平成２8 年

修士論文

紫外励起オゾン回折格子による高強度レーザー光の制御
道根百合奈
主任指導教員：米田仁紀

１. 序論
核融合、粒子加速、実験室天文学、高温高圧化の極限状態化の物質の研究など、高強度レーザーを利用し指導教員：白川晃
ブリがこれらの大型素子表面に付着し損傷する問題は常にあり、例えば NIF では頻繁に交換できない大型光学素子の損傷個所をレーザーでリペアする技術までもが研究されている[3]。

た研究はレーザーのピーク強度の増大とともに発展

このように素子の大型化に付随する問題は多く、次してきた。現在、世界各国で大型レーザー施設が稼世代のエクサワット出力を目指す高強度レーザー開働・建設中で、たとえば米国立点火施設（NIF）では発のためには性能が高く損傷閾値の高い光学素子のそのレーザーエネルギーはすでにメガジュールに達開発が急務となっている。

し[1]、欧州ではエクサワットのレーザーを目指すプロ

高強度レーザーに対する耐力を上げて高強度光をジェクト（ELI）も進行中である。これらのレーザー制御するために、従来の固体媒質ではなくプラズマをの集光強度の増大はチャープパルス増幅の発明、光学利用した過渡的光学素子の開発が行われてきた。これ素子の大型化・高精度化や波面・位相補正技術などのは高強度レーザーの媒質への照射によって生成する進展により達成されてきた。しかし、これらレーザー自由電子の屈折率変調を利用した光学素子であり、例システムのさらなる高強度・大出力化のためにシステ

えばプラズマ回折格子[4]は高い損傷閾値をもつもの

ム中の光学素子が解決すべき課題は多く、次世代の高の、生成効率、回折効率、存在寿命が欠点のため、高強度レーザー実現には大きな問題を抱えている。

強度レーザー制御用素子としては実用化されていな

現状の高強度レーザーシステムで使用されている

い。プラズマを利用した回折格子は高強度レーザー制ミラー、回折格子などの固体光学素子（損傷閾値:数御素子としては原理的に課題が多いため、現状では固J/cm2）はその高いレーザー強度に対応すべく、大型体回折格子の基板材質、膜処理、露光方法などを変え、化し断面積あたりの光強度を小さくすることで損傷さまざまな設計を検討しながら次世代エクサワットを回避する手法がとられている。なぜならば広帯域でレーザー実現を目指している。の高い反射率、回折効率等を達成するための母材の石

しかし、もし桁違いに大きな破壊しきい値をもつ回英基板・コーティング材質の損傷閾値は媒質由来のも折格子が開発できれば、上述したような問題は一掃さののため桁違いに大きくすることができず、素子自体れる。例えば 1kJ/cm2 の破壊しきい値をもつ光学素子を大型化するしか方法がないためである。レーザー高でレーザーシステムを構築すれば、kJ レーザーでさえ出力化のためにさらにパルス幅を短縮すると媒質の1cm2 で制御可能になる。そこで、本研究では高強度損傷閾値がさらに低下するため、ますます素子は大型レーザーシステムで使用可能な高耐力、高回折効率の化していく。しかしこの素子の大型化も基板の熱膨張回折光学素子の開発を行った。ここでは回折効率 90%という製造上の課題を抱えており、現在すでに単体の以上で損傷閾値は 1kJ/cm2、かつ生成エネルギー効率光学素子の大型化による高強度光制御は不可能な領に優れている素子の開発を目標とした。

域に到達した。なので、現在は例えば複数の大型回折格子の組み合わせ・高強度ビームの分割と加算[2]などによって高強度光を得ている。しかしこの組み合わせ技術やビーム結合時の位相補正技術には解決すべき課題が多い。また真空チャンバー内部の汚染物質やデ

2. オゾン回折格子の生成原理
２．１２．２屈折率変調量の測定

オゾン回折格子の生成方法

回折効率の高い回折格子の生成のためには屈折率変

この研究では、オゾンの紫外光吸収を利用して、オ調量をいかにして制御するかが重要になってくる。そゾンと、オゾンに対して吸収断面積の大きな 250nm

こで紫外光を照射されたオゾンが屈折率変調を起こ付近の領域の紫外光を使った回折格子の開発を行っす詳細な原理の理解と、屈折率変調量制御要因の調査た。この方法では、回折に必要な屈折率変調を紫外光のための実験を行った。

照射によるオゾンの光学的性質の変化を利用して得まず、オゾン中に紫外光レーザー（KrF レーザー：る。図１に回折格子の生成方法を示す。ここでは大気

248nm,25Hz,20ns）を照射したときの屈折率変調量の圧放電を利用し大気中にオゾンを生成させ、このオゾ測定を行った。屈折率の測定には干渉計測を利用する。

ン中に紫外光レーザー（KrF レーザー：波長 248nm）干渉計のレーザー（プローブ）にはオゾンに対して吸を干渉させて入射しオゾン中に屈折率差を生成して収の少ない波長を利用した。このプローブレーザーはいる。ここに被回折レーザー（図中の緑色、オゾンに紫外レーザーの照射タイミングからの時間遅延を任対して吸収係数の低い波長を選択）を紫外光レーザー意に変更できるようになっている。写真１には紫外レが照射された時間から数十ナノ秒程度遅らせて回折ーザーをオゾン中にレンズで集光し、円形で照射した格子の条件に合わせて入射すると、オゾン中で回折が場合の屈折率変調量測定結果を示す。

起こる。
この方法によって回折格子を作成するメリットは、オゾンを媒質とした過渡的回折格子のため、損傷を気にせず被回折光を入射させることができることにある。原理的には高強度な被回折レーザーがオゾンをプラズマ化させてしまうまで回折格子として使用することができる。またプラズマによる屈折率の変化を利

写真１

屈折率変調測定結果

用していないので媒質の温度が高くならず、長い時間回折格子を形成できる。

紫外レーザーがオゾン中に照射されてからの時間が経過するに従って、紫外レーザーの照射領域の干渉縞の歪みが観測されたものの、想定されるほどの大きな屈折率変調が得られなかった。そのため、紫外レーザ
ーの照射パターンを現在の円形ではなく、実際の回折格子を作成するときと同じ格子状の周期的照射条件（間隔 150µm）にして干渉計測を行った結果が写真２、図２である。図２は屈折率変調量の時間依存性をプローブの干渉縞の移動量から計算した結果である。このとき、写真のように屈折率変化は紫外レーザーが照射された瞬間は全く観測できなかったが、時間の経過とともに変化が大きくなり、300ns 付近で最大屈折率変化となったあと、次第に減少し、600ns 後にはまた屈折率変調量は 0 に近い値をとった。この最大屈折率変化をとるとき、回折格子生成に必要な屈折率変調量と図１

オゾン回折格子の生成しては十分な値であり、このことで回折ができていることがわかった。

写真２

干渉計測像
図３

オゾンのポテンシャルエネルギー曲線[6]ここで、紫外レーザーを周期的に照射した場合にのみ屈折率変調が生成する要因が、紫外レーザーのエネルギーを吸収し再結合を経て熱化したオゾンと、照射の方法にあると考え、紫外光の照射領域のオゾン密度と非照射領域のオゾン密度がそれぞれ紫外レーザーを格子状に照射した瞬間から時間発展をするとともにどのように変化するか、計測を行った。オゾン密度
図２

屈折率変調量の時間依存性は吸収計測によって測定した。これは物質の光の吸収を利用して密度を求める方法で、媒質の吸収係数と媒２．３オゾンの生成、光励起、再結合過程質長がわかっているとき、媒質中に光を入射した後のオゾンは以下の反応プロセスによって生成される

吸収された光強度と入射前の光強度を計測すること[5]。

で密度を計算により求めることができる。実際には図O＋O2 ⇔ O3(1)O3＊＋M → O3 ＋M(2)＊
ここでは中間複合体 O3 を経由して安定状態のオゾン O3 となる。このときオゾンの生成反応に使われる４のような測定系を組み測定した。プローブ光はオゾ

酸素原子 O は、放電により電子が酸素分子に衝突し、れた 287nm の光をプローブ光として利用した。

＊ンに対してわずかに吸収する波長を使用する必要があったので、色素レーザーシステム(ローダミン)の増幅された直後の光を BBO 結晶に入射し、波長変換さ酸素原子に解離することで生成される。

O2＋e→O＋O＋e(3)

しかし（１）（２）の反応により生成されたオゾンは、現在の実験条件のように、波長 300nm 以下の光を吸収し励起されたのち、ただちに光解離することが知られている[4][5]。(図３)O3 ＋ℏω→O＋O2(4)

この(4)の反応では酸素原子 O が生成されるので、(1)の反応がおこり、再び O3 が生成される。そのため、全体としてのオゾンの量は減らない。
図４

オゾン密度の測定

オゾン密度を測定した結果を図５に示す。周期的に紫外レーザーを照射しているとき（間隔 27µm）のオゾ

ン密度の変化は紫外レーザーが照射された瞬間は全音波とよく似た性質を示している。しかし通常音波がく観測できなかったが、時間の経過とともに変化が大kHz 領域であるのに対してこのオゾン周波数は MHzきくなり、55ns 付近で紫外レーザーの照射・非照射領域にあることから、音波とは違う新しい密度波が中領域のオゾンの疎密が最大となったあと、次第に変化性ガス内に励起されていることがわかった。

量は減少し、105ns 後にはまたオゾンの疎密がほぼ観測できなくなった。また、この周期は数μs 後まで繰り返していた。

以上の実験結果から、紫外レーザーが照射されたオゾンは以下のような順番で疎密を形成するモデルが考えられる。
①：オゾン領域に紫外レーザーが照射されると、照射された領域のオゾンは酸素原子と酸素分子に光解離するが、再結合し、酸素＋オゾンで形成されるガスが加熱される。その結果、照射領域の温度は高く(T1)、レーザーが照射されていない領域の温度は相対的に低く(T2)なる。またこのとき同時にそれぞれの領域で圧力差(P1,P2)も生じる。このとき、照射・非照射領域ののオゾン密度は一様に保たれている(ρ0)。
②：紫外レーザーを照射され温度が高くなった照射領域は膨張し、この照射領域の膨張の影響をうけ非照射領域が圧縮される。このため時間経過とともに照射領域の温度は低下(T3)し、密度も下がる(ρ3)。一方、非照射領域は温度が高く(T4)なり、密度が上がる(ρ4)。
またこのとき、圧力は照射・非照射領域ともに同じになる方向に粒子の運動エネルギーが働く(

図５(P1+P2)/2

オゾン密度の時間発展

P3 =)。

③：密度差、温度差が最大を迎えた瞬間になっても、ここで、最大オゾン密度変化量をとるときの回折格

粒子は速度をもって動いているので慣性力が働き、や子の間隔を調べ、この結果から角周波数ω＝２π／ｔや照射領域の圧力が高くなり(P4’)、非照射領域の圧力＝２π／（オゾン密度変化の周期[s]）、波数ｋ＝２πが低くなる(P3’)。

／λ＝２π／（回折格子間隔[m]）として分散関係を③のプロセス終了後、②の状態になり、照射領域の膨求めると、図６のようになった。

張によって①へ戻る。そのため①→②→③→②→①→5 107②→…

るようになる。

4 107

73. オゾン回折格子の性能試験

ω3 10のように周期的なオゾンの疎密が観測され

2 107

３．１
1 1070レーザー耐力試験

ここでは高強度レーザーに対するオゾン回折格子
05 104

図６1 105

1.5 10 5

2 105の破壊閾値の測定を行った。このオゾン回折格子は紫k外光により光励起、再結合後の熱化したオゾンの変化分散曲線を利用したものであるため、高強度光によりオゾンの電離が起こるとき回折格子として機能しなくなる。こ

図６からオゾン中の疎密波の分散はゼロであり、通常のため、実際に高強度光をオゾン中に入射したときのオゾンの絶縁破壊閾値をオゾン回折格子の破壊閾値

ならず、③のオゾン回折格子の作成状況下で最も低いとして、実験によりその値を決定した。

値をとった。しかしその値はおよそ 1.7kJ/cm2 であり、オゾンの絶縁破壊閾値は以下のような実験構成で決目標としては十分な破壊閾値であるといえる。

定した。図７に実験装置構成概念図を示す。
３．１

回折効率試験

実際に開発した回折格子を実用化するには、従来の回折格子に匹敵する回折効率も必要である。そこで、オゾン回折格子の回折効率の向上のための実験を行った。オゾン回折格子の作成には大きく分けて①オゾン生成部②紫外レーザーの干渉計部

ザーの入射光学系部③被回折レーの３つのパートに分けられる。

ここでは、回折効率の改善のためにどの部分が回折効率に大きく影響しているか、各パートの条件を変え実図７

実験装置構成験しながら改善を行った。①については酸素ガスの冷却とオゾン流路・排気方法の高度化、②については注

ここでは①空気②紫外光レーザーを照射しない状

入同期によるレーザー立ち上がり時間の短縮化、さら③紫外光レーザーを照射した状態のオに紫外レーザーは空気中の伝搬距離が長くなるほどの３つの状態でのガスの絶縁破壊強度を測定に空間プロファイルが悪化するので、紫外レーザーのした。全条件、大気圧下で実験を行っている。高強度

出射直後の最もプロファイルがきれいな像がオゾンレーザーにはパルス幅６ns, 繰り返し 20Hz、波長５生成部で利用できるように２枚のレンズで像転送光３２nm のレーザーを用い、①～③それぞれのガス中学系を組んだ。③では被回折光の空間フィルターによにレンズ（ｆ＝３００）で集光させながら入射し、集るプロファイルの改善とともにビームが完全平行光光点がガス中となるようにし入射光強度の調整を行化するように調整を行った。さらに、回折効率が最大った。結果を図８に示す。となるように全ての条件（回折格子の間隔、被回折レ態のオゾン
ゾンーザーの入射角、書き込み紫外光レーザーと回折レーザーの時間タイミング、オゾン媒質の長さ）を調整しながら最適値を探した。その結果を図９に示す。

図８

オゾン回折格子の絶縁破壊強度

図８では①空気（赤線） ②紫外光レーザーを照射し

図９

回折効率の紫外レーザー強度依存性ない状態のオゾン（青線） ③紫外光レーザーを照射した状態のオゾン（緑線）で示した。ここで媒質の破回折効率が最大となる時間タイミングで紫外レーザ

壊閾値を絶縁破壊確率が急速に立ち上がる強度とすー強度を変化させたときの回折効率の結果が図９でる。各状態、同じ入射光強度で同じ破壊閾値とはならある。紫外レーザー強度 160 mJ/cm2 のとき回折効率95%を達成することができた。写真にはこのときの０力・密度の変化は通常の音波と同じでないこともわか次光と１次光を CCD カメラで測定した結果を示してってきている。また、このオゾン回折格子が kJ/cm2いる。95%の回折効率を達成したとき、回折しなかっの損傷閾値をもち、かつ制御光強度の４桁下のエネルた０次光のパターンをみると外周部だけが回折してギーで回折格子を作成できることを実証した。さらに、いないようだった。これは被回折レーザーの波面の歪95%という高い回折効率を達成した。最後に従来の回み部分だけ０次光として残っているものだと考えら折格子[7]と開発したオゾン回折格子の性能比較結果れる。またこのとき２次光、－１次光の測定も行い、を以下に示す。

CCD カメラで観測限界以下であることを確認した。
さらに、このときの回折効率の入射偏光依存性を測表１：まとめ定した。ここでは入射被回折レーザーをグランテーラー偏光子に入射し直線偏光状態をつくり、λ／２板にて S 偏光から P 偏光まで回折格子に入射する偏光を変化させた。入射偏光状態を S 偏光から P 偏光まで１０°ずつ変化させたときの回折効率を測定した結果を図１０に示す。S 偏光のときのλ／２板の回転角を０°とすると、４５°回転させたときに P 偏光となる。

以上の表のように、耐力・回折効率ともに優れた回折

図１０で示されるように、偏光による回折効率の変化格子の開発に成功した。

は観測されなかった。

参考文献[1] G. H. Miller, et al., Nucl. Fusion 44, S228
(2004).
[2] Sandro Klingebiel, J. Opt. Soc. Am. B/ Vol. 24,
No. 8, (2007)[3] M. L. Spaeth, Fusion Science and Technology,
Vol. 69, No. 1. (January/February 2016)[4] S. Suntsov, APPLIED PHYSICS LETTERS 94,
図１０

偏光依存性

251104 (2009)[5]島崎達夫, 成層圏オゾン４. まとめ本研究では、オゾンと紫外光レーザーを利用した新東京大学出版会（１９８９）[6] David Picconi, et al., THE JOURNAL OF CHEMICALPHYSICS 141, 074311 (2014)

しい回折格子の開発を行った。オゾンに紫外光レーザ[7]Liping Shi, et al., Phys. Rev. Lett. 107, 095004

ーを周期的に照射したときの屈折率変調生成原理の(2011)

解明実験を行い、干渉計測、吸収計測によって回折格子に必要な屈折率変調はオゾンの疎密によって形成されていることがわかった。この粗密を形成するためには周期的な紫外光照射パターンが鍵となっており、これによって紫外レーザー照射領域の温度が上昇、膨張し、それにともなって非照射領域の圧縮が可能になっていることがわかった。また、この気体の温度・圧