アクティブミラーレーザーの開発成果① 開発方針 ② 性能向上の成果 ③ 実用化への取り組み

大阪大学レーザー科学研究所
宮永憲明
余語覚文、時田茂樹、椿本孝治、荻野純平、吉田英次、藤岡加奈、中田芳樹、森尾 登、植田憲一、河仲準二、兒玉了祐「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

1mirrorlaser beam. In the long pulse limit, the B integral of theactive mirror will be twice the value calculated assuming
no overlap. However, as the pulse is shortened so that

アクティブミラーとは

hest heatflowinges, typiure disk

its spatial extent is less than the glass thickness, that

increase will be reduced since overlap only occurs in asmall fraction of the glass. For example, for a 50-psec

旧世代（２０世紀）

新世代（２１世紀）

pulse and a 3-cm thick active mirror the increase is only

15%higher than for the nonoverlappingsituation. The

1) J. P.effects
ChernochUSare3466569,“Laserdevice” (1969).
of the(GE),overlap
to a degreecompensatedby thecompa2) S. William,
et al. (GE),USto3534291
for face
active mirror'sabilityoperate “Apparatuswith circularly
polarder firstpumped
ized laser
light.device”(1970).
This leads
to a decrease in the nonlinearnce. 3)
A J. A. Abate, et al., “Active mirror: a large-aperture mediumper unit
largestrepetition rate Nd:glass amplifier,” Appl. Opt. 20, 351 (1981).
constant(GE, DOE, Kodak, LLE Rochester Univ.)

r qualitypression
ability

on withsitic os-k would

入射ビーム

taneousmode.9highesty. The, would

増幅
ビーム

mited byof highess, the高反射膜

f a disk.

al beamveness,
hat thelength
or both981!
"
#"
媒質!
"
#$%"
&'励起源
Fig. 3.

フラッシュランプ

活性イオン

Nd3+

母材ガラス

Key features of present active mirror design.

入射ビーム!
"#"
媒質半導体
レ−ザー
励起光
増幅
ビーム

無反射膜()
*$&+
高反射膜

冷媒

半導体レーザー (LD)Yb3+ 発熱：Nd3+の 1/2.7
YAG (Y3Al5O12) 熱伝導率：ガラスの約20倍「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
開催日 ： 2023/08/02 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

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We fitted the experimental result of α with Eq. (4) and found that A = 1.1
低温冷却・Yb:YAG・アクティブミラーの利点= 174.59
K. There is no such simple relationship to represent the temper
寄生発振防止LN2LN2

シード光
クラッド
冷却器

LD励起光

エネルギー抽出容易
寄生発振

Yb:YAG
100 K

101300 K100Yb

Nd:Y2O3 Nd:YAG
HAP4(Nd:glass)Yb:glass
Yb:S-FAP(p)1 at.%
5 at.%(1/Κ)

熱衝撃耐力 (W/cm)

損傷
閾値

高熱伝導率

103

熱伝導率 (W/m/K)

102

102

7倍
101

LHG-8(Nd:glass)10-12
5 10 2050
0.5 1
誘導放出断面積 sem (x10-20 cm2)
20

10521dn
M1T + M 2T 2 + M 3T 3(T ) = M 0 +パワースケーラブル
dT（>10 cm 大口径化）

By fitting
this polynomial to the dn/dT data, we obtained the parameters
Yb3+:YAG
6 cm
K-1, M1 (発熱割合≈吸収の9%)= 1.5974 × 10-8 K-2, M2 = 1.9468
× 10-10 K-3, and M3 = -4.6369 × 1
低発熱LN2増幅出⼒

LD励起領域

0.510010

温 度 (K)

屈折率温度係数 dn/dT, 線膨張係数 (x10-6)

アクティブミラー増幅器
ヘッドの構造the dn/dT data. Therefore,
we used a third-order polynomial fit to interpo
増幅媒質
4+
withinCrthis:YAG
temperature range.

LN2Mo ヒートシンク

低熱歪み
1086分の１ dn/dT

65分の１4

線膨張係数

2R. L. Aggarwal, (2005).
R. Wynne, (1999).
J. D. Foster, (1968).

050100150200250300

温 度 (K)

低温動作は、高繰り返し（高平均出力）に適す
Fig. 4. Temperature dependence of the refractive index (red) and thermal exp「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」
2023年度シンポジウム
The solid lines show thefitted curves obtained by using Eqs. (4) and (5). Th3 f
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東京本部別館
show our experimental data. The
green triangles show α for the YAG ceramics

飽和フルーエンス hn/sem (J/cm2)

10J, 100Hz システムの主要技術（本プロジェクト）
フロントエンド
パルス波形整形

目標性能
・エネルギー~50 µJ
230217LBO波長変換テスト
10 J/パルス
230217LBO波長変換テスト
・繰り返し
LBO波長変換テスト
LBO波長変換テスト OSC
A2100Hz A2 A3OSC

前置増幅器
ファイバー増幅器条件
条件
A2＠10Hz
A2＠10Hz※今回はA3増幅なし※今回はA3増幅なし~10 pJ

時間

高利得・高安定
ビーム整形

DFM

波面補正

多重パスロッド増幅器>1 J

高利得・高安定・高ビーム品質高パルスエネルギー
高繰り返し
アクティブミラー
ヘッド（４段）

パルス波形整形VSF

時間

10 J, 100 Hz
VSF

主増幅器 (アクティブミラー)
VSF「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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4A

アクティブミラーへの国産技術の集約
フロントエンド

前置増幅器
ファイバー増幅器~50 µJ

多重パスロッド増幅器~10 pJ

C社

>1 J
DFM

A社

D社

アクティブミラー
ヘッド（４段）

E社
F社

VSF

B社
10 J, 100 Hz
VSF

主増幅器 (アクティブミラー)
VSF「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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・発振波長の最適化
・計算結果との比較

多重パスロッド増幅器ヘッド
Yb:YAG結晶(20 mmf, 15 mmL)
冷却機構等を改良(30 – 50 K)

出力エネルギー (J/パルス)

前置増幅器： 2 J, 100 Hz小型レーザーが視野に2.8

繰り返し

励起時間

2.4

1 Hz
10 Hz50 Hz
100 Hz

1 ms
1 ms
1 ms
0.5 msA2測定時

2.4 J, 50 Hz
光・光変換効率 40%

2.0
偏光解消<1.5%

電源容量アップ

1.6

1.3 J, 100 Hz

1.2
LD電源
容量制限

0.8
0.400

12345

吸収励起エネルギー (J/パルス)
方向変動

集光強度分布M2 = 1.1510qx = 2.8 µradqy = 6.0 µrad0-10(最終出力部)-10010 µrad

2 J, 100 Hz 装置コスト： 市販品（2 J, 10 Hz×10台）の数分の１「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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アクティブミラー増幅器 （10 J, 100 Hz 増幅）
アクティブミラー ４台

23/04/27 SENJU-Lite出力 シュリーレン確認

増幅器筐体内部（４台をダブルパス通過）

Koji Kawabata

昨日の夕方液体窒素循環を停止、取得時温度-10℃程度（-8℃〜12℃）

増幅器筐体外観(30×35×40 cm)

昨日同様Φ400µm球を使用。
局所的な強度リップルは確認できず。ほぼ歪みがない。
いずれにせよ熱負荷を加えたテストが必要。

PCS-NFP@Ref.

液体窒素循環装置(~78 K, 6-9 ℓ/min, 0.1 MPa)
LN2

像点から外れた位置でのパターン

シュリーレンパターン

Mo ヒートシンク

LN2

従来のLD光学配置図時の出力とLDパターン
LDバー出力(23J-0.5ms, 46J-1ms 100Hz)
スタック出力(23J-0.5ms)
浜松ホトニクスHP

シード光パターン
80mm

シード光

LD励起光

計測側の問題

クラッドLN2
冷却ジャケット
クラッ冷却
135

励起照明光学系
模式図 W/O(ThorlabsFELHP)

92-95%
With FEL f=250mm

増幅出⼒
メッシュは
寸法計測目盛LN2010K

Cr:YAG

96 K
Yb:YAG

励起パターン

125
116
978878
Temp. (K)10mm「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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121.212101.01060.6

出⼒エネルギー (J)

0.8

820.2

200.0

01015

1040.4515642050010時 間 (s)-20

一様なビームパターン

0.5y (ｍｍ)01020-20203040

励起エネルギー (J)-10y (ｍｍ)020
光・光変換効率 (%)

出力変動 0.7% rms>10 J, 100 Hz

825

23.6 %
10.2 J

平均パワー (W)

パルスエネルギー (J)アクティブミラー増幅器：出力特性

良好な集光性能
1.3×回折限界発散角

0-0.5
-100
10x (ｍｍ)20-0.50x (ｍｍ)>10J級
世界最高平均出力(1 kW)

0.5「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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8アクティブミラー増幅器の効率向上
LD励起サイズとシード光サイズの空間マッチングを改善
31.3% 10.3 J

3535

10.2 J

1010後

2525

良

8

改23.6%

66

前良20201515改43030

10102550000

01010202030304040

光・光変換効率 (%)

パルスエネルギー (J)1212

励起エネルギー (J)

効率を１.3倍向上「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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9実用化への取組み１:グリーン6 J, 100 Hz を実証予定
WP

RED

LBO

M2

PMT

M3

Vol. 42, No.高平均出力波長変換の実績
17 / September 1 2017 / Optics Letters(NEDO, CFRP加工プロジェクト)

グリーンビーム
2 X：1.9 mm
パターン 1/e
1/e2 Y：2.5 mm

冷却・温度調整機構設計
LBO
10x10x15 mm(15x15x15 mm)

動作条件
設計

動作領域

前置増幅器で試験開始
波長変換後ビームパターン
Dq =30A時

0 µrad200 µrad400 µrad

変換効率 (%)

変換効率 (%)

２倍高調波パワー (W)PMT

波長変換前ビームパターン

3257

出力パワー (520 nm)
変換効率

SHG/THG
結晶ホルダーCCD orEnergyMeter

M1,M2,M3：Harmonic separator

600 W

> 60%

M1

600 µrad800 µrad1 mradLBO
Type I
15 mmt

基本波パワー (W)基本波入射強度 (GW/cm2)「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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10実用化への取組み２:大口径AM開発(パワー拡大則)
Faraday
rotator
VSF

Laser
diode

10 J amp.

Vacuumchamber

Vacuumchamber

78 K

78 K

LN2
VSF

Output100 J, 100Hz

LN2

TFP
Laser
head

VSF

TFP

QWP

100 J amp.

Deformablemirror100 J, 100 Hz モジュール（構築中）

10 J, 100 Hz アクティブミラーレーザー
N2 OutHeat sink

Cr:YAG（別資金）

Yb:YAGN2 InSeed
Pump laser
laser

N2 In

Cr:YAG

Yb:YAG

leSc aGain
mediumN2 OutAmplifiedlaserMo
6 cm× 4 disk!
-Up

120 mm

Cr:YAG cooler

7ｍｍt

× 8~10 枚
12 cm「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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11まとめ
⽬標達成の状況・ >10J級世界最高平均出力 (1 kW)
・ 世界初の 6 cm級 伝導冷却型アクティブミラー（独自技術）
・ 純国産（国内数社の協力企業集団の形成）

性能向上の成果
・ 前置増幅部の高性能化 (定常運転 2 J, 100 Hz が視野)
・ アクティブミラー主増幅器 光・光変換効率の向上 (10.3 J, 31.3%)
・ アクティブミラー主増幅器 小型化、冷却性能・ビーム品質向上を検証中

実⽤化への取り組み
・ 10 J, 100 Hz & ２倍高調波変換システムの定常運転
・ アクティブミラーの大口径化 (パワー拡大則データベース)
・ Ti: サファイアアクティブミラーへの波及効果

成果の発信など
1) J. Ogino, et al., Optics Letters, 46 (3), 621-624 (2021).
2) J. Ogino, et al., Optics Continuum, 1 (5), 1270-1277 (2022).
(15 Popular Papers on Lasers and Laser Optics, 11th May, 2023)
3) 荻野純平, 他, 第47回レーザー学会業績賞 進歩賞 「革新的パワーレーザーの開発 - 伝導冷却アクティブミラーレーザー 」, 2023年5月31日.

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2023年度シンポジウム
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