13:00-13:15

室温動作 2J×100Hz DFCチップレーザーの開発

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, 辻明宏
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 , A. Kausas, V. Yahia, H.H. Lim
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

未来社会創造事業・大規模プロジェクト型「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」シンポジウム
2021/06/25開催

13:00-13:15

室温動作 2J×100Hz DFCチップレーザーの開発• はじめに• コンセプト• 実現手法（表面活性接合）• DFCチップによるレーザー増幅特性• 将来展望未来社会創造事業・大規模プロジェクト型「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」シンポジウム
2021/06/25開催

LASE PLENARY

Paper 11664-501, Monday, 8 March 2021 • 6:05 AM - 7:00 AM“Passion extreme light”
Nobel Laureate Gérard Mourou
École Polytechnique (France)! Laser Astrophysics and Cosmolog! Polarization of Vacuum, Materialization of Ligh! Transmutation of Nuclear Waste

1PW / 1µm

1023 W/cm2

Figure 13. The Laser Wake
Field Acceleration.

Figure 1. https://www.nobelprize.org/uploads/2018/10/mourou-lecture.pdf

LASE 2021 Symposium ChairstTakunori
Tair
RIKEN / IMS(Japan)
ydaCraig B.
Arnol
Princeton Univ.
(United States)

ペタワット出力レーザー
は体育館サイズ!!

https://spie.org/conferences-and-exhibitions/photonics-west/program/conferences/lase?S

多段ディスクによる高出力レーザー
Cryo-cooled
Multi Active Mirror

Cryo-cooled
Multi Slab

100J cryo-amplifier

Ref： Y. Wang, et. al., Opt. Lett., 45 (24) 6615 (2020)! 1.1J, 1000Hz, 1kW average! 30 x 30mm2 Yb:YAG crystal (130K)
Ref： P. Mason, et. al., Optica, 4 (4) 438 (2017) など! 100J, 10Hz. World 1st 1kW averag! 100 x 100mm2 Yb:YAG ceramics (150K)

室温動作・モノリシック
Ref： J. Ogino, et. al., Opt. Lett., 46 (3) 621 (2021)! 9.3J, 33.3Hz! φ60 mm Yb:YAG ceramics (130K)

2J x 100Hz（SG1）▶ Distributed Face Cooling (DFC) chipe

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高出力固体レーザ（デバイス）構成*マルチディスク：多重スラブ，多段アクティブミラーやモノリシックのDFC（Distributed Face Cooling, 分布面冷却）など

ロッド
形状
パラメータ

最大抽出パワー※ RT: 熱衝撃パラメーター

A

側面冷却

L

8 π RT L
Pex =
χ

ファイバー

小さな開口 側面冷却 大きな開口面冷却
AA （片側）長い媒質長 L8 π RT L
Pex =χスケーリング○利得
g = Δnσ L○

最大エネルギー

Emax = A × LIDT○○

ディスク長い L

小さな開口短い媒質長 L

Pex =12RT ⎛ A ⎞⎜ ⎟χ ⎝L⎠○

マルチディスク*
複数の両面冷却AN-枚Pex = 2N ⋅L

12RT ⎛ A ⎞⎜ ⎟χ ⎝L⎠◎◎薄い L

N 倍の L, 高い Δn○◎

寄生発振との戦い

寄生発振の抑制

アーティフィシャルレーザ材料の深化は新材料発見と同等またはそれ以上の効果
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パワーレーザーの小型化：熱集中の緩和と効率的な排熱! 固体レーザーからの出力限界

励起に伴う発熱 ▶ 熱衝撃破壊

RE3+O2-?

rNd3+= 0.98A
Al3+
rAl3+= 0.39A

Pex ≤8 π RT L
χ

イオン半径差：大分光特性に難！

L: rod length

熱衝撃パラメータ：RT =κ (1 − ν ) σ max κ σ max∝αEα

熱伝導率：物質に強く依存
材料探索の意義は大！

ν: Poisson ratio, E: Young’s modules
α: expansion ratio, σmax: maximum tensile strength

輻射量子効率（結晶場）に強く依存

熱発生率：
χ=ηh
⎛ λ p ⎞ 1− e−t p τ fηp ⎜ ⎟⎝ λl ⎠ t p τ f

材料開発の意義は大！

Nd:YAGin Sapphire▶ DFC
単結晶育成難 → セラミックス｝
代表的固体レーザー母材

強励起に依る自然放出抑制

量子欠損の少ない励起法

Yb:FAPは魅力的だが育成が難

冷却構造を変える ▶ Distributed Face Cooling (DFC)

Nd:glass,

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DFC（分布面冷却）構造小型集積レーザー
Al2O3, ダイアモンドのκは高い

分光特性含め総合的にYAGは優れている
Nd:YAG, etc.

DFCで各種材料の特長を集積! Nd:YAG 等の優れた発光特性(a)! Al2O3 等の高い熱伝導率

RE:YAG 熱伝導率の劇的向上

Al2O3, etc.

! スペクトル合成の提案

Nd:YAGin Sapphire! 超短パルス発生

Nd:YAG/Nd:YSAG

Yb:Lu2O3/Y2O3

昇温接合は常温で歪！

原子レベル
常温接合
Ref. Y. Sato, et al., IEEE JSTQE13(3), 838 (2007)

Ref. M. Tokurakawa et al., Opt. Lett. 33 (12) 1380 (2008).

Al2O3, etc.

λtotal = λ1 + λ2 +…+ λn…

ゲームチェンジ! 各材料のスペクトルを加算(b)

λ1 λ2 … λn-1 λn形状も含めたスペクトル合成

未来社会創造事業・大規模プロジェクト型「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」シンポジウム
2021/06/25開催* DFC: Distributed Face CoolingNd:YAG 熱発生率改善とDFC チップ熱解析
量子効率改善：Nd上準位直接励起法
特長

FEMシミュレーション (COMSOL)➢ Ndの上準位（4F3/2）に直接励起 ▶ 量子効率を改善➢ 4F5/2と4F3/2 遷移（赤点線）省略 ▶ 発熱30~50%減➢ 室温で大きな利得（σe）▶ Yb:YAGの10倍以上

Nd3+:YAG ro
1.0-at
50 mm length➢ 室温で四準位レーザー ▶ 室温でも下準位損失は無し

DFC chi
1.1-at
53 mm length

Total pump energy = 2 x 4J

Fig. Energy diagram of Nd-laser.

dp%%

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DFC チップを可能とする表面活性接合装置の開発（表面活性 + アモルファス層）による異種材料の常温接合
Amorphous layer

Nd:YAG~ 15 nm
Sapphire

日米欧で特許成立

UHV ~10-5 Pa
大口径（10cmφ）Al2O3板の常温接合

異なるNd:YAG（濃度）/Al2O3チップ連続常温接合

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室温動作 2J-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 mm3Pump
4x LD modules
Wavelength
885 nmRep. rate
1 Hz to 50 Hz
Pump pulse
250 s
Pump power
8 kW per LD
Pump energy
2 J per LD

DFCチップ(10mm□)を搭載した銅製ヒートシンクの外観(a) 基本波 (1064nm)(b) SH波 (532nm)

基本波 >2J, 50Hz ＤＦＣチップレーザー（室温）を検証
21枚の接合DFC (0.5mm Nd:YAG/ 2mm sapphire)→ 偏光結合により 100Hz 動作が可能

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室温動作 2J-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 mm3Pump
4x LD modules
Wavelength
885 nmRep. rate
1 Hz to 50 Hz
Pump pulse
250 s
Pump power
8 kW per LD
Pump energy
2 J per LD

DFCチップ(10mm□)を搭載した銅製ヒートシンクの外観

EnergyE (J)Rep. rate Aperturfrep (Hz) (cm x cm)

FluencE (J/cm2)
PAV (W/cm2)

Temp.
(K)

ELI-DiPOLE

100

1010 x 10110150K

This work

2501x12100

RT

室温ながらELI-DiPOLEを超える !

𝜇ee

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電子加速に向けたレーザー装置の開発

10Jモジュールを企業と協力し産業展開束ねて究極を目指す

先端科学

本提案

現在

DFC 6Jモジュールを必要数並べてTi:Sapphireを励起励起用ガラスレーザー

3×350 J

産業展開

低価格化

ブレイクダウンして社会実装

10 J @ω0 100 Hz
6 J @2ω0 100 Hz

Ti:Sapphire

50 J @100 Hz

25 J @0.1 Hz

DFCの多色化によりさらに小型化
パルス伸長器

パルス圧縮器超短パルス発振器
LD励起
広帯域チャープパルス
増幅器
CPA Strickland and Mourou, Opt. Comm. (1985)
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超高ピーク出力の発生

1モジュールNonlinear Optics
for high power applications
Table 代表的非線形光学波長変換材料特性

Dameaged by intense laser!

Material

LBO

LN

QuartzFormula

LiB3O5

LiNbO3

SiO2

Refractive inde
@1.064 µm

nx = 1.5656
ny = 1.5905
nz = 1.6055

no = 2.234
ne = 2.144

no = 1.5341
ne = 1.5428

Laser damage th.
intensity, IDT @1.064 µm

45 GW/cm@1.1 ns~300 MW/cm@10 ns600 GW/cm@ 0.7 ns

Nonlinear coefficient,(pm/V) @1.064 µm

d31 = 0.67
d32 = 0.85
d33 = 0.04

d31 = 4.6
d33 = 25.2

d11 = 0.3

Transparent range

0.16 - 2.6 µm

0.33 – 5 µm

0.15 - 2.8 µm

GameChange

位相整合が取れない ▶ 擬似位相整合!

! 小さな非線形性（d 定数）▶

水晶 (Quartz)

強力なレーザー(a) Conventional FOM

FOM of nonlinear optics (normalized by KDP)

! 最高値の損傷耐性

Excimer Laser(b) O ered FOM：Include IDT

THz-wave Laser 水晶 (Quartz)! 地上に豊富な資源

2x0ff

22

VUV (> 150nm) に至る窓材

Quartz! 極限波長で透明! 潮解性が無い

THz波 (> 40µm) における窓材

小型集積レーザー（TILA）コンソーシアム
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度完成予定
・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からもこの夏に販売開始
パワーレーザーのダウンサイズ
社会実装
・佐野PMが自然科学研究機構初のベンチャー立ち上げ，コンソ会員とMETIサポイン事業に提案・採択

https://tila.ims.ac.jp/

産官金有料会員：32 社（発足時：17 社）
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室温動作 2J 100Hz DFCチップレーザーの開発! エネルギーフルーエンス：2J/cm2! 平均パワーフルーエンス：100W/cm2

室温ながらELI-DiPOLEを超える !

パワーレーザーの小型集積化⇒ 新たな価値! 極限的粒子加速の探求

先端科学! パワーレーザーのダウンサイズ

社会実装（産業化）

ご清聴ありがとうございました
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