料得のスケーリング則、高平均出力レーザーの建設

試験データの蓄積が必要になる。図１は、委員会

見通しが立っていることが実験炉建設の要件との設計によるレーザー核融合実験炉フェイズ IIIなる。

のチェンバー周辺のイメージである。

委員会報告によると、実験炉は 3 つのフェイズに分けて進めることを考えている。必要なレーザ
ーは初めに製作し、チェンバー（炉）のみを各フ
ェイズの目的に合った最も合理的なものを製作する。圧縮レーザー500kJ、点火レーザー100kJ で繰り返しは 1～4Hz を想定している。
フェイズ I は繰り返し照射による利得発生の証明を目的とし、1 Hz で 100 ショットを行う。チェ
ンバーはブランケットを持たず、現在のレーザー
核融合実験設備とほぼ同様のイメージである。
フェイズ II は発電実証を目的とし、1 Hz で 1 - 2
週間連続運転し、蒸気タービンで発電する。チェ

図１

ンバーは固体壁で、ブランケットは現在磁場核融

ンバー周辺のイメージ

レーザー核融合実験炉フェイズ III のチェ合で研究されているリチウムタイタネートのペレットを用い、ヘリウムを介して水冷するシステ

２．液体壁チェンバーの課題

ムを採用する。

筆者らは、レーザー核融合実験炉概念設計委員

フェイズ III は長期運転を実証することを目的

会の前身である「レーザー核融合炉設計委員会」とし、4 Hz で半年程度連続運転を行う。商用炉で以降、現在も引き続き、高速点火レーザー核融合

採用される液体壁チェンバーが採用され、液体壁

炉発電プラント「KOYO-fast」の設計研究を行っ─ 66 ─

ている。「KOYO-fast」では、液体壁チェンバー

これらの複合複雑現象を解析するため、著者らを採用しており、厚さ 3 mm から 5 mm 程度の液は 統 合 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン コ ー ド DECORE体リチウム鉛が第一壁に沿って滝状に流下する（ DEsign COde for REactor ）を開発した。今年

液体壁構造により、第一壁を保護している 1-3)。実度は、2 次元の DECORE を開発し、炉心プラズマ

験炉も、フェイズ III では液体壁チェンバーを採からの X 線、α 粒子及び粒子等と、液体壁及びア用する予定になっている。チェンバー内で起こる

ブレーション生成プルームの相互作用を 2 次元的物理現象は、定性的には実験炉フェイズ III と計算し、プルームの挙動を 2 次元的に評価した。

KOYO-fast では、ほぼ同じである。

3 章で DECORE について述べる。4 章では、プ

液体壁は、核融合燃焼により生じた  粒子及びデブリ粒子により、液体から中性気体、部分電ルームの 2 次元的挙動について詳述する。
5 章は、結言と今後の課題である。

離プラズマへと相変化を伴いながらアブレーシ
ョンする。生成されたプルーム（気体、液体、固３．開発したシミュレーションコード 1,3)
図 3 に DECORE の概要を示す。DECORE は、体などの塊）がチェンバー中心付近で衝突すると、エアロゾルが生ずることが予想される。それは金原子モデルコード、状態方程式コード、放射輸送

属蒸気の排気、引いては核燃焼反応にとって大き係数コード、阻止能コード、アブレーション解析

な妨げとなる。高速点火レーザー核融合炉発電プ

コードから成る統合コードであり、ACONPL は

ラント「KOYO-fast」では、図 2 に示すように、

アブレーション解析コード部を指す。前年度まで第一壁から飛散したプルームがチェンバー中心

ACONPL は 1 次元コードであったが、今年度 2 次部に集中しないように、第一壁を角度を付けたタ

元コードを開発した。2 次元コードでは「保存保イル構造にしている 2)。チェンバー中心の核融合

証型 CIP 法」及び「M 型 CIP 法」を用いた 4)。前燃焼により生じたデブリが、タイル構造の第一壁

年度までは、X 線、 粒子及び荷電粒子と、液体に衝突し、プルームを生成し、中心から離れた所

鉛及び部分電離プラズマの相互作用は 1 次元モでプルーム同士が衝突する様子を表している。x,デルで計算していたが、今年度は相互作用も 2 次

y は、3 章で述べるシミュレーションの座標軸を元モデルで計算した。

表す。
原子過程コードy

電離度、
電子のPopulation、Energy Level

タイル

x

デブリ
プルーム
衝突領域

核融合燃焼

状態
方程式
コード

スペクトル
コード

阻止能

圧力、
比熱

放射係数、
吸収係数

ACONPL( Ablation with
CONdensation of a Plume )

6m

図2

阻止能
コード

KOYO-fast の液体壁チェンバー第一壁のタ
図3

イル構造の概念図
─ 67 ─

DECORE の概要

４．生成されるプルームの 2 次元的挙動解析(a) 0 s

4.5 cm

本研究において、燃料球から液体壁表面までの距離が 3 m の部位に、垂直に X 線、α 粒子、及びデブリ粒子が入射される場合について、シミュレ

yーションを行った。液体鉛の厚みを 2 mm とし、液 体 鉛 の 初 期 温 度 及 び 最 低 温 度 は 823.15 K（550 ℃）とした。炉心からの X 線、α 粒子、及びデブリ粒子のパルス波形とスペクトルについ0-0.2 cm0ては、文献 1 と文献 5、鉛に対する X 線の吸収係数については、文献 1 を参照されたし。図 3 は、
2 次元シミュレーションのモデル図である。タイ

1 cm

14 logルの端から 1 cm の部分を切り出し、空間的に一様に X 線、α 粒子、及びデブリ粒子が照射される。

-3 23
10 ni (cm )(b) 4.8 s

4.5 cmx (cm)x

X 線、α粒子、
デブリ粒子

y
プルーム

0
-0.2

図4

液体鉛
0

1

0
-0.2 cm
0y (cm)

1 cm

14 log2次元シミュレーションのモデル図

レーザーが燃料球に照射されてから 9.8 s 後ま-3 23
10 ni (cm )(c) 9.8 s

4.5 cmで、2 次元シミュレーションを行なった。図 5 は、x

2 次元シミュレーションにより求めた、液体及びプルームの数密度分布の時間発展である。Xy線、 粒子及び荷電粒子と、液体鉛及び部分電離
プラズマの相互作用も 2 次元モデルで計算している。プルームの根元（壁側）は横に広がっているが、先頭部分はあまり横方向には広がって

0-0.2 cm0

いない。KOYO-fast の設計では、チェンバーの中心部でのプルーム同士の衝突避けるために、
プルームの横方向の広がりを 30°程度以内と1 cm

14 log

想定している、図 5 の結果が正しければ、プル

x

-3 23
10 ni (cm )ームの先端部分はあまり広がっておらず、チェ
ンバーの中心部でプルーム同士が衝突する確

図5

2 次元計算により得られた数密度分布(a) 0 s 時

率は極めて低い。
─ 68 ─

(b) 4.8 s 時(c) 9.8 s 時

参考文献

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

うになった。今年度は、液体壁と X 線、 粒子、

衛: プラズマ核融合学会誌, 82, 617-627, 2006.

荷電粒子の相互作用も 2 次元モデルで計算を行っ

2) 神前康次, 乗松孝好, 古河裕之, 林巧, 惣万芳人, 西た。流体近似の適用が危ぶまれる低密度状態に対

川正史, 苫米地顕: プラズマ核融合学会誌, 83, 19-27,

して、Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH）法、2007.

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

3) 古河裕之, 乗松孝好: プラズマ核融合学会誌, 87,

子法による取り扱いを行うことも必要である。中51-55, 2011.

性気体、及び部分電離プラズマと荷電粒子の相互

4) 矢部孝, 内海隆行, 尾形陽一: CIP法, 森北出版, 2003.

作用の理論モデルに関しても、実験等による検証

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

が必要である。状態方程式の改良も必要である。

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

改良等が必要である。

─ 69 ─

H25 ᖺᗘ࣮ࣞࢨ࣮ᦆയ⪏ຊࢹ࣮ࢱ࣮࣋ࢫ໬ヨ㦂
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㸯㸬ࡣࡌࡵ࡟

無料で実施したこともあり、参加企業数、試料数ともにレーザー装置には多くの光学素子が使用されている。

多かった。一昨年（第 9 回、10 回）は、評価対象素子

高出力レーザー装置では、その光学素子がレーザー光にがダイクロイックミラー（1064 nm 透過、532 nm 反射）

よって損傷することがしばしば発生し、装置の性能、稼であったこともあり、参加は 7 社 21 試料に止まった。

働率を低下させる要因になっている。そのため、光学素

平成 25 年度は、1064 nm 用光学素子に対するデータ

子のレーザー損傷耐力（損傷しきい値）の向上、レーザベース化試験への要望が多かったことから、第 1 回

ー損傷物理の理解は、高出力レーザー装置を開発、利用（1064 nm 用高反射膜）、2 回（1064 nm 用反射防止膜）

する上で重要な課題となっている。

と同じ特性仕様の光学素子に対して再度データベース

レーザー技術総合研究所では、高耐力光学素子の開発

化試験を実施した。本報告書では、その結果をまとめる

を進めるとともに、平成 17 年度より、企業からの依頼とともに、第 1 回、2 回との比較結果について述べる。

によるレーザー損傷しきい値評価試験を行っている。また、光学素子のレーザー損傷しきい値の標準化を図り、㸰㸬ගᏛ≉ᛶ௙ᵝ
第 11 回、12 回の光学特性仕様と参加企業数、試料数

メーカーの協力を得て「レーザー損傷耐力データベース

を表 1 に示す。高反射膜では、レーザー装置内で最も多化試験」を実施している。これまで、波長 1064 nm、532

く使用されている 45°ミラー、反射率を 99.5％以上（Pnm、355 nm、248 nm で用いる光学素子を対象として、

偏光）とした。P 偏光では、S 偏光に比べて高い反射率

データベース化試験を実施し 1-7)、その結果をホームペを得ることが難しく、その分、層数や屈折率差を増やす

ージ上で公開してきた 8)。図 1 に過去 10 回のデータベ必要があり、
一般に S 偏光に比べて損傷耐力は低くなる。

ース化試験の参加企業数と試料数を示す。第 4 回までは反射防止膜の基板材料は、窓材やレンズ等に使用される評価�料数（�）

参加企業数（社）

共有できる情報を発信することを目的として、光学素子

データベース化試験
図 1 レーザー損傷耐力データベース化試験の参加企業数と試料数の推移

─ 70 ─

評価方法には、1-on-1（1 パルス照射毎に損傷の有無

表 1 平成 25 年度データベース化試験のに関わらず照射位置を移動する）試験法を採用した。こ光学素子仕様

⭷ࢱ࢖ࣉ

➨ᅇ

�12�

㧗཯ᑕ⭷

�����

の方法は、過去に多くの論文報告等もあり、比較情報が豊富である。照射前後の試料表面をノマルスキー顕微鏡1064

Ἴ㛗 [nm]（50 倍）により観察した。レーザー損傷しきい値は、

ධᑕゅ [deg]

45

0

೫ග

P

-

཯ᑕ⋡ [%]

>99.5

<0.5

ᇶᯈᮦᩱ

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RMS<10Å

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�����

ཧຍ௻ᴗᩘ

8

9

ホ౯ヨᩱᩘ

18

30

損傷が発生した最小エネルギー密度として決定し、照射
ガウス分布の尖頭値で示した。

㸲㸬1064 nm ⏝㧗཯ᑕ⭷ࡢホ౯⤖ᯝ
高反射膜のデータベース化試験結果を図 2 に示す。最
大損傷しきい値は約 220 J/cm2 となった。石英ガラス内部損傷しきい値が経験的に 250-300 J/cm2 であるため、
この高反射膜の損傷しきい値は、石英ガラス内部と同程

石英ガラス基板とした。

度であると見積もられる。
また、
最頻度しきい値は 30-40

反射防止膜では基板ガラス面までレーザー光が届くJ/cm2 となった。

ため、コート前の表面粗さやクリーニングの状態がレー比較のために、第 1 回データベース化試験結果を図 3

ザー損傷耐力に大きな影響を及ぼす。そのため前回同様、に示す 1,6)。この時の最大損傷しきい値は約 290 J/cm2 で

表面粗さのみを指定した。参加企業数、試料数は、それあり、今回よりも少し高い値の試料が存在したが、このぞれ 8 社 18 個、9 社 30 個であり、第 1 回、2 回に比べ差は成膜技術の差よりも、保管方法や運搬方法などの僅て約半数であった。また、高反射膜の試料には、入手しかな環境の差によるものと考えられる。また、第 1 回のたドイツメーカーのものが含まれている。ドイツは、レ

最頻度しきい値は10-20 J/cm2 にあり、今回の方が高い。

ーザーの産業応用を強力に推進していることから、そのメーカーの膜設計および成膜技術の改善の結果と、試料光学素子も高いレーザー損傷耐性をもつことが予想さ

数全体が減少したため度数分布に変化が生じたと考え

れる。

られる。

㸱㸬ホ౯⿦⨨࡜᪉ἲ7

レーザー損傷耐力評価試験には、波長 1064 nm、パル
ス幅 10 ns の Q スイッチ Nd:YAG レーザー（Spectra

ド発振器の出力を増幅器により増幅した後、焦点距離3000 mm のレンズにて試料上に集光した。
試料に照射す4
3

るパルスの時間波形、エネルギーは、バイプラナ光電管、

2

エネルギーメータでそれぞれ計測した。また、レンズか1

ら試料表面までと同じ距離に CCD カメラを設置し、試0

料上のビーム形状およびビームサイズを計測した。照射������

5

サンプル数

Physics 社 Quanta-ray）を使用した。縦横ともに単一モー������

6

0

50

100

150

200

250

2

����������� �����
レーザー損傷�値�
����]2］

レーザー光のエネルギーは、1/2 波長板と平板偏光子を
図 2 1064nm 高反射膜データベース化試験結果

用いて調整した。
─ 71 ─

6

7
������
������
������
�����������

6

5

サンプル数

サンプル数

5
4
3

4

3

2

2
1

1
0

0

0

50

100

150

200

250

300

0

2

50

100

150

200

250

300

レーザー損傷�値�����22]］���������� �����

���������� �����
レーザー損傷�値�
����]2］

図 4 1064nm 反射防止膜データベース化試験結果

図 3 第 1 回データベース化試験結果

㸳㸬1064 nm ⏝཯ᑕ㜵Ṇ⭷ࡢホ౯⤖ᯝ

12

図 4、図 5 に、今回の 1064 nm 用反射防止膜のデータ������
������

10

ベース化試験結果と、第 2 回データベース化試験の結果を示す。それぞれの最大損傷しきい値は、約 270 J/cm2

サンプル数

1,6)

と約 320 J/cm2 であり、これも高反射膜の場合と同様に技術的な差はないと考えられる。一方、最頻度しきい値

8

6

4

は、
第2 回の場合には 30-50 J/cm2 にあったのに対して、
今回は 20-30 J/cm2 と 70-90 J/cm2 と 2 つに分かれた。そ2の結果、全体の度数分布は高耐力へシフトしたものと判0断される。しかし、試料数の減少も度数分布に影響して

0

50

100

150

200

250

300

2 2
���������� �����
]］レーザー損傷�値�
����

いると考えられるので、個別に詳細な比較が必要である。

図 5 第 2 回データベース化試験結果
㸴㸬࣓࣮࣮࢝ẖࡢᦆയ⪏ຊࡢẚ㍑
第 1 回と第 11 回、また第 2 回と第 12 回の両方のデー

以上のことから、図 2、図 4 のデータベース化試験のタベース化試験に参加したメーカーサンプルの損傷しきい値を比較した。各メーカーは、それぞれのデータベース化試験に、複数個の試料を提供しているので、その度数分布は、メーカー各社の膜設計、成膜技術の改善に
より高耐力化が進んだ結果と言える。

中の最高損傷しきい値のみを比較した。
図 6 に比較可能なメーカー9 社の高反射膜、反射防止
膜の最高レーザー損傷しきい値を示す。6 社のメーカーにおいて、今回（第 11 回、12 回）の方が高いレーザー
損傷しきい値であることが判る。特に、A 社、E 社については、5 倍以上の損傷耐力の改善が進んでいる。

㸵㸬ࡲ࡜ࡵ
平成25 年度に実施した第11 回（1064 nm 高反射膜）、
12 回（1064nm 反射防止膜）データベース化試験の結果についてまとめた。この光学素子は、平成 19 年度に実施した第 1 回、2 回と同じ光学特性仕様であり、前回か─ 72 ─

��

300
]
m
c/ 250[Jl｢・ 200
・
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ｵ
・ 150
・
ｹ
[・
・ 100
U
[・
・
・ 50

2

試料を提供し御協力頂いた高耐力光学素子研究会参加
企業各社に感謝致します。

#1
#11
#2
#12

����
1）本越伸二他: ILT 2009, レーザー技術総合研究所, 2009.

02）本越伸二他: ILT 2010, レーザー技術総合研究所, 2010.

Ａ社 Ｂ社 Ｃ社 Ｄ社 Ｅ社 Ｆ社 Ｇ社 Ｈ社 Ｉ社
����3）本越伸二他: ILT 2011, レーザー技術総合研究所, 2011.

����

図 6 第 1 回と第 11 回、第 2 回と第 12 回の参加メ

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.

ーカー最高レーザー損傷しきい値の比較

6）S.Motokoshi, et al.: Proc. of Laser-Induced Damage in Opticalらの比較により高耐力化が進んだことを確認した。このことは、国内技術の底上げが可能であることを示唆するものである。
今後、他の光学素子、またレーザー照射条件においてMaterials 2010, SPIE 7842, 78420F-1, 2011.
7）S.Motokoshi, et al.: Proc. of Laser-Induced Damage in Optical
Materials 2011, SPIE 8190, 81900I-1, 2012.
8）http://www.ilt.or.jp/kenkyukai.html

データベース化試験を実施するとともに、高耐力化へ支援を進めていく。

─ 73 ─

���������
レーザー技術開発室
本越伸二、宮永憲明 1、村上匡且 1
1

大阪大学レーザーエネルギー学研究センター������

されていない。

現在、固体レーザー媒質として誘導放出断面積が大き本報告書では、Nd/Cr:YAG 材料内のエネルギー移乗

く、発振が容易なNd:YAG結晶が広く利用されている。

過程の解明を目的に、平成 25 年度に実施した蛍光特性

しかし結晶材料は大型化が困難で、大きな誘導放出断面の温度依存性の結果についてまとめる。また、新しく始積は高出力動作において寄生発振を引き起こす要因とめた Nd:CNGG（CaNbGa ガーネット）3, 4)セラミック材なるため、Nd:YAG 材料は大出力レーザーには不向きで料の開発の現状について報告する。

ある。
近年、この課題を解決するために、Yb:YAG 材料が注����������� ����������

目されている。900 nm 帯を半導体レーザー（LD）で直Nd/Cr:YAG セラミック中の Cr3+イオンと Nd3+イオン

接励起できるために、Nd:YAG 材料に比べて高効率動作のエネルギー準位を図 1 に示す。Cr3+イオンは、紫外かが可能である。しかし、準 3 準位系のエネルギー準位のら可視域に広い吸収帯（4T1、 4T2）を持っている。このために、反転分布ができにくく、強励起が必要である。

吸収帯準位から蛍光上準位である 2E に熱的に緩和し、また、極低温に冷却することにより 4 準位レーザー動作

その後 Nd3+イオンへ遷移(エネルギー移乗)することにが可能となり、低温冷却固体レーザー装置として、研究よって Nd3+の蛍光量が増加すると考えられている 5)。ま開発が進められている 1)。

た、 Cr3+イオンに蓄積されるエネルギーが Nd3+イオン

一方、励起用 LD の高出力化が進み、固体レーザーのへ移乗するため、 Nd/Cr:YAG セラミックの Cr3+イオン

高効率動作が可能となったが、パルス動作やコスト性能の蛍光寿命は、Cr3+のみを添加した YAG と比較して短を考えると、未だにフラッシュランプ（FL）励起も多くなると考えられる。

く利用されている。そのため、白色光である FL 励起固レーザー材料の蛍光特性は、Nd3+イオンや Cr3+イオン体レーザーの高効率化も重要な課題である。
このように、現在利用されているレーザー材料についても、一長一短があり、用途に応じた固体レーザー材料の開発が期待されている。
レーザー技術総合研究所では、これまで宇宙へのレー
ザー応用を目的に、太陽光励起レーザー装置の開発研究を行ってきた。Cr3+を共添加した Nd/Cr:YAG2)セラミッ
クスを採用して、発振および増幅実験を行った。Cr3+イ
オンは、可視域に広い吸収帯を持ち、白色光である太陽
光を効率よく吸収し、そのエネルギーを発振イオンである Nd3+に効率よく移乗すると考えられてきた。しかしながら、そのエネルギー移乗の過程は、未だ十分に理解─ 74 ─

図 1 Nd/Cr:YAG 材料のエネルギー準位

などの添加イオンのエネルギー準位によって決まる。そ図 3 に測定した Nd/Cr:YAG セラミックの蛍光減衰波のエネルギー準位は主材料であるYAGの結晶場により形の温度依存性を示す。蛍光寿命は、温度上昇に伴い短影響を受ける 6)。これら 2 つのイオンにおいて、Nd3+イ

くなることが判る。 Cr:YAG 材料においても温度上昇

オン（希土類）の発光に関与する 4f 電子は 5s、5p 電子

とともに寿命の短縮が確認された。また、それぞれの温で遮蔽されているのに対して、Cr3+イオン（遷移金属）度における蛍光寿命を 2 つの材料で比較した結果、では発光に関与する 3d 電子が不完全最外殻を作るため、

Nd/Cr 共添加材料の方がCr:YAG より短いことが判った。

3+

この減衰波形の違いから、式(1)のように、Cr3+から外場の影響を敏感に受ける。外場により Cr イオンのエ
ネルギー準位は変化するので、それに伴った蛍光特性をNd3+へのエネルギー移乗効率（割合）Tr を求めた。

解析すれば、Nd/Cr:YAG セラミックのエネルギー移乗

Tr = 1－  Cr(Nd) Crを明らかにできると考えられる。昨年度は、母材温度を(1)変化させた場合の Nd/Cr:YAG セラミックおよび
Cr3+:YAG 粉体の蛍光減衰波形を評価し、エネルギー移

ここで、
 Cr(Nd)、 Cr は、それぞれNd/Cr:YAG 材料、
Cr:YAG乗の解析を行った。

材料からの Cr3+の蛍光寿命を示す。結果、エネルギー移乗効率は、温度によらず約 65%で一定であることが判った 7)。

㸱㸬&U࢖࢜ࣥࡢ⺯ග ᗘ౫Ꮡᛶ
蛍光の測定には、Nd/Cr:YAG セラミックおよび
Cr:YAG 粉体を用いた。実験配置図を図 2 に示す。励起㸲㸬1G&1** ᮦᩱࡢㅖ≉ᛶ

源としてローダミン色素レーザー（610 nm、 パルス幅

固体レーザーの媒質には主に単結晶とガラスが存在

10 ns）光をサンプルに照射し、干渉フィルターを通してし、単結晶はガラスと比較して大型化が困難である。し蛍光波長を限定し、PIN ダイオード（応答速度 0.1 s）

かし、熱耐力が強く高繰り返しのパルス動作に有利であ3+で蛍光寿命を評価した。干渉フィルターは Cr イオンのる。一方、ガラスは単結晶と比較してスペクトル幅が広蛍光波長である 690±5 nm を選択した。
サンプル温度は、

く高ピークパワーのパルス動作が得意であるが、熱破壊ヒーターと熱電対を用いて 293～473 K の範囲で変化さに弱いという欠点がある。
結晶材料では YAG（Y3Al5O12）に代表される、等方的せた。

で固く化学的に安定なガーネット構造を持つ結晶が広
1

293K
323K
353K
383K
413K

0.1

443K
0.01

473K
0

0.5

1

1.5

Time [ms]図 3 Nd/Cr:YAG 材料の Cr3+イオン蛍光減衰波形

図 2 Nd/Cr:YAG 材料蛍光測定配置図
─ 75 ─め、CNGG の組成式はく研究され、様々な金属元素の組み合わせによってガー
ネット構造の結晶を得ることができる。ガーネット構造

Ca3 Nb(1.5+1.5x) Ga(3.5-2.5x) □x O12

は{C}3{A}2{D}3O12 の化学式で表され、{C}サイトには(2)

Y3+、Gd3+、などや活性イオンとなる Nd3+などの元素が入り、8 個の酸素が 12 面体状に配位している。{A}サイ3+3+となり、□は空孔を表す。x=0.125 の3+

トには Sc 、Al 、Ga などの元素が入り 6 個の酸素が8 面体状に配位している。{D}サイトには Al3+、Ga3+な

Ca3 Nb1.6875 Ga3.1875 □0.125 O12(3)どの元素が入り 4 個の酸素が 4 面体状に配位している。
例えば、YAG の場合は{C}サイトには Y、{A}、{D}サ

が調和溶融組成と呼ばれる作り易い組成比であり、単結イトには Al が入っている。

晶を育成できるのは、0.11 ≦ x ≦ 0.14 の範囲であるとされている 15)が、多結晶では x = 0 の Ca3 Nb1.5 Ga3.5

Nd 添加ガーネット結晶とガラス材料の特性を表 1 に示す 3,4,8-14)。表からも、ガラス材料は広い蛍光スペクト

O12 の作製も報告されている 16)。

ル幅を持つが、誘導放出断面積、熱伝導率が小さいこと

平成 26 年度は、Nd:CNGG 結晶のセラミックス化をが分かる。一方、Nd:YAG 材料は高い熱伝導率を持つが、目標に、微結晶粉体の製作を行い、材料特性を評価した。

誘導放出断面積が大きすぎて、容易に寄生発振を起こす。
これらの中間である Nd:CNGG は適切な誘導放出断面㸳㸬1G&1** ᚤ⤖ᬗ⢊యࡢ〇స࡜⺯ග≉ᛶ積（3～9×10-20 cm2）の範囲内であり、ガラスよりも高ゾルゲル法を用いて、微結晶粉体の製作を行った。合い熱伝導率、ガーネット構造の結晶材料の中で広い蛍光成原材料には、酢酸ネオジム Nd(CH3COO)3、酢酸カル

スペクトル幅を持つため、高出力レーザー媒質の候補とシウム Ca(CH3COO)2 、ニオブイソプロポキシド

考えられる。

Nb[OCH(CH3)2]5 、 ガ リ ウ ム イ ソ プ ロ ポ キ シ ド
2+

5+

3+

CNGG は Ca 、Nb 、Ga の元素から構成され、{A}Ga[OCH(CH3)2]3 を化学組成比に合わせて合成し、そのサイトに価数の違う元素がランダムに入ることによっ

焼結温度による蛍光特性の違いを蛍光分光装置によりて電荷補償を保つためにランダム空孔を生じる。そのた測定した。

表 1 Nd 添加ガーネット結晶の諸特性 3,4,8-14)
誘導放出断面積

蛍光寿命

熱伝導率

蛍光スペクトル幅-20[×10 ㎠][µs][W/mK](FWHM) [nm]Nd:YAG

28

242

13

1.4

Nd:YSAG

9.4

265

-

5.5

Nd:YSGG

15

270

7.9

1

Nd:GGG

15

200

13

0.9

Nd:GSAG

32

256

5.6

1.3

Nd:GSGG

16

265

6

-

Nd:CNGG

5.4

170

4.7

17

Nd:CLNGG

2.4

-

3.0

17

4.0

310

1.3

21

Nd:リン酸塩ガラス

─ 76 ─

サンプル1 800℃
サンプル1 1200℃
Nd:CNGG 単結晶に、これまでにないレーザー諸特性をもち、固体レーザ
ーの新しい応用の可能性を示唆している。

⺯ගᙉᗘ 㼇㻺㻚㼁㻚㼉

今後、材料物性評価、製造方法の最適条件などを明らかにし、レーザー動作特性の評価を進めていく。

サンプル4 1000℃
Nd:CNGG 単結晶ཧ⪃ᩥ⊩1) 宮永憲明他: プラズマ・核融合学会誌, 83, 3-18, 2007.
1020

1040

1060

1080

1100

1120

2) Z. J. Kiss and R. C. Duncan: Appl. Phys. Lett., 5, 200-202, 1964.

1140

波⻑ [nm]3) A. Agnesi et al.: J. of Quan. Electron. 37, 304-313, 2001.

図 4 Nd:CNGG 微結晶粉体の蛍光特性

4) Y. Ono, et al.: Physica B，213-214，p.420-422, 1995.
5) 椿本孝治他：レーザー研究, 37, 698-703, 2009.

図4に製作した微結晶粉体の蛍光特性を示す。
図4(a)、

6) B. Henderson, et al.: J. Phys. C Solid State Phys., 21, 6187-6198,(b)はそれぞれ異なった製作ロットを示し、焼結温度が1988.

異なる。また比較のために報告されている Nd:CNGG 単

7) Y. Honda, et al.: J. of Luminescence, 148, 342-346, 2014.

結晶の蛍光特性を重ねて示す。図より、焼結温度により

8) 小林喬郎: 固体レーザー, 学会出版センター, pp. 84-86,

異なった蛍光特性を示すことが判った。また X 線回折

1997.

装置を用いて、これらのサンプルの結晶構造を確認した

9) H. Okada, et al.: Optics Lett., 35, 3048-3050, 2010.

結果、サンプル 1 には、CNGG 結晶以外の異なった酸

10) J. Saikawa et al.: Advanced Solid-State Photonics，OSA化物結晶が含まれていることが判った。以上のことから、

Technical Digest (Optical Society of America, 2004), paper

適切な原材料、焼結温度によって、Nd:CNGG 微結晶のTuB17, 2004.

製作は可能であり、今後、透明セラミックス化に向けて

11) Y. Sato et al.: Advanced Solid-State Photonics，OSA Technical
Digest (Optical Society of America, 2004)，paper WB6, 2004.

研究を進めていく。

12) L. J. Qin, et al.: Laser Physics, 18, 719-721, 2008.
13) A. Rapaport, et al.: Applied Optics, 41, 7052-7057, 2002.

㸴㸬ࡲ࡜ࡵ
更なる固体レーザーの高性能化、高効率化に向けて、

14) 小林喬郎：固体レーザー, 学会出版センター, pp. 74, 1997.

新しいレーザー材料の開発、材料評価を進めた。

15) K. Shimamura, et al.: J. of Crystal Growth, 147, 99-103, 1995.

Nd/Cr:YAG セラミックス、Nd:CNGG セラミックスとも

16) Y. K. Voronko, et al.: Optical Materials, 20, 197-209, 2002.

─ 77 ─

発 表 論 文 リ ス ト

発�論文����レーザー��ル�ー研究�ー�
D. Li, M. Hangyo, Z. Yang, Y. Tsunawaki, Y. Wei, Y. Wang, S. Miyamoto,
著 者
M. R. Asakawa, and K. Imasaki
Theoretical analysis and simulation of growth rate and start current in Smith–Purcell
題 目free-electron lasers
論文誌名 Terahertz Science and Technology, Vol.6, No.3, pp.189-205, 2013
著 者 M.Zhang, Y.Wei, G.Guo, L.Yue, Y. Wang, and D. Li
題 目 Study on two kinds of novel 220 GHz folded-waveguide traveling-wave tube
論文誌名 Japanese Journal of Applied Physics, Vol.53, pp.036201, 2014
著 者 李大治、萩行正憲、宮本修治、今崎一夫
題 目 グレーティングによるテラヘルツ電磁波放射の新理論
論文誌名 レーザー学会第454回研究会報告、pp.17、2013
著 者 橋本智、陳彩華、小林花綸、川田健二、李大治、天野壮、宮本修治
題 目 小型電子線形加速器LEENAを用いたテラヘルツ光源開発
論文誌名 電気学会論文誌Ｃ、Vol.134、p.495、2014
�レーザー����研究�ー�
著 者 T. Somekawa, M. Kasaoka, F. Kawachi, Y. Nagano, M. Fujita, and Y. Izawa
題 目 Analysis of DissolvedC2H2 in Transformer Oils Using Laser Raman Spectroscopy
論文誌名 Opt. Lett., Vol.38, No.7, pp.1086-1088, 2013
著 者 H. Furuse, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N. Miyanaga, M. Fujita, and Y. Izawa
題 目 ASE and parasitic lasing in thin disk laser with anti-ASE cap
論文誌名 Opt. Express, Vol.21, No.11, pp.13118-13124, 2013
H. Furuse, T. Sakurai, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N. Miyanaga, M. Fujita,
著 者
S. Ishii and Y. Izawa
Conceptual design of 10 kW high-average power laser system based on cryogenic
題 目
Yb:YAG/YAG composite ceramics"The Eighth Internaional Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
論文誌名(IFSA)" Technical Digest, paper - P.Mo-50, 2013
H. Fujita, K. Iyama, R. Bhushan, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, M. Fujita,
N. Miyanaga, and T. Kawashima
Development of a kW class Nd:YAG ceramic thin disc laser for advanced laser
題 目machining
Proceedings of Advanced Lasers and Photon Sources Conference 2013,pp.139-140,
論文誌名
2013
H. Chosrowjan, H. Furuse, M. Fujita, Y. Izawa, J. Kawanaka, N. Miyanaga,
著 者
K. Hamamoto, and T. YamadaInterferometric phase shift compensation technique for high-power, tiled-aperture
題 目
coherent beam combination
論文誌名 Opt. Lett., Vol.38, No.8, pp.1277-1279, 2013著者

─ 81 ─

M. Fujita, T. Somekawa, and N. Miyanaga
題 目 Micromachining of CFRP with ultra-short laser pulses
Proceedings of Laser Processing for CFRP and Composite Materiala, Vol. 41, pp.629論文誌名
632, 2013
T. Sakurai, H. Furuse, H. Chosrowjan, J. kawanaka, N. Miyanaga, S. Ishii, and著 者
M. Fujita, Y. Izawa
題 目 Temperature distribution characteristics in a cryogenic Yb:YAG TRAM laser medium
ALPS'13, The 2st Advanced Lasers and Photon Sources, Paper No. ALPSp6-18,
論文誌名pp.107-108, 2013
著 者 藤田雅之、染川智弘
題 目 ハイパワーレーザを用いたCFRPの微細加工
論文誌名 レーザ加工学会誌、20巻、1号、pp.34-38、2013
H. Furuse, T. Sakurai, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N. Miyanaga, M. Fujita, S. Ishii,
著 者
and Y. Izawa
Amplification characteristics of cryogenic Yb3+:YAG total-reflection active-mirror
題 目
laser
論文誌名 Applied Optics, Vol. 53, Issue 9, pp.1964-1969, 2014
著 者 S. Hwang, H. Furuse, H. Chosrowjan, C. Lim, J. Kawanaka, and N. Miyanaga
題 目 Gain Spectral Filtering for Spectral Enhancement of Mode-Locked Fiber Oscillators
論文誌名 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 52, pp. 122701-122705, 2013
著 者 M. Fujita, T. Somekawa, T. Samoto, H. Hirano, K. Hikichi, S. Tanaka, and M. Esashi
Laser Selective Transfer Process of Barium Strontium Titanate (BST) on a Sapphire
題 目
Substrate
論文誌名 Proceedings of ICALEO2013, pp.783-786, 2013
著 者 H. Ohno, Y. Iizuka, S. Horikawa, T. Sakurai, T. Hondoh, and H. Motoyama
Potassium alum and aluminum sulfate micro-inclusions found in polar ice from Dome
題 目
Fuji, East Antarctica
論文誌名 Polar Science, Vol.8, pp.1-9, 2014
著 者 T. Somekawa, M. Kasaoka, Y. Nagano, M. Fujita, and Y. Izawa
題 目 Transformer Working Assessment Using Laser Raman Spectroscopy
Proceedings of 2nd International Conference on Photonics, Optics and Laser
論文誌名Technology, pp.21-25, 2014
著 者 T. Samoto, H. Hirano, T. Somekawa, K. Hikichi, M. Fujita, M. Esashi, and S. Tanaka
Wafer-to-wafer transfer process of barium strontium titanate metal-insulator-metal
題 目 structures by laser pre-irradiation and gold-gold bonding for frequency tuning
applications
著者

論文誌名 Proc. of 2013 Transducers and Eurosensors, XXVII, pp.171-174, 2013
著 者 染川智弘、佐藤悠、高橋真弘、高田望、藤田雅之
題 目 ラマンライダーによる数値予報モデルへの水蒸気同化
論文誌名 日本リモートセンシング学会誌、33巻、5号、pp.360-366、2013

�レーザー�����ー�
著 者 島田義則
題 目 レー ザーによるコンクリート健全性の評価
論文誌名 O Pule E、Vol.35 No.5、467-471、2013─ 82 ─

島田義則
題 目 レー ザを用いたコンクリート欠陥検出の進展
論文誌名 超音波テクノ、2013.7-8、83-87、2013
N. Misaki, T. Asakura, H. Takinami, Y. Shimada, O. Kotyaev, and M. Shinoda,
著 者
H. Sakamoto Y. Takahashi, and Y. Sakamoto
Development of non-destructive inspection method for concrete elements in tunnel
題 目lining using remote laser sensing
著者

Proceedings of the first international conference on civil and building engineering
informatics, pp.79-83, 2013
著 者 S. Kurahashi, Y. Shimada, O. Kotyaev, T.Norimatsu, Y. Kono, S. Nakata and M. Ishii
題 目 Measurement of depth of surface cracks in concrete by laser-ultrasonic technique
Proceedings of the first international conference on civil and building engineering
論文誌名
informatics, pp.515-520, 2013
著 者 島田義則
題 目 レーザーを用いたコンクリート欠陥検出の進展
論文誌名 検査技術、2013.11、31-35、2013
論文誌名�レーザー�イ������ー�
K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, A. Nueangaudom, S. Kokpol, F. Tanaka,
著 者 N. Nunthaboot, K. Ogino, R. Takagi, T. Nakanishi, M. Kitamura, S .Taniguchi, and
H. Chosrowjan
Mechanism of Photoinduced Electron Transfer from Tyrosine to the Excited Flavin in
題 目 Flavodoxin from Helicobacter pylori. A comparative study with the flavodoxins andflavin mononucleotide binding protein from Desulfovibrio vulgaris (Miyazaki F)
論文誌名 Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry,Vol.268,pp.58-66,2013

L. Mendonça, F. Hache, P. Changenet-Barret, P. Plaza, H. Chosrowjan, S. Taniguchi,
and Y. Imamoto
Ultrafast Carbonyl Motion of the Photoactive Yellow Protein Chromophore Probed by
題 目
Femtosecond Circular Dichroism
論文誌名 Journal of the American Chemical Society, Vol.135, No.39, pp.14637-14643,2013
J. Liu, A.Yabushita, S. Taniguchi, H .Chosrowjan, Y. Imamoto, K. Sueda,
著 者
N. Miyanaga, and T. Kobayashi
Ultrafast Time-Resolved Pump-Probe Spectroscopy of PYP by a Sub-8fs Pulse Laser
題 目
at 400 nm
論文誌名 The Journal of Physical Chemistry B,Vol.117, No.17, pp.4818-4826,2013
著 者 谷口誠治
太陽励起レーザーの水素生産への応用 -レーザー還元金属ナノ粒子による題 目
水素生成論文誌名 月刊光アライアンス, 8月号, pp.20-23, 2013
N. Nunthaboot, K. Lugsanangarm, S. Pianwanit, S. Kokpol, F. Tanaka, S. Taniguchi,
著 者
H. Chosrowjan, T. Nakanishi, and M. Kitamura
著

者

題

目

Bell-shaped dependence of the rate of ultrafast photoinduced electron transfer fromaromatic amino acids to the excited flavin on the donor–acceptor distance in FMN
binding proteins

論文誌名 Computational and Theoretical Chemistry, Vol.1030, pp.9-16 , 2013─ 83 ─

��論������������
著 者 K. Tomita, K. Nakayama, K. Inoue, A. Sunahara and K. Uchino
A Collective Laser Thomson Scattering System for Diagnostics of Laser-Produced
題 目
Plasmas for Extreme Ultraviolet Light Sources
論文誌名 Applied Physics Express, Vol.6, 076101, 2013
Y. Mori, T. Sekine, O. Komeda, S. Nakayama, K. Ishii, R. Hanayama, K. Fujita,
S. Okihara, N. Satoh, T. Kurita, T. Kawashima, H. Kan, N. Nakamura, T. Kondo,
著 者
M. Fujine, H. Azuma, T. Hioki, M. Kakeno, T. Motohiro, Y. Nishimura, A. Sunahara,
Y. Sentoku and Y. Kitagawa
1-Hz fast-heating fusion driver HAMA pumped by a 10-J green diode-pumped solidstate laser
論文誌名 Nuclear Fusion, Vol.53, 073011-1-8, 2013
A. Maeno, N. Yamamoto, S. Fujioka, Y. Mori, A. Sunahara, T. Johzaki, and著 者
H. Nakashima
題

目Analysis of Laser Wavelength and Energy Dependences of the Impulse in a Magnetic
Thrust Chamber System for a Laser Fusion Rocket
Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.56, No.3,
論文誌名pp.170-172, 2013
著 者 A. Sasaki, A. Sunahara, K. Nishimura
題 目 Atomic processes and Radiation Hydrodynamics
論文誌名 J. Plasma Fusion Res., Vol.10, pp.654-658, 2013
H. Nagatomo, T. Johzaki, A. Sunahara, H. Sakagami, K. Mima, H. Shiraga and著 者
H. Azechi
Computational study of the strong magnetic field generation in non-spherical cone題 目
guided implosion
論文誌名 Nuclear Fusion, Vol.53, pp.063018-1-4, 2013
K. Shigemori, Y. Hironaka, H. Nagatomo, S. Fujioka, A. Sunahara, T. Kadono,
著 者
H. Azechi, and K. Shimizu,
題 目 Extremely high-pressure generation and compression with laser implosion
論文誌名 Applied Physics Letters, Vol.102, 183501, 2013
題目

Y. Kitagawa, Y. Mori, O. Komeda, K. Ishii, R. Hanayama, K. Fujita, S. Okihara,
T. Sekine, N. Sato, T. Kurita, T. Kawashima, H. Kan, N. Nakamura, T. Kondo,
著 者
M. Fujine, H. Azuma, T. Motohiro, T. Hioki, M. Kaneno, Y. Nishimura,
A. Sunahara, and Y. Sentoku
題 目 Hi-rep. Counter-Illumination Fast Ignition Scheme Fusion
論文誌名 Plasma Fusion Res., Vol.8, 3404047, 2013

A. Sunahara
Initial Process of Laser-Plasma Interaction in the Extreme Ultra-Violet Light Source
題 目and the Inertial Confinement Fusion Plasmas
論文誌名 J. Plasma Fusion Res., Vol.89, No.6, pp.416-422, 2013
著 者 T. Higashiguchi, S. Fujioka, A. Sunahara, T. Yanagida, and H. Mizoguchi
題 目 Progress of Extreme Ultraviolet (EUV) Source Development for Micro-Lithography
論文誌名 The Review of Laser Engineering, Vol.42, No.1, pp.14-22, 2014著者

─ 84 ─

Z. Zhang, H. Nishimura, T. Namimoto, S. Fujioka, Y. Arikawa, H. Nagatomo,
M. Nakai, T. Ozaki, M. Koga, T. Johzaki, A. Sunahara, H. Chen, J. Park,著 者
G. J. Williams, H. Shiraga, S. Kojima, M. Nishikino, T. Kawachi, H. Hosoda,
Y. Okano, N. Miyanaga, J. Kawanaka, Y. Nakata, T. Jitsuno, and H. Azechi
題 目 Quantitative measurement of hard X-ray spectra from laser-driven fast ignition plasma
論文誌名 High Energy Density Physics, Vol.9, pp.435-438, 2013
著

者

T. Johzaki, A. Sunahara, H. Nagatomo, H. Sakagami, S. Fujioka, H. Shiraga andK. MimaEnhancement of Energy Coupling Efficiency in Fast-Ignition Laser Fusion by Electron
Beam Guiding with Self-Generated Magnetic Field
論文誌名 J. Plasma Fusion Res., Vol.89, No.7, pp.456-461, 2013
題目

T. Zh. Esirkepov、J. Koga, A. Sunahara, T. Morita, M. Nishikino, K. Kageyama,
H. Nagatomo, K. Nishihara, A. Sagisaka; H. Kotaki, T. Nakamura; Y. Fukuda,
著 者
H. Okada, A. Pirozhkov, A. Yogo, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, K. Kondo,
M. Kando, and S. V. Bulanov
題

目

論文誌名

Prepulse and amplified spontaneous emission effects on the interaction of a petawattclass laser with thin solid targets
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Vol.754, pp.150-163,
2014

O. Komeda, Y. Nishimura, Y. Mori, R. Hanayama, K. Ishii, S. Nakayama,
Y. Kitagawa, T. Sekine, N. Sato, T. Kurita, T. Kawashima, H. Kan, N. Nakamura,
著 者
T. Kondo, M. Fujine, H. Azuma, T. Motohiro, T. Hioki, M. Kakeno, A. Sunahara,
Y. Sentoku and E. MiuraFirst demonstration of laser engagement of 1-Hz-injected flying pellets and neutron
generation
論文誌名 Scientific reports, Vol.3, 2561, 2013
Y. Mori, T. Nakayama, K. Ishii, R. Hanayama, N. Satoh, T. Kurita, T. Kawashima,
著 者 H. Kan, N. Nakamura, T. Kondo, M. Fujine, M. Kakeno, 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, Vol.42, pp.154-159, 2014
M. Olazabal-Loumé, Ph. Nicolaï, G. Riazuelo, M. Grech, J. Breil, S. Fujioka,
著 者
A. Sunahara, N. Borisenko and V. T. Tikhonchuk
Simulations of laser imprint reduction using underdense foams and its consequence on
題 目
the hydrodynamic instability growth
論文誌名 New J. Physics, Vol.15, 085033, 2013
題目����������
著 者 K.Fujioka, T.Saiki, S.Motokoshi, Y.Fujimoto, H.Fujita, and M.Nakatsuka
Parameter mapping survey on optimized sensitizing effect of Ce/Cr/Nd:YAG material
題 目
for solar-pumped solid-state lasers
論文誌名 Journal of Luminescence, Vol.143, pp.10-13, 2013

─ 85 ─

Y.Honda, S.Motokoshi, T.Jitsuno, N.Miyanaga, K.Fujioka, M.Nakatsuka, andM.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
著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, T. Somekawa, T. Jitsuno, M. Fujita, and K. A. Tanaka
題 目 Laser-induced damage thresholds at different temperature for optical devices
論文誌名 Proceedings of SPIE, Vol.8786, pp.87861J1-J9, 2013
著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, T. Somekawa, T. Jitsuno, M. Fujita, and K. A. Tanaka
題 目 A theoretical analysis for temperature dependences of laser-induced damage threshold
論文誌名 Proceeding of SPIE, Vol.8885, pp.88851T1-T9, 2013
著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, T.Somekawa, T. Jitsuno, M. Fujita, and K. A. Tanaka
Temperature dependence of laser-induced damage threshold of optical coatings at
題 目different pulse widths
論文誌名 Optical Express, Vol.21, pp.28719-28728, 2013著者

─ 86 ─

���会�����
���������������
著 者 D. Li, K.Imasaki, Y.Izawa, S.Miyamoto, K.Horikawa, and T.Mochizyki
題 目 Dispose of nuclear waste with Laser-Compton scattering gamma ray
International Conference on Laser Applications in Nuclear Engineering, Apr. 23-25,
会議名
2013, Pacifico Yokohama, Japan
著 者 D. Li, M. Hangyo, Z. Yang, Y. Wei, Y. Wang, D. Wang, and S. Miyamoto
題 目 Dispersion characteristics of grating structure with composite materials
35th International Free Electron Laser Conference, Aug. 26-30, 2013, New York
会議名
Marriott Marquis Hotel, USA著 者 D. Li, M. Hangyo, Z. Yang, Y. Wei, Y. Wang, D. Wang, and S. Miyamoto
題 目 Study on radiation from negative-index material
35th International Free Electron Laser Conference, Aug. 26-30, 2013, New York
会議名
Marriott Marquis Hotel, USA��������������
K. Iyama,H. Furukawa, H. Chosrowjan, T. Sakurai, K. Tsubakimoto, H. Yoshida,
著 者
H. Fujita, M. Fujita, N. Miyanaga, Y. Tamaoki, Y. Kato, and T. Kawashima
題 目 400W Nd:YAG composite ceramic thin-disc laser in 10ns pulse at 167kHz
Photonics West, Solid State Lasers XXIII: Technology and Devices, Feb. 3, 2014,
会議名
Moscone Center, San Francisco, USA
著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名
著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名

H. Fujita, K. Iyama, R. Bhushan, K. Tsubakimoto, H. Yoshida, M. Fujita, N. Miyanaga,
and T. Kawashima
Development of a kW class Nd:YAG ceramic thin disc laser for advanced laser
machining
The 2nd Advance Lasers and Photon Sources, Apr. 25, 2013, Pacifico Yokohama,Japan
M. Fujita,T. Somekawa, and N. Miyanaga
Micromachining of CFRP with ultra-short laser pulses
Laser Processing for CFRP and Composite Materials 2013, Apr. 24, 2013, Pacifico
Yokohama, Japan
T. Sakurai,H. Furuse, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N. Miyanaga, K. Hamamoto,T. Yamada, M. Fujita and Y. Izawa
Temperature distribution characteristics in a cryogenic Yb:YAG TRAM laser medium
The 2nd Advance Lasers and Photon Sources,Apr. 23-25, 2013, Pacifico Yokohama,Japan
M. Fujita,T. Somekawa, and N.Miyanaga
Micromachining of CFRP with ultra-short laser pulses
Lasers in Manufacturing (LiM2013), May. 13-16, 2013, International Congress Center,
Germany─ 87 ─

著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名

H. Furuse,T. Sakurai, H. Chosrowjan, J. Kawanaka, N. Miyanaga, M. Fujita, S. Ishii,
and Y. Izawa
Conceptual of 10 kW high-average power laser system based on cryogenic
Yb:YAG/YAG composite ceramics
The Eighth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications(IFSA2013),Sep. 8-13, 2013, Nara Prefectural New Public Hall, Japan
M. Fujita,T. Somekawa, T. Samoto, H. Hirano, K. Hikichi, S. Tanaka, and M. Esashi
Laser Selective Transfer Process of Barium Strontium Titanate (BST) on a Sapphire
Substrate
32nd International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, ICALEO2013,
Oct. 6-10, 2013, Hyatt Regency Miami, USA
T. Somekawa,M. Kasaoka, F. Kawachi, Y. Nagano, M. Fujita and Y. Izawa
Transformer Working Condition Assessment using Laser Raman Spectroscopy
2nd International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology, Jan. 7-9,
2014, The Sana Lisbon Hotel, Portugal������������
著 者 O. Kotyaev, Y. Shimada, M. Shinoda, N. Misaki, Y. Takahashi, and H. Takinami
Laboratory and Field Tests of a Laser-Based Systemfor Remote Non-Destructive
題 目
Inspection ofTransportation Tunnels
3rd International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2013) ,会議名
Jun. 25-28, 2013, Pacifico Yokohama, Japan
著 者 H. Tachibana, K. Nakamoto, Y. Shimada, O. Kotyaev, Y. Yamaguchi and S. Hirose
題 目 Non-Destructive Inspections for a Steel Plate Bonding Method
The 12th Japan-Korea Joint Symposium on Steel Bridges, Aug. 22-24, 2013, Okinawa
会議名
University, Japan
N. Misaki, T. Asakura, H. Takinami, Y. Shimada, O. Kotyaev, M. Shinoda,
著 者
H. Sakamoto, Y. Takahashi, and Y. Sakamoto
Development of non-destructive inspection method for concrete elements in tunnel
題 目lining using remote laser sensing
会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名

1st International Conference on Civil and Building Engineering Informatics 2013, 2013,
Nov. 7-18, 2013, Tokyo International Exchange Center, Japan
N. Misaki,T. Asakura, H. Takinami, Y. Shimada, O. Kotyaev, M. Shinoda,
H. Sakamoto, Y. Takahashi, and Y. Sakamoto
Development of Non-destructive Inspection Method for Concrete Elements in Tunnel
Linings Using Remote Laser Sensing
World Congress on Railway Research 2013, Nov. 25-28, 2013, Sydney Convention
Center, Australia
S. Kurahashi, Y. Shimada, O. Kotyaev,T. Norimatsu1, Y. Kono, S. Nakata and
M. Ishii
Measurement of Depth of Surface Cracks in Concrete by Laser-Ultrasonic Technique
1st International Conference on Civil and Building Engineering Informatics 2013, Nov.
7-18, 2013, Tokyo International Exchange Center, Japan─ 88 ─

���������������
著 者 A. Sunahara
題 目 Modeling of reactor related physics by the numerical simulation
Partnerships for International Research and Education (PIRE), Jun. 3-5, 2013, RIHGA
会議名Royal Hotel Kyoto, Japan
A. Sunahara,T. Johzaki, H. Nagatomo, K. Mima, H. Shiraga, H. Azechi, Y. Mori, and著 者
Y. Kitagawa
題 目 Direct heating of imploded plasma in the fast ignition
8th International conference on Inertial Fusion Science and Applications, Sep.8-13,
会議名
2013, Nara Prefectural New Public Hall, Japan著 者 A. Sunahara,T. Johzaki, H. Nagatomo, K. Mima, H. Shiraga, and H. Azechi
題 目 Direct heating of imploded plasma in the fast ignition
会議名 Fast Ignition Workshop, Sep.16-18, 2013, Kishu-Minaber RoyalHotel, Japan
A. Sunahara,T. Johzaki, H. Sakagami, H. Nagatomo, K. Mima, Y. Arikawa, S. Fujioka,
著 者
H. Shiraga,H. Azechi, FIREX project
題 目 Direct heating of imploded plasma by ultra-intense laser in the fast ignition scheme
会議名 55th Annual Meeting of the APS DPP Meeting, Nov.10-16, 2013, Denver, CO, USA
著 者 A Sunahara,K. Takaki, K. Kageyama, T. Yabuuchi, and K. Tanaka
題 目 Hydro simulation of materials irradiated by lasers or charged particles
The 12th Asia Pacific Physics Conference of AAPPS, Jun. 14-19, 2013, Makuhari Messe
会議名
Intenational Convention Complex, Japan����������
Y. Honda, S. Motokoshi, T. Jitsuno, N. Miyanaga, K. Fujioka, M. Nakatsuka, and著 者
M. Yoshida
題 目 Analysis of energy transfer process in Nd/Cr:YAG materials
The 2nd Advance Lasers and Photon Source, Apr. 23-25, 2013, Pacifico Yokohama,
会議名
Japan
著 者 T. Isshiki, S. Motokoshi, K. Fujioka, T. Jitsuno, M. Murakami, and M. Yoshida
題 目 Analysis of fluorescence for Nd:CNGG powder
The 2nd Advance Lasers and Photon Source, Apr. 23-25, 2013, Pacifico Yokohama,
会議名
Japan
著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, T. Somekawa, T. Jitsuno, M. Fujita, and K. A. Tanaka
題 目 A theoretical analysis for temperature dependences of laser-induced damage threshold
XLV Annual Symposium on Optical Materials for High Power Lasers, Sep. 22-25, 2013,
会議名
Colorado, USA
著 者 S. Motokoshi, K. Mikami, and T. Jitsuno
題 目 Database on damage thresholds for dichroic mirrors of 1064nm and 532nm
XLV Annual Symposium on Optical Materials for High Power Lasers, Sep. 22-25, 2013,
会議名
Colorado, USA著 者 K. Mikami, S. Motokoshi, T. Somekawa, T. Jitsuno, M. Fujita, and K. A. Tanaka
Measurement and calculation of laser-induced damage threshold at different temperature
題 目
for optical coating
The 2nd Advance Lasers and Photon Source, Apr. 23-25, 2013, Pacifico Yokohama,
会議名
Japan
─ 89 ─

著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題 目
会議名

Y. Matsuura, Y. Kuroki, K. Kuroda, T. Kiriyama, T. Kamimura, K. Mikami,
S. Motokoshi, and T. Jitsuno
Effects of subsurface removal on surface damage resistance of optical coatings in deepUV wavelength
XLV Annual Symposium on Optical Materials for High Power Lasers, Sep. 22-25, 2013,
Colorado, USA
H. Murakami, T. Jitsuno, K. Kato, K. Mikami, S. Motokoshi, T. Kawasaki,
N. Miyanaga, and H. Azechi
Quantitative study of effect of contaminations on the damage threshold in opticalcoating
XLV Annual Symposium on Optical Materials for High Power Lasers, Sep. 22-25, 2013,
Colorado, USA
Y. Honda, S. Motokoshi, T. Jitsuno, N. Miyanaga, K. Fujioka, M. Nakatsuka,
M. Yoshida
Energy transfer process for Nd/Cr:YAG ceramics
The 9th Laser Ceramics Symposium, Dec. 2-6, 2013, Daejeon, Korea

─ 90 ─

国�学会発表�ス��レーザーエネルギー研究�ーム
著 者 李大治、萩行正憲、宮本修治
題 目 負の屈折率平板表面電磁モード研究
会議名 第61回応用物理学会春季学術講演会、2014年3月17日-20日、青山学院大学
著 者 李大治、萩行正憲、綱脇惠章、宮本修治、浅川誠
題 目 グレーティングによる電子ビームから電磁放射の理論研究
レーザー研シンポジウム2013－平成24年度共同研究成果報告会、2013年5月8日会議名
9日、大阪大学銀杏会館
著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名
著
題

者
目

会議名
著 者
題 目
会議名

早川岳人、堀川賢、宮本修治、望月孝晏、天野壮、李大治、今崎一夫、
井澤靖和、緒方一、千葉敏
50年前に予言された直線偏光ガンマ線の(γ、n)角度分布の実証
日本物理学会2013年秋季大会、2013年9月20日-23日、高知大学朝倉キャンパス
李大治、萩行正憲、宮本修治、今崎一夫
グレーティングによる放射の理論研究
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
キャンパス
橋本智、陳彩華、川田健二、李大治、天野壮、宮本修治
小型電子線形加速器LEENAを用いたテラヘルツ光源開発
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
キャンパス
李大治、萩行正憲、宮本修治、今崎一夫
グレーティングによるテラヘルツ電磁波放射の新理論
レーザー学会第454回研究会、2013年12月9日、岡山国際交流センター

�レーザープ�セス研究�ーム
著 者 藤田雅之
題 目 レーザーの加工応用
レーザー技術推進センター平成25年度研修、2014年3月15日、大阪大学レー
会議名
ザーエネルギー学研究センター
著 者 笠岡誠、染川智弘、藤田雅之、井澤靖和、永野芳智
題 目 レーザーラマン分光法によるフルフラール分析
会議名 平成26年電気学会全国大会、2013年3月18日-20日、愛媛大学 城北キャンパス
著 者 染川智弘、笠岡誠、永野芳智、藤田雅之、井澤靖和
題 目 レーザーラマン分光法による変圧器油中フルフラールの分析
第61回応用物理学会春季学術講演会、2014年3月17日-20日、青山学院大学相模会議名原キャンパス
松隈啓、、鵜籠照之、吉田健祐、浦辺祥吾、李超剛、藤岡慎介、西村博明、
佐藤英児、染川智弘、柳田達哉
題 目 レーザー駆動EUV光源プラズマのレーザー吸収率測定
第61回応用物理学会春季学術講演会、2014年3月17日-20日、青山学院大学相模会議名原キャンパス著者

─ 91 ─

藤田雅之
題 目 加工用レーザとその発振原理およびビーム特性：超短パルスレーザとその応用
中部レーザ応用技術研究会第26回レーザ加工技術講座、2014年3月25日、株式会議名
会社最新レーザ技術研究センター
著

者

著

者

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

題

目

単一検出器とSPGDアルゴリズムを用いた重ねアパーチャコヒーレントビーム
結合技術

会議名
著
題

者
目

会議名
著 者
題

目

会議名
著 者
題 目
会議名
著
題

者
目

会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名
著 者
題 目
会議名
著

者

題

目

会議名

第61回応用物理学会春季学術講演会、2014年3月17日-20日、青山学院大学相模原キャンパス
藤田雅之
レーザー加工の基礎(1) 世界の産業用レーザーとレーザー加工技術の動向
レーザーエキスポ2013特別技術セミナー、2013年4月25日、パシフィコ横浜
藤田雅之
レーザー加工の基礎
短パルスレーザー加工・講義と実習、2013年7月22日、大阪大学テクノアライ
アンス棟
藤田雅之
高輝度レーザーによる物質改質・加工
第51回放射線科学研究会、2013年7月19日、住友クラブ
笠岡誠、染川智弘、藤田雅之、井澤靖和、河内二三夫、永野芳智
レーザーラマン分光法による絶縁油中ガス成分の直接測定
平成25年電気学会電力・エネルギー部門大会、2013年8月27日-29日、朱鷺メッ
セ 新潟コンベンションセンター
染川智弘、眞子直弘、久世宏明、藤田雅之
コヒーレント白色光を用いた水蒸気差分吸収ライダーの開発
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
キャンパス
佐藤悠、高橋真弘、染川智弘
ラマンライダーによる水蒸気の昼夜連続観測および数値予報モデルへの水蒸気同化
土木学会平成25年度全国大会 第68回年次学術講演会、2013年9月4日-5日、日本大学生産工学部津田沼キャンパス
佐藤悠、染川智弘、高橋真弘
ラマンライダーを用いた数値予報モデルへの水蒸気データ同化
第31回レーザーセンシングシンポジウム、2013年9月12日-13日、ホテルおかだ
櫻井俊光、ハイク コスロービアン、染川智弘、藤田雅之、本山秀明、
渡辺興亜、井澤靖和
レーザーによる氷の融解に関する研究 -氷床の底に生きる生命体の検出を目指して雪氷研究大会（2013・北見）、2013年9月17日-21日、北見工業大学

─ 92 ─

ハイク コスロービアン、染川智弘、藤田雅之、井澤靖和、石井伸也
題 目 空間変調器による5ビームコヒーレント結合
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
会議名
キャンパス
著

者

著

者

題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著
題

者
目

会議名
著
題

者
目

会議名
著

者

題

目

会議名
著 者
題 目
会議名

著

者

題 目
会議名
著 者
題 目
会議名
著

者

題

目

会議名

櫻井俊光、谷口誠治、本越伸二、染川智弘、吉村義隆、瀬川高弘、本山秀明、
藤田雅之
紫外レーザーを用いた氷コア内微生物のラベルフリー計測
雪氷研究大会（2013・北見）、2013年9月17日-21日、北見工業大学
染川智弘、竹内智紀、藤田雅之
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
第31回レーザーセンシングシンポジウム、2013年9月12日-13日、ホテルおかだ
藤田雅之
加工・計測・メディカル応用の最新動向
インターオプト2013光技術動向セミナ−、2013年10月17日、パシフィコ横浜
染川智弘、笠岡 誠、河内二三夫、永野芳智、藤田雅之、井澤靖和
レーザーラマン分光法によるる変圧器油中アセチレン分析
日本分光学会年次講演会、2014年11月19日-21日、大阪大学豊中キャンパス 基
礎工学部国際棟Σホール
藤田雅之
レーザー加工の最新動向
サイエンスエキスポ2013・加工計測コンソーシアム公開シンポジウム、2013年
11月13日、インテックス大阪
大藪幾美、飯塚芳徳、植村立、平林幹啓、三宅隆之、本山秀明、櫻井俊光、
鈴木利孝、本堂武夫
最終退氷期の南極内陸部における硫酸塩フラックスと気温との関係
気水圏シンポジウム、2013年11月12日、国立極地研究所
藤田雅之
短パルスレーザー加工の基礎と応用事例
レーザー加工とビジネススキルセミナー、2013年11月21日、大阪大学テクノア
ライアンス棟東久美子、平林幹啓、本山秀明、三宅隆之、倉本隆之、植村立、川村賢二、Fredric Parrenin、鈴木香寿恵、飯塚芳徳、鈴木啓助、五十嵐誠、藤井理行、
鈴木利孝、堀川信一郎、河野美香、藤田耕二、櫻井俊光、小端拓郎
南極ドームふじコアの化学成分が示す過去70万年の環境変動
気水圏シンポジウム、2013年11月12日、国立極地研究所
櫻井俊光
SRSを利用した水溶液中の水分子挙動に関する研究
H2Oを科学する2013、2013年12月2日-3日、北海道大学低温科学研究所
伊山功一、古河裕之、櫻井俊光、ハイク コスロービアン、椿本孝治、
吉田英次、藤田尚徳、藤田雅之、宮永憲明、川嶋利幸
kW級Nd:YAGコンポジットセラミクスシンディスクレーザー増幅器の開発
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月21日、北九州国際会議場

─ 93 ─

著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名
著
題

者
目

会議名
著
題

者
目

会議名

染川智弘、笠岡誠、河内二士夫、永野芳智、藤田雅之、井澤靖和
レーザーラマン分光法による変圧器油中アセチレン分析
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22日、北九州国際会議場
ハイク コスロービアン、石井 伸也
高出力、タイル状開口コヒーレントビーム結合のため新技術
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22日、北九州国際会議場
染川智弘、眞子直弘、久世宏明
コヒーレント白色光を用いた水蒸気差分吸収ライダーの開発
第16回環境リモートセンシングシンポジウム、2013年2月21日、千葉大学けやき会館
藤田雅之
短パルスレーザー加工の基礎と応用事例
短パルスレーザー加工セミナー、2014年2月13日、大阪大学テクノアライアン
ス棟

�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、御崎哲一、高橋康将、瀧浪秀元、篠田昌弘
題 目 レーザーを用いたトンネル覆工コンクリート欠陥検査技術の開発
会議名 平成25年度電気学会全国大会、2014年3月20日-22日、愛媛大学
島田義則、 オレグ コチャエフ、篠田昌弘、江原季映、御崎哲一、髙橋康将、
著 者
瀧浪秀元、江本茂夫
題 目 レーザーリモートセンシング装置を用いたコンクリート欠陥探傷実験結果(2)
土木学会平成25年度全国大会第68会年次学術講演会、2013年9月4日-5日、日本
会議名
大学生産工学部津田沼キャンパス著

者

御崎哲一、瀧浪秀元、髙橋康将、朝倉俊弘、島田義則、 オレグ コチャエフ、
篠田昌弘、江原季映，江本茂夫

題目レーザーリモートセンシング装置を用いたコンクリート欠陥探傷実験結果について

会議名

土木学会平成25年度全国大会第68会年次学術講演会、2013年9月4日-5日、日本
大学生産工学部津田沼キャンパス

著

者

題

目

会議名
著 者
題

目

会議名

島田義則、オレグ コチャエフ、御崎哲一、瀧浪秀元、髙橋康将、篠田昌弘、
江本茂夫
レーザーを用いたコンクリート健全度診断装置の開発
平成25年度電気学会C部門大会、2013年9月4日-7日、北見工業大学
島田義則、谷口誠治、本越伸二
レーザーを用いた碍子表面塩分計測
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22日、北九州国際会議場

御崎哲一、高橋康将、瀧浪秀元、島田義則、オレグ コチャエフ、江原季映、
篠田昌弘
題 目 レーザーを用いたトンネル覆工コンクリート欠陥検査法の研究
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22
会議名
日、北九州国際会議場
著者

─ 94 ─

�レーザーバイ�化学��チーム
著 者 谷口誠治、岡田竹広、出島満、佐伯拓
液中レーザーアブレーション法による還元金属ナノ粒子の作成と水素生産への応用
会議名 日本化学会第94春季年会、2014年3月27日-30日、名古屋大学東山キャンパス
著 者 谷口誠治、佐伯拓、岡田竹広
題

目

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名

液中レーザーアブレーション法による還元鉄ナノ粒子の作成と水素生産への応用
第61回応用物理学会春季学術講演会、2014年3月17日-20日、青山学院大学相模原キャンパス
佐伯拓、谷口誠治、出島満、内田成明、中村和広、西川侑介
液中レーザーアブレーション法による酸化マグネシウムの還元
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22日、北九州国際会議場
佐伯拓、内田成明、狩田達也、中村和広、西川侑介、谷口誠治、飯田幸雄
還元マグネシウムペースト焼成板を用いたリサイクル可能な空気電池の特性評
価
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22日、北九州国際会議場

�理��シミュレーションチーム
著 者 砂原淳、中村龍史、西原功修、佐々木明
題 目 プリパルスレーザー照射時のドロップレットの挙動
第61回応用物理学会春季学術講演会、2014年3月17日-20日、青山学院大学相模会議名原キャンパス
著 者 古河裕之、乗松孝好
レーザー核融合炉チェンバー第一壁の液体金属のアブレーションに関する2次
題 目
元シミュレーション
会議名 日本物理学会第69回年次大会、2014年3月27日-30日、東海大学湘南キャンパス
著 者 佐々木明、西原功修、砂原淳、古河裕之、西川亘、小池文博
EUV 光源の最適化のためのレーザープラズマ相互作用の初期過程のモデリング
題 目についての考察
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
キャンパス
著 者 砂原淳、西原功修、佐々木明
題 目 EUV光源の発光効率の向上
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
会議名
キャンパス
会議名

伊山功一、Bhushan Ravi、古河裕之、ハイク コスロービアン、櫻井俊光、
椿本孝治、吉田英次、藤田尚徳、藤田雅之、宮永憲明、川嶋利幸
題 目 kW級Nd:YAGコンポジットセラミクスシンディスクレーザーの開発（3）
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
会議名
キャンパス
著

者

─ 95 ─

著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名
著

者

題

目

会議名
著 者
題 目
会議名
著

者

題

目

会議名
著
題

者
目

会議名

古河裕之、部谷学、中野人志
レーザーピーニングにおける多次元効果等の評価II第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
キャンパス
古河裕之、伊山功一、藤田尚徳、宮永憲明
高平均出力固体レーザーの熱効果解析
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
キャンパス
砂原淳、城崎知至、坂上仁志、長友英夫、三間圀興、Zhang Zhe, 石原和大、
有川安信、藤岡慎介、白神宏之、疇地宏、FIREX project
レーザー駆動高カレントによる高強度磁場生成時のコイルの輻射流体力学的特性と磁場強度日本物理学会第69回年次大会、2014年3月27日-30日、東海大学湘南キャンパス
砂原淳、影山慶、高木一茂、薮内俊毅、田中和夫
気体液体混合領域を考慮した金属のレーザーアブレーション
第27回数値流体力学シンポジウム、2013年12月17日-19日、名古屋大学豊田講堂
砂原淳、藤岡慎介、P. Nicolai, M. Olazabal, 城崎知至、長友英夫、藤本靖、
長井圭治、大西直文、白戸高志、白神宏之、乗松孝好
高Z物質添加による高密度爆縮
レーザー学会第456回研究会及び核融合科学研究所双方向型共同研究合同研究会、2014年1月9日、阪大レーザー研
砂原淳
高Z物質添加による高密度爆縮
核融合科学研究所双方向型共同研究成果報告会、2014年1月23日、核融合科学研究所

砂原淳、森芳孝、中山師生、花山良平、石井勝弘、沖原伸一朗、藤田和久、
北川米喜、関根尊史、栗田隆史、佐藤仲弘、川嶋利幸、菅博文、米田修、
著 者
中村直樹、近藤拓也、藤根学、掛布光孝、東博純、日置辰視、元廣友美、
西村靖彦、千徳靖彦、三浦永祐
高繰返し対向照射高速点火方式小型レーザー核融合の研究－炉心プラズマシ
ミュレーションの現状－
会議名 日本物理学会2013年秋季大会、2014年1月25日-28日、徳島大学
題

目

著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名

砂原淳、城崎知至、坂上仁志、長友英夫、有川安信、藤岡慎介、白神宏之、疇地宏、森芳孝、北川米喜
高速点火における直接加熱
プラズマ・核融合学会第30回年会、2013年12月3日-6日、東京工業大学大岡山
キャンパス
砂原淳
高速点火レーザー核融合における高速イオンの利用
平成25年度レーザー産業創成とプラズマ加速に関する研究会、2014年1月15日、光産業創成大学院大学

─ 96 ─

著

者

題

目

会議名
著

者

題

目

会議名

砂原淳
放射流体シミュレーションによるレーザー生成スズプラズマモデリングの現状
レーザー学会第450回研究会、2013年10月22日、早稲田大学
古河裕之、乗松孝好
レーザー核融合炉チェンバー第一壁の液体金属のアブレーションに関する2次元シミュレーション
レーザー学会第456回研究会及び核融合科学研究所双方向型共同研究合同研究会、2014年1月9日、大阪大学レーザーエネルギー学研究センター

�レーザー�術���
著 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
題 目 Nd/Cr:YAG材料のエネルギー移乗過程III
第61回応用物理学会春季学術講演会、2014年3月17日-20日、青山学院大学相模会議名原キャンパス
著 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
題 目 Nd/Cr:YAG材料におけるエネルギー移乗の解析
会議名 レーザー学会第445回研究会、2013年7月16日、ホテル阪急エキスポパーク
著 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
題 目 Nd/Cr:YAG材料のエネルギー移乗過程II
第74回応用物理学会秋季学術講演会、2013年9月16日-20日、同志社大学京田辺
会議名
キャンパス
著 者 秋田将幸、吉田実、本田能之、本越伸二、實野孝久
3+
3+
題 目 Cr :YAGとCr :Al2O3の蛍光特性の比較
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22
会議名
日、北九州国際会議場
著 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
題 目 Nd/Cr:YAGセラミックにおける小信号利得の温度依存性
レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22
会議名
日、北九州国際会議場
著 者 一色択真、本越伸二、藤岡加奈、實野孝久、村上匡且、吉田実
題 目 Nd:CNGGセラミック材料の蛍光特性
会議名

レーザー学会創立40周年記念学術講演会第34回年次大会、2014年1月20日-22日、北九州国際会議場

─ 97 ─

事 業 報 告 書

� 事� 業� 報� �� �
�平成 25 年度�
概� �

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 25 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 25 年度の主な成果】
平成 22 年度から開始した産業用レーザー開発研究においては、次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクトに参画した。大阪大学レーザーエネルギー学研究センターで試作されるコンポジットセラミック増幅器の冷却特性の計算機解析・評価を進めるとともに、ファイバー増幅器の特性解析を行う計算コードの開発に着手
し、高出力、高繰り返し、短パルスレーザーシステムにおける波長変換特性の解析を進めた。また、引き続き kW 級高平均出力を実現するための増幅器設計およびビーム結合技術の開発も進めた。
レーザーエネルギー研究チーム、レーザープロセス研究チーム、レーザー計測研
究チーム、レーザーバイオ化学研究チームおよび理論・シミュレーションチームでは、多分野にわたるこれまでの研究をさらに発展させ、研究成果を学会や研究会等で積極的に発信した。
レーザー超音波探傷技術に関する研究では、実用化に向けた小型化を図り、新幹線トンネル内の中央通路を走行出来る装置によるトンネル内コンクリート欠陥検出実験を行った。また、高速道路高架橋欠陥検出への適用についても検討を進めた。
平成 25 年度より開始した極端紫外光源開発研究では、半導体リソグラフィ用量
産光源開発のための EUV(極端紫外光)光源プラズマの解析及び条件最適化を行った。
その他主な研究テーマとしては、薄膜 CFRP(炭素繊維強化プラスチック)へのレーザー加工の実証など低炭素社会に資する研究、レーザーブレークダウン分光法やラマン分光法を取り入れた表面付着物や溶液中の成分の高感度検出技術の開発、テ
ラヘルツ波を用いた内部診断の研究を進めた。
レーザー技術開発室においては、多くの企業の参加を得て、レーザー用光学素子
─ 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 2013 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。

���員等の�動（理事・監事）年月日
H25. 4.16
H25. 6.19
H25. 8. 8

（評議員）
年月日
H25. 7.11

監事
理事
理事
理事
理事

就 任
岡田 勉
梅田 賢治
豊留 昭宏
小野寺 正洋
北山 泰久

就 任
大塚 茂樹

監事
理事
理事
理事
理事

退 任
岩西 徹
遠山 眞
鈴木 正
吉澤 厚文
佐藤 正一

退 任
高杉 政博

���員会等の開催(1)理事会
第4回 理 事 会
（平成 25 年 5 月 29 日 大阪科学技術センター）
決議事項
・平成 24 年度事業報告書
・平成 24 年度財務諸表及び収支計算書
・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
・監事の選任報告・職務執行状況の報告
第5回 理 事 会
（平成 25 年 7 月 29 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 4 回評議員会の招集及び目的である事項等
報告事項
・評議員の選任
第6回 理 事 会
（平成 26 年 3 月 3 日 関電会館）
─ 102 ─決議事項
・平成 26 年度事業計画書
・平成 26 年度予算書
・諸規程の制定
報告事項
・職務執行状況の報告(2)評議員会
第2回 評 議 員 会（平成 25 年 4 月 16 日 みなし決議）
決議事項
・監事の選任第3回 評 議 員 会（平成 25 年 6 月 19 日 関電会館）
決議事項
・平成 24 年度財務諸表及び収支計算書
・理事の選任
報告事項
・平成 24 年度事業報告
・第 3 回、第４回理事会の決議内容
第4回 評 議 員 会（平成 25 年 8 月 8 日 みなし決議）
決議事項
・理事の選任
報告事項
・第 2 回評議員選定委員会の決議内容
・第 2 回理事会の決議内容(3)評議員選定委員会
第 2 回 評議員選定委員会 （平成 25 年 7 月 11 日 大阪大学）

����会員状況
平成 25 年度末会員数

40 社

４�学会��び論文発表
学会発表
論文発表

98 件 （国内：68 件、国外：30 件）
50 件 （国内： 8 件、国外：42 件）

��特許�出願件数
平成 25 年度出願件数
平成 25 年度末特許保有件

1件
28 件

─ 103 ─93 口

（登録済：16 件、公開済：10 件、
未公開： 2 件）�

研究開発および�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。
��研究�査事業
�産業用レーザー開発�����ト研究�
省エネルギー効果が期待されるレーザー加工技術の発展に活用するため、kW 級
産業用レーザーに必要とされる基盤技術について研究を進めた。
(1) 大出力レーザーの開発
産業利用を目的とした大出力レーザーの開発を進め、その応用を検討した。高平均出力を実現するために、増幅媒質の温度計測に基づく冷却手法の評価、システム構築技術の検討を行った。
(2) 大出力レーザーの熱解析
kW 級大出力レーザー増幅においてファイバー増幅器の特性解析を行う計算コードの開発に着手すると共に、kW 級、高繰返し、短パルスレーザーシステムにおける波長変換特性の解析を行った。
(3) ビーム結合に関する研究
レーザーの大出力化において重要となるビーム結合技術に関する研究を引き続き行った。同軸およびタイル状の複数ビームのコヒーレント結合を実証し、大出力化、高平均出力化の可能性について検討した。
［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�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
アル平板における電磁モード存在条件、伝搬特性を解析した。
(2) テラヘルツによる診断・検査研究─ 104 ─

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
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、透過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透過特性を調べ、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) 低炭素社会に資する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)への超短パ
ルスレーザー加工の適用性の評価を行うと共に、省エネ電子機器に用いられる
MEMS(微小電気機械システム)デバイス等へのレーザーを用いたマイクロ 3D プリ
ンティングの検討を行った。
(3) レーザーによるナノ粒子生成技術の研究
パルスレーザーをエネルギー源とした金属酸化物(酸化鉄、酸化マグネシウム)の酸化還元および微細化、水素発生技術の開発を進めた。また溶融塩中におけるナノ粒子生成技術の開発に向け、金およびチタンを材料に用いた研究を進めた。
(4) レーザーを用いた氷雪分析に関する研究
氷雪を対象としたレーザー応用研究を進めた。極地氷コアのレーザー分析研究を行い、また、構造物への着氷雪防止について検討を行った。
［関連する主な受託・共同研究］
・CFRP の微細加工に関する研究
・微細周期構造の応用研究
・極地氷床コアに含まれる微生物の分光解析
・液中レーザーアブレーションによる活性金属ナノ粒子生成と水素生産への応用
・液中レーザーアブレーション法によるナノ粒子生成 : 溶融塩中の効果─ 105 ─�レーザー計測研究チーム�
レーザー応用計測・分析技術の高性能化に資する技術開発を行った。
(1) レーザー超音波探傷技術に関する研究
レーザー干渉を用いたコンクリート欠陥探傷等に必要な計測技術等の課題を明らかにした。また、それを用いたコンクリート付帯物の欠陥検査等への技術展開を図った。さらに計測手法の改善や装置の小型化を進めるとともに、高架橋検査への適用可能性を検証した。
(2) レーザーを用いた成分分析の研究
レーザーブレークダウン分光法による表面付着物の定量計測や溶液中の成分分析技術開発を行った。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元素分析ならびにレーザーラマン分光法による CO 2 およびアセチレン検出実験を実施し、成分分析の高感度化を進めた。
(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、大気や水環境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
・碍子塩分等レーザー測定装置開発研究・高感度ダイナミックホログラム・レーザー超音波法を用いた欠陥検出に関する研究
・レーザー探傷による補強橋梁床版欠陥部のリモートセンシング技術開発
・海底資源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
・レーザーラマン法を用いた油中成分分析に関する研究
・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�化�研究チーム�
生体分子の光機能デバイスへの応用、および医療分野へのレーザー技術応用を目的とし、超高速レーザー分光計測による蛋白質等生体物質の光機能解明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)の超高速光反応過程を明らかにし光機能デバイスへの応用を進めるため、サブピコ秒領域の時間分解円二色性計測法による PYP 変異体(ミュータント)の観測を行い、分子構造の時間変化を明らかにした。
(2) レーザー分光による生体内酵素の機能メカニズムの研究
生体の代謝機能に関わるマラリア原虫およびヒト由来の酵素(セリンヒドロキシ─ 106 ─

転移酵素)の光物性を観測した。酵素の種類によりアミノ酸に対する光による機能阻害効果が異なることから、機能阻害剤の光選択の可能性を明らかにした。
［関連する主な受託・共同研究］
・ヒト由来セリンヒドロキシ転移酵素(SHMT)の光反応過程の研究
・時間分解蛍光計測による蛋白質の機能阻害効果の研究

�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
相変化や凝集などを含め、様々の環境下でレーザーアブレーション過程をシミュ
レーションできるコードの精緻化を図り、実験との比較を含む検討を行った。
(4) レーザー核融合炉設計に関する理論的研究
レーザー核融合炉液体壁チェンバー内での金属蒸気の挙動を詳細に解析した。
［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��
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、レーザー損傷閾値のデータベース化を進めた。
(1) レーザー材料開発
太陽光励起レーザーへの適用に向けて、Nd/Cr:YAG セラミックス材料中のエネル
ギー移乗過程を解析し、高温で高効率動作が期待できることを明らかにした。また、広帯域発光が可能な Nd:CNGG 材料の透明セラミックス化試験を開始した。

─ 107 ─(2) 高耐力光学部品開発
フェムト秒パルスに対するレーザー損傷しきい値を決定する要因について評価を進めた。
(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、11 社 18 件の依頼を受けた。また、損傷閾値のデータベース化を目的に、1064nm
用光学薄膜素子を対象に第 11 回、第 12 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

��各�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

��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。43 件の技術相談に対応し、そのうち 22 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、国等の公募事業に参画した。

��関連団体との連携(独)宇宙航空研究開発機構(JAXA)、(独)日本原子力研究開発機構(JAEA)、(財)光産業技術振興協会(OITDA)、(財)大阪科学技術センター(OSTEC)、(財)近畿高エネルギ
ー加工技術研究所(AMPI)、 (財)製造科学技術センター(MSTC)、(社)レーザー学会(LSJ)、韓国原子力研究所(KAERI)、韓国光技術院(KOPTI)など関連団体とも積極的
─ 108 ─に情報交流や人的交流を図り、これら団体と連携してわが国のレーザー技術の発展と普及に寄与する活動を推進した｡

��公募研究国等が公募を行っている各種競争的研究資金の獲得に努め、本年度は下記の採択課題に参加、実施した。
(1) 次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト( (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 )(2) レーザー探傷による補強橋梁床版欠陥部のリモートセンシング技術開発( (独)科学技術振興機構 研究成果最適展開支援プログラム A-STEP FS タイプ )(3) 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 )��受託研究40 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。)

��補助�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) 高感度ダイナミックホログラム・レーザー超音波法を用いた欠陥検出に関する研究 (基盤研究 C)(2) 負の屈折率メタマテリアルによるコヒーレント放射光源研究開発 (基盤研究 C)(3) パルスレーザーを利用したラマン分光法による、氷床コアに含まれる微粒子解
析の研究 (若手 B)(4) 高速点火レーザー核融合における高速電子の発生と輸送の物理的制御 (基盤研
究 C)(5) 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 B)(7) パルスレーザーを利用した極地氷床コアに含まれる微生物の分光解析 (住友財団 環境研究助成)(8) メタマテリアルによる電子ビーム放射光の基礎研究 (光科学技術振興財団 研
─ 109 ─究助成)(9) 液中レーザーアブレーションによる活性金属ナノ粒子生成と水素生産への応用(ひょうご科学技術協会 学術研究助成)(10) 氷コアに含まれる人為起源物質と生命環境起源物質の計測技術に関する研究(国際
科学技術財団 研究助成)

�

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。
��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。

��研究成果報告会
東 京 な ら び に 大 阪 に て 、 平 成 24 年 度 の 研 究 成 果 を 報 告 す る 研 究 成 果 報 告会
(ILT2013)を開催した。
7 月 10 日
7 月 17 日

千里ライフサイエンスセンター (大阪)
日本科学未来館 (東京)

��機関誌�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発信を行った。

��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務めた。
・LASER EXPO 20134 月 24 日～26 日 パシフィコ横浜 (神奈川)─ 110 ─��国際交流
海外のレーザー技術の開発動向や産業応用に関連した情報を収集し、また､レーザー関連団体や関係研究機関との情報交換・人材交流を図るため、計 9 の国際会議へ参加した。また、米国 Purdue 大学や韓国原子力研究所(KAERI)、韓国光技術院(KOPTI)等との共同研究を実施した。主なものは以下のとおり。
(1) LiM2012 (5 月, ドイツ)
(2) ICALEO2013 (10 月, 米国)(3) 2013 International Workshop on EUV and Soft X-ray Sources(11 月, アイルランド)(4) 55th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics (11 月, 米国)(5) PHOTOPTICS2014 (1 月, ポルトガル)(6) 日米協力(RAIJIN)核融合炉工学共同研究 (2 月, 米国 Purdue 大学)

�

�

の

�

事

業

��IFE�慣性核融合エネルギー�Inertial Fusion Energy���ーラ�活動
慣性核融合エネルギー開発事業の推進をめざし、レーザー核融合実験炉設計委員
会活動およびレーザー核融合関連技術の普及のための講演会等を支援した。

�����の刊行
平成 24 年度の研究成果を年報にまとめ、刊行した。
・「ILT2013 年報」(2012～2013) (平成 25 年 7 月発行)

��泰山賞の贈呈
7 月の成果報告会にて第 5 回泰山賞の表彰式を行い、レーザー科学技術の分野で永年にわたり抜群の功績を上げた個人に功績賞を、近年著しい業績を上げた個人に進歩賞を贈呈した。

─ 111 ─

組

織

図

構成員一覧

�

監

�

�

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

橋本德昭

レーザー技術開発室

三宅浩史
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 ─

三宅浩史

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

橋本德昭
山中千代衛
井澤靖和
三宅浩史
中塚正大

【レーザーエネルギー研究チーム】

チームリーダー研究員

井澤靖和（兼務）
李 大治【レーザープロセス研究チーム】

主席研究員（チームリーダー）
副主任研究員
副主任研究員
研究員

藤田雅之

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
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
事務員
事務員

三宅浩史（兼務）
三宅浩史（兼務）
幸脇朱美
小野田理恵
高山大輔
諸白景子
中川道子
大森和賀子

【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
櫻井俊光

谷口誠治（兼務）
オレグ コチャエフ
倉橋慎理

岸田知門

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 26 年 6 月現在）
─ 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
大阪工業大学工学部
大阪産業大学工学部
大阪市立大学大学院理学研究科
岡山大学大学院自然科学研究科
核融合科学研究所
核融合科学研究所
関西学院大学理工学部
関西大学システム理工学部
関西大学システム理工学部
北見工業大学
京都大学化学研究所
京都大学化学研究所
京都大学大学院理学研究科
京都大学大学院理学研究科
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部
近畿大学理工学部電気電子工学科
高知工業高等専門学校
高知工業高等専門学校
摂南大学工学部
大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立極地研究所
千葉大学
電気通信大学 企画調査室
電気通信大学レーザー新世代研究センター
東京工業大学大学院理工学研究科
東京工業大学大学院総合理工学研究科
東北大学大学院工学研究科
東北大学大学院理学研究科
─ 117 ─

センター長
教授
教授
教授
教授
教授
准教授
准教授
准教授
准教授
助教
講師
名誉教授
特任教授
教授
教授
教授
教授
准教授
教授
准教授
名誉教授
教授
教授
教授
助教
准教授
助教
教授
教授
准教授
助教
教授
准教授
教授
教授
教授
教授
教授
准教授
准教授
准教授
教授
准教授
教授
特任教授
准教授
教授
講師
准教授
准教授

疇地 宏
斗内政吉
萩行正憲
西村博明
乗松孝好
宮永憲明
河仲準二
坂和洋一
藤田尚徳
藤岡慎介
椿本孝治
藤本 靖
西原功修
實野孝久
兒玉了祐
粟津邦男
田中和夫
宮坂 博
山中千博
節原裕一
塚本雅裕
柳田祥三
西口彰夫
草場光博
八ツ橋知幸
西川 亘
岩本晃史
安原 亮
玉井尚登
淺川 誠
佐伯 拓
古瀬裕章
阪部周二
橋田昌樹
七田芳則
大須賀篤弘
吉田 実
橋新裕一
中野人志
前田佳伸
赤松重則
芝 治也
田口俊弘
藤田秀二
久世宏明
植田憲一
西岡 一
矢部 孝
河村 徹
田中秀治
柴田 穣

奈良先端科学技術大学院大学
日本原子力研究開発機構敦賀本部レーザー共同研究所
奈良先端科学技術大学院大学
日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門
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
大阪産業大学
光産業創成大学院大学
兵庫県立大学大学院工学研究科
大阪産業大学
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
北海道大学大学院工学研究院
福岡工業大学工学部
北海道大学大学院工学研究院
北海道大学大学院工学研究院
宮崎大学産学・地域連携センター
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
光産業創成大学院大学
立命館大学情報理工学部
福岡工業大学工学部 情報工学部
光産業創成大学院大学
福岡工業大学工学部 情報工学部

特任教授
所長
特任教授
研究主幹
所長
研究副主幹
研究主幹
准教授
研究副主幹
特任教授
准教授
准教授
特任教授
教授
准教授
特任教授
教授
教授
特任教授
教授
教授
准教授
教授
教授
准教授
准教授
教授
教授
准教授
教授
教授
教授
教授
准教授
教授
教授
准教授
助教
教授
教授
助教
客員教授
教授
准教授
客員教授
准教授

増原 宏
大道博行
増原 宏
山川考一
大道博行
佐々木明
山川考一
藤田和久
佐々木明
三間圀興
藤田和久
部谷 学
三間圀興
藤原閲夫
部谷 学
望月孝晏
藤原閲夫
宮本修治
望月孝晏
遠藤琢磨
宮本修治
城﨑知至
遠藤琢磨
仁木秀明
城﨑知至
金邉 忠
仁木秀明
河村良行
金邉 忠
足立 智
河村良行
長谷川靖哉
足立 智
甲藤正人
長谷川靖哉
張本鉄雄
甲藤正人
宇野和行
張本鉄雄
陳 延偉
宇野和行
内田成明
陳 延偉
中村龍史
内田成明
中村龍史

（平成26年6月現在）
─ 118 ─（平成26年6月現在）

評

議

員

理 事・ 監 事
評議員選定委員企

画

委員

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（敬称略）
評議員

礒嶋茂樹

加藤有一

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
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
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

小森芳廣

日本原子力研究開発機構関西光科学研究所 所長

田中健一

三菱電機株式会社開発本部 役員技監

西一般財団法人大阪科学技術センター 専務理事

大塚茂樹
尾崎 博

亨

東 邦夫

京都大学 名誉教授

望月孝晏

兵庫県立大学 特任教授

山中龍彦

大阪大学 名誉教授

山本修一

パナソニック株式会社 R&D本部 全社CTO室 理事

─ 121 ─（平成26年6月現在）

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（敬称略）
理事長

橋本德昭

関西電力株式会社 取締役常務執行役員

理

山中千代衛

大阪大学 名誉教授

中塚正大

大阪大学 名誉教授

三宅浩史

公益財団法人レーザー技術総合研究所 事務局長

疇地 宏

大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター センター長

井澤靖和

大阪大学 名誉教授

梅田賢治
小野寺正洋

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
東京電力株式会社 原子燃料サイクル部長

北山泰久

中部電力株式会社 技術開発本部 部長

佐野雄二

株式会社東芝電力システム社 電力・社会システム開発センター技監

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

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

岡田 勉

株式会社三井住友銀行 大阪本店営業第二部長

西原功修

大阪大学 名誉教授

日根野文三

日根野公認会計士事務所 所長

監

事

事

─ 122 ─（平成26年6月現在）

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（敬称略）
大塚茂樹

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

阪部周二

京都大学 教授

佐々木孝友

大阪大学 名誉教授

西原功修

大阪大学 名誉教授

三宅浩史

公益財団法人レーザー技術総合研究所 事務局長

─ 123 ─（平成26年6月現在）

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（敬称略）
委員長

仙藤敏和

関西電力株式会社 原子燃料サイクル室 原子燃料サイクル部長

委

粟津邦男

大阪大学 教授井上哲也

一般財団法人大阪科学技術センター 総務部 企画室長

植田憲一

電気通信大学 特任教授

大谷浩司

三菱電機株式会社 電力システム製作所 磁気応用先端システム部 次長

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
兒玉了祐

住友電気工業株式会社 エレクトロニクス・材料研究所
エレクトロニクス接続技術研究部 部長
大阪大学 教授

近藤公伯

独立行政法人日本原子力研究開発機構 先進ビーム技術研究ユニット長

白神宏之

大阪大学 教授

竹辺晴夫

富士電機株式会社 エネルギー事業本部 事業企画部 担当部長

田中正人

関西電力株式会社 原子燃料サイクル室 サイクル事業グループ
マネジャー
大阪大学 教授

員

斗内政吉
中熊哲弘
中島信昭

東京電力株式会社 原子燃料サイクル部 サイクル技術グループ
マネージャー
大阪市立大学 理学研究科理学部 特任教授

西村博明

大阪大学 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 教授

宮永憲明

大阪大学 教授

向井成彦
森 勇介

株式会社 東芝 電力システム社 電力・社会システム技術開発センター
電気計装システム開発部 部長
大阪大学 教授

山畑和樹

関西電力株式会社 研究開発室 研究推進グループ マネジャー

─ 124 ─（平成26年6月現在）

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【建設業】【精密機器具製造業】

株式会社環境総合テクノス

有限会社岡本光学加工所

関電プラント株式会社

オムロンレーザーフロント株式会社

株式会社きんでん

株式会社片岡製作所
光伸光学工業株式会社【鉄鋼・非鉄金属製造】

ジオマテック株式会社

株式会社神戸製鋼所

株式会社島津製作所

住友電気工業株式会社

浜松ホトニクス株式会社

三菱電線工業株式会社【商社・その他】【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
株式会社日本ネットワークサポート【電気・ガス業】

パナソニック株式会社

大阪ガス株式会社

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
日本原子力発電株式会社【機械・輸送用機器具】
三菱重工業株式会社【鉄道業】
西日本旅客鉄道株式会社【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】
公益財団法人応用光学研究所
一般財団法人大阪科学技術センター
一般財団法人関西情報センター
一般財団法人電力中央研究所
一般財団法人光産業技術振興協会
一般社団法人レーザー学会

合計40社(他1社含む)（平成26年6月現在）
─ 126 ─

お	
  わ	
  り	
  に	
 
レーザー技術総合研究所年報第 26 巻 ILT2014（平成 25 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おります。また、全所横断型の産業用レーザー開発プロジェクトチームを立ち上げました。	
 プロジェクトチームでは、小型、高出力、高効率、高ビーム品質の固体レーザー開発を目標に、小型の装置による基礎実験を進め、レーザー出力特性や熱解析の成果を下にして、高出力レーザー設計手法の確立をめざしています。また、多ビーム構成により更なる高出力を実現するため、新しいコヒーレントビーム結合方式を提案し、実証実験を進めています。
チーム研究でも成果の積み上げを図っています。レーザー超音波探傷技術開発では、山陽新幹線トンネルにおける内部欠陥検出実地試験でその有効性を実証することができ、実用化に大きく一歩近づきました。新幹線トンネルの中央通路内を走行しながら欠陥検査を行えるように検出システムの小型化を進めるとともに、コンクリートクラック深さの測定、天井に取り付けられたアンカーボルトの健全性評価、高速道路橋梁の健全性評価など、
レーザー超音波技術の応用分野拡大をめざした研究も進めています。碍子表面の塩分量計測技術開発でも検査システムの小型化を進め、可搬型システムとハンドホールド型計測ヘッドを開発しました。フェムト秒レーザー加工、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、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。溶液中でのレーザーアブレーションを利用した酸化還元反応とナノ粒子生成、メタマテリアルを利用するテラヘルツ光源など、新しい研究の芽も生まれました。レーザー技術開発室では、産業界からの様々な技術相談に対応するとともに、光学素子の損傷評価や高耐力化の分野で貢献することができました。
今後とも、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 26 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 ─

ＩＬＴ2014

年報

平成 26 年７月 発行

公益財団法人 レーザー技術総合研究所〒 550-0004 大阪市西区靱本町１丁目８番４号
大阪科学技術センタービル４Ｆ

TEL（06）6443-6311 ㈹