2020, Apr.
No.

385

CONTENTS
狭線幅・高出力青紫色レーザーの開発- 48Caの濃縮を目指して レーザー誘起欠陥とレーザー損傷

ISSN 0914-9805【表紙図】青紫色半導体
レーザーの注入同期特性

狭線幅・高出力青紫色レーザーの開発- 48Ca の濃縮を目指して -宮永憲明
大阪大学レーザー科学研究所 時田茂樹
特別研究員

■宇宙の物質優勢の謎と二重ベータ崩壊の合計エネルギーはQ値に等しくなる。0νββ崩壊の観

宇宙誕生直後に粒子と反粒子は等しく生成されたと測は、ニュートリノがマヨナラ粒子であるか否かを調考えられているが、現在の宇宙では粒子が作る物質だべるための唯一現実的な方法と目されており、48Ca、けが残っている。これは「宇宙の物質優勢の謎」とよば76れ、ニュートリノの性質が謎を解決する鍵と考えられ、で研究が行われている。

Ge、82Se、100Mo、130Te、136Xeを対象として世界各国二重ベータ崩壊の研究が注目されている 。二重ベー
1)

タ崩壊とは、図1(a)に示すように、原子核内の中性子2個が陽子2個に変わり、電子（ベータ線）と反電子ニュートリノが2個ずつ放出される現象（2νββ崩壊）である。
ベータ崩壊によって発生するエネルギー（Q値）は反ニュートリノにも振り分けられるために、電子2個の合計エネルギーはQ値よりも低くなり、スペクトル幅が広がる。一方、１つのベータ崩壊で放出された反ニュートリノがニュートリノに転換し（ニュートリノがマヨナラ性を有し）、そのニュートリノが別の中性子に吸収されることで、もう１つのベータ崩壊が起こ【図1】ニ ュ ー ト リ ノ 放 出 を 伴 う 二 重 ベ ー タ 崩 壊(a)とニュートリノ放出を伴わない二重ベータ崩壊(b) 2)る可能性がある。これは、ニュートリノを放出しない■48Caの二重ベータ崩壊観測と48Ca濃縮の必要性二重ベータ崩壊（0νββ崩壊、図1(b)）であり、電子2個0νββ崩壊の半減期は約10 26 年以上（2νββ崩壊の10 4倍

公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロス

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狭線幅・高出力青紫色レーザーの開発 - 48Caの濃縮を目指して 以上）と極めて長い。したがって、その観測には、大量の二重ベータ崩壊核を含み放射性不純物の少ない試料の準備、高感度の検出器、および極めて低雑音の観測環境が重要とされている。
大阪大学核物理研究センターを中心とするチーム
は、神 岡 地 下 実 験 室（東 京 大 学 宇 宙 線 研 究 所）で
CANDLES計画を進めている2)。この計画では二重ベータ崩壊核として48Ca同位体を選択している。48Caの 2ν
ββ崩壊のQ値は4.27MeV（自然界に存在する二重ベータ崩壊核の中で最大）であり、半減期も比較的短いという利点がある。また、フッ化カルシウム（CaF2）結晶【図3】原子偏向を利用した48Ca濃縮の実験配置図をシンチレータとすることで、シンチレータ内部での対して、自然放出の光子出射方向はランダムであるた二重ベータ崩壊を利用する。

め、系全体としては光軸方向に加速を受ける。また、カルシウムはアルカリ土類金属の中でも豊富に存在励起状態の蛍光遷移確率が2.2×108/sと高いために、Caし、放射性核種を含まない高純度のものが比較的得らビームがレーザービーム断面を横切る間に数100回程れ易い。また、CaF2結晶は、紫外〜中赤外で透明であ度の光子吸収・放出が可能であり、48Caを効率的に選り、シンチレータ母材に適している。さらに、熱伝導択偏向させることができる。1S0 → 1P1遷移の自然幅は率が比較的高いことから熱量計にも適している。この34MHzであり、輻射圧による偏向ビームのドップラーように、ベータ線励起のシンチレーション光観測と温広がりを含む吸収幅は60MHz程度である。
前 述 のCANDLES実 験 装 置 のIV期 で は、約20kgの度上昇観測を併用することができる。しかしながら、Caの天然存在比は0.187%と低いために、 Caの濃縮

4848Caの利用が想定されている。この量の48Caを１年間48で濃縮するのに必要なレーザーパワーを仁木氏等の評が強く望まれている。
筆者らは Ca同位体をレーザー濃縮するためのレー48ザー開発を進めている。ここでは開発の現状を紹介する。

■輻射圧による原子偏向を利用した Caの濃縮
483)

価3) に基づいて概算すると、約4kWとなる。

■狭線幅・青紫色レーザーの高出力化の方策
レーザー開発のポイントは、①「ドップラーシフトを本研究では、2波長レーザーを用いたイオン化法に考慮した48Caの吸収スペクトルに同調した波長制御性」

よる濃縮ではなく、光吸収に伴う輻射圧（運動量付与）と②「高出力への拡張性と低コスト化」である。表１のによる原子ビームの偏向を利用する。Ca原子の基底状方式比較を基に、上記の条件を満足できるレーザーと態4s S0は、青紫色の光（波長:422.7XXnm）を効率よくして、狭線幅レーザー光注入同期型の青紫色半導体吸収して励起状態4s4p P 1に遷移する。図2(a)に示すよレーザー（LD）の多ビームアレイ方式を採用した。

2 1

1

う に、こ の 遷 移 の 同 位 体 シ フ ト を 利 用 す る こ と で、 【表1】レーザー方式の比較Caの選択励起が可能となる。励起状態の48Caは蛍光48を放出して基底状態に戻る。このとき、光吸収に伴う運動量ベクトルがレーザー光軸方向を向いているのに紫色半導体
レーザー

赤外半導体レーザーの２倍波

Ti:サファイア
レーザーの２倍波

ビームあたりのパワー (W)

0.1

0.5~1

2

１ワット単価 (万円/W)

500~600

500~1,000

1,000

高い

低い

とても低い

長期安定性

高い

波長変換の調整が必要

定期的調整が必要

電気・光変換効率 (%)

205~15130x30

50x40

80x80

低コスト化の可能性

装置のフットプリント (cm2)■1W級レーザーモジュール
マスターレーザー・スレーブレーザーモジュールの【図2】Ca原子の吸収スペクトル(a)と光子の吸収・放出に伴う運動量変化の模式図(b) 3)2装置構成を図4に示す。マスターレーザーは、波長可変狭帯域半導体レーザー（Toptica Photonics, DL Pro,

最大70mW, スペクトル幅150kHz）であり、波長計かスレーブLDの縦モード間隔は56.3GHz（ 0.0335nmにらの信号に基づいて、0.002pm（3MHz相当）の安定性相当）であることから、48Caの吸収線幅以下の誤差で全で発振波長の精密制御を行った。スレーブレーザーは、てのLDを同一波長に同調するには共振器長制御が必

フ ァ ブ リ・ペ ロ ー 共 振 器 型 青 紫 色LD（日 亜 化 学,要であり、約1℃の温度調整スパンとその1/1,000程度NDV4A16, 約100mW）のアレイであり、個々のLDにの安定度が必要と考えられる。そのために、個々の約2mWを注入した。１個のスレーブLDに対する注入LDに対してペルチェ素子による温度制御と高精度電同期の結果を表紙図に示す。無注入時のスレーブLD流制御を併用する計画である。

は縦多モード発振しているが、シード光の注入によっ謝辞て正確に波長同調されることが分かる。

本研究は、科学研究費補助金 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化（領域代表者：井上邦雄）」A02班「48Caを用いたニュートリノマヨラナ性の研究と次世代高感度化技術（代表者：梅原さおり）」
における分担課題である。また、図2、3の転載を許可して下さった仁木氏に謝意を表する。
参考文献
1) 日本物理学会誌, 物質優勢宇宙の誕生の謎に迫る
72(7), 480 (2017).
2) https://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/candles/index.html;
https://wwwkm.phys.sci.osaka-u.ac.jp/research/r01.html
3) 仁 木 秀 明, 他, 二 重 ベ ー タ 崩 壊 実 験 用Ca同 位 体 のレーザー濃縮「宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原【図4】注入同期青紫色半導体レーザーアレイの構成図

子核研究」2015年領域研究会, 2015年5月15-17日.

TOPICS

レーザー誘起欠陥とレーザー損傷
レーザー技術開発室

本越伸二

レーザー装置には、レンズやミラーなど多くの光学英ガラス材料のレーザー損傷耐力を評価している。本素子が使用されている。高出力レーザー装置において

誌No.347で紹介したように、ArFエキシマレーザー

は、使用する光学素子がレーザー光により破壊（レー（波長193nm）を石英ガラス材料内部に集光し、1パルザー損傷）するため、高耐力化が重要な課題になってス照射と、2パルス照射の場合の損傷しきい値を比較いる。その一方で、レーザー損傷が発生しない低いエした。結果、2パルスの時間間隔を1,000 msから短くネルギーで長時間使用した場合に、透過特性が低下すするに従い、損傷しきい値が低下することを示した。

る現象が生じる。特に、紫外レーザーのような高い光

これは先に照射したレーザーパルスの影響が、次パル子エネルギーをもつ光を使用する場合に顕著である。

スに及ぶことを示しており、「レーザー誘起欠陥」が損

この原因は、光子エネルギーにより光学素子母材中の傷しきい値低下の原因であると考えられる。その関係原子間の化学結合（例えば、Si−O結合）が切断され、を確認するために、金属不純物含有量が異なる2 種類欠陥（レーザー誘起欠陥）が生成されるためである。この石英ガラス材料について、長時間繰返し照射によるれを抑制し長寿命化を図ることは、高耐力化とともに透過率の変化と、2パルス照射のレーザー損傷しきい必要である。

値を比較した結果を紹介する。

レーザー総研では、繰返しパルス動作時の光学素子の損傷しきい値低下の要因を明らかにするために、石■繰返しパルス照射による透過率低下
測定試料には、金属不純物含有量が10ppb以下の試
3

料Aと、100ppb以下の試料Ｂを用意した（含有量は製する。これを損傷が発生するまで徐々にエネルギーを造メーカーカタログ値）。パルスArFエキシマレーザー増加し繰返す。損傷の確認は、同軸に入射したHe-Ne

光を長焦点レンズ（f=500mm）で試料内に集光し、照レーザーの散乱光により行った。

射エネルギー密度0.4J/cm になるように調整した。試

図2に2パルスの時間間隔に対する損傷しきい値の結料への入射および出射エネルギーをそれぞれエネル果を示す。パルス時間間隔はレーザー装置の繰返し周ギーメーターで計測し、透過率変化を求めた。図1は波数（1〜100Hz）で調整した。また縦軸は予め測定し最大10,000パルス照射したときの透過率の変化を示す。

た1パルスの損傷しきい値で規格化した。以前の結果

図1(a)と(b)は、それぞれ試料A、Bの結果である。透過と同様に、パルス間隔が短くなるに従いレーザー損傷率はレーザー照射開始時の値で規格化した。不純物含しきい値は低下した。しかし、低下の割合は試料の種有量の多い試料Bの方が透過率低下の割合が大きいこ類により異なった。試料Aが間隔100ms以下でしきいとが分かる。また試料種類にかかわらず、レーザーパ値低下が現れるのに対して、不純物含有量の多い試料

ルスの繰返し周波数が10Hzから100Hzへ高くなるほBでは1,000ms以下からしきい値が低下し始めると推ど透過率低下が大きくなることも分かった。このこと定される。この結果は上述したレーザー誘起欠陥の修は、透過率低下の原因であるレーザー誘起欠陥が時間復時定数で説明できる。パルスの時間間隔が短い場合とともに修復することを示している。また、図内の破には、第1パルス照射時に生成された欠陥が十分に修線は、欠陥の生成−修復モデルを立て、照射パルス数復されないため、損傷しきい値の低下を引き起こすとに依存した透過率の式を導き、修復時定数をパラメー考えられる。

タにしてフィッティングしたものである。詳細は別稿■まとめと今後の研究2に譲るが、試料Aおよび試料Bの修復時定数は、それ繰返しパルス動作時の光学素子のレーザー損傷しきぞれ0.67秒、3.7秒と得られた。

い値低下の要因を明らかにするために、石英ガラス材■2パルス照射レーザー損傷しきい値料の透過率低下、2パルスによる損傷しきい値を評価

上述の2種類の石英ガラス試料に対して2パルス照射した。結果、レーザー誘起欠陥が損傷しきい値低下の時のレーザー損傷しきい値を評価した。2パルス照射要因と考えられる。しかしながら、1パルスで生成さでは、長時間照射による熱の蓄積や透過率低下などのれる欠陥の数およびその吸収係数は小さいため、欠陥影響を抑えることができる。ArFエキシマレーザー装と同時に生成される自由電子の増倍、絶縁破壊の過程

置から出射したレーザーパルスは、焦点距離100mmのとして検討する必要がある。また欠陥生成を抑制するレンズで試料内部（深さ8mmの位置）に集光した。試ことにより、透過率低下だけでなく、損傷しきい値の験は、照射個所を固定し、集光エネルギー密度を徐々低下も抑えることが可能であることを検証していく。に増加させ、損傷が発生したときの値を損傷しきい値

謝辞と定義した。通常、1パルス照射ごとに損傷有無の確認を行うが、本研究では同じエネルギーの連続2パル

本研究は、大阪大学レーザー科学研究所および近畿大学理工学部との共同研究により実施された。

スを照射後、損傷の確認を行い、次の2パルスを照射【図1】試料A(a)、試料B(b)の照射パルス数に対する石英ガラス透過率の変化（照射エネルギー密度0.4 J/cm2）
Laser Cross No.385 2020, Apr.

【図2】
2パルス照射による石英ガラス内部
損傷しきい値
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