J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.4 (2020)１
７４‐１７５

小特集

レーザーによる半導体・誘電体の励起過程の観測とその利用の新展開
New Progress in the Observation and Application of the Laser-Plasma in
the Semiconductors and Dielectrics

１．はじめに
1. Introduction
乙部智仁
OTOBE Tomohito（国）量子科学技術研究開発機構，超高速光物性研究グループ（原稿受付：２
０
２
０年１月１
７日）

自動車などのものづくりではレーザーによる切断，溶ギー移行は相互作用領域内で起きる．その周辺には相互作接，改質はなくてはならないツールになっている．近年，用領域から主に熱としてエネルギーが伝搬され損傷が起き数百フェムト秒（１０−15 秒）程度の極めて短いパルス幅のる．エネルギー拡散の領域は相互作用領域に付与されたエレーザーにより，熱による影響が少なく従来のレーザーよネルギー量とパルス幅で大きく変わる．

り遥かに微細かつ正確な加工が可能になるとして注目され

レーザー強度が高くなると非線型な光子吸収である多光ている．日本に於いても，H２７年度 NEDO エネルギー・環

子吸収やトンネル効果による励起過程が起きるため，バン

境新技術先導プログラムや量子飛躍（Q-Leap）プロジェク

ドギャップがある半導体や透明材料もギャップより低い光

トなど大型プロジェクトが進んでいる．

子エネルギーを用いて加工することができる．多光子吸収

レーザー照射から加工に至る過程は非常に多くの物理現

では吸収効率は電場強度E に対してE 2n に比例して変化し，象を含んでいる．主役となる物理現象は電子励起後，アト

トンネル過程では指数関数に従った吸収効率の変化が起き

−18

秒（10

秒）からマイクロ秒（10−6秒）という広い時間スるため少しのレーザー強度の違いが大きな結果の違いを生ケールに及ぶ時間経過と共に変化する［１］．図１はその概む［２］．これにより集光径の中心と端だけでなく最表面と略図になる．電子による光吸収はアト秒からレーザーのパ

奥でも電場強度の違いから非常に強い励起の空間依存性を

ルス幅程度の間で起きる．その後，励起された電子は電子―
電子及び電子―格子散乱により電子状態及びエネルギーの緩和が始まる．非常に短い時間にエネルギーが付与されていれば熱拡散の時間スケール（〜10−11 秒）より早く局所的な構造変化（Non-thermal melting）が起き爆発的な加工現象であるアブレーションに至る．付与されたエネルギーが比較的小さければ融解や熱拡散，衝撃波の発生が起きる．
最終的に物質は冷え固体へと戻る（〜10−6 秒）．
加工過程は照射されるレーザー強度及び吸収されるエネ
ルギー量によっても大きく変わる．図２にレーザー照射された物質の励起領域と加工結果の違いの模式図を示した．

図１

一般にレーザーは集光中心付近が最も強度が高く，中心から離れるに従い弱くなる．レーザーから電子へのエネル

レーザー照射後に物質中で起きる物理過程と各過程の時間スケール．最上段は励起過程，中段に緩和過程，下段に構造変化に関するものをそれぞれ示した．

Quantum Beam Science Directorate, Japan Atomic Energy Agency, Kizugawa, KYOTO 619-0215, Japanauthor’s e-mail: otobe.tomohito@qst.go.jp

１７４!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

1. Introduction

T. Otobe

材料などの絶縁体では分かっていなかった［５］．二つのパ
ルスレーザーを用いたポンプープローブ実験から様々な透明材料でもスパレーションが起きていることと，その起源
がレーザー衝撃波にあることが明らかとなってきている．
第３章ではレーザーによるプラズマが物質内部でどの様に形成されていくかを観測した初めての成果を坪内氏に紹介していただく．表面付近のプラズマ状態を調べた報告は多くあるが，内部での状態を，時間を追って観測した非常に興味深い成果である．注目すべき点は低い電子密度にも敏感なテラヘルツ領域の光の特性を利用していることであ
図２

る．

レーザー照射領域とその周辺の励起強度分布の模式図．
レーザー集光径付近では光子吸収による励起が起き，その周辺ではエネルギー伝搬による励起が支配的となる．

第４章では板倉氏に透明材料の表面でのプラズマ形成による反射率の時間変化を利用し真空紫外領域のパルス光のパルス幅測定を可能にした新たなレーザープラズマ利用技示すことになる．

術について紹介していただく．真空紫外極短パルスの計測

表面の励起の様子は，電子励起により生成された自由電には複雑な機構が必要であったが，レーザープラズマの生子の応答をレーザーの反射などで観測可能であるが上述の成過程を利用することで比較的簡便に評価することが可能

ようにレーザー強度依存性が強く再現性を保証しにくい．

となった．

一方，相互作用領域の奥方向の広がりは物質内部であるたレーザー物質相互作用は量子力学から熱力学，プラズマ

め非常に困難である．奥方向の励起分布は光の伝搬と光吸科学や流体力学といったあらゆる物理過程が複雑に絡まっ収過程により決まるため単純には決まらない．最近では時た研究対象でありその理解はまだまだ道半ばである．本総間依存密度汎関数理論とマックスウェル方程式に基づく第特集がさらなる発展のきっかけになれば幸いである．

一原理計算コード（SALMON）を用いることでシミュレー

謝ションから予測することが可能になりつつある［３，４］．

辞

図１及び２は QST 関西光科学研究所のヂン・タンフン

本小特集ではこのような非常に複雑かつ観測が困難なバ
ンドギャップのある物質のレーザー励起過程及び加工過程

氏に提供していただきました．深く感謝いたします．

の観測を，光技術を駆使して迫る最新の取り組み及びそれ参考文献を利用した新たなプラズマによる新たなレーザー波形計測技術について紹介したい．

［１］Rafael R. Gattas and E. Mazur, Nat. Phot. 2, 219 (2008).
［２］L.V. Keldysh, Sov. Phys. JETP 20, 1307 (1965).
［３］S.A. Sato et al., Phys. Rev. B 92, 205413 (2015).
［４］M. Noda et al., Comm. Phys. Comp. 235, 356 (2019).
［５］K. Sokolowski-Tinten et al., Phys. Rev. Lett. 81, 224 (1998).

第２章ではアブレーションダイナミクスの実時間計測を熊田氏に紹介していただく．これはレーザー加工の過渡現
象を表面側から詳細に調べる取り組みである．金属やシリコンのレーザーアブレーションでは表面からの膜状剥離（スパレーション）が起きることが観測されていたが透明

１７５

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.4 (2020)１
７６‐１８０

小特集 レーザーによる半導体・誘電体の励起過程の観測とその利用の新展開

２．膜剥離ダイナミクスから見た透明材料のフェムト秒レーザーアブレーションにおける非熱効果の研究
2. Study of Non-Thermal Effects on Femtosecond Laser Ablation ofTransparent Dielectrics Through the Measurements of Spallation Dynamics
熊田高之
KUMADA Takayuki
日本原子力研究開発機構 物質科学研究センター（原稿受付：２
０
２
０年１月１
７日）

フェムト秒レーザーを用いた精密加工技術の高度化をめざす上で，高密度電子励起によって生じる圧力が引き起こす剥離現象（非熱効果）の理解は欠かせない．我々は破壊測定ながら１測定当たり数万ショットの積算ができる時間分解反射率装置を開発し，透明材料における膜剥離現象を新たに観測することに成功した．大方の予想に反し，剥離は耐熱材料である溶融石英のみならず熱耐性の低い透明高分子材料においても明瞭に観測された．両材料においては，熱効果による断片化（Fragmentation）が高い粘性により抑制された結果，非熱効果による膜剥離現象が顕在化したものと考えられる．
Keywords:
femtosecond laser ablation, precision processing, non-thermal effect, time-resolved reflectivity, transparent dielectrics,
polymer２．
１ はじめにまま深い部位で剥離がおきるという現象を説明できない．

高強度のフェムト秒レーザーパルスを物質表面に集光照

一方，試料最表面の圧力は境界条件によって常にゼロ（大射すると，瞬時かつ局所的に付与された高密度の熱エネル

気下では大気圧）であり，表面からレーザーパルスの侵入

ギーが熱拡散するのを待つことなく照射部位を飛散させ

長程度奥まったところに試料面と平行に面状に拡がる高圧る．そのため，加工部周辺の熱変成（熱だれ）を抑制した帯を作る．この高圧帯からは，試料の表面方向と深部方向精密加工が実現できるというのが一般的なフェムト秒レーに進む圧縮波が生じる．そのうちの表面方向に向かう圧縮

ザー加工の説明である．ところがその後，このような熱効波は，試料表面で自由端反射して膨張波となり深部方向に果のみならず局所的な高密度電子励起に伴って生じる膨張

進む．その膨張波の振幅が最大となるレーザーパルス侵入波が照射部位を引きちぎるという非熱効果の寄与が議論さ長付近で試料が母体から膜状に引き剥がされるのが非熱効れるようになった［１‐４］．非熱効果を上手く用いれば，少果による膜剥離のメカニズムである．

ないエネルギー入力で熱変成をより抑制した精密加工が実現できる．特に，熱に弱い高分子などの化学系材料の加工や外科手術に利用する際に恩恵は大きく，その開発が期待されている．
しかしながら，非熱効果は熱効果と常に共存しておりその両者を識別することは難しい．そのため，フェムト秒
レーザー加工における非熱効果の存在そのもの，もしくは寄与の大きさに懐疑的な意見も少なくないのが現状である．非熱効果の存在を支持する直接的な実験証拠は，照射

図１

直後に生じる剥離膜の観測である．図１に示すように，
レーザーパルスの照射により試料に付与されるエネルギー
密度は，深さ方向に向かって指数関数的に減少する．それに伴い，試料温度も深さ方向に向かって連続的に低くなる．そのため，熱効果では試料最表面を凝集状態に保った

フェムト秒レーザーパルス照射による固体試料表面近傍の温度（中央左）および圧力（中央右）分布．試料温度は表面に近づくほど高くなるため，熱による気化や破断化は表面ほど激しく起きる（左）．一方，圧力は試料最表面では常にゼロであり，レーザーパルス侵入長程度奥まった深さで面状に拡がる高圧帯を作る．非熱効果ではその膨張圧により膜状に剥離する（右）．

Materials Sciences Research Center, Japan Atomic Energy Agency, IBARAKI 319-1195, Japanauthor’s e-mail: kumada.takayuki@jaea.go.jp

１７６!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

2. Study of Non-Thermal Effects on Femtosecond Laser Ablation of Transparent Dielectrics Through the Measurements of Spallation Dynamics

T. Kumada

これまで，膜剥離現象は時間分解顕微鏡法によって観測

子励起により絶縁破壊（ブレークダウン）が起きたことをされてきた．Tinten ら［５］は，剥離膜の生成 に 伴 って金示している．反射率はその後数百ピコ秒のうちに振動しな

属・半導体試料表面に生じるニュートンリングを観測しがら減衰しているように見えるが不明瞭である．ところ

た．最近では，錦野ら［６‐８］が時間分解 X 線レーザー顕微鏡

が，図３（b）のように !),&)の範囲毎に各ショットの反射率法を用いて干渉像だけでなく剥離膜の実像観測にも成功しを分けて積算したところ，図３（c）のような !),&)によってている．その一方で，顕微鏡法では反射率がある程度高い

周期の異なる明瞭な振動が観測された．本振動の見張るべ

試料でないと剥離膜を観測できないという強い制約があき特長は，何といってもその振幅の大きさである．特にる．そこで我々は，積算測定によって統計精度の高いデー!),&)!2 J/cm2 においては，振幅の極小値はもっとも大きタが得られる高感度時間分解反射率装置を開発して，新たな極大値の 1/10 程度でポンプパルス照射以前のフレネルに透明材料のおける剥離膜の生成を観測することに成功し反射率と同程度である．

た．本章ではその実験手法および主な結果について紹介す

図４黒線は，溶融石英の時間分解反射率を２種類のプるとともに，材料の種類によって異なる非熱効果を材料物

ロ ー ブ パ ル ス 波 長 $)*("$で 測 定 し た も の で あ る．
$)*("$!795 nm において，反射率はブレークダウン後 2 ns

性の見地から論じる．

以上にわたり等間隔の振動を繰り返しながら指数関数的に減衰している．また，細線で示すように $)*("$を半分にする

２．
２ 実験装置
図２に本研究で用いた時間分解反射率測定装置の概略図と振動周期 ")$*%(#が半分になっている．一方，灰線で示すよを示 す［９‐１１］．Ti-Sapphire レ ー ザ ー お よ び 再 生 増 幅 器

うにソーダ石灰ガラスでは，!),&)によらず反射率の振動（Thales #10US-A）によって生じた波長 795 nm，パルス幅は一切観測されなかった［９］．

60 fs，繰り返し 10 Hz のフェムト秒レーザーパルスをポン

図５は，時間分解反射率を材料および !),&)ごとに比較

プ・プローブパルスに分割し，s 波ポンプパルスを真空したものである［９，１０］．振動は照射材料によって大きく異チェンバー内に設置した試料に対し %),&)!45°，p 波プ

なっていることがわかる．$)*("$!795 nm で測定したポリ

ローブパルスを透明材料のブリュスター角に近い

カーボネートや溶融石英の振動周期は，$)*("$!398 nm の%)*("$!55°の入射角で入射している．本装置の最大の特徴
は，測定中に試料 を 面 内 方 向 上 下 左 右 に 動 か す ことでショット毎に常に新しい照射面からの反射信号を測定し積算できるようにしていることである．ポンプパルスに対するプローブパルスの遅延時間 "を変化させながら，ショッ
ト 毎 に 入 射 ポ ン プ パ ル ス !),&)，入 射 プ ロ ー ブ パ ル ス!)*("$!%'，反射プローブパルス !)*("$!(,+のフルエンスを測定!)*("$!%'の時間発展を !),&)毎に分けてし，反射率 !)*("$!(,+"
積算できるようにしている．

２．
３ 結果
図３（a）は，全データを積算したポリカーボネートの時
間分解反射率を示したものである．時間 "= 0 ps における反射率の急激な増加は，価電子帯から伝導帯への高密度電図３ （a）
全データを積算したポリカーボネートの時間分解反射率．（b）
ショット毎の Fpump．（c）
Fpump ごとに区分けして積算した時間分解反射率．

図２

時間分解反射率測定装置概 略 図．BS，ビ ー ム ス プ リ ッター；L，レンズ；HWP，半波長板；TFP，薄膜偏極子；
AP，aperture; ND，中性濃度フィルター；PD，フォトダイ
オード；GL，グランレーザー偏光子，CCD，CCD カメラ．

図４

１７７

溶融石英（FS，黒，Fpump = 5.9 J/cm2）とソーダ石灰ガラス（SL，灰，Fpump = 6.5 J/cm2）の時間分解反射率曲線．一部文献［９］
より引用．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020

図５ （a）
ポリカーボネート，（b）
溶融石英，（c）
シリコンの時間分解反射率曲線．一部文献［９，
１
０］
より引用．

シ リ コ ン の 周 期 に 比 べ て お お よ そ 1/10 で あ り，同 じ"&()*$#+.",-+"%!#!,-+"%（#は整数）!

!,-+"%!398 nm を使った図４のデータで比較するとその比（１）はさらに小さくなる．ポリカーボネートとシリコンではで表される．振動の極小は $!#$,(+$であらわれており，こ!,0*,の増加とともに振動周期は短くなるが，溶融石英でれを代入すると，はわずかながら長くなっている．シリコンではアブレー"&()*$+.",-+"%!!,-+"%
!
,%(
+$#

ション閾値 !/'の２倍の強度のポンプパルスを入力すると（２）振動は消失するが，溶融石英では５倍，ポリカーボネート［９］．図６となり $,%(+$から "&()* を決定することができる

では２０倍のポンプパルスを入れても振動は残存している．

（a）は $（２）から求めた透明高分子，溶融石英，シ,%(+$と式リコンの "&()* を !,0*,に対 し て プ ロ ッ ト し た も の で あ

２．
４ 考察

る．図５の結果を言い換えただけではあるが，透明高分子と溶融石英の "&()* はシリコンに比べてけた違い に大き２．
４．
１ 振動を担う反射体
図４の !,-+"%を半分にすると $,%(+$も半分になるという結い．また，透明高分子とシリコンにおいて "&()* は !,0*,

果は，反射率の振動が試料の物理的な振動ではなくプローとともに顕著に増加する一方溶融石英においては僅かながブパルスの干渉によって引き起こされたことを示していら減少し，!,0*,#10 J/cm２を境に透明高分子とシリコン

る．アブレーションを扱う本実験においては，ポンプパル

で大小関係が逆転するという結果が得られた［１０］．

ス照射によって生じた二つの面からの反射波が面間距離の時間分解顕微鏡測定［５‐８］によると，チタン，アルミニウ

変化に応じて正負干渉を繰り返したものと考えられる．振ム，金，ガリウム砒素における "&()* は全てシリコンと同程動の極小値が極大値と比較して非常に小さいということ度である．透明高分子と溶融石英に限ってなぜこれほど顕は，二つの面からの反射強度が同程度であり互いをよく打著に高いのだろうか？筆者らはポンプパルスが前者では電ち消しあっていることを意味する．一方，極大値がポンプ子のバンド内励起，後者ではバンド間励起を引き起こしてパルス照射前の反射率よりはるかに大きいということは，いるためではないかと考えた．チタン，アルミニウム，金

二つの反射面はともに高密度電子励起しているということだけでなくシリコンやガリウム砒素も高強度光照射下ではを示す．振動周期が一定であるということは二つの反射面

金属に相転移する［１２］．金属において主に光吸収を担うの双方または片方が等速直線運動をしていることを示す．振は伝導帯電子でありバンド内励起を引き起こす．一方，透動がナノ秒にわたって継続することは，反射面はともにガ

明高分子や溶融石英のような透明材料において光吸収を担

スプラズマのようなものではなく凝集体であることを示唆

うのは価電子帯から伝導帯へのバンド間励起である．バンしている．これらの考察から，二つの反射面は非熱効果に

ド間励起にともなう電子軌道の広がりはバンド内励起に比よりポンプパルス侵入長付近で切り離された剥離膜側と試べて顕著である．凝縮相内における電子軌道の拡がりは，料母体側の面であると考えられる［９］．後述するように，

隣接原子と電子軌道の重なりを生み，それが斥力となる．

本モデルを用いてシリコンの反射率の振動から求めた剥離透明材料では，バンド間電子励起による電子軌道の顕著な

体飛行速度 0.2−0.9 km/s は時間分解顕微鏡法によって得広がりが強い斥力となって剥離膜を強く押し出したのだろられた 値（"1 km/s［５］）と ほ ぼ 一 致 し て い る こ と か らう．
溶融石英で !,0*,が上昇するにつれて "&()* が減少するとも，解釈は妥当であると考えられる．
２．
４．
２ 剥離膜の飛行速度いう結果は奇異に感じる．ポンプパルスからより高いエネ

速度"&()* で離れる剥離膜と試料母体側の二つの反射面にルギーが試料に入力されれば，それに呼応して励起電子密

おいてプローブパルスがそれぞれ固定端・自由端もしくは度も増加して剥離膜はより強く押し出されより速い速度で

自由端・固定端反射する時，負干渉の条件は Bragg の式から飛び出しそうなものである．そうではなく "&()* の上限値を
１７８

Special Topic Article

2. Study of Non-Thermal Effects on Femtosecond Laser Ablation of Transparent Dielectrics Through the Measurements of Spallation Dynamics

T. Kumada

決める何らかのメカニズムがあるのかもしれない．そのよ

い粘性を維持するためではないかと考えた．石英を熱してうな考えの下，我々は図６（a）の透明高分子と溶融石英にも気化しない．高分子も熱で溶けやすく熱分解もしやすい

おける #%')* が（b）に示す音速のほぼ２倍になっていることが気化はしない．粘性も高い．例えば，１６００℃付近におけに着目した．さらに，図６（b）では溶融石英における衝撃s １４］はソーダ石灰ガラスの 100 Pa・s
る石英の粘性 107 Pa・［

波速度（圧力下の音速）#-&+$(が圧力"とともに少しずつ減［１４］に比べて７桁，シリコンや金属の 10−3 Pa・［s １５］に比少する一方で透明高分子においては顕著に増加している結

べて１０桁高い．高分子において粘性を決めるのは絡み合っ

果 は［１３］，（a）の #%')* の !,/*,依 存 性 と よ く 似 て い る．

た高分子鎖同士のほつれであるが，1 ns 以下の時間スケー

図６（a）と（b）では横軸が異なるが，!,/*,とともに励起電ルではその効果は無視してよい．シリコン，金属，ソーダ

子密度が増加すれば高圧帯の圧力は増加することから並べ

石灰ガラスに数 J/cm2 以上のフェムト秒レーザーパルスをて比較することに意味はあるだろう．高圧帯からやってき

打ち込むと剥離膜が形成される間もなく気化もしくはた圧縮波が試料表面で折り返されて膨張波として深部方向

Fragmentation がおきる一方，高分子や溶融石英では気化に進んでいく．その折り返し時の速度ベクトルの変化量はすることもなく高い粘性が Fragmentation を防いでいるの圧力（圧縮波・膨張波の振幅）が小さいときには音速の２だろう．

倍，GPa 以上では圧縮波と膨張波の #-&+$(の和である．こでは，熱分解はどうであろうか？高分子材料は数百度以のことから運動量保存則に基づいて剥離膜の飛行速度はそ上に熱すると溶けるだけでなく分子鎖が切断されて分解しの速度ベクトルの変化量を上限とする何らかのメカニズムてしまう．照射部位の温度は数千度に達することから，剥があるのかもしれない．

離膜を含めた照射部位全体は分子鎖切断によってバラバラ

２．
４．
３ 剥離膜の生成条件に解離しそうなものである．ところが，熱分解反応はアレ冒頭で述べたように，フェムト秒レーザー加工においてニウス則に従って確率論的に起こるものである．例えばポ非熱効果は熱効果と常に共存する．しかしながら，非熱効

リメチルメタクリレートの熱分解時間は３３８℃で３００秒，４６３℃

果によって剥離膜が生成するのは!,/*,#!.&の時のみであで２秒［１６］であり，アレニウス則に従って外挿しても１０００℃

り，!,/*,"!.&では剥離体も含めて照射部位は熱で激しくでマイクロ秒，２０００℃でナノ秒を要する計算になる．時間

バラバラに吹き飛んでしまうと考えられてきた（Frag-

分解反射率の測定時間中は剥離膜を Fragmentation させる

mentation）［２‐４］．実際，シリコンや金属の時間分解顕微ほど熱分解が進んでいないのではないだろうか？この予測

鏡測定において剥離膜が観測されているのは !,/*,#!.&

を検証するため，照射後の試料を原子間力顕微鏡で測定しのみであり［５‐８］，図５（c）のシリコンでも !,/*,#"!.&でたところ，溶融石英試料では照射部位に生じる穴（Crater）

ある 1 J/cm2 以上になると振動は見えなくなる．図４のよ

７］しかの深さが5 J/cm2!!,/*,!18 J/cm2 で150 nm程度［１うにソーダ石灰ガラスでも !,/*,"!.&#3 J/cm2 以上のあな い の に 対 し て，透 明 高 分 子 で は !.&の２倍 ほ ど のらゆる !,/*, において振動は観測されていない［９］．一!,/*,#3 J/cm2 ですでに1 μm以上に達していた［１０］．本研方，図５（a）（b）のように溶融石英においては !,/*,##!.&

究で用いた透明高分子のバンドギャップは溶融石英の半分

で も 振 動 は 残 存 し て お り，透 明 高 分 子 に 至 っ て は程度であり，溶融石英ではバンド間励起に #,/*,!795 nm!,/*,#"!
!.&においてもなお明瞭な振動が観測されていのポンプパルス５光子を要するのに対し透明高分子では２る．これらの結果は !,/*,"!.&でも剥離度が保持されてい−３光子しか要さない．そのため，透明高分子のポンプパることを示す．耐熱材料である溶融石英はともかく，耐熱

ルス侵入長が溶融石英の値（ブレークダウン時で約100 nm

性の低い高分子材料などは非熱効果の出番を待つまでもな程度［１８，１９］）に比べて短くなることはあっても長くなる

く熱効果でバラバラに吹き飛んでしまいそうなものであことはない．冒頭で述べたように非熱効果はこの侵入長でる．この剥離膜の耐性はどこから来るものなのだろうか？

引き起こされる．そのため，深さ 1 μm のアブレーションは

我々は高分子や溶融石英が高温でも気化することなく高

非熱ではなく熱効果によるものであり，その深さまで侵入したポンプパルスおよび表面付近からの熱拡散により加熱された高分子材料が熱分解時間後に Fragment となって飛び出していったものと考えられる．剥離した膜も最終的に熱分解され Fragment になるのではないだろうか？このよ
うに，剥離膜が観測されたから非熱効果が存在しているというのは間違いではないが，非熱効果が Crater の最終形状を決めていると考えるのは早計である．石英の理論計算［１８，１９］でも，!,/*,#"!.&において Crater の形状は熱効果だけで説明されてしまいそこに非熱効果の出番はない．今回の高分子の結果もこれに倣うものである．非熱効果が重要となるのは，あくまで熱効果だけではアブレーションを引き起こせない !,/*,#!.&の時である．

図６ （a）
時間 分 解 反 射 率 の 振 動 周 期 か ら 求 ま っ た Vfilm
［１
０］
．
（b）
衝撃波速度の圧力 P 依存性［１３］．P = 0 GPa の値は縦波
の音速．

１７９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020

２．
５ まとめ

開発機構関西光科学研究所在籍時に行ったものです．同機

高強度フェムト秒レーザーパルスを照射した透明高分子

構の赤木 浩氏，乙部智仁氏，板倉隆二氏，錦野将元氏，長および溶融石英において非熱効果の寄与を示す剥離膜の観

谷川登氏の協力に深く感謝申し上げます．

測に成功した．これまでに報告されている金属・半導体と

参考文献

は異なり，
①

［１］G. Paltauf and P.E. Dyer, Chem. Rev. 103, 487 (2003).
［２］L.V. Zhigilei et al., J. Phys. Chem. C 113, 11892 (2009).
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８］S.A. Sato et al., Phys. Rev. B 92, 205413 (2015).
［１［１９］乙部智仁 他：プラズマ・核融合学会誌 94, 266 (2018).

透 明 高 分 子・溶 融 石 英 に お い て は 剥 離 膜 が!#%"#!!$!においても明瞭に観測される一方，ソーダ
石灰ガラスでは一切観測されなかった．

②

透明高分子・溶融石英における剥離膜の飛行速度は金属・半導体に比べ一桁高く，!#%"#"!$!で音速の約２倍に達する．

③

透明高分子では !#%"#の増加とともに剥離膜の飛行速度は増加するが，溶融石英ではむしろわずかながら減少する．その傾向がそれぞれの衝撃波速度の圧力依存性と類似する．

という特徴的な結果が得られた．①は高分子および石英の粘性が非常に高く熱効果による Fragment になりづらいためであると考えられる．②③は，運動量保存則に基づいて剥離膜の飛行速度は圧縮波が試料表面で折り返されて膨張波となる際の速度ベクトルの変化量を上限とするメカニズ
ムがあることを示唆している．今後は本研究によって得られた非熱効果の知見に基づき，非熱効果をうまく利用した高精度精密加工技術が実現されることを願う．

謝辞

本章で紹介した研究は，筆者が現在の量子科学技術研究

１８０

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.4 (2020)１８１‐１８５

小特集 レーザーによる半導体・誘電体の励起過程の観測とその利用の新展開

３．テラヘルツ光による半導体光誘起プラズマの非破壊観測
3. Non-Destructive Probe for Photoinduced Plasma in Semiconductor
by Terahertz Light
坪内雅明
TSUBOUCHI Masaaki
量子科学技術研究開発機構関西光科学研究所（原稿受付：２
０
２
０年１月１
７日）

テラヘルツ光（周波数 1012 Hz）は 4 meV 程度の低い光子エネルギーを有し，物質の構造や特性に直接影響を与えることなく，非破壊で物質内部の状態を観測するプローブとして近年研究開発が進められている．そこで我々は，半導体結晶を光励起した際，結晶内に発生するプラズマの時空間ダイナミクスを非破壊検出するための新規手法として，テラヘルツトモグラフィー法を開発した．本章では，テラヘルツ光の相対論的ドップラー反射
現象の観測とあわせて本手法を概説する．
Keywords:
terahertz, THz, plasma mirror, photoinduced dynamics, ultrafast, semiconductor

３．
１ はじめにとして，準光速で半導体内部を進行するプラズマミラーに半導体が光を吸収して電子が伝導帯に励起される過程

よる，THz 光の相対論的ドップラー反射現象の観測結果をは，半導体と光との相互作用の最も基本的な過程であり，紹介する．

太陽電池の基礎過程として応用的にも重要である．伝導帯

３．
２ テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）

での光誘起キャリア（プラズマ）のダイナミクスを観測する手段として，「光励起・テラヘルツ（THz）検出時間分

図１（a）に THz-TDS 装置の概念図を示す．フェムト秒パ

解分光法」が近年用いられるようになった［１，２］．キャリア

ルス光を二つに分離し，それぞれ THz 光発生用及び検出用

誘起後の半導体に THz 光を照射し，透過もしくは反射したとして用いる．本装置からは図１（b）のような THz パルス

THz 光のパルス波形やスペクトルからプラズマの時空間光が発生し，その時間波形を検出用パルスで観測する．

ダイナミクスを検出する．電極等の接触型プローブを必要

THz 光強度ではなく電場強度の時間変化を測定し，その時としない非接触法であるため，摂動を与えず正確なキャリ間波形をフーリエ変換して図１（c）に示すスペクトルが得

ア測定が可能な手法として非常に有望である．

られる．

12

テラヘルツ（1 THz=10 Hz）周波数帯の電磁波は，電波

現在いくつかの THz 光発生法が開発されているが，本研と光に挟まれた周波数領域に位置する．電波と光はそれぞれの領域で独立に発生・検出技術が進展してきた．その中間領域である THz 帯域では，双方の領域の技術を直接利用できず，電磁波の「未踏領域」とされてきた．しかし近年，
超短パルスレーザーの出現とそれに伴う非線形光学の進展により，実験室レベルで比較的容易に良質な THz 光を発生
及び高感度検出することが可能となってきた．現在では，
固体物性の解明や分光学的研究といった基礎科学だけでなく，テラヘルツイメージングを中心とした品質検査，セキュリティー等の応用科学の領域まで THz 光の利用範囲は拡がっている［２‐７］．
本章では，まず近年広く用いられている「テラヘルツ時
間領域分光法（THz-TDS）［８］」について概説し，続いて
THz-TDS を用いた半導体光誘起プラズマの測定法として

図１ （a）
テラヘルツ時間領域分光装置の概念図．（b）
THz 電場波形，及び（c）
フーリエ変換スペクトルの測定例．

「テラヘルツトモグラフィー法」を詳述する．本手法の応用

Quantum Beam Science Directorate, Japan Atomic Energy Agency, Kizugawa, KYOTO 619-0215, Japanauthor’s e-mail: tsubouchi.masaaki@qst.go.jp

１８１!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020

究では光整流法を用いた．角周波数 $の光を非線形光学結晶 に 入 射 し た 際，二 次 の 非 線 形 過 程 と し て 倍 波 発 生$"$%と光整流 $$!$%過程が生じる．周波数幅の広い$
フェムト秒パ ル ス光 の 場 合，光 整 流 過 程 に よ り 周波数$!!$"で振動する電磁波が発生す る．例 え ば パ ルス幅
100 fs のフーリエ限界周波数幅は約 4 THz であり THz 光発生が可能となる．
発生した THz パルス光は電気光学サンプリング法により測定する［９］．非線形媒質に電場を与えた場合，電気光学効果によって屈折率が変化する．二軸性の複屈折結晶に対して電気光学効果を誘起した場合，その結晶に入射した検出光の偏光回転度としてその効果は検出される．検出光としてフェムト秒パルス光を用いた場合，周期 1 ps 程度で振動する THz 光の電場は検出光パルス幅内で定常電場とみなすことができる．THz パルスに対して検出光の遅延時間を掃引しながら偏光回転度を測定すれば，THz 光の電場強度の時間変化，即ち THz 電場波形が得られる．図１（b）に

図２

示すように，光整流法を用いて発生させた THz 光はキャリ
アエンベロープ位相（Carrier envelop phase: CEP）
が固定さ

光ポンプ・テラヘルツ検出時間分解分光法の概念図．（a）
通常の同軸配置透過・反射分光．（b）
本研究で用いた対向配置反射分光．

れたモノサイクルに近いパルスとなっており，THz-TDS
電関数等の解析が可能である．しかし通常，光励起によりではその波形を容易に得ることができる．

生成する自由電子密度分布は照射面から深くなるに従い減

３．
３ 光誘起キャリアの時間分解テラヘルツトモ
グラフィー

衰する非一様分布であるため，密度の高い表面で THz 光は反射され，半導体内部の自由電子密度分布に関する情報を得ることは難しい．

半導体を光照射した際，伝導帯に電子が励起されることでプラズマ化する．プラズマは，電子密度 ! に依存するプ

そこで筆者らは，Kadlec らの考案した対向配置を用いた

ラズマ周波数 "$で定量化される．
!""
"
$#
! #!
##

ポンプ・プローブ法［１０］を用いて上記の問題の解決を試みた［１１］．プラズマ周波数が自由電子密度に依存し，さらにTHz 光の反射特性に強く関係することを用いて，半導体内（６）の非一様自由電子密度分布を三次元的に計測する．図２

ここで "は電気素量，!
#は背景誘電率，# は自由電子の有（b）にその概要を示す．高周波数の THz 光はプラズマ周波

効質量を示す．プラズマ化した半導体に光を照射した際，数が高い高密度領域，すなわち表面付近まで到達し反射さ

プラズマ周波数近傍で入射光の吸収・反射特性に強い変化れる．一方低周波数の光は，低いプラズマ周波数を持つ自が生じる．シリコンの場合，!#1015〜1018 cm−3 の範囲で

由電子密度の低いシリコン深部で反射されてしまう．したプラズマ周波数は 0.1〜10 THz となるため，この密度範囲

がって，高周波数成分は低周波数成分に比べて遅れて検出に光誘起されたプラズマダイナミクスに対して，THz 光は器に到達し，これは複素反射スペクトルでは高周波数成分

優れたプローブとなる．

の位相遅れとして観測される．その他，反射光はプラズマ

通常のポンプ（励起）・プローブ（検出）分光法では，による吸収減衰も受ける．これらは複素反射スペクトルの

図２（a）に示されるように，励起光照射によりまず半導体

光励起による位相シフトや反射率変化として観測される．

結晶にプラズマを生成させ，続いて同軸方向から THz 光を

THz-TDS 法では，複素スペクトルは特別な数学的処理な照射してプラズマを検出する．励起光と THz 光との照射遅しに観測された時間波形のフーリエ変換から直接得られる．

延時間を掃引しながら，透過もしくは反射 THz 光の時間変図２（b）に示した対向配置を実験的に実現するために，化を観測し，光励起により生成されたプラズマのダイナミ

筆者らは図３（a）に示す配置で観測を行った［１１］．通常の

クスを解析する．検出に用いる THz 光の周波数がプラズマ

ポンプ・プローブ法では先に励起光を試料に照射するが，周波数近傍か高い場合，THz 光はプラズマにより吸収減衰

本手法ではまず検出用THz光を照射する．THz光は左側のされながら半導体を透過する．一方プラズマ周波数よりも表面から試料に入射し，右側の裏面に到達する．そこでフ低い周波数の THz 光は，プラズマにより反射されるため半レネル反射により一部は再び左側の表面に戻り，その他の導体内部には進入できない．この配置で透過 THz 光を観測

成分は大気中に透過しパルス A として検出器に到達すした場合，プラズマ周波数よりも低周波成分は全て反射さる．裏面反射した成分（パルスB）が再び表面に到達する前

れ透過スペクトルに現れず，高密度プラズマの観測には適に THz 光と同軸に励起光を入射し，表面近傍にプラズマをさない．一方反射光観測では，自由電子密度が半導体内で生成する．この時裏面反射した THz 光は，図２（b）と同じ

一様な場合，プラズマによる反射スペクトルの変化から誘対向配置でプラズマと相互作用し，吸収や反射の結果再度
１８２

Special Topic Article

3. Non-Destructive Probe for Photoinduced Plasma in Semiconductor by Terahertz Light

M. Tsubouchi

裏面に到達し検出器へと導かれる．図３（b）に，励起光をた．THz 光はニオブ酸リチウム結晶を用いた波面傾斜法

照射しない場合に観測された THz 光電場波形を示す．本手［１２］により発生させ，サンプルである高抵抗シリコン結晶法で着目する成分は遅れて到達する第二透過光（パルスB）

上で直径 2 mm 以下に集光させた．透過した THz 光は軸外であり，この成分が励起光照射により受ける変化を観測

し放物面鏡で GaP 結晶（厚さ 0.4 mm）に集光し，電気光学

し，三次元的なプラズマ密度分布やその動的変化を検出す効果により時間波形を測定した．THz 光用のレンズとしてる．この様に，裏面側から三次元的な分布が観測されるた

パックス社から市販されている Tsurupica レンズを用いめ，本手法を「テラヘルツトモグラフィー法」と命名した．

た．光学励起光は時間遅延ステージを経由させた後，ITO

図４に本手法で用いた実験装置図を示す．チタンサファ（indium-tin-oxide）膜付きガラスを透過してシリコンに照イアレーザー再生増幅器から の 波 長 800 nm，パ ルス幅射した．ITO 膜は THz 光を反射し可視〜近赤外光を透過す

50 fs，強度 2 mJ，繰り返し 1 kHz のパルス光を，THz 光発る伝導膜である［１３］．装置全体は乾燥空気下に置かれ，水生用，プ ラ ズ マ 生 成 用，THz 波 形 検 出 用 の 三 つ に 分 け

蒸気による THz 光の吸収を抑えた．
図５に観測された THz 時間波形（パルス B）の時間変化を示す．励起光によりシリコン表面近傍に発生する自由電子密度は #!1.0×1018cm−3 であり，このときのプラズマ周
波数は 6 THz 程度と見積もられる．時間ゼロは励起光と第二透過 THz 光が同時にシリコン表面に到達した時間を示
す．時間ゼロ近傍で THz パルスの時間幅が狭まり，その後元の時間幅に戻った．また反射 THz パルスの位相が正負反転すると共に検出器への到達時間が短い時間にシフトした．位相の反転は，表面が高密度プラズマとなることでTHz 光にとって金属化し，シリコン・空気界面での自由端反射からシリコン・金属界面での固定端反射となったことによる．また到達時間のシフトは，励起光がシリコン内部に進入し，プラズマ反射の臨界キャリア密度となる深さが時間と共に深くなることで THz 光が表面から遠い位置で反射され，光学距離が短くなったためである．
プラズマと THz 光との相互作用をより定量的に理解するために，図５に示された波形をフーリエ変換して複素ス
ペクトル !"
##
##
$
!"
##
!#"$
!"
"
%を計算し，プラズマとの相互作用前（負の遅延時間）と後（正の遅延時間）の複素ス

図３ （a）
時間分解テラヘルツトモグラフィー法の概念図．（b）
第一透過光（A）と第二透過光（B）．

図４

実験装置図．CL：シリンドリカルレンズ，"/2，"/4：半波
長，1/4 波長板，ITO:ITO 膜付きガラス，PL:Tsurupica レンズ，L：石英レンズ，PM：軸外し放物面鏡，WP：ウォラス
トンプリズム．

図５

１８３

第二透過 THz 光（パルス B）波形の時間変化．波形の右に挿入した時間 Δt は，励起光と第二透過光が表面に同時に到達する時間を０とした時の第二透過光の遅延時間を示す．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020

ペクトル "%
'&
#
#
'&
'&
'&から，反射率変化 %#
%!$#
%
%
!，"%
!

さ方向の密度分布の情報が含まれる．励起光がシリコンにと位相シフト $&$&%
'&
'&
!&%
!の周波数依存性を求めた．

よって吸収される際，その強度は侵入長に対して指数関数

結果を図６（a），（b）にそれぞれ示す．反射率変化が極小と的に減衰する．キャリア密度は励起光強度に比例するためなる周波数が自由電子密度上昇とともに高周波数側にシフト し て い る．位 相 シ フ ト に つ い て は，自 由 電 子 密 度$%)!#&と表される．ここで )は表面からの&$$ ')(%!)#
距離を表す．この時，誘電関数の )依存性は Drude モデル$$1.5×1016 cm−3 で は ほ と ん ど 見 ら れ な か っ た が，を用いて下式のように表せる，$$5.0×1016 cm−3 より高密度になると低周波数領域で金

#
)
*(%
&
*
*"
)
%
"!
%
&
$%
&!
!" "
*%
*"'
)
&

属化による (シフトが見られた．また，位相シフトの周波数依存性が自由電子密度の上昇と共に強くなる傾向がある($&#')(%
!#&
$
!)#
$%
&!
!"
(*%
*"'
) &

ことがわかった．位相シフトの実験結果については図６（c）によって定性的に説明される．シリコンに波長 800 nm
光を照射した場合の侵入長は !#$10 μm［１４］と強度によここで )はプラズマの緩和時間を示す．このような非一様

らず一定であるため，表面自由電子密度が高い場合は密度誘電関数を持つ媒質についてMaxwell方程式を解析的に解勾配が大きくなる．そのため THz 光の高周波数成分と低周くことにより，入射 THz 光の反射率変化及び位相シフトの波成分が反射される深さの差が大きくなり，結果として周波数依存性を計算することができる［１１］．計算結果を

図６（b）に示されるように位相シフトの周波数依存性が強

図６（a），（b）の破線で示す．計算には緩 和 時 間 )$100 fs

くなる．しかし，密度 $$1.0×10 cm

での位相シフトの

!
('（('
"%
［１５］，侵入長 !#$10 μm，有効電子質量 ($!

のときより弱く，上記は自由電子の質量）を用いた．計算結果は観測した全自由の単純な描像だけでは説明できない．そこで Drude モデル

電子密度においてよく実験結果を再現し，計算で仮定したに基づいた解析を試みた．

指数関数的自由電子密度分布や文献から採用した物理量に17

周波数依存性は $$5.0×10 cm
16

−3

−3

大きな誤りがないことがわかった．

観測された反射率変化と位相シフトには，プラズマの深３．
４ 光誘起プラズマによるテラヘルツ光の相対論的ドップラー反射
先述のように，シリコン表面に近赤外短パルス光を照射すると，表面付近に自由電子キャリア膜が生じる．そのキャリア膜は励起光がシリコン内に侵入するとともに結晶内へ深く浸透していくため，キャリア膜の進行速度はシリコン内での光速とほぼ等しくなる．対向する方向から THz
光を照射した場合，THz 光は準光速で向かってくるキャリ
ア膜（プラズマミラー）により反射される．この現象は相対論的ドップラー反射であり，反射 THz 光に周波数ブルー
シフトが観測されることをRoskosらは提唱し，観測を行っている［１６‐１８］．
図７に反射 THz 光のフーリエ変換スペクトルの時間依存性を示す．横軸は周波数，縦軸はプラズマ発生用励起光からの遅延時間を示し，スペクトル強度は対数表示で二次元プロットしている．スペクトルは遅延時間 67 fs ごとに測定した．時刻ゼロ近傍で明瞭な周波数ブルーシフトが観測されている一方，励起光照射前後では観測されていない．
これは，励起光照射前は空気シリコン界面でのフレネル反
射，照射後は静的プラズマミラーによる反射である一方，励起光照射時にはプラズマミラーがシリコン結晶内部に準光速で進行するため，THz 光の相対論的ドップラー反射が観測されたことを示唆している．このように，THz パルス
光を用いることで，半導体結晶内部の時空間ダイナミクス
を非破壊非接触で測定することが可能となり，今後物性研
究への応用展開が期待される．
図６

第二透過 THz 光（パルス B）の（a）反射率変化，（b）位相シフトの自由電子密度依存性．実線は実測値，破線は本文中の式を用いた計算値を示す．（c）位相シフトの電子密度依存性の説明図．

３．
５ まとめ
ここまで THz 光の発生原理に始まり，そのプラズマ観測への利用について概説してきた．THz 科学は現在発展途上
１８４

Special Topic Article

3. Non-Destructive Probe for Photoinduced Plasma in Semiconductor by Terahertz Light

M. Tsubouchi

テラヘルツ科学研究を開始する際，現東京工業大学の大島康裕教授にはチタンサファイヤレーザーシステムを利用させて頂きました．またトモグラフィー実験は大阪大学永井准教授との，ドップラー反射実験は現京都大学の河野七瀬博士との共同研究であります．以上の方々に深く感謝いたします．
本 研 究 の 一 部 は，科 学 研 究 費 若 手 ス タ ー ト ア ッ プ（２１８５００３０）及び若手研究（B）（２２７５００２２，２４７５００２
７），文部科学省融合光新創生ネットワーク（C-PhoST），分子科学
研究所共同研究の助成により行われました．

参考文献

図７

［１］M.C. Beard et al., Phys. Rev. B 62, 15764 (2000).
［２］P.U. Jepsen et al., Laser Photonics Rev. 5, 124 (2011).
［３］Y.-S. Lee, Principles of Terahertz Science and Technology(Springer, New York, 2009).
［４］P.Y. Han and X.C. Zhang, Meas. Sci. Technol. 12, 1747
(2001).
［５］B. Ferguson and X.C. Zhang, Nature Mater. 1, 26 (2002).
［６］M.C. Beard et al., J. Phys. Chem. B 106, 7146 (2002).
［７］C.A. Schmuttenmaer, Chem. Rev. 104, 1759 (2004).
［８］M. van Exter et al., Opt. Lett. 14, 1128 (1989).
［９］A. Nahata et al., Appl. Phys. Lett. 69, 2321 (1996).
［１０］F. Kadlec et al., Phys. Rev. B 70, 125205 (2004).
［１１］M. Tsubouchi et al., Opt. Lett. 37, 3528 (2012).
［１２］J. Hebling et al., Opt. Express 10, 1161 (2002).
［１３］T. Bauer et al., J. Appl. Phys. 92, 2210 (2002).
［１４］H.A. Weakliem and D. Redfield, J. Appl. Phys. 50, 1491
(1979).
［１５］H.M. van Driel, Phys. Rev. B 35, 8166 (1987).
［１６］M.D. Thomson et al., Phys. Rev. B 87, 085203 (2013).
［１７］F. Meng et al., Phys. Rev. B 90, 155207 (2014).
８］N. Kohno et al., Phys. Rev. B 94, 155205 (2016).
［１

第二透過 THz光（パルスB）の反射スペクトルの遅延時間依存性．

の分野であり，発生検出技術やその基礎・応用科学的利用は急速に進展している．光学系の会議だけでなく，応用物
理学，物理学に関する会議でも必ずといっても過言ではな
いほど THz 関係のセッションが開かれ，活発な議論が行われている．今後本章を契機に，プラズマ研究分野においても THz 光の利用が進み，今までにない新たな研究展開が拓
かれれば幸いである．

謝辞

本章で紹介した筆者らの研究は，量子科学技術研究開発機構関西光科学研究所（木津）で構築・整備されている高強度近赤外レーザーシステムを利用して行い，永島圭介博
士，越智義浩博士，圓山桃子博士，板倉隆二博士にはレー
ザーに関するサポートをしていただきました．また筆者が

１８５

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.4 (2020)１８６‐１８９

小特集 レーザーによる半導体・誘電体の励起過程の観測とその利用の新展開

４．超高速プラズマミラー生成によるレーザーパルス波形計測
4. Characterization of Laser Pulse Waveform by Ultrafast Plasma Mirror Formation
板倉隆二
ITAKURA Ryuji
量子科学技術研究開発機構 関西光科学研究所（原稿受付：２
０
２
０年１月１
７日）

レーザーアブレーションの初期過程に表面で生じるプラズマを超高速光スイッチとして利用する極短パル
スレーザー波形計測法を紹介する．計測すべきパルスをプローブとしてプラズマ生成表面へ入射し，その反射を時間分解スペクトル計測する．最小二乗一般化射影アルゴリズムに基づいた反復計算によって，実測された時間
分解反射スペクトルから，位相を含めたレーザーパルス波形とプラズマミラーの反射率を求めることが可能である．本章では，溶融石英表面および水の液膜ジェットを用いた結果について示す．
Keywords:
plasma mirror, frequency-resolved optical gating, VUV, ablation, phase, liquid-sheet jet

４．
１ はじめに自己相関［６］や光電子 FROG［７］が行われているが，２光子フェムト秒レーザーパルスを固体材料に集光照射する

イオン化には高強度の高次高調波が必要となる．他の波形と，レーザーアブレーションが起こる．バンドギャップが計測法としては，搬送波位相の固定された数サイクルレー

大きく，可視光に対して透明な材料（石英，有機材料）のザーパルスとその高次高調波によるアト（１０−１８）秒パルス

フェムト秒アブレーションにおいて，スパレーションと呼の相互相関光電子計測（アト秒ストリーク法）
［８，
９］などが

ばれる膜剥離が起こり，剥離した膜が等速飛行する［１，
２］．

行われているが，極めて高度な位相安定化技術を必要とレーザー照射による電子励起から膜剥離に至るエネルギー

し，また，原子・分子のイオン化閾波長よりも短い波長領移動，緩和，さらには体積膨張など，連続して起こるダイ域に限られ，100〜200 nm の真空紫外波長領域では利用でナミクスの詳細の解明は，今後の実験および理論両面からきない問題もある．

の研究が待たれるものの反射率変化は照射したレーザーパ

我々の開発したプラズマミラーを用いた FROG 法は，真ルスのパルス幅程度の時間で起こる．本章では，フェムト

空紫外領域でも適用が可能である．短波長領域の非線形過（１０−１５）秒レーザーアブレーション初期に生じるプラズマ程を必要としないため，弱い真空紫外光でも感度良く計測を，フェムト秒で応答する超高速光スイッチとして利用し可能である．また，真空紫外光の分光計測のため，光電子

た極短レーザーパルス波形計測について紹介する．瞬時に分光に比べエネルギー分解能が高いことも長所である．

生成した反射率の高いプラズマをプラズマミラーと呼ぶ．

本章では，まず，時間分解反射スペクトル測定に基づい

これまでも，10 TW 超級の高強度レーザーパルス自身が作たプラズマミラー FROG 法の原理を解説した後，溶融石英

るプラズマミラーの反射を利用して，プラズマミラーがで

基板上に生成したプラズマミラーを使った真空紫外領域のきる前のプレパルスを除去し，高コントラスト比のレー

波形計測の実験・解析結果［１０‐１２］を示す．そして，1 kHz

ザーパルスを実現している［３］．

以上の高繰り返し光源の測定にも対応可能な液膜ジェット

我々は，プラズマミラーを利用して，プラズマ生成とはをレーザー照射ターゲットにした結果［１３］について紹介す別の極短パルスの波形（振幅と位相）を計測する方法を独る．

自に開発した．赤外から紫外の波長領域の波形計測は，固４．
２ プラズマミラー FROG の原理

体媒質の非線形波長変換を用いた周 波 数 分 解 光 ゲート（Frequency-resolved optical gating: FROG）法［４］や直接電

高強度の励起レーザーパルスが照射され，プラズマが生場再構築のためのスペクトル位相干渉（Spectral phase in-

成する試料表面の時間依存反射率を "#!
"とし，計測すべき

terferometry

reconstruction:

極短プローブレーザーパルスの時間領域の電場波形をSPIDER）法［５］などが確立されているが，200 nm より短波!!
#"とする．実験の原理は図１に示すような，単純な時間長の真空紫外領域においては，非線形波長変換のための固分解反射分光である．フェムト秒レーザー照射によるプラ体媒質がない．気相原子・分子の２光子イオン化を用いたズマ生成・緩和ダイナミクス自体，未解明なことが多く，

for

directelectric-fieldKansai Photon Science Institute, National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, Kizugawa, KYOTO 619-0215, Japanauthor’s e-mail: itakura.ryuji@qst.go.jp

１８６!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

4. Characterization of Laser Pulse Waveform by Ultrafast Plasma Mirror Formation

R. Itakura

るが，我々は，最小二乗法を取り込んだ一般化射影アルゴリ
ズム（Least-squares generalized projections algorithm:
LSGPA）［１１，
１５］を採用している．よく使われる主成分一
般化射影アルゴ リ ズ ム（Principal component generalized
projections algorithm: PCGPA［１０，１４，１６］と比べる と計算時間が桁違いに早くなるだけでなく，折り返し雑音の問題を回避でき，さらに励起前の表面からのフレネル反射も扱える．
実験で得られたスペクトルグラム #&"%$%と反復計算から 得 ら れ る #'&)'$&"%%と の 差 を，式（２）に 示 す よ う に，
図１

FROG エラー" とし，この値が十分小さくなるまで反復計

プラズマミラー FROG 計測の概略．

算を繰り返す．
興味深い研究対象であるが，本章では，反射率がフェムト# ! $ ! % #& "
#
""
&("
%
($ ( %!$#'&)'$
(
（２）
)%
)%
# $% ("" )"!

秒スケールで変化する超高速光スイッチとしてプラズマミ
ラーを利用できることに集中して話を進める．プラズマが
時刻 +#!で生成するとし，それに対して遅延時間 %をつけ

ここで，$，% は，それぞれ，周波数と遅延時間に関するてプローブパルスをプラズマ生成した表面に入射すると，

データ数，$は " を最小化する実数の係数である．このよ

プローブパルスの反射波形は，!$
+
*
+
!%
%
$
%となる．実験う に し て，２次 元 デ ー タ #&"%$%か ら２つ の 複 素 関 数，

は，時間領域の計測ではなく，反射パルスを分光計測，す

!$
+
+
%と *
$
%が求められる．

なわち周波数領域のスペクトルを観測する．遅延時刻 %に*おける周波数領域の波形 &
+
*
+
!%
%
$
%をフーリエ
&"
%
$
%は !$

４．
３ プラズマミラー FROG による波形計測

変換したものであり，測定されるスペクトルは，式（１）に４．
３．
１ 溶融石英基板
溶融石英基板を照射ターゲットとした実証実験を示す．

示す通り，その二乗となる．
#
#
*
"!$
+
*
+
'!(&+(+
#
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$
%
(

近赤外のフェムト秒強レーザーパルス（波長 795 nm，パル（１）

ス幅 80 fs）をアルゴンガス中に集光し，高次高調波として

遅延時間 %を掃引しながら，スペクトル測定を行うことに真空紫外パルスを発生させた［１２］．多層膜ミラー（Layertec

より，スペクトルグラム #&"%$%が得られる．ここで，式103841）を用いて，波長 160 nm の５次高調波のみを選択的（１）は，相互相関型のFROGトレースと同じ式となっていに取り出し，プローブ光として用いた．多層膜ミラーを透ることがわかる［１４］．したがって，得られた #
&"
%
$
%に対

過した 795 nm の基本波パルスは溶融石英基板上にプラズ

して，FROG 解析を施すことによって，プローブパルス波

マミラーを生成するため励起パルスとして利用した．基本

形 !$
+
+
%とプラズマ表面の時間依存反射率 *$%を得ること波と５次高調波の間に時間遅延をつけた後，再び同軸上にができる．

重ね，溶融石英に集光照射し，反射した真空紫外プローブ
光を分光計測した．励起パルスの強度はアブレーション閾

FROG の解析は，図２のフローチャートに示した反復計

値（3.3 J/cm2）［１］を若干超えるように調整した．

算にしたがって行い，FROG エラーが十分に小さい値に収束するまでループを回す．初期値として，!$
+
+
$
%を仮
%と *

パルスバルブによって導入されたアルゴンガス中で発生

定 し，式（１）に 代 入 す る こ と で，複 素 の２次 元 デ ー タ
*
*
&
&"
%
&"
%
$
%を求める．ここで，&$%の位相は変えずに，振幅した高調波を用いた時の時間分解反射スペクトル，すなわ
ち，プラズマミラー FROG トレースを，図３（a）に示す．こ"##と 入 れ 替 え る．こ ののみ実験で得られた&
#
&"
%
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*
から次の反復計算のための
!$
+
+
%と *
$
%を求めると&$&"%%ころがポイントである．いくつかの計算アルゴリズムがあの測定結果を LSGPA によって再構築すると，FROG エ
ラーが ""!
!
!!%$と十分に小さい FROG トレース（図３（b））が得られた．この結果，真空紫外パルス波形は図３（c）のように，フーリエ変換限界に近い 20 fs（半値半幅）のパルス幅を持つことがわかった．プラズマミラーの時間依
存複素反射率も求めることができ，プラズマ生成前の溶融石英のフレネル反射の反射率を１として規格化した．プラズマミラー生成により反射率が約１６倍増加し，反射率は，励起レーザーのパルス幅 80 fs と同程度で最大値まで立ち上がることが確認された．
ビームの空間分布の観測が可能であることも光計測の大きな利点である．２次元画像検出器を備えた分光器を用いた場合，波長分散させた周波数軸と直交方向の分布は，１

図２

最小二乗一般化射影アルゴリズム（LSGPA）における反復計算のフローチャート．

次元ではあるものの高調波ビームの空間分布である．空間
領域を分けてスペクトルを抽出し，FROG 解析を行うこと
１８７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020

図３

溶融石英上に生成したプラズマミラーの時間分解反射スペ
クトル：（a）
実測および（b）
LSGPA により得られた再構築
結果．真空紫外パルスはパルスノズルにより噴射されたア
ルゴンガス中の高次高調波発生によるもの．（c）
真空紫外
パルス波形．（d）
プラズマミラーの時間依存反射率|r(t)|2と位相 arg(r(t))．反射率はプラズマ生成前のフレネル反射を１として規格化した．

図４

溶融石英上に生成したプラズマミラーの時間分解反射スペ
クトル：（a）
実測および（b）
LSGPA により得られた再構築
結果．真空紫外パルスはセルに封入されたアルゴンガス中の高次高調波発生によるもの．窓材として LiF と CaF2 を透過した結果．（c）
真空紫外パルス波形．（d）
プラズマミラー
の時間依存反射率|r(t)|2 と位相 arg(r(t))．反射率はプラズマ
生成前のフレネル反射を１として規格化した．

によって，高調波ビームおよびプラズマミラーの空間依存性を明らかにできる．図３に示した結果は，反射ビームのフーリエ変換限界に近いパルスと異なり，各波長におけ中心部を切り出した結果である．切り出す空間領域を変える反射率の立ち上がる時刻が，波長が長くなるにしたがいて FROG 解析を行った結果，波長 160 nm（５次高調波）の遅れていく．フッ化リチウムとフッ化カルシウムを透過しパルス波形は空間領域に依存せず，均一であることがわ

たことによって，真空紫外パルスは正チャープ，すなわち，かった．一方，プラズマミラーの時間依存反射率は励起時刻が進むにしたがって波長が短くなる波形となる．プラ

レーザーの空間モードを反映して，場所によって反射率のズマミラーの生成時刻に対して，真空紫外プローブパルス

増加率や緩和の時係数が異なる［１２］．

の遅延時間を遅らせていくと，最初はパルスの後部，つま次に，フーリエ変換限界から外れて大きくチャープしたり，短波長成分から反射が始まり，遅延時間の増加ととも（パルス内で波長が変化する）真空紫外パルス波形についに順次，長波長成分も反射されるようになり，最終的にすて示す［１０，１１］．高調波は，セル中のアルゴンガスにレーべての波長領域で反射されるようになる．正確なスペクト

ザー基本波（波長 795 nm，パルス幅 60 fs）を集光すること

ルグラムは式（１）の関係にあるが，図４（a）に現れる周波によって発生させ，セルの出口に置かれたフッ化リチウム

数毎の反射増強の立ち上がり時刻は，おおよそ各周波数成のレンズによって平行化し，ポンプ‐プローブデレイライ

分の位相に相当し，パルス波形を直感的に理解できる．

ンを含む真空チャンバーへと導入した．真空紫外パルス

フーリエ変換限界パルスの場合には，周波数毎の位相差はを，さ ら に フ ッ 化 カ ル シ ウ ム 基 板 を透 過 さ せ，さ ら になく一定となるため，図３（a）のように立ち上がり時刻のチャープさせた．このように大きくチャープしたパルスに揃ったスペクトルグラムとなり，一方，２次分散が付与さ

対してプラズマミラー FROG 計測を行った結果を，図４にれたチャープパルスは立ち上がり時刻が図４（a）のように示す．図４（a）は実測された FROG トレース，図４（b）は周波数に比例して変化する．このように，反復計算せずと

LSGPA によって再構築されたものである．１ピコ秒以上

もおおよその周波数位相を直感的に理解できることも本手の長い遅延時間掃引を行っていることもあり，実測の信号法の利点である．

／雑音比があまり良くないものの FROG エラー !!!
!
!"

４．
３．
２ 水の液膜ジェット程度で収束した．得られたパルス波形は図４（c）のように

プラズマミラーを生成するレーザー強度では，固体表面

１ピコ秒程度に広がっていることがわかる．図４（d）に示上でアブレーションが起こり，照射後は加工痕が残る．

す通り，プラズマミラーの立ち上がりは 100 fs 程度と励起レーザーショット毎に新しい試料表面が来るようにするた

パルス幅を同程度である．なお，約 170 fs 周期の振動は，測めに，可動ステージを用いて溶融石英基板を面内平行移動

定中の石英基板の移動に連動した人為的なものである．まさせて実験をしているが，ステージの移動速度や基板面積

た，20 fs パルスの実験と反射率の相違は，励起パルスの強から，対応できるレーザーの繰り返しは 10 Hz 程度である．

度や励起パルスと真空紫外パルスの空間重なりの違いに起

超高速分光の多くは，kHz 以上の高繰り返しの実験であ因する．

り，それに対応させるためにも，プラズマミラーが生成す１８８

Special Topic Article

4. Characterization of Laser Pulse Waveform by Ultrafast Plasma Mirror Formation

R. Itakura

る試料表面の更新速度を上げる必要がある．そこで，移動
ステージでは な く，循 環 型 の 送 液 ポ ン プ を 用 い た液膜
ジェットを採用した．液膜ジェットの表面は十分に光学精度があり，ここでは，水を用いた液膜ジェットによる実証実験について紹介する［１３］．光源は，1 kHz 繰り返しのチ
タンサファイア増幅器（波長 795 nm，パルス幅 70 fs）を用いた．プローブパルスは，"-BBO 結晶による波長 404 nmの２倍波とした．溶融石英と同様に近赤外励起パルスで液膜表面にプラズマミラーを生成し，２倍波の時間分解反射
スペクトル，すなわち，プラズマミラー FROG 計測を行った．得られた結果を図５に示す．水の液膜上のプラズマでも，溶融石英の場合と同様に，プラズマミラー FROG ト
レースを測定でき，小さな FROG エラー（!!!
!
!!##"）で
LSGPA による再構築もできた．得られた紫外パルス波形
は図５（c）に示され，パルス幅は 51.6 fs（半値全幅）であっ
た．この実験は，紫外領域の波長を用いており，他の波形計測法による検証が可能である．我々は，100 μm 厚の溶融

図５

石英基板内で起こる自己回折効果を用いた自己回折 FROG
計測［１７，
１８］を用いて，独立な波形計測を行い，プラズマミ
ラーFROGによる波形計測の結果とよく一致することを確認した．このように，1 kHz 以上の繰り返しで動作する

水の液膜ジェット上に生成したプラズマミラーの時間分解
反射スペクトル：（a）
実測および（b）
LSGPA により得られた再構築結果．紫外パルスは "-BBO による２次高調波．
（c）
紫外パルス波形．（d）
プラズマミラーの時間依存反射率|r(t)|2 と位相 arg(r(t))．反射率はプラズマ生成前の水表面からのフレネル反射による値［２０，２１］を用いて較正した．

レーザーでも，水の液膜ジェットを使うことによって，プラズマミラー FROG が適用できることを実証した．今回用博士，乙部智仁博士，熊田高之博士（現いた液膜ジェットの流速から見積ると，100 kHz 程度の繰

野元善博士，遠藤友随博士，坪内雅明博士との共同研究にり返しまで対応可能である．

よるものであり，諸氏に感謝する．本研究の一部は，日本原子力機構），中学術振興会科学研究費補助金１７H０２８０２，文部科学省光・量４．
４ まとめと今後の展望

子 飛 躍 フ ラ ッ グ シ ッ プ プ ロ グ ラ ム（Q-LEAP）JPMXS

本章では，フェムト秒レーザーを固体表面もしくは液膜

０１１８０６８６８１の助成を受けて行われた．

表面に照射し，プラズマミラーを生成し，それを超高速光スイッチとして利用したパルス波形計測の新しい方法につ

参考文献

いて紹介した．反射であるため，位相整合による帯域の制［１］T. Kumada et al., J. Appl. Phys. 115, 103504 (2014).
［２］T. Kumada et al., Appl. Phys. Lett. 106, 221605 (2015).
［３］H.C. Kapteyn et al., Opt. Lett. 16, 490 (1991).
［４］R. Trebino et al., Rev. Sci. Instrum. 68, 3277 (1997).
［５］C. Iaconis and I. A. Walmsley, Opt. Lett. 23, 792 (1998).
［６］Y. Nabekawa et al., Phys. Rev. Lett. 97, 153904 (2006).
［７］A. Kosuge et al., Phys. Rev. Lett. 97, 263901 (2006).
［８］E. Goulielmakis et al., Science 305, 1267 (2004).
［９］G. Sansone et al., Science 314, 443 (2006).
［１０］R. Itakura et al., Opt. Express 23, 10914 (2015).
［１１］R. Itakura et al., High Power Laser Science and Engineering 4, e18 (2016).
［１２］R. Itakura et al., Opt. Lett. 44, 2282 (2019).
［１３］T. Endo et al., Opt. Lett. 44, 3234 (2019).
［１４］D.J. Kane, IEEE J. Quantum Electronics 35, 421 (1999).
［１５］J. Gagnon et al., Appl. Phys. B 92, 25 (2008).
［１６］Y. Mairesse and F. Quere, Phys. Rev. A 71, 011401 (2005).
［１７］D.J. Kane and R. Trebino, IEEE J. Quantum Electronics
29, 571 (1993).
［１８］T.S. Clement et al., Opt. Lett. 20, 70 (1995).
［１９］T.T. Luu et al., Nat. Commun. 9, 3723 (2018).
［２０］M. Daimon and A. Masumura, Appl. Opt. 46, 3811 (2007).
［２１］P.E. Ciddor, Appl. Opt. 35, 1566 (1996).

限もなく，広帯域計測への拡張も可能である．光電子分光
ではなく，光を直接計測するため，装置も比較的簡便であり，真空紫外領域ではエネルギー分解能も高く，ピコ秒
オーダーにまで広がったパルスの計測も可能である．空間モードの解析ができることも他の方法にはない強みである．液膜の実験は，今回は空気中の実験であったが，真空中へ液膜ジェットを導入し，真空紫外波長領域の実験も可能である［１９］．
今回は，レーザーパルス波形計測に絞って紹介をしたが，プラズマミラー FROG は，プラズマ生成の詳細を研究する計測法としても有効である．水の液膜については，紫外領域の屈折率も良く知られており［２０，２１］，励起前の状態からどのように変化していくか，位相も含めて議論できる．溶融石英については，160 nm 付近は，不純物や欠陥などによって反射率や吸収が変わってしまう敏感な領域であるため，放射光などによる非励起表面の解析と組み合わせた研究が必要である．レーザープラズマ生成機構の超高速ダイナミクス研究が今後，大きく進展すると期待している．

謝辞

本章で紹介した研究成果は，関西光科学研究所の赤木 浩
１８９J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.4 (2020)１
９０

小特集 レーザーによる半導体・誘電体の励起過程の観測とその利用の新展開

５．おわりに乙部智仁（国）量子科学技術研究開発機構，超高速光物性研究グループ（原稿受付：２
０
２
０年１月１
７日）

レーザー励起された物質は，レーザー加工の初期過程とついて紹介した．更に，このような取り組みは４章で紹介いうだけでなく Warm Dense Plasma の一つの形態であり，された様にレーザープラズマの生成過程を利用したレー極短パルスを用いることでアト秒からナノ秒に至る幅広い

ザーパルス波形計測技術の開発へと展開しつつある．これ

過渡的現象が観測可能な研究対象である．特に半導体及びは新しい物理過程を観測し理解しようという研究が当初の絶縁体は励起過程の高い非線型性と緩和過程の複雑さから意図とは違う分野の発展に貢献するという良い事例であ

未解明の部分が多い．これは所謂レーザープラズマだけでる．

なく，レーザー科学，量子力学，材料科学，熱力学（統計レーザー加工現象は今回紹介したような穴あけだけでな

力学）など様々な物理学の分野の複合領域となっているこ

く，軟 X 線による内殻励起によるものや多パルス照射によとに起因している．これは見方を変えれば別々に研究される微細加工，転移やクラック生成など多岐に渡って研究さてきた各物理分野が一同に会している稀有なものであり，れている．それぞれ主役となる物理過程は変わってくるが境界領域あるいは複合領域として非常に興味深い研究対象

上記で述べた物理としての複雑性，面白さは同様である．

であると言える．

この小特集を機に，プラズマ科学の研究者に一層レーザー

本小特集では光（レーザー）を駆使することでレーザー

励起過程及びレーザー加工に対して興味を持っていただけ励起された半導体・絶縁体のダイナミクスを２章では物質れば幸いである．

表面から，３章では内部から探っていく最近の取り組みに

!!
おと

べ

とも

小特集執筆者紹介

ひとつぼ

乙 部 智 仁

だ

たか

うち

まさ

あき

坪 内 雅 明量子科学技術研究開発機構，超高速光物性研
究グループ．２
００
５年 筑波大学数理物質科学研
究科 博士（理学）．原子分子から固体，薄膜などとレーザーの非線型相互作用の時間依存密度汎関数理論に基づいた理論およびシミュレーション研究を行っている．研究で開発したプログラムコードを筑波大矢花
グループと共に SALMON として公開中．最近は半古典的計算手法や分子動力学計算についても手を広げるべく勉強中．
くま""

量子科学技術研究開発機構 関西光科学研究所
光量子科学研究部 上席研究員．２
０
０
３年 総合
研究大学院大学 博士（理学）．テラヘルツ光が持つ可能性を追求して，高強度テラヘルツ
光発生法の開発をはじめ，超高速光物性観測への応用，イメー
ジング装置への適用等幅広く研究しています．ダイエットとランニングが趣味でフルマラソン４時間切りを目標に日々努
力しています．

ゆきいた熊 田 高 之くら りゅうじ

板 倉 隆 二日本原子力研究開発機構 物質科学研究セン
ター 階層構造研究グループリーダー．２０００年
大阪大学大学院 博士（理学）．光科学の前は
放射線化学をやっていました．現在は，中性子
小角散乱・反射率法を用いたナノ構造解析法の高度化に従事しています．光科学で学んだ実験技術と知見を生かして，中性
子科学に革命を起こす測定技術の開発をしたいと意気込んでおります．私生活ではアラフィフにしてサッカーを始めました．インステップキックに磨きをかけています．

量子科学技術研究開発機構・関西光科学研究所・超 高 速 光 物 性 研 究 グ ル ー プ リ ー ダ ー．
２００
１年東京大学大学院理学系研究科 博士（理学）
．東京大学大学院理学系研究科助手．日本
原子力研究開発機構・量子ビーム応用研究部門・研究員を経て，２０１
６年より現職．強レーザー場中の原子・分子ダイナミクスを研究してきたが，最近は固体や液体のレーザープラズマにも展開している．

１９０!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.4 (2020)１
９１‐１９８

研究論文「核融合」の国内認知度・イメージ分析
Analysis on the Public Awareness and Images ofthe Word “Nuclear Fusion” in Japan武 田 秀 太 郎， 長 島 瑠 子
TAKEDA Shutaro and NAGASHIMA Ruriko
京都大学大学院総合生存学館（原稿受付：２
０
１
９年１
１月２６日／原稿受理：２
０
２
０年２月１
４日）

アウトリーチ戦略の立案に資するため，全国１，
０００人を対象とした核融合の認知度ならびにイメージに関す
るアンケート調査を実施した．核融合の一般認知度は 40.0％ であった．日本人の核融合に対するイメージは回答率の高い順に「危険（60.7％）」「不安（41.9％）」「信頼できない（24.4％）」であり，86.0％ が「核融合」と「原子力」が異なる技術であることを認知していなかった．核融合を認知していた回答者は，認知していなかった回答
者より核融合に対し全般的に良いイメージを抱き，研究開発への投資を受容する傾向にあった．その一方で，核融合を知っていると答えた回答者の方が，核融合は「複雑」「わかりにくい」と回答する傾向が強かった．これらの結果は，今後のアウトリーチ活動にあたり，１）核融合と原子力の混同を減らす努力が重要である ２）
認知度を高めるアプローチが有効である ３）「核融合の意義をわかりやすく伝える」ためより一層の努力が必要である
ことを示唆する．
Keywords:
outreach, top-of-mind awareness, public image, public acceptance, public relations

１．背景

インバーグにより「トランスサイエンス問題」として定義

国際熱核融合実験炉 ITER による本格的な核融合燃焼プされるものである［３］．トランスサイエンス問題の解決にラズマの実現が近づき，次段階である核融合原型炉の概念

は，非専門家が学術分野の専門的知見をある程度有した上設計も各国で着々と進行しつつある．しかし一方で，核融で，専門家・非専門家双方が其々の専門知に基づく意見を合エネルギーについての社会の認識は未だ十分とは言えな出し議論を重ねる他ないとされる．

いのが現状である．商用化に向けた核融合エネルギーの社

さらに近年，競争的資金や公的資金から研究費助成を受

会的受容性の向上には実効的なアウトリーチ活動が不可欠

ける研究者の社会的責任として，研究成果の公表と，非専であり，原型炉開発に向けたアクションプラン
［１］におい門家のニーズや意見を認識し受け止めることが求められててもアウトリーチ活動は重要課題項目として挙げられていいる．さらに，公的資金を学術分野に割り振るのは政策でる．

あり，政策決定プロセスにおいては専門家だけでなく世論

第３期科学技術基本計画中間とりまとめ［２］は，アウトも考慮されていることにも留意が必要である．特に文部科リーチ活動を学省の科学技術振興費予算のうち，基幹プロジェクトである「宇宙」「原子力」「海洋」の３つ，そして「その他」に

国民の研究活動・科学技術への興味や関心を高め，かつ国民との双方向的な対話を通じて国民のニーズを研究者が共有するため，研究者自身が国民一般に対して行う双方向的なコミュニケーション活動

含まれる「ITER」には多額の公的予算が投入されていることに留意せねばならない．
以上より，核融合エネルギーに関するアウトリーチ活動
は，核融合エネルギーの社会的受容性を向上させる為にと定義する．特に核融合分野におけるアウトリーチ活動

も，そして継続的な研究開発の為にも，積極的かつ効果的は，多額の予算を必要とする巨大科学の社会的責任というに取り組まねばならない重要課題である．そしてその為に観点，ならびに市民生活に直接関わる社会の基盤インフラ

は，核融合に対する社会からの認知度・イメージに関するたるエネルギー技術という観点からその必要性が高い．

正しい現状認識を欠かすことはできない．加えて，核融合

エネルギー開発は科学技術開発である一方，行政やエネ

エネルギー実用化への長い道程を鑑みれば，アウトリーチ

ルギー企業経営，社会的受容性を始めとした科学技術のみ

活動の効果を定量的に測定する手法の検討も必要と言えよ

では解決できない課題を多く内包する．こうした課題はワう．

Graduate School of Advanced Integrated Studies in Human Survivability, Kyoto University, KYOTO 606-8306, Japancorresponding author’s e-mail: takeda.shutarou.55r@kyoto-u.jp

１９１!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020いない」「ニッチ：コアな支持者を獲得」「リーダー：この故に本研究の目的は，アンケート調査を通じて我が国国内における核融合に対する認知度ならびにイメージを明ら分野における勝ち組 」「レガシー：言われれば知っていかにし，もって核融合に対する社会の認識を定量的に測定る（一時は人気があった）」に分類し，認知度に関する立ちすることで，今後の効果的なアウトリーチ戦略の立案に資位置を分析する．ここでブランドの認知度は，「マイノリ

することである．

ティー」→「ニッチ」→「リーダー」→「レガシー」と推移の経過を辿るのが典型であるとされる．

２．手法

尚，本調査で使用した質問票については，附録１として

２．
１ 質問票の設計巻末に付した．
２．
２ サンプリングと調査実施

本調査では，２００
６年より類似の調査を経年的・定点的に実施している（一社）日本原子力文化財団実施の調査手法

調査実施については楽天インサイト株式会社に委託し，［４］を参考として質問票を設計した．これは，既に確立され日本全国の計１，
０００人に対しインターネット上にて２
０１９年た手法に立脚することで調査の有効性を高めるとともに，８月９日から１８日にかけ実施した．性別並びに年代につい

原子力と核融合での認知度・イメージに関する比較分析をては均等割り付けとしてサンプリングを行った．性別・年実施することを企図したものである．

代ごとの有効回収サンプル数を表１に示す．
２．
３ 調査結果の分析

さらに，核融合が未だ社会に実装されていない未来エネ
ルギー源であることを鑑み，その認知度につき他のエネル回収された調査結果については，単純集計ならびに質問

ギー源との比較を行う観点から，Top-Of-Mind Awareness

項目間のクロス分析，および TOMA 法によるマトリック（TOMA）法によるマトリックス分析を実施した．

ス分析を実施した．
２．
４ 考察

Top-Of-Mind Awareness（TOMA）法によるマトリック
ス分析は，主にマーケティング分野で活用されるブランド

分析結果に基づき，核融合に対する認知度・イメージの認知度の分析手法である．この分析では，回答者に対し，傾向を明らかにするとともに，今後核融合分野として如何

次の２点の聞き取りを実施する．１つめは第一想起と呼ばなるアウトリーチ活動を行うべきかを考察した．

れるもので，例えば「あなたは大学と聞いてまずどの大学を思い浮かべますか？」と尋ねることで，回答者があ３．結果

る分野で純粋に，第一に想起するブランドを調査する．２

３．
１ 核融合の認知度

つめは助成想起と呼ばれるもので，個別のブランドについ３．
１．
１ 単純集計て「あなたは 京都大学 という大学を知っていますか？」

本調査ではまず初めに，回答者全員に対し，「人類の未と尋ねることで，その認知度を調査する．この「第一想起

来エネルギー」と聞いて最初に思い浮かべる（第一想起）率」と「助成想起率（認知度）」を両軸とした分布図を図１

エネルギー源を，自由記述で回答して貰った．

の通り描くことで，各ブランドの立ち位置を分析するのが全国１，
０００人の回答した「人類の未来エネルギー」の第一

Top-Of-Mind Awareness（TOMA）法によるマトリックス

想起率の分布を図２に示す．核融合の第一想起率は，2.5％

分析である．

であった．これは回答者の４０人に１人が「人類の未来エネ
ルギー」として核融合を自発的に第一に挙げたことを意味

本分析においては，両軸の平均値により領域を４分割する．

し，各ブランドを「マイノリティー：まだ人々に浸透して続いて，回答者全員に対し，各種エネルギー源を列記して示し，その中から知っているものを全て選んで貰う形式
にて認知度（助成想起率）を測定した．各種エネルギー源の認知度を図３に示す．
図３は核融合の認知度が 40.0％ であることを示しているが，この認知度は宇宙太陽光発電や海洋温度差発電と比して２倍程度高く，波力・潮力といったエネルギー源と同程
表１

性別年代

図１

Top-Of-Mind Awareness 法によるマトリックス分析の例．

１９２

性別年代別有効回収サンプル数．
男性
男性
男性
男性
男性
女性
女性
女性
女性
女性

１
０代・２
０代
３
０代
４
０代
５
０代
６
０代以上
１
０代・２
０代
３
０代
４
０代
５
０代
６
０代以上

１
０
０人
１
０
０人
１
０
０人
１
０
０人
１
０
０人
１
０
０人
１
０
０人
１
０
０人
１
０
０人
１
０
０人

Contributed Paper

図２

Analysis on the Public Awareness and Images of the Word "Nuclear Fusion" in Japan図４

人類の未来エネルギー源としての第一想起率．

S. Takeda and R. Nagashima

性別・年代による核融合認知度のクロス分析（#二乗検定
による p ＝ 0.000＊＊＊）．

あった．
クロス分析の結果，立地３県に在住している回答者における核融合の認知度は 37.2％，それ以外の都道府県における認知度は 40.3％ であった．ただし．#二乗検定による!
,!!
&&)であり，この２つの属性（核融合関連施設立地県に在住しているか否か）の間に認知度の有意差は見られな
かった．
また，同様に３大都市圏である東京都（+!"#&），愛知
県（+!(!），大阪府（+!*'）からの回答とそれ以外の地域の回答との差異についても分析を行ったが，３大都市圏
における認知度（41.9％）とそれ以外の地域における認知!
$%$）．
度（39.2％）に有意差は見られなかった（,!!
３．
１．
３ TOMA 法によるマトリックス分析
以上の調査で得られた第一想起率ならびに助成想起率を
図３

各種エネルギー源の認知度（助成想起率）．

基に，各種エネルギー源について TOMA 法によるマトリックス分析を行った結果を図５に示す．
図５は，核 融 合 が 第 一 想 起 率（2.5％），助 成 想 起 率

度である．
３．
１．
２ クロス分析（４０％）ともに平均値（それぞれ 3.6%，53.1％）を若干下回

３．
１．
２．
１ 年代・性別による分析
核融合の認知度については，性別・年代によるクロス分
析を実施した．結果，全ての年代において，性別によって!
!"）が見ら
認知度に大きな有意差（#二乗検定による !"!
れた．クロス分析の結果を図４に示す．図４は，全年代で性別により核融合の認知度に大きな差があることを示している．今回最も認知が高かったのは「男性１０・２０代」の６３％で あ り，最 も 低か っ た の は「女 性・４０代」の２０％であった．
但し，こうした性別・年代ごとの認知度の差は，核融合の他に「地熱」「バイオマス」「波力」「潮力」など認知度の低いエネルギー源一般に観察された．
３．
１．
２．
２ 地域による分析
さらに，核融合関連施設の立地と認知度との関連についてもクロス分析を実施した．ここでは，茨城県・岐阜県・青森県を核融合関連施設の立地３県として定義し分析した．回 答 者 の う ち，立 地３県 か ら の 回 答 は 茨 城 県（+!#!），岐阜県（+!"&），青森県（+!(）の合計４２名で

図５

１９３

TOMA 法による核融合認知度マトリックス分析．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020

ることを示している．この結果は，核融合というエネルを回答する傾向の人々と，否定的なイメージを回答する傾

ギー源が認知度においてマイノリティーの領域に位置する

向の人々が存在することを示唆する．

こ とを 意 味 す る．し か し 一 方 で，核 融 合 は，マ イ ノ リ

３．
２．
３ クロス分析「核融合」という言葉に対するイメージが，核融合を認

ティーに属するエネルギー源としては最もリーダーまたはニッチ領域に近いエネルギー源であった．

知している回答者とそうでない回答者でいかに異なるかを

３．
２ 核融合のイメージ分析するため，クロス分析を実施した．

３．
２．
１ 単純集計核融合に対するイメージの回答割合は，核融合を知っていると答えた回答者とそうでない回答者の間で異なる分布

続いて，核融合を知っていると回答した人にも，そうでを示した．

ない人にも，「核融合」と聞いて思い浮かべるイメージを質問した．質問は，あらかじめ肯定的・否定的なイメージ

核融合を認知している者は，肯定的・否定的なイメージ

を１２ずつ示し，当てはまるものを全て選んでもらう方式で双方においてより高い回答率を示す傾向があった．但しこ

行った．図６に全国１，０００人による回答割合を示す．

こで，核融合の認知がそのイメージについて与える影響に

図６の結果は，核融合のイメージの上位３位が，回答率

ついてより本質的なのは，回答率の数値比較でなく，「核の高い順に「危険（60.7％）」「不安（41.9％）」「信頼できな

融合を認知することにより，そのイメージは肯定的か否定い（24.4％）」と全て否定的なイメージであることを表して的かどちらに振れたのか？」という問いである．そこで本いる．

調査では，各々の肯定的イメージ／否定的イメージのペア

３．
２．
２ 相関分析

（例えば「明るい／暗い」）について以下の式で「イメージオッズ値」を定義し，これを分析に用いた．

ここで一般に，肯定的なイメージを答えた回答者は，別の肯定的なイメージについても回答する弱い傾向が見られイメージオッズ値 ＝ log10（肯定的イメージを回答した人

た．例として，「おもしろい」という回答と「役に立つ」と

数÷否定的イメージを回答した人数）!
!%$，
い う 回 答 の 間 に は 有 意 な 正 の 弱 い 相 関（'!!
!
&!!
!!"＊＊＊）が観察された．

ここで，イメージオッズ値は，正であれば肯定的回答が，また同様に，否定的なイメージを答えた回答者は，別の負であれば否定的回答がそれぞれ優位である事を示す．

否定的なイメージを回答する弱い傾向が見られた．例とし（例えばて，「複雑」という回答と「信頼できない」という回答の間ジが否定的なイメージに比べ１０倍優勢である．
）このイ!
!
""#，&!!
!!!＊＊＊）が観には有意な正の弱い相関（'!!

メージオッズ値を用いて実施した核融合の認知の有無によ察された．

るイメージのクロス分析結果を図７に示す．

イメージオッズ値＝1.0 であれば，肯定的イメー

図７は，核融合を知っている回答者の方が，核融合に対

このことは，核融合について全般的に肯定的なイメージ

し全体的に良いイメージを抱く傾向にあることを示している．しかしながら，ここには重要な例外が観察される．そ

図６ 「核融合」と聞いて思い浮かべるイメージ（「肯定的なイ
メージ」として質問したものを上半分に，「否定的なイ
メージ」として質問したものを下半分に示している）
．

図７

１９４

核融合の認知の有無によるイメージのクロス分析．

Contributed Paper

Analysis on the Public Awareness and Images of the Word "Nuclear Fusion" in Japanれは，核融合を知っていると答えた回答者の方が，核融合

S. Takeda and R. Nagashima

したことを示している．

のことを「複雑」「わかりにくい」と感じているという点でさらに，この投資への受容性に性別・年代が与える影響ある．加えて，核融合は「役に立つ」と答える傾向についを分析するためクロス分析を実施した．結果を表２に示ても，核融合を知っている層で逆に弱くなっていることがす．
表２の結果は，男性 １０・２０代で最も支持が高く，女性観察される．これらは，アウトリーチ活動の今後の在り方に重要な示唆を与える分析結果である．

３０代で最も支持が低いことを表している．これは，核融合

３．
３ 核融合の技術認知度

に対する認知度とほぼ同様の傾向である．

次に，核融合の技術的特性に関する認知度を測るため，

事実，調査の冒頭において核融合を知っていると答えた

核融合の特性から９つを抽出し，その中から「聞いたこと

回答者は，知らないと答えた回答者より優位に高い投資受がある」ものを多選択式で回答頂いた．回答者が「聞いた!
!"）．そう思う＝５，
容性を示した（#二乗検定による#"!

ことがある」と答えた技術的特性の割合を図８に示す．

どちらともいえない＝３，そう思わない＝１として投資受

図８は，核融合の技術的特性に関する認知度が一概に高容性を数値化し，その平均値を計算したところ，核融合をくない事を表している．特に，「日本人の８６％が核融合と知っていた回答者の投資受容性は 3.71，そうでない回答者

原子力が異なる技術であることを認知していない」「９４％の投資受容性は 3.15 であった．

が核融合が核的暴走・臨界事故を起こさないと知らない」

３．
５ アウトリーチ活動への需要という点は留意に値する．

次に，今後のアウトリーチ活動の参考とするため，参加

３．
４ 核融合への投資受容性または利用してみたいアウトリーチ活動を全回答に対し質問した．結果を図１０に示す．

こうして核融合に関する認知度・イメージ調査を終えた
後，続いて核融合に対する投資の受容性を調査した．調査

結果，最も需要の高かった活動は施設見学会（21.3％）でにあたっては，まず核融合の利点（太陽で起こっている反あり，２・３位はインターネット上の資料であった．また，応である・燃料は海水から作られる・地球上にほぼ無尽蔵

当てはまるものは無いと答えた回答者も４５％に上った．

の資源がある・重大事故の危険性がない・高レベル放射性３．
６ 自由記述項目

廃棄物を出さない）を回答者に説明した上で，その実現に最後に，本調査の締めとして，回答者に対し「（核融合をは数兆円の予算と数兆年の年月が必要であると考えられる
表２

ことを説明した．その上で，今後，日本として研究予算を

性別・年代による投資への受容性のクロス分析［％］．

投じ核融合研究を継続するべきと思うかを質問した．
図９に，本質問に対する「そう思う」から「そう思わない」までの回答の分布を示す．

そ
う
思
う

ばど
そち
うら
思か
うと
い
え

など
いち
ら
と
も
い
え

ばど
そち
うら
思か
わと
ない
いえ

そ
う
思
わ
な
い

37.0
30.0
29.0
18.0
31.0
12.0
11.0
11.0
14.0
21.0

28.0
25.0
21.0
25.0
18.0
37.0
22.0
32.0
21.0
21.0

18.0
32.0
35.0
28.0
21.0
35.0
50.0
38.0
54.0
36.0

7.0
6.0
3.0
11.0
11.0
8.0
6.0
6.0
4.0
9.0

10.0
7.0
12.0
18.0
19.0
8.0
11
13.0
7.0
13.0

図９は，「そう思う」「どちらかといえばそう思う」を合計すると４６％の回答者が核融合への投資を受容する回答を

性
別
年
代

図８

核融合のもつ技術的特性の認知度．

図９

核融合の研究開発に投資するべきか．

男性 １
０代・
２
０代
男性 ３
０代
男性 ４
０代
男性 ５
０代
男性 ６
０代以上
女性 １
０代・
２
０
女性 ３
０代
女性 ４
０代
女性 ５
０代
女性 ６
０代以上

図１
０ 核融合アウトリーチ活動への需要．

１９５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020

知っていた方は）どのように知ったのか」「核融合についてらず，「核融合」という名辞は，危険，怖いというイメージの考え（あれば）」の２点を自由記述の形式で質問した．本を多くの国民に与えている．このことと，3.3 節で示され調査においては自由記述項目について大規模な定量分析はた，核融合が原理的に核的暴走・臨界事故を起こさないこ

行わなかったが，筆者らが特に着目している記述を以下にとを知る国民が 5.9％ に過ぎない事実を併せて考えれば，例示する．

「核融合」のイメージの第一位が「危険」であることは残念

どのように核融合を知ったか？

ながら自然であると言えよう．

という質問に対する回

さらに，自由記述においては，「違う言い回しでアピー

答は，多い順に「ニュース・メディア（１２１件）」「学校にて（６４件）」「アニメ・漫画・映画等の娯楽文化（２７件）」「雑ルしたほうが良い」「命名を変えた方が良いのでは？」と，誌（１２件，うちニュートンは２件）」であった．公開講座や「核」という文字そのものを外すべきであるとした市民が研究者の HP 等で知ったという回答は１０００人中４件に見ら多く見られた．この論点は，核融合が社会への実装をめざれた．

すにあたり，避けては通れない意見ではなかろうか．今後
核融合コミュニティとしての慎重な議論が望まれる．

核融合についての考えについては，多くの回答者から実４．
３ 核融合を知ることによるイメージ変化に示唆に富んだ回答を多く頂戴した．特に注目したい回答として，「安全なものであれば，費用や時間がかかってで３．
２．
２節におけるクロス分析は，核融合を知っているとも積極的に国家が進んで研究すべき」「人類に無害である

回答した回答者の方が，全体的に核融合に対し良いイメー

ならば命名を変えた方が良いのでは？」「身近でなく，情報ジを抱く傾向にあることを示した．さらに３．
４節では，核融が少ないので，もっと露出が増えればよい」「いいことばか合を認知している人の方が，研究開発への投資に理解を示

りアピールせずに，マイナス面や危険の種類・度合もちゃすことを明らかにした．これは，核融合への認知を広める

んと公表する必要がある」「核という言葉で原子力をイというアウトリーチ活動の在り方が，今後の社会実装に向メージしてしまう」といったコメントが挙げられる．本設け有用であることを示すものである．

問への回答は今後のアウトリーチ活動に資するところが大しかしながら，一方で，核融合を知っていると答えた回

きいと思われ，可能な限り多くの回答を巻末に附録２とし答者の方が，核融合は「複雑」「わかりにくい」と回答するて付した．

傾向にあったという図７の分析結果は留意に値する．
４．
４ 核融合の「わかりやすさ」

４．考察

加えて図７の分析は，核融合を知っている人の方が，核４．
１ 「核融合」と「原子力」の同一視融合が「役に立つ」と答える傾向が逆に低くなることを定

核融合のアウトリーチの観点から，本調査の結果の中で量的に明らかにした．このことと，「核融合を知っている

最も根本的な知見の１つは，我が国においては「核融合」

人の方が核融合を複雑でわかりにくいと感じている」といと「原子力」が同一視されているという事実であろう．３．
３

う傾向を合わせて考察するならば，核融合アウトリーチ活節の分析によれば８６％の日本人が，「核融合」と「原子力」

動における重要な課題こそ「核融合の意義をわかりやすくが異なる技術であることを認知していない．

伝える」ことであると改めて結論できよう．核融合をわか

さらに，３．
３節の分析は核融合のイメージの上位３位がりやすく，その有用性と共に市民に説明できるよう，我々回答率の高い順に「危険（60.7％）」「不安（41.9％）」「信頼

核融合コミュニティはより一層努力を重ねる必要がある．

できない（24.4％）」であることを示したが，これは表３に一方で，科学コミュニケーション論の観点からは，「わ比較する通り，日本国民の原子力に対するイメージとほぼ

かりやすい」だけに注力することには限界が存在する．こ同様の傾向である．これは，殆どの日本国民が「核融合」とれは「わかりやすい」のレベルが，訴求する層によって大「原子力」を同一視しているという事実を傍証するものできくことなることによる．理系大学生にとっての「わかりある．

やすい」と，小学生にとっての「わかりやすい」は大きく

４．
２ 「核」という文字への拒否感

異なる．故に，「わかりやすく伝えれば皆が理解してくれる」

また，本調査の自由記述（附録２）は，多くの日本国民訳ではない点に科学コミュニケーションの難しさがある．

が「核」という文字に強い拒否感を持っていることを改め

ここで３．
１．
３節における Top-Of-Mind Awareness 法によて浮き彫りにした．
「名前を変えた方がいい． 核 が怖い」

るマトリックス分析結果を振り返れば，核融合は現段階にという回答が端的に示す通り，好むと好まざるとにかかわ

おいてはマイノリティー領域からニッチ領域への移行に注力することも，戦略的選択肢の１つであることが浮かび上

表３

危険
不安
信頼できない必要
役に立つがる．即ち，「わかりやすさ」よりも「興味を持ちやすい」

核融合と原子力のイメージ比較．
核融合
（２
０
１
９年８月）

原子力［４］
（２
０
１
８年１
０月）

60.7 ％
41.9 ％
24.4 ％
12.7 ％
20.3 ％

69.0 ％
56.0 ％
21.8 ％
10.4 ％
18.6 ％

ことに訴えることで，より深くまで根差すことをまず指向するという方向性である．
この「わかりやすさ」に対するアウトリーチ活動戦略については，今後さらなる分析ならびに議論の必要があろう．
４．
５ 今後の課題
最後に，こうした調査は，経年的・定点的に実施することが有用と考えられる．この観点から，もし次回以降同様
１９６

Contributed Paper

Analysis on the Public Awareness and Images of the Word "Nuclear Fusion" in Japan

S. Takeda and R. Nagashimaの調査を行う場合には，再検討が必要と考えられる点を列

肯定的なイメージ ‐ １．明るい / ２．よい / ３．おも

記する．

しろい／

４．親しみやすい / ５．単純 / ６．安全 /７．信頼できる / ８．安心 / ９．必要 / １０．役に立つ

まず，本調査で各エネルギー源の助成想起率を測定するために用いたエネルギー源のリストには改善の余地が残/ １１．わかりやすい / １２．気にならない

る．例えば本調査では，エネルギー「源」でないという理

否定的なイメージ ‐１３．暗い / １４．悪い / １
５．つまら

由から「水素」を選択肢から外しているが，多くの回答者

ない / １
６．親しみにくい / １７．複雑 / １
８．危険 / １９．

が「水素」を挙げたことから，次回以降に調査を行うこと

信頼できない / ２０．不安 / ２１．不必要 / ２
２．役に立たがあればこれを選択肢に加えたほうが適切であろう．他にない / ２
３．わかりにくい / ２４．気になるも，波力・潮力・海洋温度差を「海洋」エネルギーと１区

２５．あてはまるものはない

分にする，選択肢に「廃棄物」を加えるなど，エネルギー設問４

源のリストについてはさらなる精査が望まれる．

「核融合」について，あなたが聞いたことがある

ものはどれですか．あてはまるものをすべてお選びくださ

また，「気になる」が否定的，「気にならない」が肯定的い．（いくつでも）という分類は日本原子力文化財団によるものである．これは使用中のエネルギー源たる原子力には当てはまるであろ１．「核融合」は「原子力発電」とは異なる技術である

うが，核融合に対しては適切ではないかもしれない．３．
２節

２．「核融合」は未だ実現していないエネルギーであるの分析にあたっては，この点に留意の必要がある．

３．「核融合」は太陽のエネルギー源である
４．「核融合」の燃料は海水から取り出される謝辞

５．「核融合」はほぼ無尽蔵のエネルギーを人類に提供

本研究は，２０１９年度核融合科学研究所共同研究「核融合できるエネルギーの社会的受容性向上のためのアウトリーチ活動

６．「核融合」は重水素と三重水素（トリチウム）が融合の進め方」の一環として実施された．本研究会において貴し，ヘリウムを生じる反応である

重なご意見を頂戴した委員の皆様方に深く感謝申し上げる．

７．「核融合」は高レベル放射性廃棄物を出さない
８．「核融合」は原子力発電のような事故を原理的に起

参考文献

こさない
９．「核融合」はガンダムなどの SF 作品に登場するエネ［１］文部科学省：原型炉開発に向けたアクションプラン
（２
０
１
７）
．
［２］文部科学省，第３期科学技術基本計画中間とりまとめ
（２
０
０
５）
．
［３］A.M. Weinberg, Science 177, 4045, 211 (1972).
［４］日本原子力文化財団，原子力利用に関する世論調査
２
０
１
８（２
０
１
８）
．

ルギー源である（以上表示順序ランダム）
１０．あてはまるものはない（排他）
設問５ 「核融合」は前問に書かれた性質（太陽で起こっている反応である・燃料は海水から作られる・地球上にほぼ無尽蔵の資源がある・重大事故の危険性がない・高レベル
放射性廃棄物を出さない）を持ったエネルギー源ですが，附録１

本調査で使用された質問票

その実現に数兆円の予算と数十年の年月が必要であると考えられています．

設問１ 「人類の未来のエネルギー」と聞いて，あなたが思これを聞いて，あなたは今後，日本として研究予算を投じ

い浮かべるエネルギー（技術または資源）を一つ記入して「核融合」研究を継続するべきであると考えますか．

ください．（ご自由にお書きください）

１．そう思う / ２．どちらかといえばそう思う / ３．
どちらともいえない / ４．どちらかといえばそう思わ

設問２

以下のエネルギーの中で，あなたが知っているもない / ５．そう思わないのをすべてお選びください．（いくつでも）
１．石油 / ２．石炭 / ３．天然ガス / ４．原子力 /設問６ 「核融合」に関する情報提供（イベント）の中で，５．水力 / ６．太陽光 / ７．風力 / ８．地熱 / ９．バ

参加してみたいまたは利用してみたいものはどれですか．

イオマス / １０．核融合 / １１．宇宙太陽光 / １２．CCS

あてはまるものをすべてお選びください．（いくつでも）付火力 / １３．IGFC / １
４．高速増殖炉 / １
５．海洋温度１．施設見学会 / ２．専門家が講師である勉強会 / ３．

差 / １６．波力 / １７．潮力（表示順序ランダム）/ １８．あ工作教室 / ４．実験教室 / ５．少人数で双方向の講演てはまるものはない（排他）会 / ６．大人数の講演会 / ７．バーチャル見学会 /８．インターネットでの講演会視聴 / ９．インターネッ

設問３

あなたは「核融合」という言葉を聞いた時に，どトでのパンフレットの閲覧 / １
０．インターネットでののようなイメージを思い浮かべますか．次の中からあては

資料閲覧 / １１．インターネットでの映像資料の視聴 /まるものをすべてお選びください．核融合を知っていると

１２．あてはまるものはない（排他）

回答された方も，知らないと回答された方もお答えください．（いくつでも）設問７ 「核融合」を以前からご存知であった方は，いつ，
１９７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.4 April 2020!

どこでお知りになったかをお教えください．
（ご自由にお自然エネルギーを使い，核廃棄物などの処理問題も発生しないものならば，自然破壊をしないもの．すすめ

書きください）るべき!

設問８ 「核融合」についてお考えがあればお書きくださ考えがあればお書きください．（ご自由にお書きください）附録２ 核融合に対する考えの自由記述（抜粋，
誤字等は回答通り）!

!

!

言葉変えた方が良い!

廃棄物と放射能の問題が，エネルギーの必要性に優先されるべきだと思う!

名前を変えた方がいい． 核!

原子爆弾，原子力発電と同様，人類が発明した科学技実現すれば素晴らしいが，人類が扱える技術であるか!

ス面は表にでない傾向があるので，ちゃんとマイナスで全面的に信頼は置けないの部分まで情報発信してほしい!

安全なものであれば，費用や時間がかかってでも積極!

よくわかっていないのでわかりやすく解説してくれる!

今後のエネルギー問題のためにも，研究を進めるべき!

核という言葉で原子力をイメージしてしまう．年齢を!

!

すごいエネルギーの生み出せるから利用できたらすご研究レベルで商用レベルではなかったが，現状はどういと思うけど，原子物理の範囲で習ったので，少し怖なのか発信してほしいいイメージがある!

身近ではないし，情報が少ないので，もっと露出が増核というだけで危険な印象を持ちやすい．安全性が高いのならば，違う言い回しでアピールしたほうが良い!

宇宙の現象だから安全，ではなく，地上で行えばどうなるか知っている筈なのに，なぜ薦めるのだろう!

核と聞いただけで怖いという感じがあるので，誰が聞いても分かるように説明して欲しい!

えればと思います!

必要／不必要を問う前に，核融合がどの様なものかを情報発信してほしい

問わず学生を含めもっと分かりやすく説明すべき!

管理できれば進めるのは構わないが確実に管理できればという条件が必須である

メディアがあればいいと思う!

新しいことを始めると，いいことは表にでるがマイナ

一般に公表される情報は不都合なものは隠蔽されるの的に国家が進んで研究すべき!

が怖い

術は人類を滅ぼす技術になりかねない

どうかわからない!

いいことばかりアピールせずに，マイナス面や危険の種類・度合もちゃんと公表する必要がある

い．またその情報源，情報発信の手段などについても，お危険はないと言われていたものも，実際には予期できなかった危険があったことがある．絶対に危険はない

核融合という名前が誤解されそう．決して危険ではなというのは信用できない

いことがわかるネーミングがよい!

具体的なことがわからず，核という言葉が印象に残る

核融合の研究が進む前に，地球が益々異変を起こして!

太陽エネルギーのような大きエネルギーを生み出す核

いないか

融合は本当に安心なのか不安である．テレビ番組等な!

核とつけることで危険と思いやすい

どでいろんな専門家で構成した特集をしてほしい!

爆弾のせいで危険なイメージを持っている!

将来性があるのであれば，時間がかかっても実現させ!

クリーンエネルギーの技術研究を進めるべきだと思わてほしい!

制御不能の未知数のエネルギー分野よりもっと身近なれる!

化石燃料に頼ることなく，未来のために国策として是名前を聞いた程度で知識がなく，漢字だけみるとよくないイメージが先行する．正しい知識の周知が必要

非進めて欲しい!

!

安心安全ならば推奨する!

物理的に困難な課題が多く，人類が実用化するには，必要があると思う．しかし，核という文字が入ってい日本は資源の乏しい国だから新たなエネルギーを探す

程遠い

ると，どうしても核＝危険のイメージが先立つので，!

核分裂と混同しないようにする

安全性を前面に出す必要があると思う!

予想外のことは起きる可能性があり，その時に危険が!

一瞬「核」と聞けばあまり良いイメージがない．人類に無害であるならば命名を変えた方が良いのでは？

起こるものは反対．冷却方法，暴走の危険が高いのではないか

１９８