December

12No.613

特集

未来を描く、小型集積レーザー

自然科学研究機構分子科学研究所
社会連携研究部門
特任教授

平等 拓範 氏この人に聞く

認定 NPO 法人
ベトナム簿記普及推進協議会
理事長

大武健一郎 氏

ビジネスインタビュー

熱を知り、熱を操る。

メトロ電気工業 株式会社

National Institutes of Natural Sciences
Institute for Molecular Science
Division of Research Innovation and Collaboration

世界最先端の超小型レーザー（TILA）技術を、日本の産業界へ。

表面活性接合技術による新構造（DFC）超小型レーザーの開発。

異方性セラミックスの開発で前人未到のレーザーを開発。

高強度パルスレーザーの研究開発と応用。

Kei Takeya, Ph.D.

Arvydas Kausas, M.S.

Yoichi Sato, Ph.D.

Hwan Hong Lim, Ph.D.

Team Leader
チームリーダー 博士 ( 理学 )Project Researcher
特任研究員

竹家 啓 氏

Visiting Researcher
特別訪問研究員 博士 ( 理学 )Project Researcher
特任研究員 博士

Arvydas Kausas 氏

佐藤 庸一 氏Hwan Hong Lim 氏

社会連携研究部門

分子科学研究所

小型高出力テラヘルツ波光源の実用化研究を推進。

わたしたちが、世界を 先導する。

疑似位相整合技術による世界最先端の波長変換デバイスを開発。
Hideki Ishizuki, Ph.D.
Visiting Researcher
特別訪問研究員 博士 ( 工学 )石月 秀貴 氏XFEL と高出力レーザーのユビキタス化を目指しチームを牽引。

マイクロ固体フォトニクスを提唱する
超小型レーザー開発の第一人者。

超小型レーザーを高出力化するパワーアンプの研究。

Yuji Sano, Ph.D.

Takunori Taira, Ph.D.

Vincent Yahia, Ph.D.

Program Manager
プログラム・マネージャー 博士 ( 工学 )Project Professor
特任教授 博士 ( 工学 )Project Researcher
特任研究員 博士

佐野 雄二 氏平等 拓範 氏Vincent Yahia 氏

高強度パルスレーザーの開発と電子加速への応用開発を推進。
Akihiro Tsuji, Ph.D.
Visiting Researcher
特別訪問研究員 博士 ( 工学 )辻 明宏 氏平等特任教授インタビュー

レーザーの発明
電流が流れたりする「光電効果」
は、波動説ではうまく説明がつきレーザーの登場

この難題に対し、アインシュタ
その周りを電子が取り巻いていま原子は中心に原子核があって、アインシュタインの論文

光がエネルギーだということはインが見事に答えを出しました。
す。普段は基底状態という安定状ませんでした。

ご存知だと思います。レンズで太「光は波と粒子の性質をあわせ持ます。そこに光などのエネルギー陽の光を集めると紙が燃えます。

アインシュタインは、この光量で刺激を与えると、電子は外側の態（低いエネルギー状態）にありギーになるという身近な例です。
子仮説でノーベル物理学賞を受賞

つ、フォトン（光子）である」

太陽から射す光がなかったら農作いいます。励起状態は非常に不安まります。これを「励起状態」とれいき軌道に移り、エネルギー状態が高もアインシュタインでした。

レーザーのきっかけを作ったのします。

す。人間は太古の昔からそのことを知っていて、自分たちにとって欠かせないものという認識を持っていました。

光の研究
光が何であるか。昔から研究されてきました。光の本質を問う論争が長きにわたり、科学者の間で続 け ら れ、「 光 は 波 で あ る 」 と いう仮説が主流となっていきます。
しかし、物質に光を当てると、物質の中の電子が飛び出したり、した。紫外線から赤外線域にわた倍以上向上し、現在の大型設備をうになると加速器性能が1000なされました。マイクロ波による一個の光を次々にコピーして増る広い波長域でもレーザー光が利一気に小型化できると言われていど、さまざまな材料（媒質）でレー幅し、拡散しにくく遠方まで届き用できるようになったのです。

ます。
このとき、エネルギーバランスやすい性質を持った光に変えるこ発生したレーザー光は反射鏡の間を何回も往復させることで増幅し、特性が揃った強力な光となって放出される。

アインシュタインの理論を基に、レーザーの実用範囲
レーザーは、製造業から、医療いま急速に進んでいる分野です。

多くの研究者たちがレーザー開発

タ ウ ン ズ は、 メ ー ザ ー と レ ー

光のエネルギーを集めれば、核分野まで幅広く使えます。テラヘザーの基礎研究などの業績が認め融合も可能とも言われています。に取り組みました。特筆すべきはられ、1964年にノーベル物理実際、米カリフォルニア州ローレ

ルツ波による非破壊透視なども、学賞を受賞しました。そして、初

ンスリバモア国立研究所内にあるタウンズとメイマンです。

めてレーザーを作ったのが米国のNIF（国立点火施設）や大阪大

世界最大のレーザー核融合施設
1960年、メイマンは人工ル

学 レ ー ザ ー 科 学 研 究 所 な ど は、物理学者メイマンです。

ビーに光を照射して、波長と位相レーザーを使った核融合の実験を光子は一点に集積して強大なエがきれいにそろったコヒーレントし減衰する光）を発振することにネルギーをつくり出すことが可能行っています。

成功しました。世界初のレーザーで す。 太 陽 の 光 も 核 融 合 エ ネ ル

光（波動が干渉し合って増幅ないの誕生です。

また、最近話題になった重力波ギーです。
りに、レーザー開発は世界中で急観測も高精度なレーザー干渉計でそのルビーレーザー発明を皮切激に進み、気体や液体、半導体なが望めるかもしれません。

ギー状態を創り出せ、新たな世界速の限界を破る極限的な高エネルます。同じサイズなら、現在の加を保つために、原子から光が放出励起光源無尽蔵なパワーとができる装置がレーザーです。

呼びます。アインシュタインは無秩序に起こる自然放出光のほかに、誘導放出光が存在するという概念を提唱しました。
アインシュタインの誘導放出のレーザー媒質レーザーの発明されます。これを「自然放出」となるものです。誘導放出の概念に

アインシュタイン

も の は、 す べ て 光 の 賜 物 な の で物は育ちません。生きとし生ける

これは、光を集めれば強いエネル

光の本性

光とは何か

PART1

定なので、すぐに電子はエネルギー

現状と今後の展開についてお話をうかがった。

加速器がレーザーで駆動できるよのようなインパクトを与えるのか。

ザー発振が行われるようになりまマイクロチップレーザーは、日本の産業界とわたしたちの未来にど従えば、光は増幅できます。

特任教授。

状態の低い元の軌道に戻ろうとしレーザーの超小型化・集積化に成功した分子科学研究所の平等拓範

理論は、レーザー光発振の基礎と鏡
鏡4
経済月報 2020.12
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レーザー超小型化最前線■ レーザーの基本構造

集特集特めに思ったことは、固体レーザーレーザーの世界に入って、はじレーザー小型化のヒント「マイクロ固体フォトニクス」の提唱
小型化で光革命を
レーザー研究のきっかけ

以前、わたしが研究していたエを小さくしたら、何か面白いこと

は、 コ ン ピ ュ ー タ を い つ で も ど
レクトロニクスの世界では、真空レーザーの研究者になる前、企こでも誰もが使えるものにしよ管が進化し、トランジスタが生まが起きるのではないか、というこうという東京大学の坂村先生のれました。さらにトランジスタが業でエレクトロニクスの研究・開TRON プ ロ ジ ェ ク ト に 参 加。
集 積 し て 集 積 回 路（IC）・ 大 規とでした。

わたしはメモリなどの開発に励み模集積回路（LSI）となりまし発をしていました。1984年にました。
当時開発した小型コンピュータをネクタイピンにしたものを持っています。今となっては幻のトロンチップです。
1980 年 代 後 半 に な る と 日
米 半 導 体 摩 擦 が 起 こ り、 日 本 での 半 導 体、 コ ン ピ ュ ー タ サ イ エン ス 研 究 は、 今 後 厳 し い か も し
れ な い と 思 い、1989 年 に 専門を光（フォトニクス）に変更。
アカデミックの世界に戻ること

集 積 化 に よ る 光 革 命。 わ た し のも起こせないか。レーザーの小型・これと同じことを光の世界でたのです。

チップ化され、情報革命が起こった大型コンピュータがマイクロた。そして、専門家だけのものだっ

く、 レ ー ザ ー の 材 料 と し て は 不で散乱損失を下げることが難し

不 純 物、 さ ら に 配 向 が ラ ン ダ ム

従 来、 セ ラ ミ ッ ク ス は 気 泡 やミックスの開発を進めてきました。の結晶）を用いて、レーザーセラ

ウム・アルミニウム・ガーネット

ン を 添 加 し た YAG（ イ ッ ト リ

質が持つ特性を効率的に引き出め 細 や か に 制 御 す れ ば、 そ の 物と同じマイクロメータ単位できま す。 そ し て、 物 質 を 光 の 波 長

われわれは試行錯誤を繰り返し

そ れ も 限 界 が あ る 事 が 分 か り、

あ る 事 を 検 証 し ま し た。 た だ、り、 レ ー ザ ー 材 料 と し て 有 用 でで配向を揃えなくとも透明にな「RE:FAPセ ラ ミ ッ ク ス 」 の レ ー

不可能と言われてきた異方性材料

夫による配向制御によって、実現

さらに、われわれは焼結法の工るのです。の特性を大幅に高めることができ配向をそろえることで、レーザーマイクロドメイン制御によってにしました。

今 日 ま で の 研 究 の 根 幹 を な す、向きとされてきました。しかし、がマイクロドメイン制御です。

マイクロ固体フォトニクスの始ザー発振に世界で初めて成功しま

手のひらサイズの小型集積レーザー

せ る こ と が わ か り ま し た。 こ れ2017年に開発した多層構造のレーザー媒質。レーザー発振用の YAG と冷却用のサファイア基板を、接着剤を使わない常温接合によって交互に接合した。

YAG で あ れ ば 複 屈 折 が 無 い の

80年代に企業で開発した超小型コンピュータ
トロンチップ （タイピンの飾り部分）■ DFC 構造

まりです。

研究の方向性研究の方向性としては、高性能マイクロチップレーザーの開発と、それに適した次世代材料の具体化が中心です。
高 出 力・ 高 エ ネ ル ギ ー を 実 現できるマイクロレーザーを作る
た め に は、 ハ イ パ ワ ー に 耐 え る
高性能な次世代材料が必須です。
その最有力素材がセラミックス。
セラミックスであれば均質な材料を量産することが可能になり

年代から

レーザー
出力（1.06µm）
Q スイッチ（Cr:YAG）
レーザー媒質 冷却基板（Nd:YAG） （サファイア）LD 励起（808nm）ます。

マイクロドメイン制御
わたしの研究室では主 に Nd や Yb な ど 希 土 類 イ オ

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PART2

集
特集特した。

レーザー点火ということでした。どうしたら熱を逃すことができるか。
そこで、私たちは新たな媒質を

レ ー ザ ー 発 振 用 の YAG 結 晶考案しました。表面活性による常火に成功しました。世界初の試みと冷却用のサファイア基板をどち

2013年に、YAG セラミッ

で あ り、 実 は そ の 前 の 2011
らも薄くスライスして、交互に接温接合（SAB）によって作る多

年にはアメリカのニューヨーク合することを着想しました。この

クスを使ったジャイアントパル

タ イ ム ズ や イ ギ リ ス の BBC でとき接着剤を使うわけにはいきま

層 構 造（DFC 構 造 ） の マ イ ク

われわれのレーザーが採りあげせんので、表面活性接合（SAB）スレーザーをプラグサイズにまら れ 報 道 さ れ ま し た。 た だ、 車という原子レベルで物質を常温接ロチップです。

ですと価格などの問題もありま合する新たな技術も開発しました。

で小さくし、自動車のエンジン点すので、まずは火力発電所、船舶、これによって深刻だった熱問題が解決されたのです。

航 空 機、 宇 宙 ロ ケ ッ ト エ ン ジ ンなどへの展開が期待されています。
レーザーセラミックの限界を超セラミックスですが、小型集積化大きな可能性を秘めたレーザー小型集積レーザーとなりました。

ワーレーザーが手のひらサイズのに よ っ て、 数 十 メ ガ ワ ッ ト の パ

え る 画 期 的 な DFC 構 造 の 開 発を進めるにあたって、配向制御以
わ た し た ち は こ れ を、TILA小型集積レーザー外にも解決しなくてはならない課（TinyIntegrated Laser）と 名付けました。

題がありました。それは、異方性材 料 の 接 合 で す。 ま ず 解 決 し た
かったのは、高出力にすると摂氏非線形光学波長変換
新たな研究分野としては非線形テラヘルツ領域なレーザーしか使えませんでした だ、 当 初 は 壊 れ や す く 微 弱な用途に使えるようになるのです。

波 長 を 変 え る こ と で、 さ ま ざ ま

これによって一台のレーザーでもに な っ た こ と は 画 期 的 で し た。

波長変換が高効率にできるようしいとされてきたレーザー光の非 線 形 光 学 素 子 を 用 い る と、 難Mat
ching： 擬 似 位 相 整 合 ） 等 のなかでも QPM（QuasiPhaseます。

ント光を生じさせることができまったく離れた領域にコヒーレた と え ば、 入 射 光 と は 波 長 がわかってきたのです。

を起こす（非線形）ということがが比例関係から外れ、多彩な現象

強力な光の場合には、物質の応答

ところが、レーザー光のようなます（線形）。

電磁場と比例するような形で現れなど、さまざまな光学現象が光のが物質に入射すると、吸収・発光によって生まれました。普通の光非線形光学は、レーザーの出現光学があります。

■ 電磁波の種類
た。 そ こ で、 特 殊 な プ ロ セ ス をエキシマレーザー
半導体レーザーYAGレーザー
ファイバーレーザー時代の到来と呼んでいます。

イアントマイクロフォトニクス」

体フォトニクス」を超えた「ジャわたしは、これを「マイクロ固うか。そう考えています。

使えるようになるのではないだろジェンシスを持ったエネルギーをが可能になるとともに、インテリ最終的には物質の極限的な操作うになります。

長・位相を、自在に制御できるよ

かった極限的なハイパワーや波

能 化 す る こ と で、 従 来 は 望 め なレーザーを多数組み合わせて高性なりました。また、小型化された

ザーはどこでも利用できるように小型化・集積化によって、レー次のイノベーション

ジャイアントマイクロフォトニクス

えるよ うにしました。

開 発 し、 パ ワ ー レ ー ザ ー に も 使

CO₂レーザー

紫外線
可視光線
赤外線200400700
1,400
30,00010⁴10²10¹1010²10⁴10⁶10⁴
波長（nm）

γ線
X線
紫外線
可視光線
赤外線
電波（マイクロ波）

波長が短い
可視域
波長が長い

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9400度を超えてしまい、ビーム品質の低下や機械的破壊が起こる

2013年、点火用に開発したマイクロチップレーザーを持った平等教授。手前は従来の大型レーザー。

集特集特

線自由電子レーザー（XFEL）

現在、マイクロチップレーザー技

小型集積レーザー（TILA）
コンソーシアムとは平等研究グループの研究成果を社会実装すべく、産学官を交えて支援・情報交換を行う超小型レーザー技術のイノベーション拠点。2019年4月1日に発足。企業などからなる一般会員と、幹事会員である分子科学研究所から構成されている。
コンソーシアムの会員は、平等グループの研究を支援することで平等グループが所有する最先端技術・設備の利用や知的財産権に関わる優遇措置などを受けられる。一般会員数26（2020年10月現在）

小型集積レーザー（ＴＩＬＡ）コンソーシアム

TILA を社会へとパルスレーザーの超小型化・ユ術、結晶方位制御技術、接合技術、ビキタス化を目指してきた方で、所・社会連携研究部門に「小型集冷却技術などを基盤とした小型集TILA コンソーシアム

積レーザー（TILA）コンソー
積レーザー製品化のために奔走い月、分子科学研究シアム」が発足しました。企業やただいています。

2019年

研究機関にメンバーに加わっていただき、研究開発と実用化に取り理想とするのは、シリコンバレー組んでいく組織です。
これまで研究者だけが浴してきとスタンフォード大学との関係、1993年から1994年と、た先端技術の恩恵を、マイクロ化・えるようにすることが使命です。
文部省在外研究員としてスタンそれと同じような関係を構築する分子研が企業や研究者にとっフォード大学で研究をしていた

高性能化・低価格化によって「いて、気軽に連携できる施設になっ時、 重 力 波 と レ ー ザ ー 加 速 研 究ことです。て ほ し い と も 思 っ て い ま す。 選バ イ ヤ ー 先 生 は、「 新 し い 先 端の草分けのひとりであるバイヤーす。 プ ロ グ ラ ム・ マ ネ ー ジ ャ ー
技 術 が 生 ま れ れ ば、 社 会 を 変 え

択 の 幅 を 広 げ る た め、 さ ま ざ まは、 工 学 博 士 の 佐 野 雄 二 先 生 でる 新 た な 粒 に な る。 最 先 端 を 研先生と出会いました。

す。先生は2014年から内閣府究するからこそ社会に影響を起

こ せ る 」 と い う 信 念 で、 大 学 の研 究 を 企 業 に 技 術 移 転 す る、 つまり先端技術を用いたビジネスを展開するベンチャー企業の育成をしていました。
アメリカではベンチャービジネ
スを立ち上げることに対して、ハードルが低く、寛容な土壌があると感じます。再挑戦するために力を蓄える場として大学や公共の研究所が機能しているのです。
将来、社会連携研究部門もそういった機能を担うことができれば素晴らしいと思います。
マイクロチップレーザーをはじめ、分子研には本当に優れた独自の技術が数多くあります。たとえば、小型化によってコストダウンにつながるような材料を産業界と連携して開発していけば、新しい産業の創出も期待できるでしょう。
いま、研究施設を改修していますので、来年の今頃は実験室も新しくなり、更に良い研究ができるようになっているでしょう。また、企業や他の研究機関との連携の場としても活用する予定です。

小型集積レーザーの応用イメージ

ImPACT プ ロ ジ ェ ク ト で Xなプロジェクトに携わっていまつでも、どこでも、誰にでも」使社会連携研究部門が目指すもの

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PART3

集
特集
特特集

特

広がるレーザーの可能性

世界で最 も小さなも の を 見 る
巨大Ｘ線 レ ー ザ ー「ＳＡＣＬ Ａ 」

SPring-8

集

市場規模は1.2兆円。製造からインフラ、医療まで

いまやレーザーは想像以上にわたしたちの身近にある。

レーザー技術は社会の中でどのように利用されているのか。
小型化によってどんな革新がもたらされるのか。
レーザーの可能性を探る。

SACLAレーザーを搭載した火星探索ロボットのイメージとができるようになった。ドロー分野での適応が期待されている。

洋探査、廃棄物リサイクルなどの福島第一原発の廃炉作業ンにマイクロチップレーザーを搭載すれば、橋などの危険な場所も遠隔で測定・分析することが可能だ。
福島第一原子力発電所では世界でも例のない事故炉の廃炉作業が経済月報 2020.12

レーザーの応用分野

土木・建築

直進性を活かした計測

レーザー光は、真っ直ぐに進むため、高い精度で距離を割り出す

リアルタイムで遠隔分析今も行われている。安全かつ迅速号が行った測距実験ことができる。先駆けとなったの

過酷環境下におけるレーザーをはアポロな作業のため、レーザーによる遠経済月報 2020.12使った遠隔分析技術開発が進ん

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電子を光速まで加速させる400メートルの加速管だ。月面に設置したレーザー反射

よ っ て 物質 の 解析 を 行 う 施設。という新しい発想が生まれた。こ「SPring-8」は 高 性 能 放 射 光 にの提案は福島廃炉プロジェクトの隣接 す る 大型放射光施設最高ランクＳ評価を獲得している。

高レベルといわれている。

製造業

微細なものを視る精度は、世界最材料加工・溶接・切削きる。ウイルスの DNA 解析など、製造業において、レーザーカッの構造まで「コマ送り」で観察でターや微細な穴開けから溶接など線よりも波長が長い。よって、そのレーザー加工機は様々な材料の極小の原子ですら SACLA の X

アポロ11号が行ったレーザー測距実験隔分析が期待されている。マイクの解明にも近づくはずだ。

で い る。 用 い ら れ る の は、 レ ー

産業界、インフラのメンテナンス、写真提供：NASA

消えていくのか。そういった謎器にレーザー光を当て、反射したSACLA がコンパクトになれば、ロチップレーザーは強力な放射線宇宙はどう始まって、どう壊れ、ザー誘起ブレークダウン分光トがある。

光が戻ってくるまでの時間を測定物質の発見も期待できるだろう。

環境下でも適用可能であることか小型化しようというプロジェク（LIBS） 分 析 法 だ。 遠 隔、 オシステムが登場し、次なる新しいし、地球と月の距離を正確に割りSACLA をトレーラーサイズまでら、ファイバーの先端に小さなマクトになれば、より高性能な大型ンライン、かつリアルタイムで計小型集積 レ ー ザ ー を 使 っ て出した。

また、既存のシステムがコンパ加工や切断に利用され、生産性の生させる。になる。

イクロチップレーザーを装着する

0.063ナノメートルの X 線を発■ S AC L A の小型化測可能であるため、火星探査、海で 進 む 電子 か ら 世界最短波長所・場面で手軽に利用できるよう

今日では高層ビルの建設や鉄道トルのアンジュレータで、光速の敷設、トンネル工事などにも広子を光速まで加速し、約240メー最先端科学の世界をあらゆる場く利用されている。航空機による約400メートルの加速管で電現場で幅広く活用されている。

レーザー測量では、隠れた地表面一台の巨大なレーザー装置だ。

研究所サイズまで縮小できれば、も正確にデータ化できる。の施設は、強力な X 線をつくる、で、微細な構造分析を必要とする建造物のメンテナンス

た「SACLA」。全長700メートル

与えるインパクトは計り知れない。

従来トンネルなどのメンテナン

自由電子レーザーとして誕生し鏡の裏に隠された文字の透視まスは、作業員が叩いて音を聞きな学研究所に、世界で2台目の X 線

医療関係やセキュリティなどにがら状態を確認していくという地

2011年、兵庫県佐用町の理化

タイヤの燃費効率の解析から魔道で危険な作業を要したが、レー■ 全長700M の顕微鏡

ザーを使って離れた所から叩くこ

兵庫県佐用町にある「SPring-8」と「SACLA」

1112

向上に貢献してきた。しかし、設「 直 進 性 」 を 持 つ こ と か ら、 封 筒
プ レ ー ザ ー の 開 発 が 進 め ば、 事い。ウェアラブルなマイクロチッ

療、喪失感覚・運動機能の再建にが可能だ。リハビリや脳疾病の治に、より本来の機能体に近い再生フェースとなりうるため、非侵襲内の薬物検出など非破壊での透視故で感覚や運動機能を失った場も活用できるだろう。

究や先端医療への貢献は少なくな解析が必要なシーンで応用が期待
合、脳とコンピュータのインターような「透過性」と光波のようなされている。

医療分野
治療から手術までイノべーションが起こるはずだ。

ち運べるパワーレーザーの導入でプレスや金型が必要な現場も、持さらに、飛行機の製造など大型深いところだ。メスを使うよりもるレーザー手術は、比較的なじみや白内障の手術など、眼科におけ近視の矯正手術（レーシック）とで、様々な症状の治療に適応できる。

であれば高効率、高出力にテラヘ深化し、マイクロチップレーザーら、体に直接装着し、通常の生活た材料で生体親和性が高いことかる。アパタイトは骨や歯とよく似

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経済月報 2020.12備が大型で価格が高額なことが普及の足かせとなってきた。
今後、レーザーの小型化・低価格化が進めば、熟練のエンジニアの手仕事だった溶接は、小型レーザー搭載の溶接ロボットが肩代わりできる。施工時に溶接の欠陥を非破壊で検出することもできるのレーザー光で金属の表面をたたい出血が少なく、身体への負担が少疾患に合わせて波長を選択するこて曲げたり薄くしたり複雑な成形ないため、静脈瘤などの血管疾患で、工期短縮も可能だ。

ができ、熱処理の必要がないため、やヘルニア、外科的手術に利用さ容方面からも注目されている。

れている。スキンセラピーなど美疲労強度も向上する。

テラヘルツ波で透視
テラヘルツ波は電波と光波の境

アパタイトというセラミックス

近未来の医療持つといわれながら最近まで未踏が、生体材料として研究されてい界に位置し、高いポテンシャルを年で研究がルツ波へ波長変換できる事が分かが送れるようになれば、脳科学研の領域だった。ここり、実用化が進んでいる。電波の小型集積レーザーで、未来を切り拓く。

10集特