小型集積レーザー

研究キーワード

マイクロチップレーザー , セラミックレーザー , Yb,Ndレーザー , 擬似位相整合(QPM)非線形光学波長変換 , LN/LT , 水晶

研究概要

光の波長と同程度のミクロンオーダーで物質・材料の性質を制御し、光波を高度に操る“マイクロ固体フォトニクス”の研究を展開してきました。マイクロドメイン制御によって物質に新たな光機能を発現させ、マイクロ共振器による高コヒーレント・高輝度光の発生を実現しています^1)-5)。この過程において、1990年代には当時レーザー媒質として不適切とされていたYbレーザーやセラミックレーザーに着目して研究を先導し、2000年以降の幅広い普及に寄与しました。また、新たな非線形素子の開発を含む材料研究の成果として、世界初のメガワット出力マイクロチップレーザーを実現。さらに、レーザーエンジン点火による自動車走行の実証や^6)-8)、一光子イオン化を可能とする真空紫外（118nm）⁹⁾から、擬似位相整合（QPM）による中赤外（11µm）⁴⁾¹⁰⁾、さらに波長0.1-0.8mm^10)-12)とTHz波からミリ波に至る広帯域な高効率波長変換を成功させてきました。こうした成果の背景には、短パルス化の潮流がナノ秒からフェムト秒へと急激にシフトする中で、あえて見逃されていたサブナノ秒・ピコ秒領域の重要性に着目したことがあります。特に「明るいレーザー」の追求において、単なる輝度だけでなく輝度温度を重視し、いち早くM2（エムスクエア）の指標で定式化したことが、新たな可能性を見出す鍵となりました¹³⁾¹⁴⁾。近年では、中間層援用表面活性接合（il-SAB）の成功により、一体型多ディスクレーザー構造の構築が可能となりました¹¹⁾¹⁵⁾。この接合技術を用いた分布面冷却（DFC）構造は、小型・高利得でありながら、極めて高い出力と強度を両立できます。一方、多数の薄板水晶を接合したQPM-水晶は、高耐性なだけでなく、真空紫外域まで対応する画期的な波長変換素子となります¹²⁾¹⁶⁾。このように物質・材料制御の手法を極めることで、モジュール化された小型集積レーザー（TILA）による極限的な高輝度固体レーザーが実現します。現在は理化学研究所と連携し、卓上XFEL^11)17)18)を可能とするレーザー駆動電子加速を推進。先端科学に新展開をもたらすのみならず、TILAコンソーシアム¹⁹⁾との連携を通じ、衝撃波によるレーザー加工²⁰⁾から非破壊計測、廃炉加速²¹⁾²²⁾、衛星ライダー、地球外惑星資源探査²³⁾、量子コンピュータ²⁴⁾に至るまで、多角的な視点からイノベーションの創出に貢献することを目指しています。

参考文献

1. T. Taira, et al., Opt. Lett. 16 (24) 1955 (1991).
2. T. Taira, et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 3 (1) 100 (1997). 
3. T. Taira, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3) 798 (2007).
4. T. Taira, Opt. Mater. Express 1 (5) 1040 (2011). 
5. Y. Sato, et al., Scientific Reports 7, 10732 (2017). 
6. H. Sakai, et al., Opt. Express 16 (24) 19891 (2008). 
7. M. Tsunekane, et al., IEEE J. Quantum Electron. 46 (2) 277 (2010). 
8. T. Taira, et al., The 1st Laser Ignition Conference ’13, OPIC ’13, Yokohama, April 23-26, LIC3-1 (2013). 
9. R. Bhandari, et al., Opt. Express 21 (23) 28849 (2013). 
10. M. Miyazaki, et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 6098 (2009).
11. S. Hayashi, et al., Scientific Reports 4, 5045 (2014). 
12. S.W. Jolly, et al., Nature Commun. 10 (2591), 1 (2019). 
13. T. Taira, The Review of Laser Engineering. 26(10), 723 (1998). 
14. T. Taira, CLEO Europe 2007, CA3_3. 
15. L. Zheng, et al., Opt. Mater. Express 7 (9), 3214 (2017). 
16. H. Ishizuki, et al., Opt. Mater. Express 8 (5), 1259 (2018). 
17. N.H. Matlis, et al., Nuclear Inst. and Methods in Physics Research A, 909, 27 (2018). 
18. http://www.riken.jp/en/research/labs/rsc/innov_light_src/laser_drive_electron_accel_tech/ 
19. https://tila.ims.ac.jp/en/ 
20. Y. Sano, T. Kato, Y. Mizuta, S. Tamaki, K. Yokofujita, T. Taira, T. Hosokai, Y. Sakino, Forces in Mechanics, 7(100080), 1 (2022). 
21. O. Saito, E. Sen, Y. Okabe, N. Higuchi, H. Ishizuki and T. Taira, 3(3), 031103 (2020). 　　
    
22. 大場弘則 , 若井田育夫 , 平等拓範 , 電気学会誌 , 142(2), 77 (2022). 
23. Y. Cho, H. Hyuga, M. Aida, K. Yogata, S. Sugita, T. Taira, TILA-LIC 2025, TILA-LIC1-02. 
24. https://www.jst.go.jp/moonshot/program/goal6/69_ohmori.html 

想定される応用先・連携先

レーザー粒子加速、フージョンサイエンスに資する高性能レーザーの社会連携：
・製造業（レーザー切断，微細穴開け，表面処理，ピーニング，フォーミング，欠陥検査，質量分析など）
・インフラ（ビル・トンネル・橋梁の遠隔計測・打音検査，光超音波計測・欠陥検査，LIBS・廃炉加速・惑星資源探査など）
・医療（スキンセラピー，眼科手術，歯科治療，光超音波計測，MALDIなど）
・セキュリティ（テラヘルツ波発生・高感度検出，中赤外光発生・検出，衛星ライダーなど)

アピールポイント

・シンプル，高輝度な小型レーザー
・高効率，多機能波長変換

論文情報

• L. Zheng, A. Kausas, T. Taira, "Drastic thermal effects reduction through distributed face cooling in a high power giant-pulse tiny laser," Opt. Mater. Express, vol. 7, no. 9, pp. 3214-3221 (2017).

• Y. Sato, J. Akiyama and T. Taira, "Process design of microdomains with quantum mechanics for giant pulse lasers," Scientific Reports, 7: 10732 (11 pages) (2017).

• K. Nawata, S. Hayashi, H. Ishizuki, K. Murate, K. Imayama, Y. Takida, V. Yahia, T. Taira, K. Kawase, and H. Minamide, "Effective terahertz wave parametric generation depending on the pump pulse width using a LiNbO3 crystal," IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 7, no. 5 , pp. 617-620 (2017).

• S. W. Jolly, N. H. Matlis, F. Ahr, V. Leroux, T. Eichner, A.-L. Calendron, H. Ishizuki, T. Taira, F.X. Kärtner, and A. R. Maier, "Spectral phase control of interfering chirped pulses for high-energy narrowband terahertz generation," Nature Communications. vol.10, art. no.2591 (2019).

• T. Kawasaki, V. Yahia, and T. Taira, "100 Hz operation in the 10 PW/sr·cm² class Nd:YAG Micro-MOPA," Opt. Express, vol. 27, no. 14, pp. 19555- 19561 (2019).

•  H. H. Lim and T. Taira, " >50 MW peak power, high brightness Nd:YAG/ Cr4+:YAG microchip laser with unstable resonator," Opt. Express, vol. 30, no. 4, pp. 5151-5158 (2022).

関連する特許出願番号・特許番号

特許番号　：特許第6245587号
発明の名称：レーザー部品

特許番号　：特許第6261057号
発明の名称：選択増幅装置

特許番号　：特許第6245629号
発明の名称：半導体レーザー励起固体レーザー装置を利用する車載式点火装置

特許番号　：特許第6281935号
発明の名称：Ｑスイッチレーザー装置

特許番号　：特許第6562464号
発明の名称：受動Ｑスイッチレーザ装置

特許番号　：特許第6583894号
発明の名称：Ｑスイッチレーザー装置

特許番号　：特許第6632644号
発明の名称：光学素子の製造方法及び光学素子

特許番号　：特許第6653096号
発明の名称：透光性生体留置デバイス及びその利用

特許番号　：特許第6955302号
発明の名称：光学素子の製造方法及び光学素子

特許番号　：特許第7085194号
発明の名称：物質生成方法

特許番号　：特許第7185893号
発明の名称：レーザー装置

特許番号　：特許第7500069号
発明の名称：光発振器

特許番号　：特許第7545750号
発明の名称：光発振器、光発振器の設計方法およびレーザー装置