メタンハイドレート採掘のためのレーザーによる海底地層掘削の可能性
植田研究室 井上 誠
2009 年 3 月 1 日
１ 背景
メタンハイドレート（以下ＭＨ）は今後非常に有望な資源といわれており図１のように深海底の固い岩盤にはさまれて存在している。そのため非常に採掘が困難で日本ではＭＨの大量採掘のためにレーザーを使った海底岩盤掘削が検討されており、植田研究室もこの一環として基礎研究をしている。

１）レーザー照射

２）岩石の溶融ガラス成分の溶融ドロス析出

海 底岩 盤MH層岩 盤図１．海底地層模式図
しかし表１と図２に示すとおりレーザーによる海底岩盤掘削は非常に困難であり、不３）ガラス化したドロスが４）表面のみ加工、内部まレーザー光を反射散乱で掘削できず

図２.
図２. レーザー照射による岩石表面のガラス化可能であるといわれていた。
表１.
表１. レーザーによる水中岩盤掘削の困難性
レーザー光の水長所の吸収の大きさ
小水中で減衰しにくいので届きやすい大到達すれば破壊（キャビテーション）

短所
岩石表面がガラス化して内部まで破壊できない
水中ですぐに減衰して届きにくい

ところが水の吸収の大きいレーザー（CO2）での実験では水中を通って岩石を破壊できることが実証された。

３ 本研究の特徴
１.本研究は初歩的な実験なので数 cm オー
ダーの水を通過し岩石を破壊することを目的としてチャンネリング現象の解明を試みている。
図３.
図３ CO2 レーザーでの岩石破壊

２.また本研究は基礎研究なので深海の高この結果から解明しなければならないこと

圧、などさまざまな条件を除いて実験をしはている。

１．なぜ岩石を破壊できたのか

３.本研究では図５のように特に水の吸収係

２．なぜレーザー光が水を通って吸収され数が大きい Er:YAG レーザーを用いてチャずに岩石に到達できたのか？

ンネリングについて調べていく。

であるが今回我々は２のメカニズムに注目し水の吸収の大きい波長のレーザーで研究を進めていく。

２ 原理

CO２
Ｅｒ：ＹＡＧ

我々は水の吸収係数が大きい CO2 レーザ
ーがなぜ水中で対象物に到達したかについて、図４のように水中で気泡が連続してできた隙間を通ってレーザー光が到達したの

図５.
図５. 水の吸収係数とレーザーの波長※試料通過前の光の強度を I0,距離 x だけ進ではないかという仮説を考えた。

んだときの強度を I,水の吸収係数をαとおいて
I=I0e-αｘが成り立つ。この式に基づいて水中でレーザー光が 0.1%程度に減衰する距離は
Er:YAG①②③

図４.
図４. チャンネリング①

ビームによって最初の泡が形成される

約 6.4μm

CO2 約 70μmである。

４ 実験② 泡の下面で次の泡が形成される

本研究で用いたレーザーは図６、概要は表③ ②の繰り返しにより対象物にレーザー

２の通りである。

光が到達
本研究ではこのモデルをチャンネリングと呼ぶ。

しかし発振効率を上げるメカニズムも存在している。
１）２個の 4I13/2 状態がある確率で相互作
用し 4I13/2+4I13/2 → 4I９/2+4I15/2 と遷移し（図中①の過程 ） さらにこのうちの 4I９/2 状態のイオンが 4I９/2 → 4I１１/2 と遷移するアップコンバージョンによる下準位から上準位へのリサイクル過程が存在する。
図６.
図６. 実験用レーザー

このアップコンバージョンが発生する確率

表２.
表２. 実験用レーザーの概要

は単純には 4I13/2 状態の密度が大きいほど高いので、この実験装置は 4I13/2 状態の項目

内容

レーザの種類

ロングパルス動作のＬＤ
ロングパルス動作のＬＤ Ｑスイッチなし
励起高エネルギー
Er:YAG
Er:YAGレーザー:YAGレーザー

備考

波長
ビーム品質

2940nm2940nmマルチモード繰返し20～
20～400Hz
400Hz
励起パルス幅25～25～200μ200μsec
パルスエネルギー 375mJ/pulse ( MAX )最大電流時出力 17.0W

密度を高めるために高密度に励起して高効率発振を実現している。
実験系は図８の通りである。

2940nmHＲＲ

Er:YAGＩ９/２

４Ｉ１１/２LENS
τ1=約100μsec
σe =3.0×10-20

４2.94μｍ
レーザ遷移

Ｉ１３/２

４①WATER

τ2=約2μsec～8μsecCAMERA

1.6μm
緩和

Ｉ１５/２

図８.
図８. チャンネリング観測図

４Er3+

図７．Ｅｒ
Ｅｒ３+のエネルギー準位構造
図７．
従来Ｅｒ３+イオンのエネルギー準位は高実験Ⅰ カメラによる気泡の撮影
水面1mm

効率発振が難しかったが理由は以下のとおりである。
１）レーザー発振準位（4I11/2→4I13/2）の①②③④

誘導放出断面積（3x10-20）が小さい。
２）量子欠損が大きい。 （吸収波長 0.96µm、発振波長 2.94µm）３）上準位寿命（100 µs）より下準位寿命（>2ms）が長い self-terminating 遷移であ

図９.
図９. 1pulse で生じた気泡の動きる。

繰り返し 20Hz パルス幅 200μｓ
出力パワー0.2W⑤

（実験Ⅰ
実験Ⅰ考察）
考察）○水の厚さを厚くするとまったくレーザー○低いパワー条件では泡が上下しているの光が透過せずうすくすると水の層がほとんが観察できた。チャンネリングは観測できど飛ばされてしまい正確な水の吸収と気泡なかった。の関係がわからなかった。そのためにチャ○他の繰り返し、パルス条件にしても同様ンネリングがあったとは断言できない。

であった。

○界面活性剤を用いると厚い水の層でもレ○しかし定性的には pulse エネルギーを増ーザー光が到達するので上の問題は解決しやすとバブルの数が増えることが確認されている。

た。
○パワーを大きくするとバブルの数が増え

５ まとめと今後の展望て動きも速くなり撮影が困難であった。そ○ 今回の実験ではチャンネリングと呼べのためチャンネリングが起きているかわかる現象は確認できなかった。

らない。そこで透過前と水中透過後の波形観測が困難と思われるので、今後は気泡がの変化を比べてチャンネリングの影響があ発生すると光軸の中心では空気と水の比率るかどうか調べるため実験Ⅱを行った。

がだんだん変わってくることを利用し透過パワーをパラメーターとして実験を進めていく。

パルス波形の変化を測定したところ以下の○気泡の状態をより精密に測定する必要がようになった。

あるため水中の気泡の大きさ及び単位体積

0.025

0.025

0.020.020.015

0.015

[V]

[V]

実験Ⅱ 水中透過後のパルス波形の変化
水中透過後のパルス波形の変化

0.010.005

00050100150200250

透過パワーとの関連を調べる、といったことを計画している。

0.010.005-0.005-50あたりの個数を測定できる装置を導入し、-0.005-100

参考文献-50050100150

time[us]time[us]

図１０．水中透過後のパルス波形の変化
左透過前右透過後繰り返し 20Hz パルス幅 200μs
出力パワー5,5W[1] 日本海洋掘削（株）
レーザ掘削・フラクチャリングシステムの開発 研究報告書[2] 岩井克全

石芸尉

松浦祐司

宮城光信

Helena Jelinkova
高エネルギーEr:YAG
レーザ光伝搬中の水高エネルギー（実験Ⅱ 考察）の動的吸収係数○透過前のパルスの前半部分が水に吸収さ[3] H.Fukuoka T.Kanzaki K.Kuroyanagi

れ後半部分が水がほとんど消えた状態で透H.Kan

過後の波形となって現れたのではないかと

Demonstration of a diode-pumped思われる。

2.94-μμm Er:YAG laser which of output
energy exceeds 600mJ/pulse