視点
革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）におけるパワーレーザーの開発「ユビキタス・パワーレーザーによる安全・安心・長寿社会の実現」
革新的研究開発推進プログラム（ImPACT） プログラム・マネージャー

1.

佐野雄二と、開発した装置を広く普及させることで安全・安はじめに心・長寿社会の実現に寄与することを目的としている。
１）

革 新 的 研 究 開 発 推 進 プ ロ グ ラ ム （Impulsing
Paradigm Change through Disruptive Technologies：
以降ImPACTと書く）は、実現すれば産業や社会のあり方に大きな変革をもたらす革新的な科学技術イ

2.

プログラムの全体構想

ノベーションの創出を目指し、ハイリスク・ハイイ本プログラム（ユビキタス・パワーレーザーによンパクトな挑戦的研究開発を推進することを目的とる安全・安心・長寿社会の実現）で推進する研究開したプログラムである。平成21年度から25年度まで実発の全体構成を図１に示す。本プログラムは、光量２）施された最先端研究開発支援プログラム （FIRST）

子ビーム発生装置の一つであるＸ線自由電子レーにおける研究者優先の制度的優位点と、研究開発のザー（XFEL）をレーザープラズマ加速により実現企画・遂行・管理などに関して大胆な権限を付与すするための基盤技術の確立と、パルス発振の高出力る米国国防高等研究計画局（DARPA）のプログラレーザーの超小型化を目的としている。

ム・マネージャー（PM）方式の利点を融合した、新１）

たな仕組みを特徴としている 。

本プログラムは、XFELの超小型化のための技術開発および原理実証を行う「レーザー加速XFEL実ImPACTは、平成25年６月に閣議決定された「日証（プロジェクト１）」、パルス発振の高出力レー

本再興戦略」や「科学技術イノベーション総合戦ザーを超小型化するための「超小型パワーレーザー略」などの策定における議論を経て、戦略的イノ（プロジェクト２）」、および開発・実証した技術おベーション創造プログラム（SIP）と並びその創設よびシステムの有用性を評価する「システム化評価が決定された。その後、プログラム・マネージャー（プロジェクト３）」の三つのプロジェクトで構成さの公募を経て、平成26年６月24日に開催された第２れ、「レーザー加速XFEL実証」および「超小型パ回総合科学技術・イノベーション会議

３）において、12名のプログラム・マネージャーが決定され、５年間の研究開発がスタートした。
「ユビキタス・パワーレーザーによる安全・安心・
４）

ワーレーザー」の両プロジェクトは、さらに複数のサブプロジェクトで構成されている。
これらの研究開発を成功に導くためには、従来は個別の専門分野として発展してきた「レーザー」

長寿社会の実現 」は、医療・生産現場・社会イン「プラズマ」「加速器」の技術を有機的に統合する必フラなど、様々な分野で応用が可能な高出力のパル要がある。また、将来の生活様式や産業構造を予測スレーザー装置とレーザーによる光量子ビーム発生してニーズに合致した研究開発とするため、ユー装置を超小型化・低コスト化する技術を確立し、我ザーの直接的な参画や助言が必要不可欠である。こが国の研究開発および産業競争力の飛躍的な向上のため、幅広い専門分野にわたる水平的な協業体制

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視点

プロジェクト1A： レーザー加速要素技術開発
プラズマの波電子電子ビームプロジェクト1B： レーザー加速統合プラットホーム
サブPWレーザー（5〜10Hz）

Ｘ線ビーム(1keV)

電子ビーム（1GeV）

レーザー

プロジェクト3H：
システム化評価

超小型パワーレーザー

プロジェクト1E：
プラズマ素子電源

プロジェクト1D：
ビーム計測・制御

プロジェクト2F：
マイクロチップ
レーザー

プロジェクト1C：
マイクロアンジュレーター
プロジェクト1C’：
革新的アンジュレーター

・産業応用（レーザーピーニング・フォーミング、レーザー超音波探傷など）
・基礎科学への応用（超高圧極限環境下の材料挙動、相転移の科学など）

プロジェクト2G：
高出力小型パワーレーザー

図１

研究開発プログラムの全体構成と、大学・研究所・産業界・ユーザーが一体となっレーザープラズマによる加速高周波による加速プラズマの波た垂直的な協業体制を構築する。なお、具体的な研レーザー
100GV/m（加速長～1/1000）

加速勾配：50MV/m

レーザー加速XFEL実証（プロジェクト１）

電子ビーム

置換え

究開発の体制は４章に記載する。
2.1

電子

図２ 高周波による電子加速とレーザープラズマによる加速

我が国はＸ線自由電子レーザー施設SACLA、大強度陽子加速器施設J-PARCなどの世界最高性能の加速器を建設・運用し、研究開発に供してきた。そにマイクロアンジュレーターを開発し、超小型のＸの結果、最先端の研究開発成果が続々と生まれてい線自由電子レーザーの実現に必要な要素技術を開発る。例えば、Ｘ線自由電子レーザー施設SACLAでする。

は、タンパク質一分子の構造解析、生きた細胞のイメージング、化学反応の実時間測定などが進められており、創薬、疾病・伝染病対策、触媒の開発など
５）2.2

超小型パワーレーザー（プロジェクト２）

これまでのパワーレーザー、特にパルス発振のパへの応用が期待されている 。これらの世界最高性ワーレーザーは寸法・重量や消費電力が大きいた能を誇る施設の機能が、一部ではあっても一研究め、産業分野における適用は必ずしも進んでいな室、一企業で利用可能となれば、研究開発の期間がい。このため、プロジェクト２では、パルス発振の大幅に短縮され、我が国の研究開発および産業競争パワーレーザーの超小型化を実現し、各産業分野に力の飛躍的な向上が期待できる。

おける適用拡大を目指す。

プロジェクト１（レーザー加速XFEL実証）では、

一般にレーザー装置は温度変化や振動、湿気などXFELを超小型化するための技術開発および原理実に弱く耐環境性に劣るため、レーザー装置を安定な証を行う。具体的には、従来の高周波による加速を環境に設置し、レーザー光をミラーや光ファイバーレーザープラズマ加速に置換えることにより、電子で伝送することにより、様々な適用に供している。の加速長さを約１/1000に短縮し、超小型化したア

しかしながら、高出力のパルスレーザーの伝送にはンジュレーターと組合せてＸ線ビームを実現するた

ミラーや光ファイバーの損傷のリスクを伴うほか、めの技術を開発する。

空気やガラスなどの伝送媒質による散乱損失、媒質レーザープラズマによる電子加速の概念を図２にとの非線形な相互作用による損失や損傷などが生じ示す。高周波加速では50MV/m程度の加速勾配がるため、その取扱いは容易ではなく普及を妨げてい限界であるが、レーザープラズマ加速では100GV/た。

mの加速勾配を得ることが可能であり、原理的にはそこで本プロジェクトでは、日本が得意とするマ加速長さを１/1000以下とすることができる。さらイクロチップレーザー技術やセラミックレーザー媒
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質技術などを活用し、パルス発振のパワーレーザー

レーザーピーニング用に開発されてきたレーザーを小型化するための技術開発を行い、これまで寸発振器の変遷を図３に示す。本プロジェクトでは、法・重量の制限で適用が不可能であった宇宙・地パワーレーザーの普及を妨げてきた装置寸法・重下・海底などを含むあらゆる環境下での適用を推進

量、発振周波数、およびコストに関わる課題を解決する。具体的な応用としては例えば、レーザーピーし、研究開発分野や産業界への展開を推進する。

ニング、レーザー超音波探傷、レーザー分光分析な

2.3

どの検査・予防保全、深海での掘削、アブレーショ「レーザー加速XFEL実証」および「超小型パワーンによる宇宙ゴミ処理、金属疲労対策などが想定さレーザー」の両プロジェクトにおける技術開発の内れる。また、高い繰返し周波数での発振が可能にな容および実証したシステムの有用性をユーザーの立れば、処理時間が律速となる製造現場への適用拡大場から評価し、要素技術やシステムの改善点およびが期待できる。さらには、従来の機械加工では形状将来の開発と実用化の方向性を提示する。

システム化評価（プロジェクト３）や寸法に対する制約が大きいフォーミングなどの新しい加工技術やそれによる新産業の創出も考えられ3.

る。
QスイッチNd:YAGレーザー

各プロジェクトの実施内容

本プログラムで計画している研究開発の内容を図

マイクロチップレーザー４に示す。図１に記載したとおり、プロジェクト１

1997年
システム
設計

（レーザー加速XFEL実証）およびプロジェクト２（超小型パワーレーザー）は複数のサブプロジェク
nature photonics, vol. 2,Sept. 2008, pp.515-517

体積：～108mm3

トで構成されている。以下に各プロジェクトおよびサブプロジェクトの概要を説明する。

2006年
システム設計3.1
体積： ～106mm3

図３

レーザー加速XFEL実証（プロジェクト１）

日本独自のプラズマ素子技術で、従来の加速器と体積： ～104mm3比較して加速長さが１／1000以下の安定な電子加速レーザーピーニング用発振器の小型化を実現する（プロジェクト１Ａ）。さらに、超小型
超小型パワーレーザー
LD、セラミックレーザー媒質技術などにより高出力・高繰り返しを達成

レーザープラズマによる電子加速レーザー

マイクロチップレーザー技術でハンドヘルドを実現、適用範囲を拡大
ユーザーに移転（H29～）

プラズマの波
加速された
電子ビーム

電子ビーム

Ｘ線ビーム
(1keV)

アンジュレーター

拠点を整備、技術・研究者を集結（H29～）

図４

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加速勾配：100GV/m（従来：50MV/m）

電子ビーム（1GeV）

XFEL（SACLA）@理研・播磨

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電子ビーム

先端施設の機能を超小型装置で実現

レーザープラズマ加速モジュール32

電子レーザー
安定化磁石

サブPWレーザー

レーザーによる電子加速装置

プラズマの波

超小型XFELの構想図

研究開発の全体構想

超小型アンジュレーター

視点のマイクロアンジュレーターを開発し、Ｘ線ビーム

マ電子加速装置を図５に示す。

を実現する（プロジェクト１Ｃ）。また、安定な電子加速に必要な計測・制御技術（プロジェクト１3.1.2

レーザー加速統合プラットホーム（プロジェＤ）や、電子の追加速技術とその電源の高度化・効

クト１Ｂ）

率化（プロジェクト１Ｅ）などXFELの超小型化にレーザープラズマ加速によるXFELの実験プラッ

必要な要素技術を開発し、開発した各要素技術を統トホームを構築し、プロジェクト１で開発する各要合・検証するプラットホームを構築する（プロジェ

素技術および装置（プロジェクト１Ａ、１Ｃ、１

クト１Ｂ）
。

Ｄ、１Ｅ）を集約・統合・システム化することにより、総合的な技術検証を行うための拠点として活用

3.1.1

レーザー加速要素技術（プロジェクト１Ａ）

する。

加速の安定性・再現性に優れ、マイクロアンジュ

世界で初めての安定な多段電子加速とＸ線ビームレーター（プロジェクト１Ｃ）への電子入射が可能の発生を実現するため、レーザーシステムや専用コなGeV級のエネルギーのレーザー加速技術を開発す

ンプレッサー、レーザービームラインなどを開発・る。

整備する。また、１Ｃで開発するマイクロアンジュ

大阪大学において、単一のプラズマ素子を使用して
６）

約300MeVの安定な電子加速を実現しているが 、レーターを組み込むことにより、約１keVのＸ線ビームの発生を平成30年度末までに確認する。

プラズマ素子を多段化し、「電子バンチの発生」「電子ビームのエネルギースペクトルの準単色化」「ビー3.1.3 マイクロアンジュレーター（プロジェクト１Ｃ）

ム加速」をそれぞれ個別のプラズマ素子で実施する

プロジェクト１Ａ（レーザー加速要素技術）で開ことにより、GeV級の安定したレーザー加速を実現

発する電子加速の多段モジュールと組合せることにする。多段化においては、各段間の時間的同期や電より、約１keVのＸ線ビームを発生する超小型のマ子ビームおよびレーザービームの高精度な空間位置イクロアンジュレーターを開発する。

制 御 が 課 題 と な る。 そ こ で、 プ ロ ジ ェ ク ト １ Ｄ

現状200ｍオーダーの長さを必要とするアンジュ（ビーム計測・制御技術）やプロジェクト１Ｅ（プレーターを1／10以下（＜10ｍ）に短尺化するため、ラズマ素子電源）における開発と連携し、電子ビー既存のアンジュレーターで使用している数十mm周ムの安定制御やビーム加速に関わる技術を確立す

期の磁石を数mm以下に極短周期化する技術を開発る。最終的には、開発した要素技術をレーザー加速する。板状磁石の一体成型技術と新たに開発した着統合プラットホーム（プロジェクト１Ｂ）に集約

磁ヘッドにより約４mm周期のアンジュレーターのし、マイクロアンジュレーター（プロジェクト１要素技術は確立しているが、より周期長が短い板状Ｃ）にGeV級の電子ビームをサブミリの精度で入射磁石の開発を行う。また、着磁させた板状磁石の連させる装置を開発する。

結部分の磁場乱れの抑制技術や端部磁場の最適化技

開発中の単一プラズマ素子によるレーザープラズ術を開発する。これらの開発の成果を反映し、レーザー加速統合プラットホーム（プロジェクト１Ｂ）で使用可能なモジュールを平成29年度末までに試作する。
マイクロアンジュレーター用に試作した板状磁石（磁場周期４mm）を図６に示す。

図５

レーザープラズマによる電子加速装置（提供：大阪大学

細貝准教授）

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3.2

超小型パワーレーザー（プロジェクト２）

日本独自のマイクロチップレーザー技術、セラミックレーザー媒質技術などを活用することによりパルス発振のパワーレーザーを超小型化し、各種応用（材料強化、非破壊検査、分析、医療など）に展開する。
現在、光学定盤サイズの寸法が必要な数十～百mJクラスのパルスレーザー装置を手のひらサイズ
図６試作したマイクロアンジュレーター用板状磁石（提供：高エネルギー加速器研究機構

山本教授）まで超小型化し、ロボットやメカトロニクスへ搭載することにより応用範囲を拡大する（プロジェクト２Ｆ）。また、エネルギーがより大きい数Ｊ級のパ

3.1.4

ビーム計測・制御技術（プロジェクト１Ｄ）

ルスレーザー装置では、これまで達成できなかったレーザーによる安定な電子ビームの生成、さらに高繰返し（100Hz以上）発振が可能な小型レーザーは多段加速を実現するためには、レーザープラズマ装置を開発する（プロジェクト２Ｇ）。

加速に関わる原理・現象の解明が必須となる。そこ

本プロジェクトで開発する技術は、プロジェクト

で、レーザーが生成する航跡場をリアルタイムで確１（レーザー加速XFEL実証）で使用するレーザー認するための超高速の計測技術を確立し、不安定要光源の小型化・高度化技術として、将来の活用を図因を抽出してレーザー波形などにフィードバックする。

ることにより、レーザープラズマを安定に制御する3.2.1

技術を開発する。
本開発はプロジェクト１Ａ（レーザー加速要素技マイクロチップレーザーの開発（プロジェ

クト２Ｆ）術）および１Ｅ（プラズマ素子電源）と密に連携しパルスエネルギー３mJクラスのマイクロチップながら開発を行い、プロジェクト１Ｂ（レーザー加レーザーを20mJ以上に高出力化し、１kg以下の発速統合プラットホーム）が構築する拠点においてマ振器総重量で実用に供する装置を開発する。

イクロアンジュレーター（プロジェクト１Ｃ）への光の波長と同程度のマイクロメートルオーダーで電子ビーム入射およびＸ線ビームの発生を実現す物質・材料を設計するマイクロドメイン構造制御技

る。

術や、出力を増幅させるためのレーザーアンプの開発を行う。高出力化における一番の課題である熱問

3.1.5

プラズマ素子電源（プロジェクト１Ｅ）

題を結晶方位制御やヒートシンク材料・接合技術のパルス放電によりプラズマ素子内に急峻なプラズマ密度分布を生成し、レーザーをガイドして効果的励起光学系に電子加速を行うための電源を開発する。

レーザー共振器プロジェクト１Ａ（レーザー加速要素技術）およ

集光光学系

びプロジェクト１Ｄ（ビーム計測・制御技術）と密に連携し、多段レーザー加速の最終段となる追加速に必要なプラズマチャネルの開発を行う。繰返し放電が可能な劣化のない安定したプラズマチャネルの生成技術と、電子加速に必要な大電流（１～５kA）の高繰返しパルス電源（10ns以下の立上り、100nsの持続時間、100ps以下のジッター）を平成28年度末までに開発する。
図７

マイクロチップレーザー（提供：分子科学研究所

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平等准教授）

視点

開発によって解決し、パルスエネルギー数十mJの図る。

発振が可能な手のひらサイズのレーザー装置を平成

本プロジェクトで開発したレーザー装置は平成2928年度末までに実現する。平成29年度および30年度

年度または30年度にユーザーの研究開発施設またはは開発した超小型マイクロチップレーザーを企業の工場へ移設し、検証試験を行って適用性を実証す

製造現場などで使用し、適用性の評価・検証を行る。そのため、可搬でかつ耐環境の高い装置を開発う。

する。

エンジン点火用に開発されたマイクロチップレー
ザー（パルスエネルギー３mJ）を図７に示す。
3.2.2

高出力小型パワーレーザーの開発（プロジェ

クト２Ｇ）

4.

実施体制

本プログラムでは、国内の特に優れた研究者・機数Ｊ級のパルスエネルギーを持つレーザー装置を関の参画を得て、明確な出口戦略のもとで５年間の100Hz以上の繰返しで発振させるための技術を開発集中的な研究開発を実施する。平成27年２月時点のし、装置の製作と応用展開を行う。

実施体制を図８に示す。平成26年10月２日に開催さ数Ｊ級のパルスレーザー装置はフラッシュランプれた第７回革新的研究開発推進会議にて、細貝知直

励起によるものがほとんどであり、発熱のため発振准教授（大阪大学）がプロジェクト１Ａ（レーザー周波数は高くとも数十Hzに制限されてきた。実産

加速要素技術）、兒玉了祐教授（大阪大学）がプロ業での応用において、発振周波数は処理時間に直結ジェクト１Ｂ（レーザー加速統合プラットホーム）、する重要なパラメータであり、高繰返し化が望まれ平等拓範准教授（分子科学研究所）がプロジェクトる。また、高繰返し化によりフラッシュランプの交２Ｆ（マイクロチップレーザー）の研究開発責任者換頻度が高まるため、稼働率の低下やメンテナンス（PI）に指名された。また、平成27年２月５日の第コストが上昇するという課題がある。そこで、セラ

11回革新的研究開発推進会議では、山本樹教授（高ミ ッ ク レ ー ザ ー 媒 質 技 術 や レ ー ザ ー ダ イ オード

エネルギー加速器研究機構）がプロジェクト１Ｃ（LD）による励起技術などを活用し、高出力で繰返（マイクロアンジュレーター）、神門正城グループ

し周波数が高く、メンテナンスが容易なレーザー装リーダー（日本原子力研究開発機構）がプロジェク

置の開発と実用化を行い、適用範囲の大幅な拡大を

ト１Ｄ（ビーム計測・制御技術）の研究開発責任者

実施機関：公募

プロジェクト１ レーザー加速XFEL実証

3H システム化評価

プロジェクト２ 超小型パワー レーザー

プロジェクト３

プログラム・マネージャー（PM）

プログラム・アドバイザー

1A レーザー加速要素技術
実施機関：大阪大学
1C マイクロアンジュレーター
実施機関：高エネ研
1Cʼ 革新的アンジュレーター
実施機関：公募

1B レーザー加速統合プラットホーム
実施機関：大阪大学

1D ビーム計測・制御技術
実施機関：原子力機構

XFEL実証評価

1E プラズマ素子電源
実施機関：公募
2F マイクロチップレーザー
実施機関：分子科学研究所
2G 高出力小型パワーレーザー

システム化・超小型レーザーの応用

実施機関：公募

図８

プログラム実施体制（平成27年２月時点）

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35に指名されている。他のプロジェクト（１Ｃ’、１

参考資料

Ｅ、２Ｇ、３Ｈ）についても、研究開発責任者およ１）内閣府ホームページ「革新的研究開発推進プロび実施機関を順次選定し、平成27年度には研究開発

グ ラ ム（ImPACT）」 http://www8.cao.go.jp/cstp/を開始する予定である。

sentan/about-kakushin.html

限られた期間の研究開発で成果を最大化するた

２）内閣府ホームページ「最先端研究開発支援プロ

め、実施体制（図８）に明示されていない研究者・グラム（FIRST）について」 http://www8.cao.

機関とも緊密な協力関係を構築・維持し、叡智を結go.jp/cstp/sentan/about.html

集したオールジャパン体制で研究開発を推進する。

３）内閣府ホームページ「第２回総合科学技術・イ

また、ユーザーの直接的な参加・助言によりニーズ

ノベーション会議」 http://www8.cao.go.jp/cstp/

を的確に把握して研究開発に反映し、開発後のス

gaiyo/honkaigi/i002index.html

ムースな実用化に繋げる。

４）科学技術振興機構ホームページ「ユビキタス・研究開発の成果はImPACT期間内に一部は実用パワーレーザーによる安全・安心・長寿社会の実化されるものの、多くはImPACT終了後もさらな現」 http://www.jst.go.jp/impact/program03.html

る研究開発や実用化の努力が必要である。このた

５） 文 部 科 学 省 ホ ー ム ペ ー ジ「SACLAっ て な あめ、若手研究者の積極的な参加を促し、コミュニに？」 http://www.mext.go.jp/a_menu/

ティーの育成にも努めていく。

shinkou/ryoushi/detail/1316012.htm
６）科学技術振興機構ホームページ「光制御極短シン5.

グル電子パルスによる原子スケール動的イメージング」

おわりに

http://www.laser.jst.go.jp/reserchers/reserchers21.
html#hosokai

革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）「ユビキタス・パワーレーザーによる安全・安心・長寿社会の実現」の概要を紹介した。本プログラムは、Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）の機能を実験室で実現するための基盤技術を確立するとともに、パルス発振の高出力レーザーを超小型化し、各種の応用に展開していくことを目的としている。約半年間の研究開発計画の検討を経て内容や主な実施機関が決定したところであり、これから本格的な研究開発がスタートする。社会ニーズの変遷に臨機応変に対応できる柔軟な体制を構築し、大胆なマネージメントによりリスクを最小化して成果を最大化する所存である。ImPACTが今後の日本を牽引するイノベーションのモデルケースとなるよう、全力を挙げて取り組んでいく。皆様方の絶大なご支援を頂戴した
い。

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