2023年8月2日16:35-16:50

分子研・理研レーザーG

室温動作DFCチップレーザーの開発成果A) 理研レーザー（レーザー駆動電子加速技術開発グループ, 2018年発足）
PI:平等拓範, 佐藤庸一，石月秀貴, 長内昭宏, A. Kausas，尾高英穂
B) 分子研レーザー（社会連携研究部門, 2019年発足）
PI: 平等拓範, 竹家啓, V. Yahia, H.H. Lim，F. Cassouret, B. Baptiste
高エネ研
吉田光宏, 本田洋介, 周翔宇, 張叡
核融合研
安原亮
量研機構
桐山博光，宮坂泰弘「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

2017年

自然科学研究機構分子科学研究所，メゾスコピック計測研究センター

2018年

理化学研究所放射光科学研究センター，レーザー駆動電子加速技術開発グループ発足
自然科学研究機構分子科学研究所，社会連携研究部門, TILAコンソーシアム発足

2019年•大口径連続接合装置の研究開発、及びTILAモジュールの産業展開••
電子加速のためのパワーレーザーの研究開発••••（分子研レーザーG)

直径10cm相当大口径連続接合装置の実用化
TILAモジュールの産業展開（理研レーザーG)

基本波出力5J級DFCモジュールの開発
TILAモジュールによるTi:サファイアレーザー励起実験
スペクトル合成レーザーの検証研究* TILA: Tiny Integrated LAser（小型集積レーザー）「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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LASE PLENARY“Passion extreme light”
Paper 11664-501, Monday, Monday, 8 March
2021 • 6:05 AM - 7:00 AM

Nobel Laureate Gérard Mourou
École Polytechnique (France)•••
1PW / 1µm

Laser Astrophysics and Cosmology
Polarization of Vacuum, Materialization of Light
Transmutation of Nuclear Waste

1023 W/cm2
Figure 13. The Laser Wake Field Acceleration.

Figure 1. Laser intensity vs years.
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/mourou加速長は短いがlecture.pdf

レーザーは巨大！

https://spie.org/conferences-and-exhibitions/photonicswest/program/conferences/lase?SSO=1

LASE 2021 Symposium Chairs
Craig B.
ArnoldTakunori
TairaPrinceton Univ.
(United States)

RIKEN / IMS(Japan)本提案の構想
ブレイクダウンして社会実装

産業展開

束ねて究極を目指す：量子メスから宇宙の謎まで
現在

本提案

励起用ガラスレーザー

DFC 6Jモジュールを必要数並べてTi:Sapphireを励起

先端科学
3×350 J

低価格化

10Jモジュールを企業と協力し産業展開

10 J @ω0 100 Hz
6 J @2ω0 100 Hz

Ti:Sapphi
re50 J @100 Hz

25 J @0.1 Hz
パルス伸長器

DFCの多色化によりさらに小型化

パルス圧縮器超高ピーク出力の発生

1モジュール

超短パルス
発振器
LD励起
広帯域チャープパルス
増幅器
CPA Strickland and Mourou, Opt. Comm. (1985)「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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Distributed Face Cooling (DFC)
NIF (LLNL)

3x larger ion diameter
O2-RE3+?

rNd3+= 0.98A
Al3+
rAl3+= 0.39A•Spectroscopy?
4.2MJ, 10-4Hz → 420W Average

Ref. M. L. Spaeth et. al., FUSION SCIENCEAND TECHNOLOGY, 69, 25 (2016).

Al2O3
etc.

RE3+:YAG

Thermal Problem !

RE3+:YAG in Al2O3 ▶ DFC

ELI-DiPOLEYb:YAG ceramics

il-SAB
Typical laser material→ Laser Ceramics*•He-gas cooling：150K

100J, 10Hz, World first 1kW average
Ref. P. Mason et. al., Optica 4(4) 438 (2017).

NIF (Laser Fusion)
Nd:glass
Ref. T. Taira: Rev. Laser Eng., 50(7), 382 (2022).

* il-SAB: Inter layer assisted surface activated bonding* IEEE JSTQE 13 (3), 798(2007).
「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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開催日 ： 2023/08/02
場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

il-SAB : Intermediate Layer assist Surface Activated Bonding
Amorphous Layer ▶︎ Atomic Level Direct Bonding at RT
現状：1cm角Surface roughness: RMS < 2nm
Flatness: λ/5 @1064nm

UHV ~10-5 Pa

DFC-structure Tiny Integrated Laser
Sapphire
Nd:YAG

10mm

Amorphouslayer

Nd:YAG~ 15 nm
Sapphire

w/o coating

Housemade SAB Machine•with coating

Photo: Aug. 15, 2016
Low temp. bondcoat-material

Ref. Opt. Mater. Express 7, 3214 (2017).
Opt. Express 27, 30217 (2019) .

日米欧で特許成立「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

6室温動作 2J-DFC チップ増幅器
室温動作 DFC チップ増幅器（分子研，理研，KEK）

DFC chip 2x (gain length 10 mm)
1.1-at% doped Nd3+:YAG
10x10x0.5 mm3
c-cut Sapphire
10x10x2 mm3

DFCチップ(10mm□)を搭載した銅製ヒートシンクの外観

LDの増設が限界！

Pump
4x LD modules
Wavelength
885 nmRep. rate
1 Hz to 50 Hz
Pump pulse
250 𝜇sPump power
8 kW per LD
Pump energy
2 J per LD

21枚の接合DFC (0.5mm
Nd:YAG/ 2mm sapphire)(a) 基本波 (1064nm)(b) SH波 (532nm)

基本波 >2J, 50Hz（偏光結合 100Hz）DFCチップレーザー（室温）「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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第２世代 DFC チップモジュール•

半導体レーザーを空間結合することで励起光の増強が可能▶ 5kW x 8 = 40 kW（SG2は小型構成でパワーアップ可能）▶ 8kW x 4 = 32kW (SG1で用いてきた半導体レーザー)

室温動作小型集積レーザー

パワースケーリングが可能

片側励起 2J ▶ 両側励起 5J@1064nmSG2で構想の2J-DFCチップによるレーザー増幅実証試験構成 (分子研、理研、KEK)「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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il-SABのためのクリーンルームを整備
2022年4月21日稼働開始

不測の事態！

JST未来社会創造事業で開発した常温接合装置

内閣府ImPACTで開発した常温接合装置
完全DFCは諦める！

古い装置
で接合

2mmt (c-cut) Sapphire

Pump(5)
Nd: 0.5at.%

Nd: 1.1at.%

2022年4月にトラブル：故障「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

9第２世代 DFC チップモジュール
2J @1064nm

開発環境の整備（D棟1F@分子研）理研・分子研（三菱電機）

2021.5建屋完成
種光部
5〜10mJ
Micro-MOPA

2022.2.4
クリーンルーム完成
増幅器1500mJ

2.8 GW @RT

2022.7.13
本格始動

増幅器2>2J@1064nm( >19.6 MW/cm3 )2022.9.20
波長変換1>1J @532nm

増幅器3> 5J @1064nm

レーザー構成DFC-PowerChip (Al2O3/Nd:YAG)

レーザー増幅器

不完全885nm
Nd:YAG
増幅器1：単結晶
増幅器2：セラミックス(神島化学)※ 繰り返し周波数：2Hz -> 10Hz「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

10RIKEN SPring-8 / SACLA Campus
http://rsc.riken.jp
Conventional RF accelerator ~200m (50MV/m x 200m
THz-DLA~ 10m

High brightness THz laser (>10mJ)•XFE(x 1GV/m = 10GeV) Undulator

THz-DLA: THz wave-Dielectric Laser Acceleration
Synchrotron
SPring-8L) )E
XF GeV(LA (8C
SA 00 m~7

Prof. Yoshida (KEK)

LPA Platform
Control room Pump lasers

LPA: Laser Plasma Acceleration

Pulse Compressor
X-ray Diagnostics
e-Beam-line
Plasma Diagnostics
Beam Dump

60 m
 Total 

Laser System

Laser 20 m

Injector
Booster

Micro-Undulator
e-Beam Monitor•

Future Image不安定共振器型マイクロチップレーザー

ASSL2022 (12/14)
https://www.ico25.org/?s=welcome

世界記録
Breakthrough !?
Ref.
[1] Opt. Express 30: 5151-5158 (2022).
[2] Opt. Express 27: 31307-31315 (2019).
[3] Opt. Express 27: 30217-30224 (2019).
[4] Opt. Express 25: 6431–6439 (2017).
[5] IEEE J. Quant. Electron. 49: 454-461 (2013).
[6] ASSL, AF2A.8, 2013.
[7] IEEE J. Quant. Electron. 46: 277-284 (2010).
[8] Opt. Express 16: 19891–19899 (2008).
[9] Opt. Express 15: 14516-14523 (2007).
[10] App. Phys. Lett. 89: 101120 (2006).

常温接合成功Year「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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レーザー加速に資する小型集積レーザーの社会実装
TILAコンソーシアム（https://tila.ims.ac.jp/）
関連情報・高性能レーザーの社会実装のためのコラボスペースとして分子研建屋リニューアルを開始，R3年度完成
・マイクロチップレーザーの製品化，販売が浜ホトに続きオプトクエスト、ユニタックからも販売開始

産金有料会員：39団体（発足時：17 団体）「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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狭隘部への適用が可能な可搬型レーザピーニング装置の開発（サポイン：佐野雄二, 2020-2023)

Laser peening system for Product

Laser peening for Maintenance(LSPT, MIC etc.)(LAcubed, TILA)

Laser system (10J, 20Hz)

Laser oscillator / amp.
(large)work piece (small)

mountTILA

small
robot

TILA
（20mJ, 100Hz）

Robot for work piece

robot forwater sheet
waternozzle
laser peening only for small piece

Game
Changelaser peening from small piece until large system■ not expensive■ until large sample■ only for small piece
expensive■ small enough■ fastener hall
■ large system ■ impossible for small hall
「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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開催日 ： 2023/08/02
場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館■

DFC型高出力マイクロチップレーザーの開発
廃炉・汚染水・処理水対策事業「燃料デブリの性状把握のための分析・（若井田育夫, 2021-2025)
推定技術の開発」

idea of ​​reversal

Pump input
Ceramic
Ceramic
Nd:YAG
Cr:YAG

10mm
Laser output
3mJ, 500ps

••••
•

>10mJ
SHG
100m pump fiber
radiation resistanceshort / long pulses「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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VUVレーザーによるミュオンビーム改質 （KEK, 大石裕)
大強度陽子加速器施設

ミュオンの作り方Muonproduction
targetProton beam
3GeV

Muonium
production
targetPi-µ collapse

355nm

Ionization coherent light

122nm(Lyman-α + 355 nm)

Surface muon

4MeV ΔE≃600keV+ -Ultra-slow muon(~0.2(~0.2eV)eV)

2P

Pion

+ -Mu; µ(Mue:µ e)
Thermal muonium

1S

ライマンα光による共鳴イオン化によりミュオンの運動量幅を狭窄化してビーム応用へ展開
ライマンαレーザーシステム（Nd:YGAG,Nd:YSAG ceramic）
Distributed
feedback laser

Yb fiber amplifier1062.78 nm
Δν = 1 GHz

50nJ@100kHz

Regen. amp.

Intermid. amp.

Final amp.

~2 mJ@25Hz~100 mJ~1 J

Nonlinear frequency conversion
2ndHG

4thHG

100 mJ

接合材料を用いた励起方式（大口径短尺）

8All-solid-state amplifier (Nd:YGAG, Mag. ~10 )5thHG

High efficiency
Lyman-α generationin Krypton gas cell

最終段増幅器に適用して高ビーム品質を維持

Coherent Lyman-α
Ultra slow muon
generation

4p55p

Tunable Ti:Slaser

OPA
820.780 nm

4s24p6

2.6倍（22µJ）のパルスライマンα光発生に成功「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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レーザー加速に資する小型集積レーザーの社会実装
破壊的イノベーション

小型集積レーザー（TILA）
コンソーシアム‣特性のせいで潜在的顧客数が制限されているとき‣不便で集中的な場所で消費を行わざる得ないとき••Ref. C. クリステンセン (翔泳社, 2001, 2004).

モジュール化
バリューチェーン進化

Manufacturing

Infrastructure

Security

Medical

パワーレーザーの小型集積化 + α
ブレイクダウンして社会実装

産業展開

Tiny Integrated Laser

極限の探求

••••

Power density
Energy density
Wavelength
Beam quality
新方式

••••

先端科学

Bandwidth
Efficiency
Reliability
Cost, etc.

新材料・素子「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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まとめ•
•

SG2における励起モジュールTILAの開発✴ 基本波 5J, 10J への対応励起モジュール設計・試作✴ >2J x 10 Hz 動作検証（新モジュールの妥当性検証）

パワーレーザーの研究開発✴ >1J @532nm をLBOを用いて検証（Ti:S レーザー励起検証中）✴ TILA（小型集積レーザー）の社会実装

ベンチャー「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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