電通大G

レーザー加速の社会実装に向けた
レーザーフィージビリティ・スタディ
電気通信大学レーザー新世代研究センター
米田仁紀「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

レーザー加速の社会実装に向けたレーザーフィージビリティ・スタディ

電通大G（１）高信頼性光学薄膜の開発
光学薄膜メーカー

試験ミラー

電通大・レーザー

••
•
•

長期試験
新しいモニター手法
ダメージ予測技術
新アニール手法

試験データ（２）新しい気体回折光学素子の開発

集光光学系

真空内ガス光学素子

セル型オゾン素子

オゾンガス光学素子
波面クリーナー

565nm

オゾン圧縮光学系「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

580
nm

600nm

ARコートレス
ダイクロ光学系

コーティング材料×基板材料×研磨手法×成膜方法×後処理×使用波長×要求バンド幅

100nm

EB膜

HfO
Sample-8
2SiO2-CaF2-EB-1064
HfO2SiO2-FS-EB-1064
Sample-1

HfO2SiO2-CaF2-IBS-1064
Sample-10

HfO2SiO2-FS-IBS-1064
Sample-3

HfO2SiO2-CaF2-IAD-1064
Sample-12

100nmIBS膜

電通大GScSample-6
2O3SiO2-FS-EB-1064

HfO2SiO2-CaF2-IBS-532
Sample-11「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

Sc
Sample-13
2O3SiO2-CaF2-EB-1064

Sample-2
HfO
2SiO2-CaF2-EB-532

3長時間照射光学素子評価システム

電通大G

particle counter

Lock-inII

Lock-in III

scattering
ellipsometer

temp & hum
Pressure monitor
monitorElip_1

Elip_2

Temp control

dry and const Temp. boxpol.

Lock-inI
differential
ellipsometricsignal II

Thermal shieldmasteroscillator

ArF
193nm

10Hzl/4
pol.

人のエリア入室による湿度の変化も検出
pump beam monitor

differential
ellipsometricsignal I

100Hz, 15ns, 1.06mm, 0.53μm

Modulated 635nm laser

ICCD Camera(scattering image)

IRtemperaturemonitorbeam dumper

Water cooling+TDS「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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4Wide band gap 材料へ、高密度成膜手法へ
Laser thermal desorption spectroscopy

電通大G
CO2 laser

500ps pulseでのダメージ閾値のバンドギャップ依存性

試料ミラー

H2O-EB

H2-EB

H2-IBSH2O-IBS

Laser Focus World 2014.9
次のデータは巨大「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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5

同じミラーでもconditioningで耐力は全く異なる。

6:174.8
9:153.2

8:182.6

7:61.8

5:>59.5
4: 30.5

3: >28.1
1:18.5 2: >19.2

425

24時間
レーザー照射

20

2

150
10-2

210破壊

Sigma IBS HR mirror

5-40-6
52 10

10100

1000

410pump [J/cm ]Energy fluence [J/cm2]

100

100Hzで6日目に壊れる

1st J/cm2
2nd J/cm2
3rd J/cm2
4th J/cm2
5th J/cm2
6th J/cm2
7th J/cm2
8th J/cm2
9th J/cm2
elipso signal [arb. unit]

Sigma Koki IBS HR

電通大G

2.5 1053 10

53.5 10510time [s]time [min]「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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54 105-554.5 10

新しいアニール手法：IBS膜で > 250 J/cm2 （λ = 1.06μm, τ=12ns）
通常の照射履歴では膜の特性のジャンプが起きる
S2

電通大G

SG_IBS_1
SG_IBS_2

2超えの耐力高品質超低損失IBS膜でも250J/cm
Sigma IBS 1060nm HR300

S3S2S1S32

特殊なアニールにより、比較的短時間で膜を緩やかに変化させる

250

Laser fluence [J/cm ]

S1200

150

100

50
0500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

time[s]「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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7調べると、まだわからないことも観測された異常な散乱強度の増加

電通大G
破壊直前に予兆が見えることも破壊
Elipso-1

Elipso-2
Pump 光強度

破壊予兆信号

散乱信号「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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オゾン回折光学素子

RFRF
ozone mixed gas 0th
gratingO
2

1th
Diffracted beam

桁違いの使用強度

airozone
2ozone+UV light

損傷閾値:1.6 kJ/cm
100

degreeIonization
損傷確率[%][%]②回折格子生成
ガス中に密度変調δρ生成（＝ 屈折率変調Δnを生成）①O3 生成flow controlvalve

電通大G

通常の光学
素子

8060402000.001

Air(O2+O3)gas(O2+O3)gas+ UV laserc

1.6 kJ/cm2
0.01

0.1

1102

Input energy [kJ/cm ] 2]
入射レーザー強度[kJ/cmOpen
window

高い回折効率O2

理想的な波面

1st order diffraction beamwave front (I=1.6 kJ/cm2)

UV laser-1

0.6 l
0.5 l
0.4 l < λ/100.3 l
0.2 l
0.1 l
0Incident laser

UV laser-2

Pumpingsystem

回折効率[%] [%]efficiency
Diffraction

O2+ O310080

回折効率:96%60402000Y.Michine and H.Yoneda, Com. Phys. 3, 24 (2020)「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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2040

6080

1002
紫外レーザー強度[mJ/cm
UV laser energy [mJ/cm ] 2]9120

気体中の大振幅密度波の物理を理解する

電通大G

深紫外LEDによる大振幅波のモニターシステム
２つの波でΔnnormal082

normal083

オゾン疎密波0.05

UVパルスエネルギー

音波＋エントロピー波

GH0.006

𝜌(1) 𝑥, 𝑡 = 𝜌0 ∅ 𝑐𝑜𝑠𝐾𝑥𝑐𝑜𝑠Ω𝑡 −𝜌0 ∅ 𝑐𝑜𝑠𝐾𝑥0.004

音波18mJ
6.8mJ2mJ

0.040.008𝑣 (1) 𝑥, 𝑡 = 𝑐0 ∅ 𝑠𝑖𝑛𝐾𝑥 𝑠𝑖𝑛Ω𝑡0.002

GTransmitted light [arb. unit]

音波成分の減衰𝑇 (1) 𝑥, 𝑡
27= 𝑇0 ∅ 𝑐𝑜𝑠𝐾𝑥 𝑐𝑜𝑠Ω𝑡 +𝑇0 ∅ + 𝑐𝑜𝑠𝐾𝑥
550.030-0.002-0.004-0.0060.02

このうち、音波の項は、
非線形音波（通常音波より疎エントロピー波のみ-0.008
00.02

0.04

0.06

0.08

0.1-5.44000007e-007

密の変化量（振幅）が大きい）になると理論的には予測
0.01

000.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

波の成長→

Time [10ms]「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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鋸歯型波の形成（波形歪み）→ 波の崩壊10丸いレンズを目指して

電通大G
入射レーザーの発散角の調整

OFF
R=300
f=-1120 mm

１次回折光

入射光

横方向（縞の並び方向）のみシリンドリカルレンズペアで制御

0.8mm

f=-700 mm

0次透過光（非回折光）

×１０ON
f=-450 mm

３ｍｍ
f=-357 mm

0次光透過パターン（黒抜け部が回折領域）

3 mm「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真空中での気体光学素子の開発

電通大G

O3 generation in
高圧オゾン生成技術開発 O 2atm & He 6atm
2
計算機コードによる設計
O2＋高圧Heで放電させると
1000

Discharge current [mV]

３Dプリンタによる3D流路セルの製作
Discharge current_O2_2atm
900
Discharge current_O2_2atm_He_3atm
Discharge current_O2_2atm_He_5atm
800
Discharge current_O2_2atm_He_6atm
700
600
500
4003006080100120140160

Applied voltage [V]高圧条件でのオゾン混合ガスが生成可能に「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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12まとめ電通大G

レーザー加速の社会実装に向けたレーザーフィージビリティ・スタディ（１）高信頼性光学薄膜の開発• 光学薄膜の高出力レーザーでの社会実装を目的とした長時間モニターシステムが稼働し、多くのデータが蓄積されつつある。
• 新しい長期信頼性光学素子の開発に向けての指針が出始めている。
（２）新しい気体回折光学素子の開発

デブリ排出• 大振幅密度波の詳細物理研究により、新しいデバイス制御も視野に入ってきた。
• 様々な目的のための実装可能な素子開発が進ん 作動ガス排出
でいる。

加工用
レーオゾンレンザーズ生成用UVレーザー

N2
O3 + O作動ガス入力
2N2デブリ

2重ガスセルオゾンレンズ部
レーザー加工部「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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