水中のレーザー誘起気泡と光の透過植田研究室
1. はじめに
近年深刻なエネルギー問題により、天然ガスやメタンハイドレートといった新エネルギー源に

山城知晃

研究は海底地層の掘削のみならず土木建築への応用も期待される。
2. 気泡チャンネル観測実験

注目が集まっている。これらは海底地層中に分布

気泡チャンネル観測の実験系を Fig.1 に示す。

しており、ドリルを用いて機械的に岩盤に穴をあ

Er:YAG レーザーパルスを集光し水中に入射し、けるロータリー式と呼ばれる掘削方法で採取さこれとタイミング同期を取った Nd:YAG レーザーれる。このロータリー法はドリルの先端であるビの第二高調波である波長 532nm、パルス幅 20ns

ットの消耗や、その交換作業による作業時間の増の光を照明光として水槽側面から入射し CCD で加、硬い岩盤での掘削速度の低下などの問題があ気泡チャンネル形成を観測した。入射したパルスる。近年、このロータリー式の限界を超える可能の各時間における気泡チャンネル形成の様子を性のある方法としてレーザー掘削が研究されてFig.2 に示す。入力したパルスの前半部分が吸収さいる。レーザー光のエネルギーを用いて非接触にれ、このとき水中では気泡チャンネルが形成され加工を行うものである。水中にレーザー光を伝播た。気泡チャンネルが水槽底面に達するとパルスさせ海底の岩石に照射するため、伝送ロスの少なの透過が開始した。次第に冷却され、内部の膨張くなる水の吸収の小さい波長のファイバーレー

圧力が保てなくなるためチャンネル上部から崩ザーを用いて研究が行われていた。しかししばら壊した。このときパルスの透過も終了した。

く掘削したところで岩石が溶融し、表面で岩石の

Er:YAG
λ=2.94µm

ガラス成分が固まってしまう問題が起こることがわかった。これにより後に照射されるレーザー

CaF2 lensf=100mm

Microcomputer

光を反射、散乱させ、エネルギー照射を妨げ、それ以上の加工が不可能になるという現象が確認され、レーザー掘削は不可能であるという結論に

Pin hole
Nd:YAG
λ=532nmPhotodiodePhotodiode至った。その後本来なら水を透過しない波長である CO2 レーザーを用いて実験したところ岩石表面

CCDcamera

5mmFig. 1 気泡チャンネル観測の実験系のガラス化が起きない、常に新しい岩石表面を露

透過パルス波形

Intensity[arb.unit]

1.2

Input pulse

1.0出させ掘削を継続できることが分かった。このとtransmitted pulse

Input pulse : 200µs 300mJ

0.80

Transmitted pulse energy : 159mJ

0.60

き水中にはレーザーの光路に沿って筒状の気泡0.40である気泡チャンネルが形成されており、この気0.200.00

泡チャンネルによって水中に誘起される衝撃波0排除させたことにより掘削の継続が可能になっ強いレーザーである Er:YAG レーザーを用いて、より積極的に水中に気泡を誘起させることに主

150

200

250

t=40µst=80µst=120µst=160µs

1Z [m m ]本研究では CO2 レーザーよりさらに水の吸収の100time[µs]やジェット水流が岩石表面のガラス成分を飛散、たと考えられている。

502345Fig. 2

気泡チャンネル形成

眼を置き、気泡チャンネル形成から崩壊過程のメ次にパルス幅一定の条件において、入力するカニズム解明と掘削能力の向上を目的とした。本

パルスエネルギーを変化させたときの透過波

t=200µs

形の変化を Fig.3 に示す。またエネルギーの透(a)過効率を Fig.4 に示す。入力パルスエネルギー(c)

1t=40µsなった。相対的に気泡チャンネル形成に使われZ[mm]を増加させると気泡チャンネルの寿命は長く(b)02345

るエネルギーは小さくなりエネルギーの透過効率が上昇した。今回、入力パルスエネルギーt=80µs

300mJ のときに最大透過効率 53%を得た。
同一パルスエネルギー帯においてパルス幅を変化させたときの結果を Fig.5 に示す。同じ

t=120µs

パルスエネルギーにおいて短パルス化すると高密度化したレーザービームが大きなエネルギー吸収を実現し、大きな気泡チャンネルが形Intensity[arb.unit]

成される。その結果チャンネル寿命が増加した。

input pulse
117mJ
184mJ
300mJ

1.2
1.0t=160µs

t=200µs

0.80
0.60

Fig.5 気泡チャンネル形成のパルス幅依存性

0.40( (a):100µs (b):160µs (c):200µs )0.20
0.0050100150200

250

channel lifetime

time[µs]
Fig.3 透過波形の変化(a)input pulse
transmit pulse

0.80
0.60(b)0.40
0.20
0.0050100 150 200 250 300 350

input pulse energy [mJ]Fig.4 エネルギー透過効率

Intensity[arb.unit]

Transmittance

1.0channel lifetime

channel lifetime(c)04080120 160time[µs]200240Fig.6 透過波形のパルス幅依存性( (a):100µs (b):160µs (c):200µs )3. 気泡チャンネル内部構造の観測

Input pulse: 200µs 117mJ①後方照明（影）による撮影

t=120µs

これらの結果から気泡チャンネルの内部は完全に空洞で単一の気泡だと推測される。しかし今回のバックライトによる観測では気泡チ

CCD
camera5mm

ャンネル全体が黒く写り、内部構造を知ることができない。単一の気泡であればチャンネル中②同軸照明(散乱光)による撮影

央部が屈折せずに透過する光によって白く写るはずである。気泡の輪郭もいびつであるため、CCD
camera

この気泡チャンネルはマイクロバブルの集合であるとも考えられる。Er:YAG レーザーによって形成される気泡チャンネルは過去にも報

バックラ③色素の発光による撮影
Water + Rhodamine6G

告されている。同じバックライト法により気泡チャンネルを観測しているが、やはりチャンネ

CCDcameraル中央部は黒く写っている。チャンネル崩壊時にはマイクロバブルとなって崩壊している。そFilter

こで気泡チャンネルの内部構造を知るためのFig.7 気泡チャンネル内部構造観測実験を行った。この実験系と結果を Fig.7 に示す。これまでの水槽の側面より照明光を入射す

4. 水中衝撃波の観測る方法から Er:YAG レーザーと同軸に入射し気先述した通り従来のレーザー掘削の問題点を解泡による散乱を観測する方法と水にローダミ決した要素のひとつは水中衝撃波であった。ここン 6G を溶かし照明光が水を透過したときの色

では気泡チャンネル生成時及び崩壊時に水中に素の蛍光を観測する方法と二種類でクロスチどのような衝撃波が発生しているか計測を行っェックを行った。散乱による撮影ではチャンネた。

ル上部のガラスと水蒸気、チャンネル先端の水水中衝撃波の計測には圧電素子であるポリフ蒸気と水の界面の二点で観測され、チャンネルッ化ビニリデンフィルム(PVDF)を用いた。PVDF内部では界面がないことを示している。色素のフ ィ ル ム は真 鍮 に エ ポキ シ 樹 脂 で貼 り 付 け 、蛍光による撮影でもチャンネル内部からの蛍

Er:YAG レーザービームの中心から 1cm の位置に光がなく、水の膜状のものが一切ないことを示設置した。 PVDF フィルムのサイズは 10mm ×している。これらの結果から気泡チャンネル内10mm で厚さは 56µm であった。PVDF で採取し部はマイクロバブルではなく単一の気泡であた信号は 40dB のプリアンプを通してオシロスコるとの結論を得た。

ープで観測した。
励起パルス幅 200µs、パルスエネルギー168ｍJのときの音響信号を Fig.8 に示す。入力パルスの各時間における水中の様子を Fig.9 に示す。t=12µsにおいて水中に最初の気泡が生成されると同時にその周辺に半円状に衝撃波が誘起された。このとき PVDF にも生成信号が観測された。その後、気泡チャンネル崩壊過程で水中衝撃波が観測された。衝撃波の発生位置は円の中心であり、気泡チャンネルの崩壊の位置が上部から中央部へと移っていることが分かる。最後にビーム出射部の入力パルスエネルギーを増加させたときの音響ウインドウで最後の気泡が崩壊し、PVDF では大信号の変化を Fig.10 に示す。入力パルスエネルギ」

きな信号が観測された。実際に岩石掘削に用いるーを増加させると、水がより大きなエネルギーを場合、ビーム出射部のウインドウが岩石表面にあ吸収し大きな気泡を形成するので生成信号も大たり、この位置で崩壊する衝撃波が岩石表面ガラきく検出されている。また大きな気泡が形成されス成分の排除、飛散に大きく寄与していると推測ることにより崩壊までの時間が延びていることされる。崩壊時の信号の方が生成時のものより大が分かる。

きく検出されているのは、崩壊過程のほうが急峻らである。

Intensity[arb.unit]

input pulse
transmitted pulse

Intensity[arb.unit]な現象であり、誘起される衝撃波も当然大きいか

1.2
1.00.800.60
0.400.200.0-0.20-0.4060mJ
88mJ
168mJ
220mJ

050

100 150 200 250 300 350 400time[µs]Intensity[arb.unit]

Fig.10 音響信号の入力エネルギー依存性
acoustic signal

5. 懸濁液水中での気泡チャンネル形成
ここでは透明な水中ではなく光学微粒子を混ぜた懸濁水中において気泡チャンネル形成実験をおこなった。実際に水中地層加工や建物コンク
04080120160

200 240

280time[µs]リート中への加工などの応用を考えると、レーザ

Fig.8 PVDF で観測した音響信号

ー照射部には常に掘削された岩石やコンクリー
トのかけらであるデブリが浮遊した状態であり、透明水中で加工が行われるわけではないからである。デブリの影響を調べるために仮想デブリとt=12µs

t=40µst=60µs

して光学研磨に使用される ZrO2 を混入させて懸濁液を作成した。ZrO2 の平均粒子径は 0.2µm であっ た 。 使 用し た 懸 濁 液の 各 濃 度 での 透 明 度 をt=80µs

t=100µst=120µs

Fig.11 に示す。
ZrO2 0.01g/l

t=140µst=156µst=172µst=188µst=220µst=244µs

Fig.11

ZrO2 0.1g/l

ZrO2 4g/l

ZrO2 の各濃度における透明度

この懸濁液中における透過波形の変化を Fig.12 にFig.9 気泡チャンネル生成および崩壊時の示す。透過パルス立ち上がり時刻は純水と懸濁液水中衝撃波であまり変化がなく、水の吸収が強い Er:YAG レ

ーザーの特徴が表れていると言える。純水の場合に比べて懸濁液では立下り時刻が遅れており、気(a)泡チャンネルの寿命が伸びている。その結果透過エネルギーが増加した。ZrO2 の濃度が濃ければ濃いほど気泡チャンネルの寿命が延び、最終的に(b)ZrO2 の濃度が 4g/L のとき入力パルスの立下りと一致した。これは ZrO2 粒子によって液体の重量が増加し、水中の不安定性の成長を抑制して気泡チャンネル上部の崩壊が遅延されたことによるものだと考えられる。純水の場合と ZrO2 の濃度(a)0.01g/L のときの水中での気泡チャンネル形成の比較を Fig.13 に示す。わずかではあるが t=120µsから t=160µs で気泡チャンネル上部で崩壊に差が(b)見られた。この結果は大変有望だと言える。このような散乱体がありレーザーの透過できない水中であっても Er:YAG レーザーは気泡チャンネル

Fig.13 純水と懸濁液での気泡チャンネル形成の比較(a)純水(b)懸濁液を作ることで透過させることができる。また実際の掘削条件に近づいた方が、より長くチャンネル

6. 岩石加工模擬実験を持続し透過エネルギーが増加する。よってよりここでは岩石加工の模擬実験を行った。今回使加工のためにレーザー光のエネルギーを使うこ用した Er:YAG レーザーは岩石加工に用いるにはとができるということである。

パワーが小さいので、より簡単に加工できる石膏を加工した。入力パルスはパルス幅 200µs、パル

input pulse
transmit pulse (water)transmit pulse (water+Zr0.01g/l)transmit pulse (water+Zr0.1g/l)transmit pulse (water+Zr4g/l)

Intensity[arb.unit]

1.41.2
1.00.80

スエネルギーは 117mJ であった。5mm チャンネ
リングさせたあとに石膏にレーザー光が照射されるように調節した。
加工中の様子を Fig.14 に示す。パルス開始を 0µsとし、t=80µs の気泡チャンネルが形成され、水中0.600.40に延びてくる、まだ石膏に対してレーザー光のエ0.20

ネルギーが供給されていない段階ですでに石膏

0.0Fig.12050100150200

表面には変化が見られ、粉が飛び散り始めている。

time[µs]

これは気泡チャンネル形成に伴う衝撃波がチャ懸濁水中での透過パルス幅変化

ンネル到着前に対象物を加工し始めていることを示している。そして t=100µs において気泡チャンネルが石膏表面に到達すると、レーザー加工によって生じた加工性生物デブリが飛び散っている様子が観測された。その後、t=120µs においてはデブリを弾き飛ばした環境でレーザー掘削が始まり、その結果デブリも周辺に排除されていった。気泡チャンネルは上部から崩壊していき最後は石膏表面で崩壊し衝撃波を発生させるが、このときも石膏には影響が現れ粒子が飛散している。

海底地層のレーザー掘削技術において重要と

0t=80µst=0µs

1Z [m m ]7. まとめと今後の展望

2

t=100µs

壊過程の時間分解計測を行った。デブリの影響を

Input pulse: 200µs 117mJ

3

なる、レーザー誘起気泡チャンネルの生成から崩受けないことや、水中衝撃波による拡大加工など、

45

石膏
t=120µs

実際にレーザー掘削に用いる上で気泡チャンネ
t=140µst=160µs

ルを用いた加工が好ましい特性を持つことがわかった。しかし今回用いた Er:YAG レーザー単体のエネルギー透過率は最大でも 50%程度と、岩石掘削に用いるにはあまり大きくない。これはt=200µst=180µst=220µs

Fig.15 のように別にエネルギー照射用のレーザーを用い、気泡チャンネル形成と同時にチャンネル内部に伝搬させて岩石に照射することで飛躍的に透過エネルギーを上昇させることができると考えられる。

t=260µst=240µst=280µs

Er:YAG
2.94µmH8
micro computer

Fig.14

CaF2 Window
S1:ARcoat@2.94µm
S2:HRcoat@1064nm

石膏加工中の水中の様子
Nd:YAG1064nm

CaF2 lensf=100mm

同一条件において空気中、水中での加工表面の比較を Fig.15 に示す。空気中においてはレーザー

5mm

ビームが照射された部分だけが穴が開いているのに対して、水中加工ではその周辺の広範囲に深Fig.16 同時照射

く加工されているのがわかる。この結果はレーザー光と水中衝撃波の合同掘削力の大きさを示し

参考文献ており、今回対象としているのは精密加工ではな[1]特開 006-307481 液中地層の掘削方法及び装置

く、海底掘削や土木加工であるのでこのような拡[2]les P. Lin et al “High-speed photography of

大加工は望ましい特性といえる。

Er:YAG laser Ablation in fluid” Investigation

同一ショット数、パルスエネルギーにおいての加工性の比較
空気中

水中Opthalmology&VisualScience,

Vol.31

No.122546-2550
1500µm[3]atsumasa Iwai et al “Penetration of high-intensity

300µm

Er:YAG laser light emitted by IR optical fibers with
ビーム径と同等の範囲で加工された
深さ600µm

広範囲に加工された

深さ2mmsealing caps in water” Applied optics Vol.43 No.12[4]Ith et al “Dynamics of laser-induced channel
formation in water and influence of pulse duration on
the ablation of biotissue under water with pulsed

Fig.15

空気中、水中での加工表面の比較

erbium-laser radiation” Applied physics B Vol.59

621-629