１5－００１－１ 光テクノロジーロードマップ 報告書 － 光加工分野 － ２００3（平成１５）年３月 財団 (財) 法人 光産業技術振興協会 －1－ 序 文 光産業の2002（平成14）年度の国内総生産額は，当協会が行っている光産業動向調査委員会のアンケート 調査結果によると，金額にして約6兆24百億円，前年度比4.0%増になる見込みで，昨年度の15.1%減から再び プラスに転じ，明るい兆しが見え始めた。従来，光産業の中核を成してきた情報通信分野では，広く社会生 活に浸透するまでになったインターネットを一例として挙げるまでもなく，高度情報通信社会の実現に光技 術が大きく貢献してきた。この情報通信分野のみならず，高齢化社会に向けての医療・健康・福祉・バイオ 等のライフサイエンス分野，循環型社会実現に向けての環境・エネルギー分野，並びにこれらを支える基盤 としてのナノテクノロジー・材料分野への展開等幅広い分野において光技術への期待がますます高まってい る。このような社会的要請に的確に応えるためには，将来のニーズがいつ頃，どのような形で現れ，それに 対してどのようなタイムスケジュールで技術開発を進めていくべきかの筋道を明らかにしていくことが必要 である。 当協会では，今後の光産業の研究開発展開を見定めるべく，日本自転車振興会からの補助を得て，1996年度に 「光テクノロジーロードマップ策定委員会」を設置し，光テクノロジーロードマップの策定を行ってきた。既に 策定したテーマは光情報通信(含２回の改定)，光情報記録，電子ディスプレイ，入出力，計測･センシングおよ び光エネルギー分野のロードマップである。これまで光産業を牽引してきた情報通信分野に主に焦点を当て，数 多くのロードマップを策定してきたが，それに加えて昨年度は光エネルギーの応用に焦点を当て太陽光発電を主 体としたロードマップを策定した。今年度は，この光エネルギー応用の第２弾として，また，産業を支える基盤 技術という意味でも鍵を握る光加工分野のロードマップを描くこととした。我が国の製造業の国際競争力低下が 叫ばれて久しい中，本光加工ロードマップがわが国の産業の付加価値生産性を高めることで産業の国際競争力を 強くし，産業再生，雇用確保という成果につながっていくことを期待したい。 本報告書は，田中昭二委員長をヘッドとする光テクノロジーロードマップ策定委員会，荒川泰彦委員長を ヘッドとする光テクノロジーロードマップ策定専門委員会および藤田雅之主査をヘッドとする光加工ロード マップ分科会の各委員並びに協力者の熱心な調査・審議活動をもとに，またご指導いただいた講師の方々等 数多くの関係者の方々のご尽力により完成したものである。ここに深く感謝の意を表する次第である。 2003（平成15）年3月 財団法人 光産業技術振興協会 会 長 中村 夫 －i－ 目次へもどる 光テクノロジーロードマップ策定委員会名簿 （順不同，敬称略） 委 員 長 田中 昭二 財団法人国際超伝導産業技術研究センター超電導工学研究所 所長 委 荒川 泰彦 東京大学 先端科学技術センター 教授, 生産技術研究所 教授 池上 徹彦 会津大学 学長 内山 隆 笠見 昭信 株式会社東芝 監査役 神谷 武志 大学評価・学位授与機構 学位審査研究部 教授 太田 賢司 シャープ株式会社 取締役 技術本部長 島田 禎晉 株式会社オプトウェーブ研究所 代表取締役社長 島田 潤一 独立行政法人産業技術総合研究所 研究顧問 中原 恒雄 住友電気工業株式会社 顧問 中村 道治 株式会社日立製作所 常務取締役 研究開発本部長 西村 吉雄 東京大学 大学院工学系研究科電気工学専攻 教授 古池 進 矢嶋 弘義 超技術開発者集団株式会社 取締役副社長 渡辺 久恒 日本電気株式会社 コーポレート執行役員 山﨑 清博 財団法人光産業技術振興協会開発部 主幹 中島 眞人 財団法人光産業技術振興協会開発部 主幹 員 事 務 局 株式会社富士通研究所 取締役 ペリフェラルシステム研究所長, ストレージシステム研究所長 松下電器産業株式会社 代表取締役常務 －iii－ 目次へもどる 光テクノロジーロードマツプ策定専門委員会名簿 （順不同，敬称略） 委 員 長 荒川 泰彦 東京大学 先端科学技術研究センター 教授, 生産技術研究所 教授 副委員長 小林 功郎 東京工業大学 精密工学研究所 教授 委 石田 晶 員 事 務 局 住友電気工業株式会社 研究開発部門 支配人 笠原久美雄 三菱電機株式会社 情報技術総合研究所 技師長 上条 健 沖電気工業株式会社 研究開発本部 先端デバイスラボラトリマネージャー 桜井 照夫 鹿田 實 鈴木 信夫 森倉 晋 松下電器株式会社 デジタルネットワーク開発センター 通信グループ チームリーダ 種谷 元隆 シャープ株式会社 技術本部 基盤技術研究所 副所長 辻 伸二 株式会社日立製作所 中央研究所 先端デバイス研究センタ 通信デバイス研究部 主管研究員 津田 俊隆 株式会社富士通研究所 取締役 ネットワークシステム研究所長 中沢 正隆 東北大学 電気通信研究所 超高速通信研究分野 教授 盛岡 敏夫 日本電信電信株式会社 未来ねっと研究所 フォトニック トランスポートネットワーク研究部 主幹研究員 田口 剣申 財団法人光産業技術振興協会 開発部 主幹 白石 義信 財団法人光産業技術振興協会 開発部 主幹 技術研究組合 フェムト秒テクノロジー研究機構 常務理事 研究所長 日本電気株式会社 ネットワーキング研究所長 株式会社東芝 研究開発センター 個別半導体基盤技術ラボラトリー 研究主幹 －iv－ 目次へもどる 光加工ロードマップ分科会名簿 （順不同，敬称略） 主 査 藤田 雅之 財団法人レーザー技術総合研究所 レーザー環境応用計測研究チームリーダー 主任研究員 副主査 粟津 浩一 独立行政法人産業技術総合研究所 光技術研究部門 放射光利用技術グループ 主任研究員 委 員 斎木 敏治 慶應義塾大学 理工学部電子工学科 助教授 森田 博文 日本電信電話株式会社 マイクロシステムインテグレーション研究所 ネットワーク装置インテグレーション研究部長 安田 耕三 川崎重工業株式会社 技術研究所 理事 田中 正明 三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 レーザ・光応用技術部長 山田 明孝 株式会社東芝 生産技術センター 光応用システム技術研究センター 主任研究員 山﨑 清博 財団法人光産業技術振興協会 開発部 主幹 白石 義信 財団法人光産業技術振興協会 開発部 主幹 事務局 招待執筆者 （順不同，敬称略） 加藤 義章 日本原子力研究所 理事 鷲尾 邦彦 日本電気株式会社 制御システム事業本部 主席技師長 小原 實 慶應義塾大学 理工学部電子工学科 主任教授 土屋 裕 浜松ホトニクス株式会社中央研究所 所長代理 兼 研究主幹 橋田 昌樹 財団法人レーザー技術総合研究所 レーザー環境応用計測研究チーム 研究員 峰原 英介 日本原子力研究所 関西研究所 光量子科学研究センター 東海研究所駐在 自由電子レーザー研究グループリーダー 小島 哲夫 三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 レーザ・光応用技術部 パワーレーザグループ 主事 緑川 克美 理化学研究所 中央研究所 レーザー物理工学研究室 主任研究員 植田 憲一 電気通信大学 レーザー新世代研究センター長 教授 宮永 憲明 大阪大学 レーザー核融合研究センター 教授 大垣 英明 京都大学 エネルギー理工学研究所 助教授 －v－ 目次へもどる 光加工テクノロジーロードマップ策定経緯 平成14年 平成15年 7月26日 準備会合 9月 3日 第1回分科会会合 10月 8日 第2回分科会会合 11月12日 第3回分科会会合 11月26日 第4回分科会会合 12月05日 第22回光産業技術シンポジウム（中間報告） 講演テーマ：｢光加工による産業空洞化からの再生｣ －国内製造空洞化を防ぐ指針としてのロードマップ策定－ 講演者：藤田 雅之 主査 12月16日 第5回分科会会合 1月10日 第6回分科会会合 2月19日 第7回分科会会合 2月26日 策定専門委員会・第8回分科会合同会合 3月12日 第1回光テクノロジーロードマップ策定委員会会合 招待講演テーマ、講演者 (敬称略) 『これからのレーザ技術開発動向』 （於第３回分科会会合） 植田 憲一 電気通信大学 レーザー新世代研究センター長 教授 『医療を含む光加工の将来』 （於第４回分科会会合） 小原 實 慶應義塾大学 理工学部電子工学科 主任教授 『国際会議にみる光加工の動向』 （於第４回分科会会合） 鷲尾 邦彦 日本電気株式会社 制御システム事業本部 主席技師長 『光化学加工の現状と将来展望』 （於第６回分科会会合） 新納 弘之 独立行政法人産業技術総合研究所 光反応制御研究センター レーザー精密プロセスチーム長 主任研究員 －vi－ 目次へもどる 目 次 序 文 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ i 委員会名簿 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ iii 光加工のテクノロジーロードマップ策定経緯･･････････････････････････････････････････････････ vi 図表一覧 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ x 第1章 まえがき ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 1 第2章 2.1 2.2 2.3 光加工ロードマップ総論････････････････････････････････････････････････････････････ はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 光加工が拓く21世紀 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････ 光加工ロードマップの全体像････････････････････････････････････････････････････････ 3 3 4 5 第3章 光加工産業の現状と市場動向････････････････････････････････････････････････････････ 3.1 国内製造業の現状 ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 3.1.1 我が国経済における製造業の位置づけ ････････････････････････････････････････････ 3.1.2 製品輸入の増加による貿易構造並びに産業構造の変化 ･･････････････････････････････ 3.1.3 製造業における光加工応用の現状 ････････････････････････････････････････････････ 3.2 市場予測 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 3.2.1 はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 3.2.2 加工用レーザの現状と今後･･････････････････････････････････････････････････････ (1) 炭酸ガスレーザ････････････････････････････････････････････････････････････ (2) YAGレーザ ････････････････････････････････････････････････････････････････ (3) エキシマレーザ････････････････････････････････････････････････････････････ (4) 半導体レーザ ･････････････････････････････････････････････････････････････ (5) その他のレーザ････････････････････････････････････････････････････････････ 3.2.3 おわりに ･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 9 9 9 9 10 13 13 13 14 15 15 16 16 17 第4章 光加工ロードマップ各論････････････････････････････････････････････････････････････ 4.1 はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.2 光加工の産業利用 ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.2.1 自動車・重工業分野････････････････････････････････････････････････････････････ (1) はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (2) 自動車分野 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････ (3) 重工業分野 ･･････････････････････････････････････････････････････････････ (4) まとめ ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.2.2 情報・通信分野 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････ (1) はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (2) 平面型光波回路（PLC） ････････････････････････････････････････････････････ (3) ファイバーグレーティング（FG） ････････････････････････････････････････････ (4) 3D-MEMS光スイッチ･････････････････････････････････････････････････････････ (5) フォトニック結晶およびSi細線光導波路 ･･････････････････････････････････････ (6) まとめと展望 ･････････････････････････････････････････････････････････････ 4.2.3 半導体・電機分野 ･････････････････････････････････････････････････････････････ (1) 高密度実装プリント基板微細穴あけ ･･････････････････････････････････････････ (2) TFT液晶の多結晶シリコン化レーザアニール ･･･････････････････････････････････ 19 19 20 20 20 20 24 29 30 30 30 32 33 35 38 40 40 42 －vii－ (3) 半導体リソグラフィー･･････････････････････････････････････････････････････ (4) 半導体の極浅接合形成･･････････････････････････････････････････････････････ (5) 将来有望な光加工技術･･････････････････････････････････････････････････････ 4.2.4 医療分野 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････ (1) レーザ治療を必要とする背景 ････････････････････････････････････････････････ (2) レーザ治療に必要な波長････････････････････････････････････････････････････ (3) レーザ近視治療（レーザマイクロ加工） ･･････････････････････････････････････ (4) PDTによる選択治療･････････････････････････････････････････････････････････ (5) DNAシーケンシングの進展に伴う光加工ロードマップ ･･･････････････････････････ (6) レーザによるPET用短寿命放射性同位体（陽電子放出核種）の生成････････････････ 4.3 シーズから利用へ ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.3.1 ナノファブリケーション････････････････････････････････････････････････････････ (1) はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (2) 波長～サブ波長加工････････････････････････････････････････････････････････ (3) ナノ加工のための要素技術･･････････････････････････････････････････････････ (4) 大面積ナノ加工に向けて････････････････････････････････････････････････････ (5) ナノデバイスの展望････････････････････････････････････････････････････････ (6) おわりに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.3.2 フェムト秒加工 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････ (1) はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (2) フェムト秒加工技術の現状･･････････････････････････････････････････････････ (3) フェムト秒加工技術の展望･･････････････････････････････････････････････････ (4) おわりに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.3.3 原子・分子の直接加工･･････････････････････････････････････････････････････････ (1) はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (2) フェムト秒の超高電界下で･･････････････････････････････････････････････････ (3) 原子・分子の直接加工･･････････････････････････････････････････････････････ 4.4 光発生技術 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.4.1 半導体レーザ ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (1) はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (2) 開発現状 ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (3) 将来 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････ (4) まとめ ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.4.2 LD励起固体レーザ ･････････････････････････････････････････････････････････････ (1) はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (2) 現状と今後の方向･･････････････････････････････････････････････････････････ (3) まとめ ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････ 4.4.3 超短パルスレーザ ･････････････････････････････････････････････････････････････ (1) はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････ (2) 超短パルスレーザの小型化・マイクロチップ化 ････････････････････････････････ (3) 超短パルスレーザの高繰り返し・高平均出力化 ････････････････････････････････ (4) 超短パルスレーザの高ピーク出力化 ･･････････････････････････････････････････ (5) 超短パルスレーザの高出力化に向けて ････････････････････････････････････････ 4.4.4 自由電子レーザ ･･･････････････････････････････････････････････････････････････ (1) 自由電子レーザとは何か････････････････････････････････････････････････････ (2) 光源の変遷 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････ －viii－ 43 43 44 48 48 48 49 50 51 54 59 59 59 59 60 60 61 61 63 63 63 66 68 71 71 71 72 75 75 75 75 77 78 80 80 80 83 84 84 85 86 87 88 90 90 90 (3) FELロードマップ･･･････････････････････････････････････････････････････････ 91 4.5 光制御技術 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 93 4.5.1 波長変換技術 ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 93 (1) 固体波長変換 ･････････････････････････････････････････････････････････････ 93 (2) 高次高調波発生････････････････････････････････････････････････････････････ 96 4.5.2 位相制御技術 ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 98 (1) 単一周波数発振レーザの位相制御 ････････････････････････････････････････････ 98 (2) フェムト秒レーザの位相制御 ････････････････････････････････････････････････ 98 (3) コヒーレント加算･･････････････････････････････････････････････････････････ 101 (4) タルボット共振器によるコヒーレント回折結合 ････････････････････････････････ 101 (5) コヒーレントビーム結合････････････････････････････････････････････････････ 102 (6) 多束ファイバーレーザのコヒーレント結合 ････････････････････････････････････ 103 (7) 位相同期アレイレーザ･･････････････････････････････････････････････････････ 105 4.5.3 回折・偏光制御技術 ･･･････････････････････････････････････････････････････････ 106 (1) 位相分布制御と集光パターン制御 ････････････････････････････････････････････ 107 (2) ベッセルビームとスポットサイズ及び奥行き制御 ･･････････････････････････････ 109 (3) ラゲールビーム（光の渦）･･････････････････････････････････････････････････ 110 (4) 偏光分布制御（軸対称偏光） ････････････････････････････････････････････････ 111 (5) まとめ ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････ 112 4.6 放射光発生・利用技術 ･････････････････････････････････････････････････････････････ 115 4.6.1 放射光自由電子レーザによる光加工の現状 ････････････････････････････････････････ 115 (1) 放射光 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････ 115 (2) 自由電子レーザ････････････････････････････････････････････････････････････ 116 4.6.2 Deep X-ray Lithography ロードマップ ･･･････････････････････････････････････････ 119 付録 第4章キーワード解説 ･････････････････････････････････････････････････････････････ 123 第5章 光加工技術普及のために････････････････････････････････････････････････････････････ 130 5.1 基礎研究から実用化研究へ･･････････････････････････････････････････････････････････ 130 5.1.1 はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 130 5.1.2 実用化研究の環境整備・強化････････････････････････････････････････････････････ 130 5.1.3 研究開発の仕組みの新パラダイム－光加工産業の発展に向けて－･････････････････････ 131 5.2 人材育成 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 133 5.2.1 はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 133 5.2.2 これまでのわが国の人材育成････････････････････････････････････････････････････ 133 5.2.3 現状の人材育成の課題と新しい方向 ･･････････････････････････････････････････････ 133 5.2.4 光加工分野の面から････････････････････････････････････････････････････････････ 134 5.2.5 これからの人材育成への提言････････････････････････････････････････････････････ 134 5.3 光技術普及ネットワーク････････････････････････････････････････････････････････････ 136 5.3.1 はじめに ･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 136 5.3.2 死の谷とダーウインの海････････････････････････････････････････････････････････ 136 5.3.3 三位一体の技術開発････････････････････････････････････････････････････････････ 137 5.3.4 魂のこもった普及体制･･････････････････････････････････････････････････････････ 138 5.3.5 ロードマップ実現のために･･････････････････････････････････････････････････････ 138 5.3.6 全国に普及ネットワークを･･････････････････････････････････････････････････････ 138 5.3.7 欧州の先行例 ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 139 第6章 あとがき ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 142 －ix－ 図 表 一 覧 （網掛けはロードマップ図） 図2.1 光加工ロードマップ全体像その1（産業利用1/2） 6 図2.2 光加工ロードマップ全体像その2（産業利用2/2） 6 図2.3 光加工ロードマップ全体像その3（新産業創生） 7 図2.4 光加工ロードマップ全体像その4（光源1/2） 7 図2.5 光加工ロードマップ全体像その5（光源2/2） 8 図2.6 光加工ロードマップ全体像その6（光制御技術） 8 図3.1.1 半導体・電子部品等微細加工用各種レーザ加工機の代表的出力範囲と主な用途 11 表3.2.1 レーザ加工の分類 図3.2.1 生産応用レーザ装置の国内生産額(2) 13 14 (1) 図3.2.2 レーザ加工装置の市場規模予測 （次世代レーザ；その他のレーザを含む） 17 図4.2.1.1 鉄鋼分野での利用板厚分布 20 4） 図4.2.1.2 自動車分野へのレーザ加工の適用（高木 ） 21 図4.2.1.3 テーラードブランクのレーザ溶接の例（高木4）） 22 図4.2.1.4 立体溶接を試みたルーフとサイドの部材の場所（小田9）） 23 図4.2.1.5 自動車関連分野の光加工ロードマップ 24 図4.2.1.6 高出力CO2レーザの到達出力の年度を示す（南田10）） 25 図4.2.1.7 レーザ加工システムの変遷 26 図4.2.1.8 ロボットと組み合わされた同時多点溶接システムの概念 27 図4.2.1.9 航空機分野の光加工ロードマップ 28 図4.2.1.10 鉄道車両の光加工ロードマップ 28 図4.2.2.1 アレイ導波路格子（AWG）の例 30 図4.2.2.2 平面型光波回路（PLC）と関連する光加工ロードマップ 31 図4.2.2.3 ファイバーグレーティングの作製方法 32 図4.2.2.4 ファイバーグレーティング（FG）と関連する光加工ロードマップ 33 図4.2.2.5 3D－MEMS光スイッチの基本構成 34 図4.2.2.6 3D－MEMS光スイッチ用ミラーの例 34 図4.2.2.7 二次元フォトニック結晶導波路の例 36 図4.2.2.8 Si細線光導波路の例 36 図4.2.2.9 フォトニック結晶・Si細線光導波路と関連する光加工ロードマップ 37 図4.2.2.10 導波路加工による伝送損失の増加 38 図4.2.3.1 高密度プリント基板の構造 40 図4.2.3.2 プリント基板レーザ穴あけシステム 41 図4.2.3.3 基板のビアホールの穴径のトレンド 41 図4.2.3.4 レーザアニールシステム 42 図4.2.3.5 リソグラフィー光源の短波長化 43 －x－ 目次へもどる 図4.2.3.6 トランジスタの接合深さ7） 44 図4.2.3.7 現在のプローブのポンチ絵 45 図4.2.3.8 プローブカード狭ピッチ化ロードマップ 45 図4.2.3.9 アクチュエータ重量に対する出力/重量 47 図4.2.4.1 生体の光吸収特性 48 図4.2.4.2 生体の吸収特性と作用の関係 49 表4.2.4.1 現行のレーザ治療器の特性と用途（荒井による1）） 49 2) 図4.2.4.3 FLIVC(Femtosecond Laser Intrastromal Vision Correction) の概念図 50 図4.2.4.4 FLK(Femtosecond Laser Keratomileusis)3,4)の概念図 50 図4.2.4.5 従来のレーザ治療器市場規模推移 51 図4.2.4.6 バイオ・メディカル応用の展開 51 図4.2.4.7 DNAシークエンシングロードマップ 52 図4.2.4.8 各種電気泳動の長短所のイメージ 52 図4.2.4.9 半導体の進歩とゲノム技術の進歩 53 図4.2.4.10 解析可能なDNAサイズとポリマーメッシュサイズの関係 54 表4.2.4.11 レーザによる短寿命放射性同位体の生成例 55 図4.2.4.12 PET用短寿命放射性同位体生成のロードマップ 55 図4.2.4.13 PET用短寿命放射性同位体生成系の構成図 56 図4.2.4.14 レーザ集光強度と発生粒子エネルギー5) 56 図4.2.4.15 14 15 6) N(d, n) Oの反応断面積 57 図4.2.4.16 RECAPSの動作原理1,2,7) 58 図4.3.1.1 近接場光学技術を基礎としたナノ光加工 60 図4.3.1.2 ナノファブリケーション・ナノデバイスに関するロードマップ 62 図4.3.2.1 加工サイズの微小化 63 図4.3.2.2 アブレーション率のレーザフルーエンス依存性（物質；銅, 波長；800nm） 64 図4.3.2.3 アブレーション閾値のレーザパルス幅依存性（物質；銅, 波長；800nm） 64 図4.3.2.4 加工痕形状の予測と実験結果 (a)レーザ空間プロファイルの断面， (b)加工形状の断面（物質；銅、パルス幅；70fs、波長；800nm） 64 図4.3.2.5 金薄膜の微細加工（パルス幅；100fs、波長；800nm） 64 図4.3.2.6 レーザ旋盤を使って作られたマイクロネジ（パルス幅；100fs、波長；800nm） 65 図4.3.2.7 フェムト秒レーザを用いて紫外線硬化樹脂中に作成されたマイクロスケールの牛65 図4.3.2.8 光硬化樹脂中に作成された三次元フォトニック結晶 図4.3.2.9 加工表面にできたナノ周期構造（材質：銅、パルス幅；100fs、波長；800nm） 66 65 図4.3.2.10 ナノ周期構造による光分散 66 図4.3.2.11 位相マスクを用いた一括パターン加工 66 図4.3.2.12 自己集積化したナノ金属ナノ構造薄膜の走査型電子顕微鏡写真 （a）倍率×3000， （b）倍率×30000（パルス幅；100fs、波長；800nm） 図4.3.2.13 COMS のゲート長と接合深さの関係 67 67 －xi－ 目次へもどる 図4.3.2.14 Siのコヒーレントフォノン励起による再結晶化、活性化促進過程 68 図4.3.2.15 フェムト秒加工のロードマップ 69 図4.3.3.1 短パルスレーザの応用分野 71 図4.3.3.2 高強度レーザ照射のもとでのイオン化プロセスの比較 72 図4.3.3.3 光による原子・分子加工のロードマップ 73 図4.4.1.1 スタック状のレーザ光を一軸に収束させる工夫（ﾊﾞｯﾊﾏﾝ7）） 76 図4.4.1.2 半導体レーザの収束性に関するビーム品質の比較（ﾊﾞｯﾊﾏﾝ7）） 76 7） 図4.4.1.3 半導体レーザの現状の収束性能（ﾊﾞｯﾊﾏﾝ ） 図4.4.1.4 半導体レーザのロードマップ 77 78 10) 図4.4.1.5 フォトンプロジェクトで半導体励起YAGレーザの開発の現状 79 図4.4.2.1 LD励起固体レーザロードマップ 83 図4.4.3.1 代表的な超短パルスレーザ：(a)100mWファイバーレーザ， (b)TWチタンサファイアレーザ 85 図4.4.3.2 超短パルスレーザ小型化のロードマップ 86 図4.4.3.3 超短パルスレーザ高平均出力化のロードマップ 87 図4.4.3.4 超短パルスレーザ高ピーク出力化のロードマップ 88 図4.4.3.5 通常のレーザ増幅とOPCPA増幅の比較 89 図4.4.4.1 平均出力の変遷と予測 91 図4.4.4.2 最短波長の変遷と予測 91 図4.5.1.1 4倍高調波の出力の年代と増大 94 図4.5.2.1 周波数安定化レーザの位相制御 98 図4.5.2.2 モードロックパルス光通信帯周波数マーカーと周波数標準 13 C2H2 P(16) and 85 Rb 5S1/2 - 5D5/2 図4.5.2.3 数サイクルパルス内の位相制御によって電界制御相互作用が可能になる 図4.5.2.4 レーザ増幅作用も大気中光伝播も位相同期されたコヒーレント加算の 99 100 結果である 101 図4.5.2.5 マルチコアファイバーの位相同期発振 102 図4.5.2.6 多束ファイバーレーザのコヒーレント加算 103 図4.5.2.7 共通モードによる自動的位相同期発振 104 図4.5.2.8 コヒーレント加算の拡大則 105 図4.5.2.9 位相アレイレーザは真の能動的光学デバイスである 105 図4.5.3.1 光学的フーリエ変換による集光パターン制御 108 図4.5.3.2 光異性化反応を利用した液晶分子の配向制御 (a)と 2値キノフォルム位相素子の例(b) 図4.5.3.3 図4.5.3.4 108 ネマティック液晶分のツイスト配向のパターン化(a)と直交2偏光による スペックルの低減(b) 109 ベッセルビームの生成方法の例 109 －xii－ 目次へもどる 図4.5.3.5 BK-7ガラス中のベッセルXパルスの伝搬．初期パルス幅は30fs， 伝搬距離は1.2 cm (a)及び3.6 cm (b) 110 図4.5.3.6 ラゲールビームの位相構造(a)とそれを発生させる素子の例(b) 111 図4.5.3.7 軸対称偏光ビーム (a): radial 偏光， (b): azimuthal偏光 111 図4.5.3.8 種々のレーザビームモード間の相互変換 112 図4.5.3.9 位相・偏光制御レーザ加工システム 112 図4.5.3.10 位相・偏光・回折制御技術のロードマップ 113 図4.6.1 LIGAによる加工の一例 115 図4.6.2 放射光源開発のロードマップ 117 図 4.6.3 FEL平均出力ロードマップ 118 図4.6.4 FEL短波長化ロードマップ 118 図4.6.5 Deep X-ray Lithography ロードマップ 120 図 4.6.6 産総研の放射光リング(TERAS)での露光時間を他の露光手段の場合と 比較した場合のロードマップ 120 図4.6.7 各種リソグラフィーのコスト予測(ASETデーター) 121 図4.6.8 X線マスク用メンブレンの透過率 121 図4.6.9 X線レジスト高度化ロードマップ 122 図5.3.1 基礎研究と実用化研究のギャップ「死の谷」の存在 136 図5.3.2 (a)「死の谷」と(b)「ダーウィンの海」 137 図5.3.3 ドイツのレーザ普及ネットワーク 140 図5.3.4 Virtual European Laser Institute 140 －xiii－ 目次へもどる 第1章 まえがき 21世紀を迎えて，日本の社会・経済は大きな転換点に直面している。即ち，少子高齢化の進展という社会 現象，また製造業の海外展開が進んだことによる雇用の問題等である。このような状況の中で，産業競争力 のさらなる強化をめざして，高付加価値産業や新産業の創生を通じて産業界の活性化をはかり，雇用確保と 共に「豊かな精神的ゆとり社会」の実現，新たな社会の構築が求められている。その方策として，科学技術 立国を標榜する我が国においては科学技術の最先端の研究開発成果をタイムリーに産業化に結びつけること が挙げられる。 我が国の産業力強化の要の技術のひとつが光技術と言える。21世紀は光技術なくしては語れない時代であ る。この光技術は極めて多方面に応用されるようになった。我が国の産業技術政策において重点4分野として いるのが，情報通信, 材料・ナノテクノロジー，環境・エネルギー，ライフサイエンスである。このいずれ の分野にも光技術が重要な役割を果たしており， 今後その重要性は一層高まっていくものと期待されている。 この光技術をさらに発展させて競争力のある産業技術として成長を持続するためには，将来の展開に対する ビジョンの策定と技術の方向性を明示することが強く求められている。また，将来のニーズがいつ頃，どの ような形で現れ，それに対してどのようなタイムスケジュールで技術開発を進めて行くべきかの道筋を明ら かにして行くことが必要である。当協会では，インターネットの爆発的成長の幕開けを目前に控えた1996年 に，21世紀に向けた光技術の展開を方向付けすることを目的として， 「光テクノロジーロードマップ」の策定 を開始した。これまでに光テクノロジーロードマップ策定委員会では，情報通信（96，99, 01年度） ，光情報 記録（97年度） ，ディスプレイ（98年度） ，入出力（99年度） ，計測センシング，光エネルギー（太陽光発電） （01年度）のそれぞれのテクノロジーについてロードマップの策定を行ってきた。 光加工は今日の製造業が直面している空洞化という問題に対して，高付加価値生産，少量多品種生産，極 短納期生産，低環境負荷生産という解決の糸口を与えるものと期待される。そこで2002年度は，光加工分野 のテクノロジーロードマップを策定することとし，その策定作業を進めるために，分科会を設置した。光加 工分科会では，まず産業利用の面から，自動車・重工業分野，情報・通信分野，半導体・電機分野，医療分 野の4つの重点分野を取り上げ， これらの分野へのアプリケーションという視点で光加工のロードマップを描 くことにした。次に，新産業の創成という観点から，最先端の技術シーズをどういう方向で利用できるかを 展望するため，ナノファブリケーション，フェムト秒加工，原子・分子の直接加工という3つのトピックスを 取り上げ，ロードマップを描いた。更に，これらを実現するために必要な加工用レーザのロードマップを， 光発生技術，光制御技術および放射光発生・利用技術という要素技術に分けて提示した。最後に，ロードマ ップ実現の方策として「基礎研究から実用化研究」へ， 「人材育成」および「光技術普及ネットワーク」を取 り上げ諸外国の成功例を参考例として紹介しながら我が国のとるべき今後の方策の一案を提示することを試 みた。 光加工テクノロジーロードマップの策定では，前記内容について議論を尽くした結果として，2002年12月 に中間報告を，そして2003年3月には報告書をまとめるに至った。光加工技術は製造技術革新の要の技術であ －1－ 目次へもどる り，久しく叫ばれている我が国の産業の空洞化からの再生の切り札となるものである。本ロードマップに示 したことが，産業界の一指針となり製造業の再生のみならず情報通信分野をはじめとするあらゆる産業分野 の発展の礎となることを期待したい。本報告書は産業界，大学，公的研究機関の第一線の専門家の衆知を結 集して完成したものである。最後に本報告書完成にご尽力いただいた関係各位に深く感謝申し上げる。 (荒川 泰彦) －2－ 目次へもどる 第2章 光加工ロードマップ総論 2.1 はじめに 日本は米国に次ぐGDPを誇る経済大国であるが，穀物自給率は28％，エネルギー自給率に至っては20％のひ 弱なアキレス腱をもった大国である。 この世界第二位のGDPを支えているのは製造業と行っても言い過ぎでは ない。原材料を輸入し製品を輸出して外貨を稼いできた。バブル崩壊以降でも比較的豊かな生活を享受でき るのは，これまでに製造業によって培われた蓄えのお陰であろう。これまでも，そしてこれからも製造業は， 資源の乏しい我が国の経済発展の原動力であり基幹産業であると言える。アジアの驚異的な経済発展にひる むことなく，持続的に国力を充実していかなければならない。そのためには，最先端の研究開発成果を製造 業へ展開する不断の努力が必要である。科学技術立国を目指す我が国にとしては製造業のための革新技術開 発にもっと力を注がねばならない。 21世紀は光の時代と言われている。昨今，話題となった素粒子の発見や蛋白質の解析から身近なCDプレー ヤーに至るまで，光技術無くしては語れない現代社会である。 「21世紀のレーザーワールド」なる夢がレーザ ー学会誌「レーザー研究」2001年1月号に掲載されている。そこには，レーザ農場からレーザ核融合発電，レ ーザ医療，レーザシアターなど私たちの生活を豊かにする夢の光技術がイメージされている。一方，我が国 の科学技術政策に於いて重点4分野が設定されている。IT，ナノテク，バイオ，環境である。いずれの分野に しても光技術無くしては発展が望めない。まさに，光技術は基盤技術なのである。 バブル経済崩壊以降，今日に至るまでは“失われた10年”と呼ばれている。その間，国内製造業の空洞化 が進み，経済発展が停滞している。失われた10年を取り戻し，製造業の空洞化を防ぐには，光技術を基盤と した製造技術革新が不可欠な状況であると言える。 このたび，産学の英知を結集して光加工のロードマップを策定し報告書を出すに至った。ここには，産業 界の切実な思いが込められている。いかにして，我が国の製造業を復活させるか，光技術をいかに役立たせ れば良いのか， 持続的な発展のためには今何をすべきか， といった問題に対する答えを模索した結果である。 最後には，ロードマップ実現のための方策として，人材育成，光技術普及ネットワークについても言及して いる。暗い話が多い今日この頃であるが，ここには多くの希望に満ちた夢が語られている。 “製造業にもっと 光を”といった願いが込められている。 今後の我が国の製造業の展開に関して三つのシナリオを考えてみた。一つ目はアジアの台頭に疲弊して技 術革新もままならず没落の道を歩むのか，二つ目は出口イメージを重視する研究投資の落とし穴に陥り，基 盤技術をおろそかにしサイエンスイーターの汚名を再び着せられつつも生き延びるのか，三つ目は持ち前の 勤勉性とイノベーション能力を発揮して光基盤技術を発展させ再び活力を見出すのか。同じ過ちを繰り返し てはいけない。科学技術創造立国を現実のものとすべく知の創成を振興し，全世界に日本の独自の科学技術 に立脚した経済発展のモデルを示していこうではないか。 本報告書は我が国の製造業の永遠のルネッサンス（再生）を目指す報告書である。日は又昇る。 （藤田 雅之） －3－ 目次へもどる 2.2 光加工が拓く21世紀 最近わが国で，高出力レーザ開発に関し，色々な進展が見られる。例えば，電通大・神島化学工業（株） の共同で開発されたセラミックレーザは，従来の固体レーザを超える新固体レーザとなり得る「純国産レー ザー」である。また，新エネルギー・産業技術開発機構(NEDO)により実施された「フォトン計測・加工技術 の研究開発」 （平成9— 13年度）において，高出力Nd:YAGレーザ（12kW） ，高集光Nd:YAGレーザ（集光径40mm/ 出力1kW，波長変換で266nm/42W） ，あるいは高出力ファイバーレーザ（単体出力350W）など，世界最高クラス の性能の全固体レーザが実現された。これらの成果は，自動車･重工業分野における鉄やアルミ等の切断･溶 接，レーザ焼き入れによる強度・耐腐食性の向上，半導体分野における超精密加工など，先進的レーザ加工 を実用化する上での大きなマイルストーンと評価される。 日本原子力研究所関西研究所では，ピーク出力100TW，パルス幅20fsの超高出力レーザが10Hzで稼動してお り，小型・高輝度のX線源，イオン源への利用が開始されようとしている。また，国産高出力LD励起のスラブ 増幅器レーザシステムで，1kHz，平均出力362Wの均質パターン発振が得られている。 光産業技術振興協会により順次策定されてきた「光テクノロジーロードマップ」において，情報通信，光 記録媒体，光情報記録，ディスプレイ，入出力，計測センシング，光エネルギーに続いて，光加工分野がと りあげられることになった。上記の通りわが国でも，高出力レーザの開発と利用の基盤がかなり構築されて きたので，光加工の将来展望を現実的な課題として考えるのに，極めて適切な時期といえよう。 さて，ロードマップ策定においては，光技術開発によりどのような社会の実現を目指すかの将来像（ヴィ ジョン）が重要である。技術開発の発展の帰結として実現可能となる社会を展望するだけでなく，わが国の これからの在り方の中でのロードマップを提示することが望ましい。戦後高い成長率を示してきた日本経済 は，1980年代のバブル期を経て90年代にゼロ成長へと移行し，2000年代に入ると世界的なIT不況も加わり経 済規模は縮小し始めている。他方，東アジア諸国，特に中国は， 「世界の工場」として急速な発展を遂げつつ ある。欧州では，欧州連合の成立を新たな活力として，大きな経済圏を形成するとともに，技術開発への投 資と人的交流が活発に行われている。我が国にとって厳しい状況ではあるが，日本の経済規模は依然極めて 大きく，高い技術力も維持している。 このような状況を踏まえて， 「光」が果す役割は何か，光科学技術において日本が得意とする分野は何か， 新しい価値･技術を生み出す活力の主体はどこか，その活力を最大限に引き出すためにとるべき方策は何か， などを含めた戦略の立案が必要である。本ロードマップが今後の展開へ向けて，重要な役割を果すことを期 待したい。 （加藤 義章） －4－ 目次へもどる 2.3 光加工ロードマップの全体像 光加工ロードマップを策定するにあたり，三つの方針を設けた。一つ目は市場規模が大きな（或いは，光 加工が技術革新を先導するであろう）産業分野を対象としたロードマップを目指すこと，二つ目は今後15年 間を3つのフェーズに分けて将来像を展望すること，三つ目は“光加工技術”を3要素に分けて検討すること である。 最も有名なロードマップは半導体産業のロードマップであろう。市場規模は極めて大きく且つ巨大なリー ディングカンパニーが存在しているため， ロードマップに従えば買ってくれる/売れるモノが作れるという構 造がある。そこで，半導体以外の市場規模が大きな産業として， 「自動車・重工業」 ， 「情報・通信」 ， 「電機・ 半導体関連」という3つの分野を設定した。さすがに市場をリードする巨大カンパニーは存在しないが，産業 的にインパクトの強い分野を選んだつもりである。また，高齢化社会を迎える我が国にとって重要である「医 療分野」についての“光利用”も検討対象とした。 ロードマップは将来展望をするわけであるから，ある意味“当たるも八卦，当たらぬも八卦”的なところ がある。しかし，全く見当違いのロードマップを作っても意味がないため，今後15年間をシーズからニーズ への展開という観点から3つのフェーズに分けた。 当初の3〜5年は産業界の今のニーズに対して必要とされる 技術シーズをまとめ，5〜10年後に対しては産業界と学界から見た実用化が望まれる（言い替えれば，ニーズ と合致する）技術シーズを予測し，10〜15年後に対しては学界から期待される技術シーズを展望しリーディ ングテクノロジー創成のための“夢”を大いに語ってもらおうということである。 光加工と一言で表現しても，そこには色々な要素が含まれる。光をつくり，導き，加工に使おうというこ とであるから，大きなくくりとして「光発生技術」 ， 「光制御技術」 「光利用技術」と分けて検討を進めること とした。報告書内では，まず「光利用技術」に関する章を設けた。使う順番からすれば「光発生技術」が先 に来ても良さそうであるが，これには理由がある。やはり，光（レーザ）は使ってこそ，使われてこそ初め て価値が産み出されるものである。1960年のレーザの発明以降，レーザ技術者の不断の努力で様々なレーザ が開発されてきた。これからは，ニーズに即したレーザ開発が重要となる。使われてなんぼのレーザである という立場を前面に出したつもりである。 「光利用技術」の次はやはり「光発生技術」である。ニーズに対応したシーズを明確にして開発を進めな ければならない。次に「光制御技術」に関する節を設けてある。これまでは，発生・利用ばかりに目が向き がちだったが，競争が激しい技術開発に於いて他との差別化を図るには「光制御技術」にもっと重点を置く べきであろうと考えたのである。最後に，レーザが中心となりがちな光加工ロードマップではあるが，光加 工技術として有望な「放射光発生・利用技術」をまとめた。 以下に，本報告書で取り上げたロードマップの全体像を図2.1～図2.6にわたって示す。図2.1，図2.2は既 存の産業分野での光加工に関するロードマップである。 検討対象とした産業4分野に対して光加工がどのよう に使われ産業の発展を促していくのか，或いは当該分野の加工ニーズに光加工がどう対応すべきかの展望が まとめてある。図2.3は新産業創成のための光加工を用いたナノテク・フェムト秒テクノロジーを中心とした ロードマップとなっている。図2.4，図2.5には光源開発ロードマップの全体像を示した。大雑把ではあるが， 光源技術開発に対して利用分野・技術を対応させている。図2.6には光制御技術開発のロードマップを示して いる。詳細に関しては本文をご覧いただきたい。 （藤田 雅之） －5－ 目次へもどる 2000 2005 シーム溶接 軽量化 アルミ・マグネ合金利用 ビルドアップ加工 ・高速化 ・高剛性化 ・軽量化 ・低廃棄物化 レーザロボット溶接 レーザ3次元溶接 レーザプロジェクション ラピドプロトタイピング ファイバー導光YAGレーザー加工・溶接 PLC ・多チャンネル化 ・高密度・集積化 ・低損失化 ・新機能実現 レーザトリミング 小部材レーザフォーミング LD直接加工・溶接 ファイバーLD AWG1000ch AWG2000ch～ マルチチップ化 多層化 アクティブ光回路 ハイブリッド化 高密度化に対応したパターン形成技術の向上 多チャン ネル化 導波路幅 5μm 2μm UVトリミング（マスク露光法） 1dB/cm 損失 波長フィルタ サブμm UV局所トリミング（レーザビーム走査） 高度化（サブミクロンビーム） 、 フォトニ ック結晶 低損失化 高性能化 新材料 利用 多点同時溶接 レーザ塗装剥離 情報・通信 2015 一体加工・同時多点加工 自動車・重工業 2010 0.5dB/cm WDM 8波 0.1dB/cm WDM 32～64波 WDM 128～256波 損失低減・性能向上のための加工精度向上 線幅精度 10nm 5nm EB描画、トリミ ングなし 2nm 高安定低価格の光露光、トリミング技術の導入・改良 社会的要請 低環境負荷：省エネ・リサイクル 加工対象製品（デバイス）の動向 加工ニーズ レーザ加工技術 レーザ技術 図2.1 光加工ロードマップ全体像その1（産業利用1/2） 2000 半導体・電機産業 2005 P基板穴開け 穴径 50〜100μm リソグラフィ 線幅 医療・バイオ ・患者負担軽減 EUV F2レーザ 5nm 10nm 歯治療・遠近視治療 波長 193nm、2〜3μm レーザセンシング スキルス癌、脳内酵素モニター 波長 200〜400, 600〜1000nm ・新治療法 ・早期診断 25nm 50nm 接合深さ 〜20nm レーザメス 10μm以下 10〜50μm 100nm ArFレーザ 極浅接合 2015 YAGレーザ高調波（UV） CO2レーザ ・微細化 ・高集積化 ・治療時間短縮 2010 タンパク質・DNA タンパク質・糖鎖構造解析、病気予測、DNA治療 波長 X線〜中赤外 PETセンター 早期癌検診 PET検診車 3 可搬T3レーザ 小型T レーザ 社会的要請 低環境負荷：省エネ・リサイクル 光加工対象・応用分野の動向 加工ニーズ レーザ加工技術 レーザ技術 図2.2 光加工ロードマップ全体像その2（産業利用2/2） －6－ 目次へもどる 2000 ナノファブリケーション 2005 加工サイズ ナノ光回路 ナノチャンネル 露光用マスク修理 機械的加工 非熱加工 機能性加工 非線形加工 ナノ構造形成 核変換廃棄物処理 原子・分子加工 ・原子直接加工 ・コヒーレンス制御 ナノイメージング 光記録媒体 量子リソ ナノ ロボット ナノトライポロジー 半導体結晶制御 核変換原理実証 分子エレクトロニクス 超平滑加工 コントロールアブレーション ・ナノ制御加工 ・ナノ機能制御 10nm フォトニック結晶 ナノセンサー フェムト秒加工 2015 100nm サブμm 光ファイバデバイス ・ナノデバイス ・ナノ機能発現 2010 理学実証 機能性複合材料 放射性廃棄物処理プラント 化学反応制御 凝縮相反応制御 異性化反応制御 新物質創成 化学反応制御 表面・界面反応制御 電子移動制御 人工光量子デバイス 加工ニーズ 新規分野の技術（シーズ）動向 レーザ加工技術/対象 技術目標 図2.3 光加工ロードマップ全体像その3（新産業創生） 2000 光源開発 2005 2010 2015 直接加工用半導体レーザ CW 1MW/cm2 高輝度化 高出力化 CW バー出力 CW 10MW/cm2 100W 高効率化 kW-LDで50％ 高寿命化 20000時間 600W 60％ 70％ 30000時間 0.6mmコア 10kWファイバー伝送 300W 0.4mm 0.2mm LD直接加工・溶接 半導体励起固体レーザ 15kW/20% 高出力/高効率化 2 20kW/30% 50kW/50% 高品質化 M 〜10@10kW M 〜1@1kW M2〜1@10kW 短波長高出力化 200W@可視域 40W@355nm 20W@266nm 1kW@可視域 0.5kW@355nm 0.1kW@266nm 2kW@可視域 1kW@355nm 0.2kW@266nm 波長変換効率 20% 30% 40% 新型媒質 2 セラミックスレーザ・ファイバーレーザ・薄膜レーザ P基板穴開け・微細マイクロ/ナノ加工・レーザー剥離/フォーミング/トリミング 小型超短パルスレーザ 小型高性能化 ブリーフケース 周波数基準 光源 パームトップ フィンガートップ 3次元メモリR/W 携帯機器周波数基準 光源技術動向 光源応用分野 光源技術開発目標 図2.4 光加工ロードマップ全体像その4（光源1/2） －7－ 目次へもどる 2000 光源開発 2005 2010 2015 高出力超短パルスレーザ 高平均出力化 1ps〜100fs 5kHz, 5W 50kHz, 50W 数100kHz, 数100W 高スループット3次元ナノ加工、機能性加工 30〜10fs 1kHz, 30W 1kHz, 300W PET 癌検診 化学反応制御 1PW 高ピーク出力化 1kHz, 1kW 10PW 1EW 原子直接加工・真空破壊 自由電子レーザ 高平均出力化 10〜20kW 短波長化 200nm 100kW 1MW 高スループット加工 100nm <10nm 半導体露光、蛋白質構造解析 放射光源 1020 高輝度化 1023 1025 Brightness : photons/s/mm2mrad2/0.1%BW Deep X-ray Lithography ナノインプリント 小型アクチュエーター DNAチップ 狭ピッチプローブカード 光源 ナノデバイス 光源技術開発目標 光源技術動向 光源応用分野 図2.5 光加工ロードマップ全体像その5（光源2/2） 2000 光制御 2005 2010 2015 位相制御 単一周波数レーザ 重力波検出 フェムト秒レーザ 周波数基準 コヒーレント加算・結合 ファイバーレーザ 位相アレイレーザ：能動光学デバイス 半導体レーザ 2次元位相制御技術 高耐力電子位相制御素子 高耐力電子偏光制御素子 アダプティブ位相結合 広帯域位相制御素子 プログラマブル光制御 高速能動波面制御素子 内蔵型共振器 フィードバック型光制御 波形制御素子 計算機予測技術 加工現象のモデル化 統合予測コード 加工データベース 回折制御技術 ガウスビーム ラゲール・ガウスビーム 光源技術 技術動向/対象 ベッセルビーム 光源技術開発目標 超回折ビーム 極 限 微 細 三 次 元 加 工 ビ ｜ ム 光源応用分野 図2.6 光加工ロードマップ全体像その6（光制御技術） －8－ 目次へもどる 第3章 光加工産業の現状と市場動向 3.1 国内製造業の現状 3.1.1 我が国経済における製造業の位置づけ 2002年版製造基盤白書（経済産業省・厚生労働省・文部科学省 編）によれば，平成12年における製造業 の実質国内総生産は124兆7,400億円であり，我が国の実質国内総生産全体の23.4%を占めている1）。また，平 成12年の製造業の実質国内総生産業種別構成は，電気機械32.7兆円（26.2%） ，化学（化学工業，石炭製造業， 石油製造業，ゴム製造業を含む）17.1兆円（13.7%） ，食料品12.5兆円（10.1%） ，輸送機械11.8%（9.4%） ，鉄 鋼・非鉄金属7.5兆円（6.0%） ，その他30.6兆円（24.6%）であった。また，平成13年の製造業の就業者数は， 我が国全就業者数の20.0%を占める1,284万人であり，製造業内の構成比は電気機械216万人（16.8%） ，化学194 万人（15.1%） ，食料品・飲料・たばこ・飼料156万人(12.1%)，一般機械・精密機械148万人（11.5%） ，金属製 品129万人(10.0%)，繊維99万人（7.7%） ，輸送機械99万人（7.7%） ，鉄鋼・非鉄金属41万人（3.2%） ，その他204 万人(15.9%)である。 製造業は，全産業に比べて労働生産性が高く，なかでも化学，鉄鋼，電気機械，輸送機械，一般機械，精 密機械などはかなり高い労働生産性並びに輸出競争力を有している。平成12年の財・サービス輸出額の総計 は59兆円621億円であったが，そのうち製品輸出額は51兆284億円であり，財・サービス輸出の86.4%も占めて おり，輸出型製造業による製品輸出は，食料品や鉱物性燃料，金属材料，衣服，身辺細貨品，その他労働集 約的な各種工業製品などを輸入するための外貨の獲得に貢献している。製品輸出額の製品別内訳は，電気機 器13兆6,708億円（26.8%） ，一般機械11兆1,015億円（21.8%） ，輸送機器10兆8,232億円（21.2%） ，化学製品3 兆8,087億円（7.5%） ，金属及び同製品2兆8,492億円（5.6%） ，精密機器2兆7,720億円（5.4%） ，その他6兆30 億円（11.8%）であった。電気機器，一般機械，輸送機器，精密機器を合算した機械機器の総計は38兆3,675 億円で我が国の製品総輸出額の74.3%を占める2）。これから分かるように，これら輸出競争力ある機械機器を 造り出す元となる半導体・電子部品等の製造装置や各種工作機械並びに生産システムは我が国製造業におい て，重要な役割を担っている。 3.1.2 製品輸入の増加による貿易構造並びに産業構造の変化 バブル崩壊後の製造業による中国などアジア諸国への急速な生産シフトや直接投資などの影響で，このと ころ労働集約的な製品の輸入が目立って増加しており，これまで比較的優位にあるとされてきた電気機械な どの財においても，輸入浸透度が高まり，日本の貿易特化係数が低下しつつある。平成元年と平成11年度と における業種別輸入浸透度の比較では，鉄鋼，木材・紙・パルプ，非鉄金属，輸送機械などでは輸入浸透度 に変化がないか， あっても高々2%以内程度の増加であるのに対して， 繊維は8.8%から26.3%へと17.5%の増加， 精密機械は16.9%から33.9%へと17%の増加，電気機械は3.3%から12.6%への増加，一般機械は2.4%から5.2%へ の2.8%の増加となっている1)。また平成2年から平成12年にかけての輸入額の業種別変化率をにみると，電気 機械は215.1%， 精密機械は164.9%， 一般機械は95.4%も変化しており， この間のそれら業種の輸出額の変化率， 43.6%，38.5%，21.0%と比較すると，これらの業種において製品輸入額の伸びが著しい。また，平成14年度経 済財政白書によれば3)，電気機器並びに精密機械は貿易特化係数がこのところ急速に低下しており，なかで －9－ 目次へもどる も事務用機器，半導体等電子部品，通信機，科学光学機器などのIT関連財の貿易特化係数の低下が顕著であ る。このような背景には，セットの組立工程など労働集約的な工程を中国等に製造委託するなど，産業内の 分業が，ハイテク製品分野にもかなり浸透してきたことがあるものと考えられている3)。 日本経済新聞社の調査によると，16品目に関する直近（2000年実績から2002年見通し）の世界生産に占め る中国のシェアは，DVDプレーヤーで54.1%に達するなど，オートバイ，エアコン，ビデオテープレコーダー， デスクトップパソコン，携帯電話，カラーテレビ，粗鋼など8品目で首位となった4)。日本は，これら16品目 の調査において，デジタルカメラでは52.1%のシェアで首位となったものの，ノート型パソコンのシェアは 18.8%で台湾に次いで2位，大型LCDではシェア28.6%で韓国，台湾についで3位となるなどIT関連財のシェアの 低下がこのところ顕著である。これら16品目で日本が首位となった品目は，デジタルカメラのほかは，造船， 工作機械など2品目に過ぎない。パソコンなどIT関連財は製造プロセスにおけるモジュール化が進展し，半導 体や電子部品等の知識・技術集約的なものを輸出し，中国等の現地を最終組立地とする垂直分業関係による 産業内貿易が顕著に増大している3)。 製造業における労働集約的な工程の国外への生産シフトなどにより，製造業における就業人口の急激な減 少による技術の空洞化，国際競争力の低下が懸念される。その対策としては，より創造性が高く，技術的付 加価値の高い新製品開発などを強化・促進し，新製品比率を高め，かつそれらの生産性を高める必要がある。 「産業の空洞化」を超越して国内生産の増大に寄与するには，新素材や新機能素子，新生産プロセス等によ る魅力ある高付加価値の新製品開発や，企業間や産官学等の戦略的な連携，ネットワーキング等による効率 的な価値創造メカニズムの構築がますます重要な流れとなってきている。これらの流れの中で，光加工によ る新応用などが重要な役割を果たすものと期待される。 3.1.3 製造業における光加工応用の現状 レーザ加工は，各種部品の高精度・高信頼度な加工，フレキシブルで省工程な加工，クリーンかつ省資源 な加工用として適しており，各種部品の製造に有力な生産プロセス技術として導入され，高度化している。 レーザ応用生産装置の2001年度の国内生産見込み額は，エキシマレーザ応用生産装置で約1,520億円，炭酸ガ ス応用生産装置で約440億円，YAGレーザ応用生産装置で約290億円と見込まれている5)。エキシマレーザ応用 生産装置の主な応用は半導体リソグラフィ， TFTアニール及び光ファイバグレーティング素子製造などであり， とくに半導体リソグラフィ用の出荷台数比率が高い6)。エキシマレーザ露光装置は輸出比率が高いが，これ に搭載されているエキシマレーザの国産化率はまだ低い。昨今，モジュラー構造を“売り”にしているオラ ンダの露光装置の伸長が顕著であり，これまで日本が得意としてきた「摺り合わせ」 （インテグラル）型製品 との対比が論じられている7)。炭酸ガスレーザ応用生産装置は，精密板金加工（切断，穴あけ）に主に用い られる高出力なガスフロータイプのもの，電子部品のマーキングなどに主に用いられる低～中出力の封じ切 りタイプのもの，及びプリント基板の穴あけ加工用に用いられる短パルス加工用の3種類に分けられる5)。出 荷台数的には封じ切りタイプのものもガスフロータイプのものとほぼ同程度であるが，出荷金額的にはガス フロータイプのほうがウェイトがかなり大きい。ガスフロータイプの炭酸ガスレーザ加工機は比較的輸出競 争力があり，2001年は台数ベースでその販売実績の34%程度が北米，欧州，アジア等に輸出されたものと見ら れる5)。封じ切りタイプの炭酸ガスレーザ発振器は，米国等からの輸入品が多用されている。固体レーザ応 用生産装置は，半導体や液晶のリペアリング，チップ抵抗やファンクション回路のトリミング，各種電子部 品等のマーキング，電池や光モジュール，各種自動車部品等の精密溶接などに多用されている5)。リペアリ －10－ 目次へもどる ング装置，トリミング装置，マーキング装置，精密溶接装置などは東アジア諸国等にも輸出されており，最 近は韓国・台湾等へのLCD用リペアリング装置などの輸出が顕著に増大している。固体レーザ励起用等の高出 力半導体レーザや，新生産プロセス研究開発用途の高出力UV固体レーザなどは，市場がまだそれほど大きく 形成されていないこともあり，輸入品が多用されている。 独Optech Consulting社による推定によれば，レーザ加工装置の2001年の世界市場は約47億ユーロであり， 1994年の世界市場11.8億ユーロからは7年間で約4倍に大きく成長している8)。2001年の47億ユーロの内訳は， 金属のレーザ切断・溶接等の工作機械が33.5億ユーロ（約71%） ，半導体や回路基板，電子部品用レーザ加工 装置が13.5億ユーロ（約29%）としている。レーザ露光装置についてはレーザ発振器のみが計上されている。 また，1999年におけるレーザ加工機の世界市場（需要）の地域別内訳は，欧州35%，北米35%，環太平洋29%， その他3%としている。 また，独VDMA(Verbandte Deutscher Machinen- und Anlagenbau e.V)の調査によれば9)，2000年におけるレー ザ加工機の世界市場は41億ユーロで，その用途別内訳は，切断・溶接用が18億ユーロ（約44%） ，半導体や電子部 品の微細加工用は11億ユーロ（約27%） ，マーキング用が7億ユーロ（17%） ，彫刻，ラピッド造形，その他が4.8億 ユーロ（約12%）であり，それらの需要の地域別構成比は，西欧34%，北米35%，日本25%，アジア6%である。また， 欧州市場において，ドイツの製品は約40%のシェアを持つとしている。この調査においても，レーザ露光装置に ついては光源のエキシマレーザ発振器のみが半導体や電子部品の微細加工用の中で集計されている。 我が国のレーザ加工機メーカは，それぞれ得意な応用分野において，世界市場においても比較的よく健闘 しているものと思われるが，各種の機械機器製品の輸入浸透度が高まり，海外市場の重要性が次第に大きく なるなかにあって，欧米等のレーザ加工機メーカに比べてやや押され気味であり，いまや一層奮起して頑張 らなければならない事業環境下にあると言えよう。 レーザ加工機の導入がかなり進展している代表的な産業分野はエレクトロニクス産業，金属加工産業，お よび自動車産業である。図3.1.1に，エレクトロニクス産業分野における半導体・電子部品等加工用各種レー ザ加工機について，目的別に概略の平均出力範囲を示す10)。 Q -ス イ ッ チ 発 振 ノー マル 発振 500W 200W 100W - 平均出力 50W - シーム溶接 P oly-Si ア ニー リング 微細穴あけ マーキ ング 20W 10W 5W - PW B 穴 あ け マ イクロ ビア加 工 ＦＢ Ｇ 作 成 1W - エキシマ レーザ マーキング パ ター ニ ン グ リソグラフィ 2W - ス ポット溶接 マイクロ ビア加工 パ ター ニ ン グ リペア リペ ア UV ト リ ミン グ ウェハ マーキ ング G reen リペ ア IR IR CO 2 レーザ 固 体レー ザ 図3.1.1 半導体・電子部品等微細加工用各種レーザ加工機の代表的出力範囲と主な用途 －11－ 目次へもどる 高出力紫外短波長レーザや超短パルスレーザ等の新レーザ光源による回路基板の微細穴あけやガラス等の 透明体の微細加工11)，短波長CW固体レーザアニーリング等による多結晶Si－TFTの高性能化12)，などによる各 種新用途の開拓などが活発に進められており，デジタル情報家電やブロードバンド・ITなどの推進を担うエ レクトロニクス産業分野では，今後，レーザによる微細ナノ加工等による新展開が大いに期待される。 自動車部品13)や自動車14)の生産においてもレーザ加工技術の応用は着実な進展を遂げているが，量産ライ ンにおける前後の既存工程との高度な摺り合わせなどにノウハウの蓄積が必要であるものと見られ，生産プ ロセスの適度なモジュール化がさらに進展すれば，関連業界等にも一層広範に普及するものと思われる。高 出力レーザを用いたマクロ的加工分野でもレーザ加工の適用拡大を目指した研究開発は精力的に推進されて おり，エネルギー効率が高く，環境にも優しい高出力半導体レーザの低コスト化，高信頼度化などの進展と ともに，自動車分野や一般金属加工分野のみならず，鉄鋼分野や重電機器，橋梁，車両，航空機，船舶等の 重工業分野までも巻き込んで，今後にさらに大きな新展開が期待される15-16)。 （鷲尾 邦彦） 参考文献 (1) 経済産業省・厚生労働省・文部科学省 編： “製造基盤白書（2002年版） ” ，ぎょうせい(2002) pp.3-22. (2) 経済産業省： “通商白書2002 CD-ROM，第Ⅱ-1-19図 我が国の機械機器製品の輸出推移（円ベース） ”. (3) 内閣府 編： “平成14年版 経済財政白書” ，財務省印刷局（2002） pp 161-188. (4) 日本経済新聞：2002年8月13日朝刊，1頁および6頁. (5) （財）光産業技術振興協会： “2001（平成13）年度光産業の国内生産額調査結果について” ，プレスリリ ース，2002年3月18日，http://www.oitda.or.jp/press-j.html. (6) “2002/2003 ジャパン レーザワールド＆トレンド” ，新報出版社（2002）. (7) 中馬宏行： “資本財産業におけるモジュール化：半導体露光装置vs工作機械産業” ，経済産業研究所設立 記 念 コ ン フ ァ ラ ン ス 「 モ ジ ュ ー ル 化 － 日 本 産 業 へ の 衝 撃 」（ 2001 年 7 月 1 日 ） 資 料 ， http://www.riet.go.jp/events/e01071301/chuma.pdf. (8) Optech Consulting: “Market Data-Laser Material Processing,”http://www.optech-consulting.com/ laserprocessingmarkets.html. (9) G. Hein:” Lasers and Materials Processing: Markets and Opportunities”, http://www.vdma.com. (10) 鷲尾邦彦： “エレクトロニクス分野のレーザ微細加工” ，電気学会論文誌C（電子・情報・システム部門 誌） ，Vol. 123-C (2003) pp.185-191. (11) 第57回 レーザ加工学会論文集（2002年12月4日）. (12) レーザー研究， “レーザーアニールによるシリコン多結晶化技術とそのデバイス応用”解説小特集号， Vol.31, No.1（2003）. (13) 漆崎 守，平田雅巳： “自動車部品におけるレーザ適用事例” ，中部レーザ・レーザ加工学会 合同研究 会論文集 (2002.3) pp.12-18. (14) 三瓶和久： “自動車におけるレーザ加工の応用” ，レーザー学会学術講演会第23回年次大会講演予稿集， 30pII1 (2003) pp.110-111. (15) レーザ加工フォーラム(FLPM 2002) 講演概要集， “適用拡大進むレーザ加工” ，産報出版 (2002.4.25). (16) レーザー研究， “高平均出力レーザーの開発と産業界での最新加工技術”特集号，Vol.28, No.11（2000）. －12－ 目次へもどる 3.2 市場予測 3.2.1 はじめに 現在の主たる産業用レーザとして,炭酸ガスレーザ,YAGレーザ,エキシマレーザがあげられる。我が国にお けるレーザ加工装置の発展は1980年代前半に始まり， 熱加工である炭酸ガスレーザ加工装置とYAGレーザ加工 装置を中心におおむね拡大し,ここ数年ではエキシマレーザが産業応用に入ってきた。しかし,拡大基調であ ったレーザ加工装置市場において，バブル経済の崩壊,IT不況の影響を受け,自動車や電機，電子機器，機械 工業など，いずれの産業界においても設備投資は低下し，いまだ抜け出ていない。しかし,新しい産業に対応 した加工のため,ダイレクト加工半導体レーザ(LD),ファイバーレーザ,固体紫外レーザ,フェムト秒レーザな どの新型レーザが現れ,伸長が見込まれている。 世の中の好不景気に依存して市場規模が激しく上下している 中で,先行きを見ていく(1)。 レーザ加工は,高パワー密度で高融点材料の加工が可能であり,大気中,水中,真空中を問わず非接触で加 工でき,微細加工もこなせる。これらの特徴を生かし,表3.2.1に示す様々な加工目的で使用されている。レー ザ加工装置は,生産手段であり,産業応用に適したレーザ加工方法や装置が選択される。 対象も種々あり,金属, 半導体,セラミックス,ガラス,プラスチック材料など広範囲に渡っている。 表3.2.1 レーザ加工の分類 種類 接 合 対象 溶接，溶着，半田付け，ロー付け 金属，プラスチック 除去加工 切断，穴あけ，クリーニング, スクライビング，薄膜リペア 金属，セラミクス，半導体 有機材料 表面改質 焼き入れ，焼き鈍し，合金化，ダル加工 アニール，活性化 金属 半導体 ガラス 半導体 その他 割断 露光，ドーピング，エッチング，配線形成 PVD,CVD 衝撃硬化,メッキ処理 破砕 金属 3.2.2 加工用レーザの現状と今後(1),(2),(3) ここ数年の主要な生産応用レーザ装置の国内生産額を図3.2.1に示す(2)。炭酸ガスレーザ,固体レーザ,エキシマ レーザとも,バブル崩壊の影響で98年度に落ち込み,ITバブルで2000年度に最も拡大し,その後の不況で再度落ち 込んでいる。今後は順調に増大して行くと予想されている。主なレーザ装置毎に現状と今後を述べる。 －13－ 目次へもどる 国内生産額（百万円） 350,000 300,000 250,000 200,000 その他 エキシマ 固体 炭酸ガス 金額 150,000 100,000 50,000 0 97 98 99 00 年度 01 02 03 （０２：見込み、０３：予測） 図 3.2.1 生産応用レーザ装置の国内生産額(2) (1) 炭酸ガスレーザ レーザ加工装置の代表である炭酸ガスレーザは， 市場が立ち上がった80年代に発振出力500W～2kWクラスを 中心に，主として自動車，電機，機械工業向けで，金属薄板の切断や穴あけ用として急速な市場拡大を図っ た。この時期に先行して,炭酸ガスレーザを生産システムに使う目的で国家プロジェクトが実施され,市場拡 大につながった。その後,金属薄板の2～3次元加工,タレットパンチプレス等による複合加工，高出力機の開 発による厚板切断や溶接，表面熱処理の実用化， CNC搭載による高速・高精度加工装置の開発も行われた。 最近の炭酸ガスレーザ加工装置市場は2-3次元加工装置，複合機を合わせて98年度マイナス成長となった。 1999年度,2000年度は順調な伸びを示した。2001年度は，炭酸ガスレーザ加工装置市場もITバブル崩壊の影響 を大きく受け，大きく落ち込んだ。 今後の炭酸ガスレーザ加工装置の展望として，まず二次元加工装置においては板金分野の薄板に対する切 断分野では今後とも確実に市場を拡大していくことが予測される一方で， 特定の分野では今後LD励起YAGレー ザへの代替が徐々に進展していくことが予測される。 炭酸ガスとYAGレーザの実力を比較すると加工速度は炭 酸ガスレーザが依然優位に立っており，同時に炭酸ガスレーザ側においてはさらなる加工速度の高速化を目 指した研究･開発が続けられているため， 当面はワーク対象物に応じて住分けがなされていくものと思われる。 炭酸ガスレーザのイニシャルコストが安価である点が有利である。 一方， 厚板に対する切断に関しては,今後もビーム品質が高い炭酸ガスレーザが主に使用されるものと思わ れる。LD励起高出力YAGレーザでは,その出力が～10kWまで可能であるが，低ビーム品質,初期投資が大きい点 がマイナスとなり,炭酸ガスレーザの優位性は続くと見られる。 年間100台強の規模でここ数年市場が伸び悩み気味の三次元加工装置に関しては， 逆に今後かなりのペース でLD励起高出力YAGレーザに置き換わっていくことが予測される。YAGレーザは光ファイバーによりレーザ光 を導光できるため，炭酸ガスレーザに比べて大きな設置スペースを必要とせず，生産ラインの自由度が大幅 －14－ 目次へもどる に増す。価格的にも炭酸ガスレーザの三次元加工装置は高く，その意味で現状のLD励起高出力YAGレーザがコ スト的に充分太刀打ちすることができるようになってきている。 また， 溶接では,kWクラスの高出力半導体レーザによる直接加工に置き換わる部分もかなり出てくるものと 予測される。半導体レーザは非常にコンパクトであるため，三次元ロボットなどのヘッドに搭載することが 可能であり，更なる生産ラインの自由度が期待されている。 (2) YAGレーザ YAGレーザ加工装置は,連続出力,パルス,光ファイバー導光などの特徴を生かし，主に電子部品分野で抵抗 体のトリミング，ICパッケージのマーキング，ブラウン管や電池ケース，リレー等のスポット溶接やシーム 溶接，ICメモリやフォトマスクのリペア，セラミック基板のスクライビングなどの高精度加工用として順調 に市場を広げた。また,光ファイバー導光で溶接する目的でランプ励起の2～4kW級の高出力レーザが開発さ れ,90年代中ごろからはLD励起kW級出力のレーザが開発された。 さらに高出力LD励起固体レーザが国家プロジ ェクトで実施され,10kW出力レーザの実用化へ向けた開発が後押しされた。 最近のYAGレーザ加工装置の生産額は,図3.2.1に見るように,炭酸ガスレーザと同様な推移をしている。 1999年度にそれ以前の不振から一転して回復の兆しを見せた。これは，アジア各国の景気が回復したため輸 出が伸び，また，北米での光通信事業の成長や，PC，携帯電話を代表とするエレクトロニクス分野の好調さ によってマイクロ溶接機やマーカの需要が大幅に増えたためである。2000年度にはいってから一層加速度を 増し，YAGレーザ加工装置の需要は拡大の一途を辿った。1999年度に続き北米を中心とした光通信事業が大幅 に躍進し，光部品用のマイクロ溶接機の需要が急増した。また，半導体関連，PC，携帯電話などIT業界向け も同様で，マーカやトリマ，微細加工用切断／穴開け装置などが大きく伸びた。 しかしながら，2001年度に入ってITバブルがはじけ， YAGレーザ加工装置市場も大きな影響を受けた。2000 年度の好景気で設備投資が過熱した結果，供給過多となり在庫が増加し始めた。北米でも光ファイバ・ケー ブルの敷設が凍結され，新規需要にストップがかかった。PC，携帯電話，半導体など，エレクトロニクス分 野全体において同様な動きが顕著になり，各分野において新規設備投資が激減し，2001年度は下降した。 この中で全体の出荷台数の減少しつつも，LD励起タイプは需要を順調に伸ばしている。LD励起固体レーザは 小型,高効率,高ビーム品質などの特徴があり,ここ数年，小出力の装置で市場拡大している。YAGレーザ加工 装置におけるLD励起レーザの比率は，1999年度のわずか4%強から2000年度には8%弱まで上昇している。Siウ エハマーカやトリマなど， 比較的小出力で小型安定が要求される用途でLD励起が主力機種となっている。 「フ ォトン計測･加工技術」 で開発がプッシュされたLD励起高出力YAGレーザも,今後の市場の立ち上がりが期待さ れる。 (3) エキシマレーザ エキシマレーザは,ガスの種類で出射波長がことなる紫外光を発生させる装置として,ここ数年来,産業応 用が拡大している。 半導体不況で設備投資が抑えられ,国内生産額も他の加工用レーザと同様な推移をしてい る。このレーザ装置は特定応用に集中していて,最大の市場は半導体露光装置の光源である。落ち込んでいる が,年間,数百台レベルで推移しており,設備投資の上昇が見込まれ,今後伸びることが期待できる。液晶製造 用アニール用では,IT不況の影響が少なく,成長を続けている。年間数十台レベルで推移していくものと見ら れる。 そのほかに光ファイバーグレーティング作製用,各種微細加工用があるが,少数台で横ばい状態である。 －15－ 目次へもどる (4) 半導体レーザ 半導体レーザでは,全体の約90％が励起光源用のものであり，この用途の半導体レーザの需要は2000年度 に急増した。 YAGレーザ加工装置におけるLD化率は年々高まっており,2001年度はkW以上の高出力YAGレーザで は約70％，マーカにおいては約38％がLD励起タイプになっていると見られる。 kWクラス半導体レーザの市場規模は年間20-30台程度と見られる。 kW級半導体レーザによる直接加工は研究 開発段階にあるが，ライン導入も始まりつつある。本格的導入はこれからである。現状での課題として，半 導体レーザの高コストや低ビーム品質などがあげられる。 現状の性能で適用可能な用途として,溶接や表面改質がある。 コストのため市場拡大を期待するのはなかな か困難な状況にある。しかし高変換効率（30％以上） ，コンパクトなヘッドサイズなど,優位性もある。最有 力な適用先は自動車関連である。既に欧州において，車用ドアヒンジのねじれスプリングの焼き入れ，SUS 材溶接，樹脂溶接ラインに導入されている。また家庭用シンクの溶接では24時間連続稼動の例もある。この ように集光性を要求されない応用であれば,金属の表面改質，ロー付け，はんだ付け，プラスチック溶接など には即座に適用可能である。事実，プラスチック溶接，はんだ付け，マーキングなどは加工装置として製品 が出ており，出荷台数は市場全体で年間数台から十数台程度となっている。 これらの製品では初期投資は大きいが，ランニングコストは従来のレーザとの差がなくなりつつある。半 導体レーザの出荷個数が増えれば,将来的には大幅なコスト低下が予想されている。当然,炭酸ガスレーザ, ランプ励起YAGレーザ（CW）,LD励起高出力YAGレーザと置き換わることも考えられる。 (5) その他のレーザ 新た加工応用に対応しできる潜在力があるレーザとして,UV固体レーザ（THG；波長355nm， FHG；波長266nm）, ファイバレーザ，フェムト秒レーザ，薄ディスクレーザなどがあげられる。これらのレーザ装置は開発途上 にあり着実に進歩している。 UV固体レーザであるTHG-YAGレーザは,光造形,DVDマスタリング,FBGなどにおいては,エキシマレーザと置 き換えが進んでいる。また微細な加工が求められるプリント基板用穴開けやマーカなどにおいても今後の需 要増大が予測されている。 また,従来加工が困難であった材料に対する加工が可能なので新需要の増大も期待 される。 材料によってはそれほど出力が必要でないことから,低価格,小型,長寿命化などが期待できる低出力 （1W程度）のTHG YAGレーザの需要が増加し,出荷台数は年々増加している。 ファイバレーザは，予想以上に需要が伸びており，一部ではすでに生産ラインで本格的な使用が始まって いる。実際の加工においては様々な課題が残っているという評価も聞かれ，市場の伸びはさほど期待できな いという意見もある。しかし，安定化，高出力化等，現状の課題を克服すれば，集光の良さ，サイズのコン パクトさ，メンテナンス性の良さなど利点を活かし，既存のYAGレーザに取って代わる可能性を有している。 現状では研究用向けの出荷も含め，国内では年間200台前後の市場を形成するに至っている。主な用途分野と しては，マーキング，アニーリング，BGA(ボール グリット アレイ)パッケージのハンダ付け，印刷用，マイ クロ加工，局所的なスポット溶接，マイクロベンディングなどである。今後は特に金属への加工を含むマー キング市場で性能が評価されれば，YAGレーザとの棲み分けを図りながら，その中でシェアを伸ばしていくと 見られる。 YVO4レーザなど，半導体レーザを励起光とする比較的新しい固体レーザが登場しており，これらのレーザ の需要も今後増えていくと予想されている。 －16－ 目次へもどる フェムト秒レーザに関しては今のところ研究開発用としてのものが大半であり,発振器の技術レベルも実 際にラインで使用するにはまだ課題を抱えている。 しかしながら,高価格にも関わらず毎年35台程の出荷が見 られ,新加工応用の開発が進んでいる。 装置とは異なるが,従来レーザ媒質は単結晶かガラスであったが,これをセラミックで製造する技術が日 本で開発され注目されている。 化学反応により生成したレーザ媒質材料の微粒子を焼き固めて,セラミック化 するもので,単結晶と同等の特性を示し,任意の大きさ,形状に成型することができるため,将来が期待される。 以上の種別で将来の予測を図3.2.2に示す(1)。図中にレーザにかかわった国家プロジェクトを記入してある。 高出力炭酸ガスレーザ,エキシマレーザ,LD励起固体レーザなどのプロジェクトが、その市場が立ち上がる前 に実施され,拡大に寄与している。 8,000 台 7,000 次世代型レーザー加工装置 YAGレーザー加工装置 CO2レーザー加工装置 6,000 超高性能レーザー応用 生産システム複合 5,000 超先端加工システム 4,000 3,000 フォトン計測・加工技術 2,000 フェムト秒テクノロジー 1,000 0 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 1 2 3 4 5 年度 図 3.2.2 レーザ加工装置の市場規模予測(1)（次世代レーザ；その他のレーザを含む） 3.2.3 おわりに 我が国のレーザ加工装置市場はまだ20年数年ほどの歴史しかないものの，産業界のニーズに合わせて確実 に多様化の方向に向かっている。国内外の設備投資は2001年度上半期から急速に冷え込みをみせ，景気回復 の時期がずれこみ,各業界において景気回復に対する不透明感が広がり市場回復は一段と厳しい状況にある。 しかしながらこのような市場環境下にもかかわらず，LD励起YAGレーザを始め，新たな加工ニーズに対応して 出荷台数を増やしているレーザ加工装置が存在している。具体的にはLD励起高出力YAGレーザ，UVレーザ，直 接加工用半導体レーザなどである。ファイバレーザ，フェムト秒レーザ，薄ディスクレーザなどの新たなニ ーズに対応したレーザ加工装置も上昇中である。 これらのレーザ装置は開発途上にあるが,着実に進展してい る。新しいレーザを用いた加工装置は，新しく高価でもあるため，最先端の材料や部品，製品を加工対象と している。 当然のことではあるが,レーザ加工装置のような生産財は,それが利用される製品等の開発･生産の 裏づけがあって伸びて行くものである。IT革命によるエレクトロニクス分野や光通信産業に寄与する超微細 加工ニーズ，自動車や重工業分野において環境・省エネを意識した加工ニーズ，さらには最近のナノテクノ －17－ 目次へもどる ロジーに代表される新たな加工ニーズが出現したことにより,利用価値が出てきたものである。 世界的レベルでの設備投資は相変わらず冷え込んでいる上，エレクトロニクス産業，光産業，自動車，化 学，医薬等，あらゆる産業界において新製品のサイクルは短命化している。より高効率で高い集光性を持ち， 非接触でマイクロ・ナノの領域での加工も可能とするレーザ加工装置はこれらの研究開発において必要不可 欠なツールとして，産業界での認識は益々高まる方向にあり，同時に，これらレーザの性能向上に対する要 求も大きくなっている。 （山田 明孝） 参考文献 (1) 平成13年度 技術動向調査｢高コヒーレント量子ビーム制御システムの調査研究｣第4章 新エネルギー･ 産業技術総合開発機構 2002年3月 (2) 光産業技術振興協会 生産高年次報告資料 1998～2003年 (3) Laser Focus World, P73-96, Jan. 2003 －18－ 目次へもどる 第4章 光加工ロードマップ各論 4.1 はじめに 本章では光加工ロードマップを， 「光加工の産業利用」 ， 「シーズから利用へ」 ， 「光発生技術」 ， 「光制御技 術」，「放射光発生・利用技術」に分けて提示している。 4.2節には光加工の産業利用という観点から， 「自動車・重工業」 ， 「情報・通信」 ， 「半導体・電機」 ， 「医療」 という4つの分野に関するロードマップの検討結果を示してある。ここでの技術開発動向は，社会的要請を踏 まえて“省エネ” ， “リサイクル” ， “人に優しい技術”という立場にたっていることを申し添えておく。 「自動 車・重工業」分野では現状でもレーザ加工が競争力強化に役立っている。既存技術の延長上に航空機・鉄道 車両を含めた将来あるべき光加工技術を展望した。 「情報・通信」分野では趣が異なり，現状で光加工は主役 には至っていない。従って，ここでは光加工に対するニーズという立場でロードマップをまとめ，その中で 低価格で安定した性能のデバイス製造における光加工への今後の要求・期待を示した。 「半導体・電機」分野 では微細化・集積化への要求を満たすための光加工技術が期待されている。光源の短波長化に伴い，光加工 の必要性が益々重視される分野である。 「医療」分野での光加工では，高齢化社会の到来に備えて技術開発を 進める必要性がうたわれている。 “人に優しいレーザ”の出番が待ち望まれている。 4.3節は，4章の中でも特異的な存在である。ここには，産業的な目途は立っていないが将来有望な技術シ ーズをまとめ， 「シーズから利用へ」というタイトルをつけた。加工ニーズと光源シーズの具体的な対応は明 確ではないが，将来有望視されているナノテク，フェムト秒テクノロジーによる新産業創成につながる光加 工のアイデアが網羅され，夢多きロードマップが示されている。 4.4節「光発生技術」では，業界のトレンドに従って，光源としては固体レーザを中心としてまとめてある。 直接利用にしろ，固体励起用にしろ，共通基盤は“半導体レーザ”である。シーズが未熟なためにニーズが 盛り上がらないのか，ニーズ（市場）が未だ不透明なためにシーズが盛り上がらないのか， 「鶏と卵の論争」 にも似た我が国の開発状況ではあるが，CO2，エキシマ，LD-YAGと続いた国プロ光源開発の次期有力候補であ ることは間違いない。また， “超短パルスレーザ”も新たな加工技術を切り拓くツールとして有望視される。 さらに，ここには究極の高平均出力を可能とする“自由電子レーザ”も光源として取り上げている。 4.5節には「光制御技術」に関する検討結果をまとめた。いかんせん，制御は発生と利用との橋渡し的な位 置づけであるため，ここではロードマップと言えるものは一つしか提示されていない。しかし，今後の光源 開発と並行して進めるべき技術が数多く紹介されている。機械加工では，用途に応じて最適化された刃物が 用いられている。しからば，光加工においても用途に最適化された光ビームがあって当然である。 最後に，4.6節に「放射光発生・利用技術」に関するロードマップをまとめた。放射光という極短波長の光 が可能とする有用な超微細光加工技術が示されている。 以上のことをふまえ本報告書のロードマップをご覧いただき，分科会委員並びに各執筆者の思いが読者に 伝われば幸いである。 （藤田 雅之） －19－ 目次へもどる 4.2 光加工の産業利用 4.2.1 自動車・重工業分野 (1) はじめに 光加工特にレーザ加工の分野において，大量生産でかつ薄板の加工を主に扱う分野として自動車分野を， 一品個別生産的な分野でしかも厚板を主に扱う分野として重工業分野を，光加工特に溶接切断分野に限って 記述することにする。 図4.2.1.1に，重工業分野である鉄鋼分野での，使用板厚の例を示す。重工分野では板厚の分布は大きく 広がっているが，30mm程度の部材の溶接が確保できればかなりの分野をカバーできることがわかる。また自 枚数 動車分野では利用される板厚は，最大2-3mmと考えてよい。 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 板厚、ｃｍ 7 8 9 10 図4.2.1.1 鉄鋼分野での利用板厚分布 (2) 自動車分野 (a) 概要 自動車分野での光加工は，溶接，切断，表面改質等多岐に渡っており，全体を一括に取り扱うことは難しい。 将来的なロードマップとして最も価値がある領域は，組み立て工程で活用される接合方式，溶接であると考えら れるが，同時に立体組み立て時に採用される切断穴あけ工程も視野に入れておく必要がある。しかしながら，自 動車の分野では，その生産時の加工方法として最も重要な分野は，溶接にあることは明白であり，従ってここで は溶接に特化した記述を行う。また部材組み立ての観点からは，ロードマップを有効にするために，競合する他 技術に関しても比較検討することは重要と考えられ，光加工以外の方法についても随時解説したい。 (b) 課題 自動車分野は，これまで環境との調和に向けた取り組みが一番顕著に表れた分野であり，各種の環境規制 を乗り越える技術的なチャレンジが行われてきた。現在でも環境は自動車産業にとって最重要課題であり， NOx，SOx，微粒子等の排出規制をクリヤーするエンジンの開発が積極的に行われている。これらの原点は， 燃費向上に見られるように，少ない燃料でよりたくさん運用できること，少ない排出ガス量，従って自動車 全重量の軽量化が重要なキーワードとなっている。 しかも搭乗者の安全を保つ必要があり， 部材強度は高く， 衝突時の安全性を高く保つためには，部材の板厚を厚くする必要があるが，これによる重量の増加は極力抑 －20－ 目次へもどる える必要がある。燃費の改善したがって排出ガス量の低減と安全性の確保は相反する課題と言える。従って これまでの自動車産業の取り組みはこの相反する課題，さらに安価に実現することができるかに注力されて きたと言える。さらに最近ではこれらを満たしながら，リサイクル可能な材料をつかうことで環境への付加 の低減も求められており，多岐に渡る制約条件を同時に解決できることが生産に求められている。 エンジンのクリーン化に関しては，究極的に排出ガスを出さない水素燃料電池式の電気自動車が切り札と して開発競争がされている。 搭乗者の安全に対しては，衝突時の衝撃を吸収するための構造的な工夫や，必要な衝撃吸収性を高めるために必 要な場所の部材板厚を増やすが，強度を必要としない場所の板厚は薄くする工夫がなされるようになっている。 使用材料のリサイクル性を向上するためには，材料の再利用が可能なものを選択的に利用する取り組みが なされているし，特にプラスチック材料の場合には，部材が何でできているかを適切に明示して，リサイク ル時の容易性を向上させる取り組みも実施されている。また，再生が容易な鉄鋼材料の高強度化の取り組み も，世界規模の鉄鋼メーカーの手で実施されており，自動車産業への提案の形でまとめられている。 自動車の燃費を向上させるためには，車体重量の軽量化は大きなメリットを持っており，強度を保ちなが ら重量を軽減できる，アルミ合金やマグネ合金の採用，高強度鉄鋼材料の活用など，打てる手は全て打って 最終目標に到達するという姿勢が自動車産業にはある1,2,3,4,5,6)。 以上述べた課題を生産技術的に支える加工方法が，ロードマップの背景と考えることができる。 (c) 加工方法 自動車分野における接合方法としては，溶接，ロウ付け，接着，勘合等種々の手法が採用されているが， ボデーを構成する場所では，溶接が主な接合方法である。従来溶接手法としてはスポット溶接等の抵抗溶接 が中心となっている。スポット溶接などでは会わせ部分をつかみ込んで通電溶接するために，部材の寸法精 度に厳しい制約はそれほど厳しくはない。スポットの溶接部分は一定間隔を置いて溶接するため，ボデー全 体に渡って数千点の接合が行われている。 図4.2.1.2には，従来自動車部材にレーザ加工が適用された個所を示す4,7)。特筆できる光加工分野の開発 では，レーザ接合をテーラードブランク材に採用されたことである。 図4.2.1.2 自動車分野へのレーザ加工の適用（高木4）） －21－ 目次へもどる 図4.2.1.3に，テーラードブランクのレーザ溶接の例を示す4)。部材の必要な場所に，必要な厚さの板を採 用するテーラードブランクの採用は，レーザ溶接の採用を飛躍的に増大させた。強度を増大させるためには 従来，別な強度部材をスポット溶接で接合していたものを，接合部材ではなく板厚でカバー，平板で作った 板厚を変えた部材をプレス整形することで必要な強度を持たせる方法の採用である。平板の板継の段階で直 線のレーザ溶接を実現できるために，接合部の精度の管理がしやすく，品質の管理上メリットが大きい。当 初CO2レーザが採用されたが，最近YAGレーザの大出力化の動きにより，今後はYAGレーザが採用される可能性 が高い。溶接部の品質管理には，溶接部のインプロセスなモニタリングは欠かせない技術となっている。テ ーラードブランクは，従来アーク溶接で試みられたが，溶接部の余盛りが過大となること，溶接部の品質の 確保が難しいためにあまり採用されていなかった。またレーザ溶接と競合される技術として，マッシュシー ムによる抵抗シーム溶接があげられるが，両サイドからの加圧が必要であり，継ぎ手の適用場所等の制約が 大きいことから，継ぎ手の広い場所に採用が可能なレーザ溶接が主流となっている。 また近年立体での溶接を実施する方向にレーザ溶接の開発が進んでおり，ボデーの軽量化のために，スポ ット溶接部分の掴み代を減らしてレーザによる重ね溶接する手法が採用され始めている。これはレーザ溶接 が片側からのアクセスを可能とすること，またスポット溶接部の断続溶接部分を連続溶接に切り替えること により，接合部材の強度を飛躍的に高める効果もある事など，大きなメリットがあるためである。しかしな がらスポット溶接を連続のレーザ溶接に切り替えることにより，部材に要求される合わせの精度が高く要求 され，部材準備の前段階の組み立て精度向上が要求されるが，組み立て精度の向上，片側アクセス時の押さ え治具の工夫，加圧される側の断面形状工夫など種々の工夫，フレキシブルな加工ツールとしての工夫がさ れており，今後ますます採用されていくと予想される。 図4.2.1.3 テーラードブランクのレーザ溶接の例（高木4）） 図4.2.1.4に，立体溶接を試みたルーフとサイドの部材の場所を示す9)。さらに従来のモノコック方式から フレームで強度を持たす方式に構造を変化させることで，衝突時の衝撃の吸収能力を高める工夫がなされる ようになっており，連続溶接のレーザ溶接のメリットがますます増加している。この場合にはパイプ構造を レーザで溶接した後，ハイドロフォーミングの手法を用いて一体整形後，必要な部分をレーザで切り抜く等 の手法が有力である。一体整形したこのようなフレームと他の部材との結合には，レーザや他の接合方法が 採用される。 適用される材料の種類として，軽量化の切り札である高強度なアルミ合金やマグネ合金の採用が検討され －22－ 目次へもどる ているが，アルミ合金では抵抗スポット溶接は電極の長時間安定性，信頼性にかけることから，レーザ溶接 の採用が有力である。また場所の制約はあるがFSW（摩擦攪拌溶接）の採用も将来的には可能と考えられる。 さらにまた従来の溶接構造ではなく，勘合による接合方法も検討され始めており，部分的には採用され始め ている。これは複数の部材をリベットなしで勘合するような方法である。 自動車車体の溶接方法としては，最終的には製造時間，組み立て精度向上，治具レス等のメリットが期待さ れる同時多点溶接が理想の姿と思われるが，これを実現するためには，同時にたくさんの位置に加工用のレ ーザをハンドリングする方法もしくは，一体整形に関する新しい手法の開発が望まれる。いずれにしても採 用される板厚は1-2mm程度の薄板が主流であり， 薄板の接合方法として今後も新しい手法が開発されていくも のと思われる。 図4.2.1.4 立体溶接を試みたルーフとサイドの部材の場所（小田9）） 図4.2.1.5に，自動車分野の光加工に関するロードマップを示す。今後数年間は，現状のスポット溶接が レーザ溶接に置き換えられていき，それに伴ってレーザ溶接に最適な継ぎ手形状が採用，車体設計において も安全性を重視した観点での加工法が開発されていくものと思われる。さらにその先には，環境負荷を低減 するための高強度軽量部材特にアルミ合金やマグネ合金等，もしくは高強度な鋼の採用とこれにマッチした 加工法としてレーザの採用がさらに加速すると思われる。同時にレーザそのものもエネルギ効率の良いレー ザの採用が行われるようになると思われる。さらに将来的には同時多点接合に適した加工法の採用が出てく ると考えられ，この場合でもレーザ加工は，ひとつの可能性を持った加工法として採用されると思われる。 レーザに求められる性能は，出力は6kWから10kW程度，加工の品質は収束性を表すエネルギ密度で106W/cm2 以上，ワークとレーザ本体の距離ワークディスタンスは長く200mm以上が求められる。ビームの質は，離れた 位置でも高い収束性能が維持できることであり，レーザ加工の最も重要な因子である。エネルギの変換効率 は，直接加工のランニングコストに跳ね返るために，高いほうが良く，ランプ励起の数％では受け入れられ ないが，現状のLD励起で20%は魅力的であり，さらに半導体レーザのレベルまで行けば素晴らしい。 最近半導体励起YAGレーザや，半導体励起ファイバーレーザなどが利用可能となってきており，特に細径 のファイバーから直接レーザを発振できる半導体励起ファイバーレーザの質の向上， 高出力化は6kWレベルに 達しており，今後さらに20kW程度の出力が検討されているなど，今後が楽しみである。 －23－ 目次へもどる 項目 環境動向 ～ 2005年 ～ 2010年 ～ 2015年 環 境 に や さしい 、低 燃 費 、CO2低 排 出 、少 な い 材 料 、 再 生 可 能 材 料 の 使 用 、リサ イクル クリーン エン ジン 、燃 料 電 池 、水 素 利 用 素材動向 高 剛 性 化 構 造 、軽 量 化 、アル ミ合 金 、マ グ ネ 合 金 利 用 超 塑 性 材 料 、新 材 料 自動車産業 加工速度 ～ 1 m / m in ス ポットか らシーム へ 高 剛 性 化 軽 量 化 、アル ミ合 金 、マ グ ネ 合 金 利 用 超 塑 性 、新 材 料 利 用 アーク溶 接 、ス ポット溶 接 フ ァ イ バ ー 導 光 YAG レ ー ザ ー 溶 接 、 レ ー ザ ー 切 断 、 レ ー ザ ー 穴 あ け レ ー ザ ー フ ォー ミン グ 加 工 YAG レ ー ザ ー ロ ボ ッ ト 高 速 溶 接 ～ 1 0 m / m in LD 導 光 レ ー ザ ー 高 速 溶 接 、 表 面 加 工 LD 直 接 レ ー ザ ー 加 工 ラピ ド プロ ト タイ ピ ン グ ～ 1 0 0 m / m in 加工適用分野 一 体 加 工 、同 時 多 点 加 工 ﾃ ｰ ﾗ ｰ ﾄ ﾞﾌ ﾞﾗ ﾝ ｸ 溶 接 （ 平 板 加 工 ） 立 体 溶 接 （立 体 加 工 ） 多 点 同 時 溶 接 （瞬 時 加 工 ） ﾚ ｰ ｻ ﾞﾋ ﾞｰ ﾑ 仕 様 要 求 ｴﾈ ﾙ ｷ ﾞ密 度 、 1 0 E 6 W / c m 2 ｴﾈ ﾙ ｷ ﾞ密 度 、 1 0 E 7 W / c m 2 ﾚ ｰ ｻ ﾞ出 力 ６ ｋ Ｗ ﾚ ｰｻ ﾞ出 力 1 0 kW 対 象 ﾚｰｻ ﾞ C O 2 ﾚ ｰ ｻ ﾞ（ ﾐ ﾗ ｰ 導 光 ） ﾗ ﾝ ﾌ ﾟ励 起 Ｙ Ａ Ｇ ﾚ ｰ ｻ ﾞ （ ﾌ ｧ ｲ ﾊ ﾞ ｰ 導 光 ） L D 励 起 Y A G ﾚ ｰ ｻ （ ﾌ ｧ ｲ ﾊ ﾞｰ 導 光 ） ﾞ L D 直 接 ﾚ ｰ ｻ ﾞ（ 直 接 ﾚ ｰ ｻ ﾞ加 工 ） 図4.2.1.5 自動車関連分野の光加工ロードマップ (3) 重工業分野 (a) はじめに 自動車に採用される板厚は薄板が中心であるのに対して，重工業分野においては，扱う板厚は，薄板から 厚板までその種類および材料は多く，光加工の適用はまだまだハードルが高くなっている。また多品種少量 生産の典型的な産業構造を持っており，量産効果を発揮することは難しい。しかしながら，構造物が大型に なること，利用する材料の種類の多さ，等を考えると，レーザの持つ特性を十分に見極めた加工として採用 される潜在分野は大きいと思われる。レーザ以外の加工法はすでに確立されており，レーザのメリットが発 揮できる分野での勝負となる。ここでは現状の採用分野を概観するとともに，今後の方向について，重工業 における溶接切断技術分野について述べる。 (b) 課題 重工業分野でのレーザ技術の適用は，造船，重電機，製鉄，鉄道車両，原子力等種々な分野にレーザ溶接が採用 されている。また切断分野では，25mm程度までの鋼の切断がすでに鉄鋼や造船の現場に採用されている。 図4.2.1.6に，高出力CO2レーザの到達出力の年度を示す(10)。現在出力50kWクラスが入手可能となっている。 重工分野でのレーザの採用がそれほど多くなされていないのは，従来大出力のレーザはCO2レーザに代表され るように，レーザのハンドリングにミラー導光を採用せざるを得なかったために，加工の自由度が大きな制 －24－ 目次へもどる 約を受けており，重工分野における大型部材へのアクセス等に大きな課題があったこと，さらには扱う板厚 が厚いために，レーザの加工品質を保つことが容易ではなかったことが大きい。それでもチャレンジブルな 試みがこれまで実施されており，製鉄所のコイルの板継ぎ，スラブの結合，造管ラインへの適用11)等，大出 力のCO2レーザを用いた溶接が実用化されるようになっている。さらに重電機部門ではモーターアセンブリや タービン部材へのレーザ溶接の採用も特筆すべきことである。さらに原子力分野では，ファイバー導光のYAG レーザをつかった遠隔補修溶接の適用等の例もある。 また圧力容器のレーザ溶接もすでに実用化されている。 鉄道車両分野では，車両構体の溶接にもレーザが採用されている。 図4.2.1.6 高出力CO2レーザの到達出力の年度を示す（南田10）） また最近では，航空機の機体のアセンブリに，アルミ合金をレーザ溶接する試みおよび実機への採用など があげられる。造船分野では，ステイフナ部分の溶接にレーザとアークとのハイブリッド溶接の試みもなさ れており，部分的には採用が始まっている。 これらの分野でのレーザ適用の課題は，フレキシブルな高出力レーザ加工装置がこれまで無かったこと， 厚板溶接の品質保証の手法が確立されていないこと，装置の価格が高すぎる事等の課題があった。しかしな がら，ファイバー導光可能なYAGレーザが高効率で大出力化し，10kWレベルの装置も入手可能となってきた現 状を見ると，今後の発展が期待できると思われる。 ここでは，重工業分野のうち，従来型産業の造船や車両とこれからの発展が期待できる航空宇宙に特化し て解説を行う。 (c) 加工方法 造船鉄鋼分野では，従来ガス切断やプラズマ切断が一般的であったが，レーザ切断の切断精度が高いことから， 一時に部材の対称切断ができるメリットが受け入れられて，最大6kWのCO2レーザを用いて板厚30mm程度の部材まで が，実用的に切断されるようになっている。しかしながら溶接の分野での適用はまだまだ研究開発である。これは 厚板を溶接するために必要なレーザ出力が確保されていなかったこと，立体溶接が行えるほどのフレキシブルな加 工方法が確立されていなかったことが大きな原因で，レーザの採用はまだまだである。最近になってYAGレーザの高 出力化の機運と実現は，この分野においてもレーザの採用の可能性を大きく広げたといえる。ヨーロッパでは，従 －25－ 目次へもどる 来造船の部材溶接にレーザの採用を検討してきており，レーザ適用にあたってのスペックを整備してきた。この流 れに沿って，造船部材のレーザ溶接をチャレンジしてきており，デッキパネルの溶接やスティフナの溶接分野に実 際に適用を始めるようになった。この場合には，レーザ溶接時の開先ギャップの許容度を高めるために，アークと レーザのハイブリッド方法を採用して対応している。従ってこのような方法が今後さらに加速して，造船分野への レーザ溶接の採用が行われることは確実と思われる。 一方，航空宇宙分野においても，コスト削減のプレッシャから，従来の削り出しによる部材の加工から， スキンとスティフナの接合による溶接構造の部材の溶接が試みられてきており，エアバス等の航空機に採用 される方向が確実になった。使用される部材はアルミ合金であり，レーザによる連続溶接が採用される。従 来航空機の部材に溶接加工が実施される例はきわめてまれであったが，コスト削減と加工技術の信頼性の向 上， 強度シミュレーション技術の向上が相まって， 低強度な部材に溶接構造を採用する動きが出てきている。 この分野では，FSW（摩擦攪拌溶接）の採用も競合接合法としてクローズアップされている。レーザが溶融溶 接であるのに対して，FSWでは金属を溶融しないで軟化領域で圧接するために，溶融により材質変化するよう な材料に対してもうまく接合することができるメリットがある。今後，航空機分野での接合に関して二つの 方法が，どのように発展していくのかが鍵であると思われる。 鉄道車両分野においても，従来部材の切断にはレーザが採用されてきたが，構体の組み立てにおいては， レーザ溶接による歪の低減の効果が高いことから，部分的に採用が始まっている。この分野においても，軽 量化の要求からアルミ合金が用いられており，これらを接合できる溶接手段として，レーザやFSW等の技術が 検討されている。アルミ部材を使用する場合には，アルミの型材が用いられる場合があり，この場合には型 材の直線溶接が適用場所となる。 大型部材の加工においては，特に加工システムの自由度が重要である。図4.2.1.7には，レーザ加工シス テムの変遷について示したものである。当初は，CO2レーザの高出力化に伴ってミラー導光の加工システムが 構築されてきた。この場合の加工システムは門型をベースとした固定システムが主流であった。YAGレーザの 高出力化が現実のものになると， ファイバー導光を有するフレキシブルな加工システムの構築が可能となる。 さらに半導体レーザの高出力化が図れれば，ロボットに直接レーザを把持したフレキシブルな加工システム が構築できると予想される。このような発展のプロセスを，重工分野では利用することができる。 ６軸固定テーブル制御 ６軸ロボット制御 固定加工システム レーザー加工システム台数 テーブルタイプ加工システム フレキシブル加工システム CO2 ﾚｰｻﾞｰ LD直接照射 YAG ﾚｰｻﾞｰ ﾌｧｲﾊﾞｰ導光 ﾐﾗｰ導光 １９９９ 図4.2.1.7 レーザ加工システムの変遷 －26－ 目次へもどる 図4.2.1.8には，ロボットと組み合わされた同時多点溶接システムの概念を示す。多数のレーザ装置を同時 加工に用いることにより，溶接構造物の歪をさらに低減することが可能であり，レーザ加工のスピードが高 くなるほど，効果は大きくなる。最終的には究極の同時多点加工につながる。 Fiber optics YAG laser Robot 図4.2.1.8 ロボットと組み合わされた同時多点溶接システムの概念 図4.2.1.9に，重工分野，特に航空宇宙関連分野の光加工のロードマップを，図4.2.1.10に鉄道車両関連 のロードマップを示す。これまでに研究開発されてきた適用可能性が，現在確認されてきたことから，近い 時点で各加工法の実用化が現実となると思われる。多品種少量生産の分野である重工業分野では，レーザ加 工を採用してのメリットは，歪の低減による後工程の修正加工を不要とすること，精度が向上することによ り，全体的な組み立て精度が向上，結果として初期の設計時の部材寸法を厳格に管理することができて，最 適な設計が期待できることがあげられる。航空宇宙分野では，部材の削り出し工程の排除によるコストメリ ットは大きい。車両では，後工程の歪取り工程をなくすことができるメリットが大きい。造船では，部材の 加工速度の向上が見込まれる事および精度向上の効果が期待できる。 将来的には重工業分野においても，大型部材の薄板から厚板までの部材に対して，ロボットと組み合わさ れた加工システムで，立体溶接が実現するように思われる。しかも，同時多点加工の分野が存在すると思わ れる。また材質が特殊で，加工のメリットが出るような分野から選択的に採用されていくと予想される。 加工の品質を保持できるシステムの構築は，加工プロセスの重要なファクターとなる。すなわちインプロセ スのモニタリングシステムは必須の技術となり，加工システムに組み込まれると予想される。これと共に， 溶接開先線を自動追尾できるシームトラキング機能も， フレキシブルな加工システムの構築では重要となる。 重工業分野においても，キーワードは環境，リサイクル，省エネルギは避けて通れない。軽量化，部材の 再利用にマッチした加工方法の開発が望まれる。 －27－ 目次へもどる 項目 ～2005年 キーワード ～2010年 ～2015年 環境にやさしい 再生可能材料の使用、リサイクル クリーン、廃棄物の低減、リサイクル 高剛性化構造、軽量化 加工方法 超塑性材料、新材料 削りだしからビルトアップへ費用低減 軽量化、アルミ合金、マグネ合金利用 低応力部へのレーザー溶接 超塑性、新材料利用 高応力部への適用 ラピドプロトタイピング、一体成形加工 レーザープロジェクション レーザートリミング加工 レーザーアブレーション加工、塗装剥離 光導光 CO2レーザー、ファイバー導光YAGレーザー加工 LD直接レーザー加工 短波長レーザー加工 図4.2.1.9 航空機分野の光加工ロードマップ 項目 キーワード ～2005年 ～2010年 ～2015年 環境にやさしい,少ない材料、 再生可能材料の使用、リサイクル クリーン 軽量化、アルミ合金、マグネ合金 高剛性化構造、軽量化 鉄道車両 超塑性材料、新材料 スポットからシームへ高剛性化 軽量化、マグネ合金利用 超塑性、新材料利用 アーク溶接、スポット溶接 ファイバー利用YAGレーザー溶接、レーザー切断、レーザー穴あけ LDレーザー溶接、表面加工 レーザーロボット溶接、高速加工 一体加工、同時多点加工 ラピドプロトタイピング レーザーフォーミング加工 レーザー加工 レーザー切断 ファイバー導光レーザー溶接 LD直接レーザー溶接 図4.2.1.10 鉄道車両の光加工ロードマップ －28－ 目次へもどる (4) まとめ 自動車分野と重工業分野を中心に，光加工プロセスの現状と将来を概観した。自動車産業は現代の産業の 牽引役となっている分野であり，レーザ加工の採用も活発で，元気のある分野である。一方造船に代表され る重工業分野は，過去の栄光に酔っている間に，産業構造が変化して，アジアの発展途上国の追い上げをも ろに食っている分野ではあるが，新規のレーザ加工システムを構築することでより付加価値のある製品に結 び付けていくことができ，競争力も十分に維持できると考えられる。新しいレーザ加工技術を有効活用する ことで，日本の将来を実りあるものにしていってほしいと考えている。 (安田 耕三) 参考文献 (1) Lutz Hanicke,訳：森清和”The short way to 45m continuous laserweld in a car body struture— results of R&D project”レーザ熱加工研究会誌，5，3(1998)211 (2) 森清和，石原弘一“レーザ加工の自動車業界への応用の将来動向”レーザ熱加工研究会誌，5，3(1998)221 (3) 宮田修“自動車部品へのレーザ加工の適用”レーザ熱加工研究会誌，5，3(1998)195 (4) 高木宗谷“自動車産業におけるレーザ加工技術”レーザ熱加工研究会誌，5，3(1998)189 (5) Jhon K. Baysore 訳：石原弘一“Quality & Performance Drive Laser Welded Blank Applications”レ ーザ熱加工研究会誌，5，3(1998)207 (6) 橋本浩二，栗山幸久，滝田道夫“ULSABプロジェクトの全貌”レーザ熱加工研究会誌，5，3(1998)199 (7) 青木誠二“YAGレーザ溶接のキーポイントと適用事例”溶接学会誌，68，3(1999)158 (8) 柴田公博“レーザ溶接技術の自動車構造部材への応用と課題”溶接学会誌，68，4(1999)296 (9) 小田幸治“自動車車体軽量化と衝突安全性向上に伴う接合技術の動向”溶接学会誌，68，4(1999)292 (10) 南田勝宏“鉄鋼業への高出力レーザの適用”レーザ研究，28，11(2000)760 (11) 小野守章“レーザによるパイプの高速シーム溶接”溶接学会誌，68，3(1999)170 －29－ 目次へもどる 4.2.2 情報・通信分野 (1) はじめに 情報・通信分野においては，種々の通信用デバイスの製作に光加工技術が用いられている。通信用デバイ スのうちLSIについては加工技術を含めたロードマップが他機関で作られているので， ここでは光デバイスを 対象とする。光加工が関係する代表的な項目を取り上げて，その動向と光加工への要求をロードマップとし てまとめる。 最初に，現時点で実用化されていて今後さらに発展が期待されるデバイスとして，平面型光波回路（PLC） とファイバーグレーティング（FG）を取り上げ，それぞれについてまとめる。次に，実用化が近い物として MEMS光スイッチを取り上げる。最後に，現在は基礎研究段階だが，将来の実用化が期待され大きなインパク トを与えうるデバイスとして，フォトニック結晶とSi細線光導波路を取り上げ，動向をまとめる。 (2) 平面型光波回路（PLC） (a) デバイス概要 1） PLCはSi基板にシリカを堆積させて，屈折率の高いコア部分を形成して，光回路を構成する物である。多波 長を合・分波するアレイ導波路格子（AWG） ，熱光学効果を利用した光スイッチ（TO-SW）などに利用されてい る。図4.2.2.1に例としてAWGの構成を示す。光が通るコア部分は正方形で，寸法は7μm前後である。損失低 減のために，導波路コア部分は表面が滑らかに形成されなければならない。また，損失との関係で最小曲げ 半径が決まり，現状では20mmから2mm程度の曲げ半径で作製されている。 アレイ導波路 ・ ・ λ1 λ2 λ1，λ2，・・・，λn スラブ導波路 入力導波路 λn 出力導波路 図4.2.2.1 アレイ導波路格子（AWG）の例 (b) 今後の技術動向 (i) 比屈折率差拡大による高密度化 比屈折率差（現在0.25～1.5%）を2.5%に上げれば，曲げ半径を1mm以下に出来るので，光回路の高密度化・ 低コスト化ができる。ただし，比屈折率差を大きくすると，コアの屈折率と形状の揺らぎによる損失が大き くなるので，材料と加工の均一性を向上させる必要が有る。将来，これらの課題を克服しつつ，比屈折率差 はさらに大きくなっていくと考えられる。 (ii) マルチチップ構成によるAWGの多チャンネル化 －30－ 目次へもどる 波長数の増加に対応する必要があり，これまでも加工技術，設計技術向上により，単一のAWGにおいてチャ ンネル数を増やしてきた。研究レベルでは400chが実現されているが，チャンネル数の拡大は限界に近くなっ ている。最近，AWGの多段接続により1000ch程度の合分波デバイスが研究レベルで実現された。このようなマ ルチチップ化による多チャンネル化が，今後は進展していくと考えられる。また，多層化による集積度の向 上，さらには，光半導体とのハイブリッド集積による高機能化（アクティブ機能の取り込み）の方向にも， 将来進んでいくと考えられている。 (iii) 特性調節技術（トリミング） 各種デバイスの集積化を進めるには，個々のデバイスの特性を最大限に取り出すためのトリミング技術の 高度化が必要である。現在は，ヒーターの加熱による調整が実現されていて，さらに大口径高出力ArFエキシ マレーザを用いた大面積位相トリミングによる特性改善が研究レベルで実現している。今後，トリミング技 術の高精度化，局所化，高速化などが必要である。 2005年頃 現在 2010年頃 2015年頃 デバイス動向 比屈折率Δの拡大による高密度化 Δ=1.5% Δ=2.5% 曲げ半径2mm 曲げ半径1mm Δ=3.5% Δ=5% 曲げ半径0.6mm 曲げ半径0.3mm 多チャンネル化・機能集積化の進展 単一チップ マルチチップ化 AWG200ch AWG1000ch 多層化 ハイブリッド化 AWG2000ch～ アクティブ光回路 光加工ニーズ 高密度化に対応したパタン形成技術の向上 導波路幅7μm 導波路幅5μm 導波路幅2μm 導波路幅1μm以下 機能集積化に対応したトリミング技術の高度化 加熱トリミング （トリミング用ヒータ） ＵＶトリミング ＵＶ局所トリミング 局所トリミング高度化 （マスク露光法） （レーザビーム走査） （サブミクロンビーム） 図4.2.2.2 平面型光波回路（PLC）と関連する光加工ロードマップ (c) 光加工へのニーズ動向 図4.2.2.2に前述の技術動向とともに，対応する光加工ニーズをロードマップとして示す。 高密度化のための比屈折率の拡大に対応して，導波路幅は細くなり導波路コア表面の滑らかさへの要求も 厳しくなる。現在，パタン形成には古い世代の光リソグラフィが使われているが，経済性を考えると，将来 もその時点で数世代前のリソグラフィ技術が使われるだろう。PLCの多品種少量生産という状況があれば，レ ーザ描画の利用も考えられる。研究開発用にも期待できる。ただし，スループットの向上と，滑らかに導波 路を形成するという要求の実現が必要である。 トリミング技術の高度化に関しては，マスクを用いた領域照射トリミング技術の確立の後，レーザビーム －31－ 目次へもどる 走査による局所高精度トリミングへの発展が期待される。 (3) ファイバーグレーティング（FG） (a) デバイス概要 2） FGは，光ファイバのコアに周期的な屈折率変化をもたせた物で，特定の波長の光を反射または阻止する部 品である。狭帯域フィルタ，Add/Drop，分散補償などへ応用されている。FGには，短周期型と長周期型があ り，これらの主要な寸法は以下の通りである。 屈折率変化周期：0.5μm（短周期型） ，100～500μm（長周期型） グレーティング長（加工長） ： 0.5mm～20mm（LD安定用，狭帯域フィルタなど） 5～50mm（長周期型） 100～2000mm（分散補償用） 作製方法は，紫外線（波長240nm程度）を光ファイバのコアに照射し欠陥形成により屈折率変化を起こさせ るというものである。図4.2.2.3（a）に短周期型FGの作製に用いられる位相マスク法を示す。短周期型では 光の干渉により紫外線の強度分布を作り照射する方法がとられる。位相マスクに形成された周期的溝で生じ た回折光同士による干渉縞が，ファイバ上に形成されるように配置されている。同図（b）には長周期型FG の作製に用いられるステップ露光法を示す。紫外線レーザを集光してファイバに照射することを，ステージ で位置を移動させながら順次繰り返すものである。 移動ステージ UVレーザ光 （λ～240nm） UVレーザ光 （λ～240nm） 位相マスク ファイバー ミラー レンズ ファイバー 回折光 回折光 グレーティング グレーティング （a)位相マスク法 （b）ステップ露光法 図4.2.2.3 ファイバーグレーティングの作製方法 (b) 今後の技術動向 3） 今後は，特性向上の為の超長尺化，新機能実現の為の位相シフトや屈折率変化の方向が考えられている。 これらに関連して，加工技術，装置の改良が必要となる。 (i) 超長尺化 現在，通常出来るFG長は100mm程度までである（マスクの限界） 。分散補償用では，これをさらに長くして 特性の向上をはかっている。2m程度までは報告されているが，実用的なレベルで作製できていないので，対 －32－ 目次へもどる 応する加工方法・装置の開発が望まれる。 (ii) 位相シフト 短周期型のグレーティングで， 途中に位相シフト点を入れられれば， 複雑な特性を実現することが出来る。 これを実際に製造するには，グレーティングのピッチをサブミクロンでずらす技術の確立が求められる。 (iii) 複雑な屈折率変化 通常のFGでは，屈折率変化の包絡線はなめらかな関数であるが，サブmm程度の長さのレンジで変えること で（強度変調のイメージ）いろいろな特性が実現できる。例えば，同時に多チャンネルをフィルタするフィ ルタなどが実現できる。製作する上では，レーザ強度に変調をかける技術が必要となる。 (c) 光加工へのニーズ動向 光の照射を用いた加工以外には，実用的な（低コストの）加工法は無いと考えられる。 図4.2.2.4に前述の技術動向とともに，対応する光加工ニーズを，ロードマップとして示す。FGの長尺化・ 新機能実現に対応する加工方法の開発が必要となる。 さらに， 対応する精度を有する加工装置が必要であり， 高精度かつ長い距離を移動可能な一軸ステージ，高い性能を有するレーザ光源（パワー安定性，ビーム方向 安定性，コヒーレンス長の向上） ，および，外乱による変動を検出・補正する機能，を有するレーザ照射装置 の開発が望まれる。 2005年頃 現在 2010年頃 2015年頃 デバイス動向 超長尺化による特性向上 長さ200mm 長さ100mm 長さ1000mm 長さ2000mm 位相シフト・屈折率変化による新機能実現 位相シフト無し 屈折率変調無し 位相シフト有り 屈折率変調有り 位相シフト有り 屈折率変調有り 位相シフト有り 屈折率変調有り 長尺化・新機能実現に対応する加工方法 光加工ニーズ 位相マスク法 （100mmマスク） 大型マスク （200mm，位相シフト型） レーザ強度変調 短いマスクから 連続的に長尺FGを 作製する方法の開発 長尺化・高精度化 加工装置の精度向上 位置決め精度0.1μm 移動距離300mm パワー安定性3% ﾋﾞｰﾑ方向安定性100μrad コヒーレンス長1mm 0.1μm 300mm 0.01μm 1000mm 加工レーザの精度向上 3% 50μrad 3mm 1% 30μrad 10mm 0.01μm 2000mm 1% 10μrad 10mm 図4.2.2.4 ファイバーグレーティング（FG）と関連する光加工ロードマップ (4) 3D-MEMS光スイッチ (a) デバイス概要 数100μmの大きさの可動マイクロミラーをSOI基板に多数形成し， マイクロミラーを制御することにより光 路を切替え，光のスイッチングを行うデバイスである。数年前からアメリカを中心に多くのベンチャーが開 －33－ 目次へもどる 発を行ってきたが，商用レベルで動作している物はまだ少ない。規模は64ch×64ch程度から1000ch×1000ch 以上まで可能と言われている。大規模な光クロスコネクトにはMEMS型がコスト面から優れていて，今年あた りから利用されていくと考えられていたが，ITバブル崩壊により，その時期が先に延びてしまった。 図4.2.2.5に基本構成を模式的に示す。図4.2.2.6には，NTTで開発したMEMS光スイッチ用のミラーを示す4）。 ミラー基板と電極基板をそれぞれ作製し，重ね合わせて組み立てる手法を用いている。ミラーと，ミラーを 保持するトーションばねは，単結晶Siで一体として作り，光学的・機械的品質の向上を図っている。 入力ポート ＭＥＭＳミラーアレイ 出力ポート ファイバー コリメータアレイ 図4.2.2.5 3D－MEMS光スイッチの基本構成 マイクロミラー （ｂ）単結晶Ｓｉミラー トーション ばね （ａ）ＭＥＭＳミラー構造 （ｃ）立体テラス電極 （ｄ）トーションばね 図4.2.2.6 3D－MEMS光スイッチ用ミラーの例 (b) 今後の技術動向 今後の動向を以下に記すが，光加工の観点からの改善の要求は顕在化してないようである。 (i) 組立て・調整技術の確立 ファイバーアレイからの多数の光を，多数のマイクロミラーで2回反射させて，もう一度ファイバーアレイ に入れるための，組立て・調整を，低コストで確実に行う技術の確立が必要である。 －34－ 目次へもどる (ii) 制御システムの構築 1個1個のマイクロミラーを，1段目と2段目を協調させて動かすのは簡単ではない。膨大な演算量となる。 切替途中のクロストークも問題となるので，切り替え経路の制御も重要である。 (iii) 信頼性の実証 多数の機械的ミラーの動作を長期的に保証するにはどのようにするかが課題である。また，現在の駆動電 圧は150V程度と高いので，低電圧で動作するミラー構造の提案・実現が求められている。 (c) 光加工へのニーズ動向 加工という観点から重要なミラーユニットの典型的な寸法は，ミラー直径～500μm，最小構造寸法5～10 μm，構造深さ20～100μmである。 一般的に，MEMSを作製する技術は，LSI加工技術が母体となっていて，光リソグラフィ技術，膜形成技術， エッチング技術，が主要な技術となっている。LSI加工との違いは，加工寸法が数十から数百μmにも及ぶ点 である。そのために，MEMS加工独特の方向として，厚い加工，深い加工の要求がある。 3D-MEMS光スイッチをはじめとするMEMSデバイスは，今後多くの分野で重要性を増していくと考えられる。 ただし，MEMS作製における光加工という観点からの新しいニーズは，現時点で顕在化していない。このため， 光加工に関するロードマップの作成には至らなかった。今後，技術と市場がさらに立ち上がった段階で，光 加工への新しいニーズが顕在化していくものと考えられる。パタンが大きい，深く掘るという観点から，よ り適した技術（コストも含めて）の提案・発展が大いに期待される。 (5) フォトニック結晶およびSi細線光導波路 (a) デバイス概要 シリコン等の高屈折率材料を導波路材料として利用することにより，サブミクロン寸法の導波路を実現す るものである。フォトニック結晶とSi細線光導波路がある。半径数μmレベルの急峻な曲げが可能で，光回路 の小型集積化に適する。また，将来的にはSi電子回路との融合の可能性がある。これらの構造の基本的寸法 は200～500nm程度であり，加工の重要性が高い。 フォトニック結晶は，周期構造により光を閉じ込める構造を基本として，周期構造を乱して光を導波させ る構造や共振構造などを作り込む。近年，多くの方面から研究が行われていて，平面型導波路，フィルタ， 偏光素子，光源等の研究が報告されている。図4.2.2.7に二次元フォトニック結晶導波路の例を示す5）。厚さ 200nm程度のSiスラブに，直径300nm程度の穴を三角格子状に敷き詰め，その一部の穴の位置と直径を修正す ることで光を導波させる構造としている。 Si細線光導波路は，高屈折率のSiをコアとして光導波路を構成するものである。フォトニック結晶と比べ て構造が簡単である。平面型導波路，光入出力構造，フィルタ等の研究が報告されている。また，Si細線光 導波路をフォトニック結晶に接続して光入出力構造として利用する研究も行われている。 図4.2.2.8にSi細線 光導波路の例を示す6）。導波路は300nmの幅で形成されていて，入出力に必要なスポットサイズ変換部は80nm 程度と非常に細く形成されている。 (b) 今後の技術動向 光産業技術振興協会によりフォトニック結晶ロードマップ案7）が作られていて，これを参考とした。Si細 －35－ 目次へもどる 線光導波路の動向も大まかには同様と考えた。なお，フォトニック結晶・Si細線光導波路は研究として発展 している段階であり，現時点で動向を予測することは困難である。前記ロードマップ案についても，一つ 結晶用穴 (半径r) a=424nm,r=139nm,rs=109nm 格子状数:a 位相シフト穴 (半径rs) 位相シフト穴 結晶用穴 試料模式図 試料構造 図4.2.2.7 二次元フォトニック結晶導波路の例 Si細線光回路 本体部へ （図示省略） Ｓｉ細線導波路コア 高Δ導波路コア シリカ層 ＳＳ変換部 （テーパ構造） 基板 光ファイバ へ接続 スポットサイズ変換部模式図 （ＳＳ変換部） ＳＳ変換部テーパ先端 Ｓｉ細線導波路直線部 （線幅80nm） （線幅300nm） 図4.2.2.8 Si細線光導波路の例 の予測という位置付けである。従って，本節で述べる事項もまた，期待を含んだ一つの予測の域を超えない ものである。 フォトニック結晶等の研究は，これまでは理論的検討，種々の機能の可能性・デバイスの提案の段階であ った。これからは，具体的なデバイスの実証を目指すべき段階に来ている。このためには，実際に微細加工 を駆使してデバイスを作製する技術の向上が不可欠である。フォトニック結晶をベースとするデバイスは 種々提案されているが，加工に関連して多くのデバイスにおいて共通に求められる事項としては以下のもの が挙げられる。 －36－ 目次へもどる (i) 導波損失低減 現在，二次元フォトニック結晶導波路やシリコン細線導波路で10～50dB/cmの損失値が実現されている。実 用にするには，さらに1桁以上の損失向上が望まれている。このためには，導波路パタンの精度，特に表面の 平滑性が重要である。Si細線光導波路に関するMITの研究を参考にすると，1～2nm程度の表面平滑性が必要で あり，リソグラフィ，エッチングなどを含めた工程全体での対応が必須である。 (ii) 機能の実現と性能向上 実用デバイスとしてはWDM用のフィルタへの応用が考えられている。 超小型で低価格なフィルタとして期待 される。 波長数としては数年後に8波程度をスタートに， 順次波長数を増やしていくことが期待されているが， 後述のように製作精度が厳しいので，シリカ系PLCほどには波長数を増やすのは困難と思われる。波長数につ いて予測は困難だが256波程度までの拡大が期待されている。 (iii) 安価で安定した製造技術の確立 損失の観点から微小なパタンを安定して滑らかに形成する必要があるため，現状では，電子ビーム（EB） 描画によって作製されることが多い。現在は研究段階であるため問題ではないが，実用化においてはEB描画 はコストが高いため適さない。安価な光露光により実現する必要がある。 (c) 光加工へのニーズ動向 図4.2.2.9に前述の技術動向とともに，対応する光加工ニーズをロードマップとして示す。フォトニック結 晶等が商品化されるのを2010年頃と想定している。 実用化され，産業になった状態を想定すると，パタン形成には光リソグラフィ（その時点では古い世代の） が使われているだろう。この際の課題は，スポットサイズ変換部の60nm程度のパタン形成と，寸法精度の向 上である。スポットサイズ変換部の60nmパタン形成については，2010年までには光リソグラフィ技術の進歩 により，十分形成可能な状況になっていると考えられる。寸法精度に関しては厳しく，リソグラフィ技術 2005年頃 現在 2010年頃 2015年頃 デバイス動向 導波損失低減・性能向上 損失5～50dB/cm 波長フィルタ検討 損失1～10dB/cm WDM8波 損失0.5～5dB/cm WDM32～64波 損失0.1～1dB/cm WDM128～256波 安価で安定した製造技術の確立 実用加工法 検討開始 基礎研究段階 実用加工法 確立 コスト低減 精度・安定性向上 光加工ニーズ 損失低減・性能向上のための加工精度向上 最小寸法80nm 線幅精度20nm以下 最小寸法60nm 線幅精度10nm以下 最小寸法60nm 線幅精度5nm 最小寸法60nm 線幅精度2nm 安価・安定な製造のための新加工技術の導入・改良 EB描画 トリミング無し 光露光検討 トリミング技術検討 光露光導入 トリミング技術確立 工程全体の改良 専用トリミング装置 図4.2.2.9 フォトニック結晶・Si細線光導波路と関連する光加工ロードマップ －37－ 目次へもどる のみでは対応は難しいと思われる。 フォトニック結晶，シリコン細線等では，ベースになる材料の屈折率が非常に高いので，僅かな寸法誤差 が位相や偏波へ影響を与え，性能が変動する。たとえば波長フィルタを想定した場合，寸法精度は有効屈折 率の精度と関係し，その波長分解能に影響を与える。波長分割数を増やすと，その要求はより厳しいものに なる。ナノメーターレベルの精度要求になり，普通に作っていては実現困難である。 これに対応するには， 製作工程の最終段階で特性を微調整するトリミング技術を確立しなければならない。 実用デバイスの作製においては，安定した性能を全ての製品において実現する必要があるので，トリミング はまさに必須の技術である。トリミングの対象とすべきは，屈折率の微調整，そして偏波依存性（複屈折率 性）の微調整である。トリミング技術の検討は，まだ着手されていない。実用化を見通す段階でトリミング 技術の検討を始める必要があり，その手法の早期の確立が望まれる。 最近，三次元フォトニック結晶の作製に関して，レーザ光の干渉を利用して周期的な構造を三次元的に有 機媒体中に直接作る技術が提案・研究されている。光の性質をうまく使って，三次元周期構造の作製を効率 化する技術として注目されている。ただし，通信用デバイスという観点からは，周期的な構造の中に機能実 現の為の構造を作り込む必要があるので，加工上のブレークスルーが望まれる。 (6) まとめと展望 デバイスパタン形成においては，情報・通信用光デバイスへの加工ニーズが，光加工技術をドライブして いる状況に現在はない。たとえば，リソグラフィ技術については，数世代前のLSI用に開発された技術が利用 されている。これは，光デバイスの基本的寸法がLSIと比較して大きいということに起因している。通信用の 光の波長が最近のLSIの最小寸法と比較して10倍以上大きいということを考慮すると，数世代前のLSI用に開 発されたパタン形成技術が利用されるという状況は本質的な事であると思われる。ただし，光デバイスには 屈折率誤差や偏波依存性を低く抑えるというLSIには無い要求があるために， パタンが大きい割には線幅精度 等が厳しい，滑らかなパタンを形成しなければならない，という特徴がある。この特徴に対応した光加工技 術の発展が望まれる所である。 （森田 博文） 滑らかなパタン形成の重要性は，PLCにおいて導波路形成前のシリカ薄膜の損失値よりも，導波路形成後 の損失値が高いことからも明らかである。導波路形成時のリソグラフィとドライエッチングの加工精度が， 0.1 伝送損失（dB/cm） 導波路 加工後 加工精度に 起因する 損失増 薄膜 0.01 1.5 2 2.5 3 比屈折率差Δ（%） 図4.2.2.10 導波路加工による伝送損失の増加 －38－ 目次へもどる 損失に影響を与えている。薄膜の損失のチャンピオンデータは0.03dB/cm（Δ=1.8%） ，導波路形成後の損失チ ャンピオンデータは0.05 dB/cm（Δ=1.5%）である。図4.2.2.10に，これらチャンピオンデータをもとに，Δ 値への依存性を考慮して損失値をプロットして示す。今後いっそうの集積化を目指してΔ値を大きくする方 向に進むので，滑らかな導波路形成のための加工技術はますます重要になる。滑らかな形状加工に適した技 術として，最近LIGA法で作成した鋳型を用いたナノインプリント技術が注目されている。LIGA法により作製 した鋳型の精度はナノメータオーダーであり非常に滑らかなパタン形成が可能である。また，量産の観点か らもナノインプリント技術は期待できるので，今後の発展が非常に注目されている。 （粟津 浩一） 位相トリミング用レーザ装置やファイバーグレーティング作製用レーザ照射装置などはLSIには無い独特 の分野である。デバイスの高性能化とともに安定した製造技術の確立を図るには，主に精度と制御性の観点 からの性能向上が必須であり，今後の発展・高度化が望まれる。 研究開発用としても，レーザ応用加工への期待は大きい。たとえば，サブミクロンのビーム径を有するレ ーザ描画装置が実現されれば，フォトニック結晶等の将来向きの光デバイス開発では有力なツールとなると 思われる。 通信用デバイスは種々多岐にわたるため加工方法や要求される特性は異なるが，低価格で安定した性能の デバイス作製において，光加工の役割は今後も重要性を増していくものと考えられる。種々の加工に対応し た，光加工技術，光加工装置の継続的研究開発・発展が望まれる。 （森田 博文） 参考文献 (1) 日比野善典，丸野透，岡本勝就： “次世代大規模高機能PLC研究開発の動向” ，NTT R&D，Vol. 50，No. 4 (2001) 259. (2) 奥出聡，和田朗： “ファイバグレーティング技術とその動向” ，電子情報通信学会論文誌C，Vol. J83-C， No. 12 (2000) 1060. (3) 奥出聡，安東泰博：FGに関しては㈱フジクラの両氏に御意見を頂いた. (4) Y. Uenishi, J. Yamaguchi, T. Yamamoto, N. Takeuchi, A. Shimizu, E. Higurashi, and R. Sawada: "Free-space optical cross-connect switch based on a 3D MEMS mirror array", IEEE/LEOS annual meeting conference proceedings, IEEE (2002) 59. (5) K. Yamada, M. Notomi, A. Shinya, C. Takahashi, J. Takahashi and H. Morita: "Singlemode lightwave transmission in SOI-type photonic-crystal line-defect waveguides with phase-shifted holes", Electronics Letters, Vol. 38, No. 2 (2002) 74. (6) T. Shoji, T. Tsuchizawa, T. Watanabe, K. Yamada, H. Morita: "Low loss mode size converter from 0.3μm square Si waveguides to singlemode fibers", Electronics Letters, Vol. 38, No. 25 (2002) 1669. (7) “フォトニック結晶研究の現状と将来展望－改訂版－”, (財)光産業技術振興協会 (2002). －39－ 目次へもどる 4.2.3 半導体・電機分野 半導体や電気機器分野で使われるエレクトロニクスデバイスは年々小型化が進んでおり，デバイス生産に は益々微細加工が必要となりレーザを用いた加工が進展している。レーザはコヒーレント光であるのに加え て赤外，可視，紫外への短波長化により今後も進展する微細化に適応してゆくことが出来る故に，光加工ロ ードマップの中で微細加工のツールとして拡大してゆくと考えられる。 ここでは市場が大きく，製品ロードマップも明確に展望できる幾つかの項目について調査した結果を述べ る。下記の（1） ， （2）は既にロードマップの上を技術進化をしながら進行いるもの， （3） ， （4）はニーズ側の 微細化ロードマップに向けて新しい光加工法として研究開発が強力に推進されているもの， （5）はニーズに 対して将来有望なものである。 (1) 高密度実装プリント基板微細穴あけ 電化製品，産業機器，パソコン，携帯電話などに組み込まれている電子機器の多機能化・小型化の要求に よりプリント基板の高密度化は進展し続けており， その生産高も01年度で1.1兆円であり今後も伸張してゆく。 図4.2.3.1は数十μmの薄いプリント基板を積み上げてゆく云わゆるビルドアップ法の多層基板の模式図であ る。図のように基板にはビアホール，スルーホールと呼ばれる電気導通用の微細穴が多数個存在し，プリン ト基板の高密度化・小型化に伴いこれらの穴径の微細化が進んでいる。この穴あけには従来はドリルによる 機械加工法や感光性材料のプリント基板の露光法が使われてきたが， 前者は量産用としては100～200μm径の 穴あけが限界であり，また後者は高コストな感光性の基板材料が必要という制約があり，微細な穴あけには レーザ法が採用されている。特に基板の小型化が厳しく要求されるパソコンや携帯電話の電子基板製造では レーザ穴あけが1995年ごろから量産用として採用されている。図4.2.3.2にレーザ穴あけシステムを示す。レ ーザ法はパルスレーザによりプリント基板材料の溶融・蒸発させる直接除去加工法である。加工 微細穴（ビアホール） スルーホール 基板（絶縁体） 断面 図4.2.3.1 高密度プリント基板の構造 －40－ 目次へもどる ガルバノミラー Y レーザビーム X マスク Fθレンズ コリメートレンズ ビジョンセンサ プリント基板 レーザ発振機 NC コントローラ X Y X-Y テーブル 図4.2.3.2 プリント基板レーザ穴あけシステム 穴でビアホールは数百個/cm2の密度で存在し，多数個の穴を開けるために加工光学系にはガルバノミラーが 使われるが，その速度は最大で千数百穴/秒である1)。 図4.3.2.3はニーズ側面からのビアホール微細化要求のロードマップであり，参考文献（2）から引用した 値をグラフ化したもので，グラフの幅の上限は普及型量産に用いられる基板，下限は最先端デバイスに使わ れる基板の場合である。 150 穴径 100 （μｍ） 50 2000 2005 年 2010 図4.2.3.3 基板のビアホールの穴径のトレンド 現状の穴あけ用では主に高ピーク・短パルスCO2レーザが量産用として使われている。CO2レーザは通常は 10.6μmの波長で発振させるが，基板の光吸収特性にマッチさせるため基板穴あけ用CO2レーザは9.3μmで発 振させている。平均出力は数十W程度，パルス周波数は数k～数十kHzである。CO2レーザは50μm径の穴あけが 限界といわれており，これより微細な加工ではより短い波長の紫外レーザが使われる。紫外レーザは固体レ ーザの波長変換とエキシマレーザがあるが，レーザダイオード励起の固体レーザの最近の技術進歩により， 前者のレーザが微細穴あけ用として採用されるに至っている。これはNd：YAG（波長：1.06μm）の固体レー ザ光を非線形光学素子で波長変換して3倍高調波355nmの波長の紫外線を発振するものである。紫外レーザは －41－ 目次へもどる 現状では最先端基板の50μm径以下の穴あけのR＆D用として使われてきており， 2005年ごろから紫外レーザを 使った基板の生産が本格的に立ち上がると予想されている。 更に今後穴径の微細化が進展するのに対応して4 倍高調波266nmの紫外レーザ穴あけ装置の開発も進んでおり， レーザ法は穴の微細化トレンドに追従可能なツ ールとして今後も進展してゆくと考えられる。 (2) TFT液晶の多結晶シリコン化レーザアニール 液晶デバイスは驚異的に発展しており生産高は2001年度は2兆円であったが2005年度で6兆円，2010年で13 兆円以上と言われている。 液晶TFTデバイスのシリコン薄膜としては通常は非晶質シリコン （アモルファスSi） であるが今後は多結晶シリコン（ポリSi）の占める割合が増大する。これは多結晶化シリコンでは高品質化 （電子の高移動度化，低閾値電圧化など）により周辺回路のガラス基板への取り込みが可能となり，また駆 動周波数を高くすることができる，高輝度化が実現できる，など，低コスト化，高機能化が図れるためであ る。最近では携帯電話のディスプレイ部は非結晶から多結晶化シリコンに代わりつつあり，文献3）の展望に よれば携帯電話，デジタルスチルカメラ，車載用パネル，PDAなどの小型パネルは2010年にはほぼ100％が多 結晶化シリコンTFTに置き換わると予想されている。 シリコンの多結晶化はシリカ基板を使った高温アニールでも出来るが，コストの関係で通常のガラスを用 いてレーザアニールを行うことで多結晶化（低温多結晶化）する方式が主流である。アニール用レーザとし てはエキシマレーザ（XeCl：308nm）が使われ，図4.3.2.4のように発振機からのビームをホモジナイザ等の 光学系で線状にして非結晶シリコン薄膜に照射，ガラス基板前面に渡り線状ビームをスキャンしてアニール する。 レーザエネルギーは薄膜に吸収され非結晶シリコンは数十ナノ秒で溶融， 凝固して多結晶化するため， ガラス基板の温度上昇は少なく，これが低温多結晶化アニールと言われている所以である。現状ではエキシ マレーザは200W級のものが使われてるが，今後ガラス基板の大サイズ化に対してもアニールプロセスのタク トタイムを同等レベルにするためにレーザの高出力化開発が行われている。 以上のように液晶デバイスの分野でレーザアニールが注目されていることを背景として，最近エキシマレ ーザに代わりグリーンレーザ（固体レーザの2倍高調波）によるアニールの研究開発も進められている4）。ま たエキシマレーザやグリーンレーザのアニールで更に高性能な多結晶シリコンを形成する研究も盛んであり 5） ，今後もこの分野の研究開発は大きく進展してゆくものと思われる。 線状ビーム 形成光学系 線状ビーム レーザ 発振機 ガラス基板 X-Yスキャンテーブル 図4.2.3.4 レーザアニールシステム －42－ 目次へもどる (3) 半導体リソグラフィー 半導体の微細加工のツールであるリソグラフィー光源のロードマップを図4.3.2.5に示す6）。半導体のデザ インルールの微細化に伴い光リソグラフィーの光源は短波長化してきており，水銀ランプのg線（436nm） ，i 線（365nm） ，その後，KrF（248nm）エキシマレーザに続きArF（193nm）が使われ始めている。更に短波長の F2（157nm）レーザも実用化が進められており光源の短波長化は留まることをしらない。 エキシマレーザの先の技術としては，我国では2002年度から経済産業省のプロジェクトでEUV（Extreme UV：極端紫外光，波長13nm）光源の開発がスタートした。これは2007年以降の50nmルール以下のリソグラフ ィー用光源を目指したものであり，EUV発生方法はレーザプラズマ法と放電プラズマ法の両者が検討される。 この中で未だプラズマからのEUV光への変換効率や伝送ミラーの反射率など明確でない点が多いため必要ス ペックは決定していないが，例えばレーザ法であれば平均出力20kW（10kHz）程度のレーザをXe等に照射して 30～70W程度のEUVを発生させる。EUVは2003年度から文部科学省のプロジェクトも本格的に加わり，省庁間連 携体制で大規模な研究開発が強力に推進される。 2000年 2005年 2010年 KrF ArF F2 EUV 248nm 193nm 157nm 13nm 図4.2.3.5 リソグラフィー光源の短波長化 (4) 半導体の極浅接合形成 超LSIのデバイス構造は今後も微細化してゆくが，微細化に対応したトランジスタの各構造に対応する要 求仕様や性能の目標値がITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）で2020年近くまで のロードマップとして提示されており，その目標に向けて研究が進められている。LSIのデバイス構造が微細 化すると同時にトランジスタのソース，ドレイン部が極薄膜化・短チャネル化し，これらとゲートの接合面 も薄膜化する7）（図4.3.2.5） 。このため接合部の電気抵抗が高くなる問題があるが，この低抵抗化にはレー ザアニール法が検討されている。 これはゲルマニウムの低速イオン注入で深さ方向に急峻でかつ極浅領域 （数 十nm以下）でシリコンを非結晶化した上で，不純物のボロンを注入し，その後数十ナノ秒以下の短パルスの エキシマレーザ等を照射して熱アニールすることで再結晶化して電気的に活性化させ抵抗を下げる方法であ る8）。従来は活性化のためランプを数秒間照射してアニールを行うが，極浅接合面に対しては抵抗の要求性 能を満足しなかったが，レーザを用いた急峻な熱入方式により極浅のアニールを行うことが可能になりこの 方式が有望視されている。 －43－ 目次へもどる 参考文献（7）のITRS （International Technology Roadmap for Semiconductors 2001 Edition）pp216-217 から数値を引用 接 30 合 深 20 さ 10 (nm) 2000 2005 2010 (年） 2015 図4.2.3.6 トランジスタの接合深さ7） (5) 将来有望な光加工技術 半導体・電機分野での光加工応用の中で，産業規模や新たなロードマップがまだ明確に見えないものも多 い。ここでは光加工応用として適用される明確なロードマップは未だ見えないが，ニーズ側から大きく注目 されている光加工技術について幾つか述べる。 (a) 半導体ウエハ切断：最近マイクロウエハのレーザ切断技術が開発され装置が市販された。通常では半導 体ウエハをチップに分離するのに刃物によるブレードダイシング法が使われるが， 今後IDチップや3次元実装 半導体メモリーなど急速な普及が期待されている50μm以下の厚さ極薄シリコンウエハの切断のニーズが新 たに出てきている。これに対してレーザをウエハの厚み方向の中心付近に高強度に集光して多光子吸収によ る材料の損傷を誘起することにより切断する方式が考えられており，従来のブレードダイシング方式の数倍 の速度で切断することが出来ることが実証されており，今後伸張する可能性がある。 (b) TFTガラス基板の切断：TFTガラス基板の切断にもレーザが使われ始めている。TFTガラス切断はダイヤ モンドでガラス表面にキズをつけて機械的に割断する方法が一般的であるが，レーザを照射後，ガスで急冷 し熱応力を発生させてガラス切断する方式が注目されている。この方式は機械式より切断面の品質が良い特 徴がある。TFTのガラス基板寸法の大型化はこれまで3年ごとに1.8倍の面積に拡大してきた。今後は2002年の 第5世代（基板サイズ：1000×1200mm）に続き2005年の第6世代（1350×1650mm） ，更に2008年の第7世代（1700 ×2000mm）までのロードマップが描かれており9），これに向けて材料・プロセスおよび生産装置の開発が進 められている。パネル寸法が大型化するほどガラス切断のニーズも増大し，その中でレーザによるガラス切 断も大きな伸びが期待される。 （田中 正明） (c) プローブカード狭ピッチ化: 半導体製造工程で，集積回路がウエハー上に完成すると，ウエハー状態 で回路機能が正常に動作していることを確認する工程がある。これが，プローブテスト工程であり，集積回 路検査装置（プローバー）と集積回路（ICチップ）の電気的接続を行うために必要な検査部品がプローブカ －44－ 目次へもどる ードである。ICチップの外側接触端子（ボンディングパット）に直接タングステン製のプローブ針をたてる ことによりテストを行う。図4.2.3.7に代表的なプローブカード（カンチレバー型）のポンチ絵を示した。図 のようにボンディングパッドへの接触端子（プローブ） ，プローブを支持するセラミックスリング，で構成さ れている。プローブの数はICチップの外部接触端子の数だけ必要となり，プローブのピッチはボンディング パッドのピッチと同様のピッチになる。 プローブカードに要求されているのは，①接触抵抗安定性，②高周波特性，③狭ピッチ化などがある。 プリント基板 プローブ プローブ作りは全て手作業 LIGAプロセスの導入 図4.2.3.7 現在のプローブのポンチ絵 最先端微細電極ピッチ（ミクロン） 50 1999 2000 40 現行法による量産化の限界 2002 30 20 LIGAプロセスの導入 10 0 2000 2010 2020 図4.2.3.8 プローブカード狭ピッチ化ロードマップ この中でも③の狭ピッチ化は集積度の上昇，ICチップの微細化に伴い，特に早急かつ強い要望が来ている。 図4.2.3.8はボンディングパットピッチのロードマップである。LCDドライバーはICチップの中でも最もパッ ドピッチが小さいデバイスであるため， プローブカードに要求される最小ピッチはLCDドライバーのボンディ －45－ 目次へもどる ングパットピッチとなる。現在，プローブカードは，熟練工の手作業によって作製されているため，微細化 は量産レベルで40ミクロン，試験レベルで30ミクロンが限界といわれている。現在，最小寸法のものは液晶 用に45ミクロンのものが用いられているが，次のターゲットは30ミクロン以下である。 また，ICチップの外部接触端子の数はカスタムLSIで200本であり，1000本程度のもので500万円以上の高 値となる。今後，プラズマディスプレイ，液晶ディスプレイの大画面化，高解像度化が求められていくが， 本観点からもプローブカード製造技術の革新なしには，ありえない。 図4.2.3.9にLIGAで作製可能となるプローブのポンチ絵を示した。LIGAを用いること利点は数多いが，① 手作業で一つ一つ作製していたプローブが1000本でも2000本でも一括生産可能， ②形状が際めて揃っている， ③ドライエッチングプロセスでは達成し得ない形状が可能，④プロセスの簡略化の四点が重要である。特に 図4.2.3.9に示した液晶用のプローブは典型的である。今後，更なる狭ピッチ化，薄型化が求められるが，LIGA の現行技術で十分クリアできる精度で，むしろ実装技術精度がネックとなる。 ②に関連しては，これまで手作業の場合，形状のばらつきがあったため，電極にプローブを強く押さえつ けることが不可欠であった。姫路工業大学ではLIGAにより均一・同一形状化を可能にした。その結果，接触 抵抗が激減し，0.5オーム程度なった。 (d) コイルロードマップ 現在，巻き線型コイルはコイル直径18ミクロン，サイズも3.2mm*1.6mmが最小であり，情報端末には向か ない，あるいは用途が限定されてしまう。チップコイル（図4）が半導体のフォトリソグラフィーとメッキに より作製されており，情報端末に用いられているが，高値でまた損失も大きいために，LSIで精度の悪さをカ バーしていくことが不可欠となっている。チップコイルは，現在，モバイル用で月産20億個で，一個当たり の単価は1円程度である。 LIGAを用いて，マイクロコイルを作製する方法として，回転する円柱に露光を行い，メッキをかける方法 で達成可能である。ただ微細化は，高抵抗化，高損失化が起こってしまい，製品として意味をなさない。そ こで，高アスペクト比を有する線を巻線状にすることにより克服可能である。図4に示したようなアスペクト 比の高い線の形成は，LIGAの最も得意とするところである。小型・低損失の立体コイルが量産できるように なると，モバイル以外では血管中に入れて用いるセンサー，原子力配管のクラックの検出(Micro Inspection Machine)，うず電流センサーなども可能となる。 (e) アクチュエーター アクチュエーターの小型化は，さまざまな分野のマイクロロボットとしての利用など幅広い分野からのニ ーズがある。図4.2.3.9はアクチュエーター重量（横軸）と重量あたりの出力（出力/重量； W/kg）の関係 を表したものである。電磁方式のものは，微小化に伴い，出力/重量 が減少するのに対して，静電方式や圧 電方式は低下することなくむしろ増加する。 従って， 微細化に適したアクチュエーターということができる。 圧電方式のものは，この図の上に表記されたパラメータで判断する限り，最も優れていることになるが変位 があまりとれないという欠点もある。静電方式のものは，例えば光通信用MEMSに利用されている。しかし， 多くの加熱プロセスを経て形成されていくため，応力の問題の克服など課題が多く，LSIの延長と考えるには 困難が多い。また，強いパワーを出すことが難しいことがある。 －46－ 目次へもどる 図4.2.3.9 アクチュエータ重量に対する出力/重量 以上，顕在化している欠点はLIGA法により立体型にすることにより克服可能である。図5が立体静電型櫛歯型 アクチュエーターのポンチ絵である。単純に100歯あれば出力は100倍になる。また，歯間の距離を短く，面積を 大きくすることによりハイパワー化が可能となる。このような構造の作製は，LIGA以外は考えられない。 謝辞 本稿をまとめるにあたり，姫路工業大学 服部正教授，内海裕一助教授に助言をいただいきました。 （粟津 浩一） 参考文献 (1) 佐藤，西前，岩田，竹野，福島，金岡： “ハイピークパワーCO2レーザーによる電子基板の穴あけ加工” レーザー研究，23，1（2000）19 (2) 2001年度版日本実装技術ロードマップ， （社）電子情報技術産業協会（2001）p211 (3) フラットパネル・ディスプレイ2003（戦略編） ，日経BP社（2002）p161 (4) 波多野，C. Grigoropoulos： “レーザアニールによるSi薄膜溶融，結晶化過程に基づく高性能poly-Si結 晶化技術” ，レーザ研究，31，1（2003）57 (5) （5）C. Kim，I.Song and M.Han： “High-Mobility Poly-Si TFTs Employing XeCl Laser Annealing on Selectively Floating a-Si Thin Film” SDI 02 Digest，28.1（2002）905 (6) 岡崎： “EUVリソグラフィー技術の開発状況”O plus E，23，6，（2001）684 (7) ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors 2001 Edition）pp216-217 (8) 楡： “レーザアニールによる極浅接合の形成”応用物理学会分科会シリコンテクノロジー極浅接合形成技 術；ITRS2001ロードマップを踏まえて特集号，39（2001）23 (9) フラットパネル・ディスプレイ2003（戦略編） ，日経BP社（2002）p160 －47－ 目次へもどる 4.2.4 医療分野 (1) レーザ治療を必要とする背景 レーザを用いた医療の特徴は，レーザの波長，レーザの集光性，ヒト組織の吸収率・透過率を上手く選択 し，低侵襲治療，従来にない新規治療，治療時間の短縮が可能であることである。低侵襲治療とは，具体的 には内視鏡的治療，IVR (Interventional Radiology:経血管的カテーテル治療)のことで，外科侵襲をできる だけ減らし，患者に対する手術侵襲を減らして手術後早期の回復を図り，患者のQOL (Quality of Life)を向 上させる治療である1)。 低侵襲治療を必要とする背景を述べる。我が国の国民医療費は，昭和45年頃から線形に増大し，平成9年 には約30兆円で，国民所得比で8％に及び，さらに増大している。少子高齢化を迎える我が国では，医療費が 国家予算に占める割合を増加させる。このような背景に鑑みるに，低侵襲治療が望まれている。我が国では， 国家の医療支出を抑制するために，1985年に米国が導入して成功した医療保険の疾患別包括支払い方式を検 討しており，将来施行される可能性が高い。この保健形態では，有限の資金の中で如何に安全確実で患者の QOLを重視した医療ができるかが問題となる。この方式の医療では，入院経費を抑制できる内視鏡治療，最小 侵襲治療が現在以上に重要になってくる。これらの治療に於ける治療手段となるのがレーザ治療である。今 までレーザ治療器が高価であったため，なかなか普及しなかったが，将来，医療費総額の削減のため，レー ザ治療器が採用される時が到来しようとしている1)。 (2) レーザ治療に必要な波長 レーザの生体吸収特性を知ることがまず必要である。図4.2.4.1に生体の吸収特性を示す。赤外波長域で の吸収は，主に水に起因している。可視光領域では，血中ヘモグロビンとメラニンに起因する。紫外波長域 では，プロテインによる吸収が大きい。以上から，組織の蒸散，凝固，損傷はレーザ波長と，パルス幅で制 御できる。図4.2.4.2に吸収特性と作用の関係を示す。 表4.2.4.1に現行のレーザ治療器の特性と用途を発振波長順に示す1)。 図4.2.4.1 生体の光吸収特性 －48－ 目次へもどる 図4.2.4.2 生体の吸収特性と作用の関係 表4.2.4.1 現行のレーザ治療器の特性と用途（荒井による1）） (3) レーザ近視治療（レーザマイクロ加工） 紫外のエキシマレーザで，ヒト眼の角膜を蒸散（ablation）し，角膜曲率を修正し，屈折矯正する方法が， PRK (Photorefractive keratectomy)である。これは，角膜の吸収係数の大きな193nmのArFエキシマレーザ（パ ルス幅：10～20nsec）を用いて，コラーゲンが主成分の角膜を精密蒸散し，屈折矯正するものである。1パル スあたりの蒸散量はサブミクロンである。これは，従来にない精密レーザ手術である。現在では，角膜のフ ラップを形成し，内部を蒸散し，フラップを戻す，LASIK (Laser in situ Keratomileusis)が主流である。 －49－ 目次へもどる 米国では，一般的な近視治療として，年間25万人以上が視力回復している。この手術機器は，米国でFDA (Food and Drug Administration)で認可され，我が国でも厚生労働省の認可を得て，普及しつつある。 将来は，フェムト秒レーザの多光子吸収を利用し，角膜内部に集光しアブレーションし，これで曲率を矯 正する，FLIVC (Femtosecond Laser Intrastromal Vision Correction) 術する，FLK (Femtosecond Laser Keratomileusis) 2) ,すべてをフェムト秒レーザで手 3,4) など新しい精密レーザ手術の研究が進んでいる。図 4.2.4.3に，FLIVCの概念図，図4.2.4.4にFLKの概念図を示す。それ故，近い将来は，エキシマレーザとフェ ムト秒レーザのすみ分け，将来は，どちらかに絞られるであろう。 図4.2.4.3 FLIVC(Femtosecond Laser Intrastromal Vision Correction)2)の概念図 図4.2.4.4 FLK(Femtosecond Laser Keratomileusis)3,4)の概念図 (4) PDTによる選択治療 PDT (Photodynamic Therapy)は，感受性薬剤を治療前に静脈注射し，この薬剤が腫瘍組織に取り込まれた 時刻に，腫瘍に共鳴波長のレーザを照射し，一重項酸素を発生し，腫瘍細胞の壊死あるいはアポトーシスに －50－ 目次へもどる なるとともに，腫瘍栄養血管内皮が障害されて血栓で閉塞し腫瘍への酸素・栄養補給が途絶する。この相乗 効果で腫瘍は縮小・消滅する1)。この分野では，排泄速度の大きな薬剤，腫瘍選択性を向上させた薬剤が開 発されている。将来はさらに，癌以外の疾患にも応用が開かれようとしている。 従来のレーザ治療器市場規模推移を図4.2.4.5に，バイオ・メディカル応用の展開を図4.2.4.6に示す。 図4.2.4.5 従来のレーザ治療器市場規模推移 図4.2.4.6 バイオ・メディカル応用の展開 （小原 實） (5) DNAシーケンシングの進展に伴う光加工ロードマップ 電気泳動は生命科学研究で最も頻繁に行われている手法である。この実験手法は最近，チップで行う技術 へと発展してきている。 省力化できて， データーの精度も高い技術に関しても光加工技術が求められている。 10年前にヒトゲノムの解析研究が開始された当初に比べてシークエンシング終了期限は大幅に短縮され た。これは，キャピラリーアレイ電気泳動のDNAシークエンサーの出現によりゲノム解析が急進したことによ るといえる。ゲノムシークエンシング終了が目前に迫った今日，ポストゲノムシークエンシングの課題とし －51－ 目次へもどる て，ゲノム創薬，オーダーメイド医療，個人ゲノムが注目を集めている。特に，1塩基多型解析(SNP)は欧米 をはじめ日本でも，1999年以来5省庁横断国家プロジェクトとなっている。図4.2.4.7はDNAシークエンシング ロードマップである。20年で6桁多い塩基対のシークエンシングの達成が望まれている。 図4.2.4.7 DNAシークエンシングロードマップ 解析手法には上記キャピラリーアレイ電気泳動の他，ゲル電気泳動，マイクロチップ電気泳動がある。図 4.2.4.8にこれらの長短所のイメージをまとめた。 このうち最近最も注目されているのがマイクロチップ電気 泳動であり，基本原理は，以下のとおりである。まず，十文字に彫った数十ミクロンの幅の溝にゲルと緩衝 液を充填して，電場をかける。次に直交する方向に溝に電場をかけることで，直交部分の微小体積の試料を 正確にかつ再現性よく切り取ることができる。この微小試料を溝内に充填されたゲル中を電気泳動させるこ とによって，サイズごとに分離することが可能となり，サイズごとに分かれたサンプルのバンドを蛍光もし くは紫外光で検出するという方法である。 図4.2.4.8 各種電気泳動の長短所のイメージ 現在，溝はウエットエッチングまたはドライエッチングにより形成されたものが用いられているが，前者 は流路断面が楕円形に，後者は断面が極めて粗いことが，電気泳動の再現性や蛍光もしくは紫外光で検出す るときの精度に大きく影響してきている。また，1枚あたり数万円であるため，ウイルス等を扱うことを考え －52－ 目次へもどる るとディスポーザブルが望ましい。さらに，半導体集積回路と同様，より多くの試料をより早く分離・分析 するには，溝の更なる微小化を進める必要があるが，この時，溝の深さが浅くなってしまうことは，蛍光も しくは紫外光で検出するときの分析感度を下げてしまうので好ましくない。以上をまとめると，流路の微細 化，高アスペクト比化，流路の平滑性の向上，ディスポーザブル化が望まれていることがわかる。これら， 全てを満足する製造技術としてLIGAが注目されており，産総研など一部で既に研究が始まっている。表面の 平滑性はドライエッチング品に比較しても著しく向上していることは肉眼でもはっきりとわかるものができ ている。図4.2.4.9に半導体の進歩とゲノム技術の進歩を対比的に示した。 図4.2.4.9 半導体の進歩とゲノム技術の進歩 さらにゲルに換わるナノ分離担体を作製することが望まれている。現在ではメチルセルロースのようなポリマ ー溶液を用いてポリマー同士の絡み構造を作製し，孔を形成させる。DNAはポリマー溶液中を泳動する間にゲル と同様の分子ふるい効果により分離が達成される。図4.2.4.10に解析可能なDNAサイズとポリマーメッシュサイ ズの関係を示した。従って，10～80ナノメートル程度のサイズの構造体を作製できればゲルやポリマー溶液を用 いなくとも簡便にそして高速でDNA解析をチップ上で行うことができる。高アスペクト比の流路に高アスペクト 比のピラーアレイが形成できれば，高精度な塩基対の分離が可能となる。既にLIGAを用いたマイクロ流路中のナ ノピラー形成の研究が行われている。特に100ナノメートル程度のピッチを持つピラーアレイの形成によって4乗 オーダーの塩基対の分離が（網がけ部分）可能となるので，今後の発展が興味深い。 ゲルを充填した溝の端にサンプルを注入してプラス方向に泳動させ，もう一方のみぞにゲノム解析を半導体の高 集積化と比較すると図4.2.4.9に示すとおり，現在はICレベルとであり，今後の更なる集積化が必要となる。 －53－ 目次へもどる 図4.2.4.10 解析可能なDNAサイズとポリマーメッシュサイズの関係 （粟津 浩一） 参考文献 (1) 荒井恒憲: "発展するレーザー治療", 応用物理, 70, 8 (2001) 955. (2) T. Juhasz, et al: IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, 5, (1999) 902. (3) H. Lubatschowski, et al.: Graefe’s Arch. Clin. Exp. Ophthalmol., 238, (2000) 33. (4) H. Lubatschowski, et al.: Riken Review, 50, (2003) 113. (6) レーザによるPET用短寿命放射性同位体（陽電子放出核種）の生成 人口動態統計によると，がんによる国内の死者は毎年増加し続け，2001年には30万人を超えて全死亡数の 31.0％を占める第1位の死因になった。これを死亡率（人口10万対）で表すと238.7である。今後伸び率は低 下すると推計されるが，死亡者数は増加の一途をたどり，がんに関する医療費は膨大になる。健康で生き甲 斐のある安全な社会を実現させるには，早期にがんを発見して治療するシステムの開発が必須であり，これ によって医療費の低減も期待されるため，種々の研究開発が活発に実施されてきた。 最近，全身を対象とした初期がんの発見や痴呆の診断などにPET (positron emission tomography, 陽電 子放出断層撮像) が有効であることが示され，PETは従来からの脳機能計測や薬剤開発などの他に，がんや痴 呆を対象にした個人向けの健診（PET健診）に利用されるようになり，21世紀型の健康で生き甲斐のある安全 な社会を実現させる有効な手段として期待されている。 ところが，PETは短寿命放射性同位体（陽電子放出核種）を用いて合成する標識剤を使用するため，陽電 子放出核種を製造するサイクロトロンを施設内に配置する必要があり，その遮蔽系を含めた装置全体が大型 になることが上記のような新しいPET健診の普及を大きく制限している。 そこで，サイクロトロンの替わりに小型の超高ピーク出力レーザ（TW DPSSL）を用いてPET用陽電子放出 核種を生成する研究が始まった1,2)。これは，超高密度フォトン（超高ピーク出力レーザパルス）と物質との 相互作用やレーザ核工学などの先端研究の成果を産業に応用する一つの事例である。 －54－ 目次へもどる 2000 2005 PETクリニックセンター 大病院 PET施設 2010 2015 総合検診センター PET応用 ガン検診 痴呆検診 光計測制御 光創生材料 PET応用実証 光パルス波形制御 プラズマ 高ピーク出 力レーザ TW DPSSL 粒子加速 小型車載用 アト秒光パルス利用 量子制御 超高速相互作用制御 プラズマ・ 核工学 ＰＥＴ ネット Table Top Laser による可能性実証 サイクロ トロン 同位体 生成法 健康で生甲斐のある安全な社会 PET検診車 PET検診センター 新材料創生 ターゲット材料 小型化 可搬型 車載用 PET: 陽電子断層撮像装置， DPSSL: LD励起固体レーザ 図4.2.4.12 PET用短寿命放射性同位体生成のロードマップ 図4.2.4.12はレーザによるPET用短寿命放射性同位体生成のロードマップを示す。2006年頃にはPETによる 痴呆健診と合わせた総合健診が可能になり，そのあと施設間を結ぶPETネットが普及し，2012年頃にはPET健 診車が出現すると予想される。 レーザによる短寿命放射性同位体生成の例として，表4.2.4.11に示すものが報告されている3,4)。しかし， これらは大型レーザ施設で実験したもので， これをそのままPET施設での短寿命放射性同位体生成に適用する ことはできない。 PET施設での実用化に際しては， 小型， 高安定の超高ピーク出力レーザの開発が必須になる。 しかしこの課題は，最近の進展が著しいLD（レーザダイオード）励起超高ピーク出力レーザ（例えば，TW DPSSL） によって解決される。すでにテーブルトップのLD励起超高ピーク出力レーザでテラワット(TW)を越えるピー ク出力が得られ，このような超高ピーク出力レーザパルスを集光すると1019 W/cm2程度の集光強度が得られる。 この光電場はTV/cm程度，つまり水素原子の基底状態の電子が感じるクーロン場の約10倍に相当し，短寿命放 射性同位体の生成などに利用できる。 表4.2.4.11 レーザによる短寿命放射性同位体の生成例 研究機関 高強度 集光強度 W/cm2 レーザー 粒子発生 ターゲット 加速 粒子 核反応材料 銅箔，ｶﾞﾗｽ(B), PVC(C,O) ﾗｻﾞﾌｫｰﾄﾞ ｱｯﾌﾟﾙﾄﾝ研 ４０ＴＷ 1 ps 2-4x1019 ｸﾞﾗﾌｧｲﾄ, ｱ ﾙﾐ, ﾁﾀﾝ等 陽子 ミシガン大 １０ＴＷ 400 fs 3x1018 重水素ﾎﾟﾘ ｽﾁﾚﾝ膜 重陽 子 10 B ﾘｯﾁのｻﾝ ﾌﾟﾙ 短寿命放射 性同位体 63 Cu(p,n)63Zn 11 B(p,n)11C他 10 B(d,n)11C －55－ 目次へもどる 図4.2.4.13はPET用短寿命放射性同位体生成系の構成図を示す。キー技術としては，レーザ集光照射，加 速粒子発生ターゲット材料と構造，核反応ターゲット材料と構造などがあり，最終的には短寿命放射性同位 体生成の総合効率を上げることが重要になる。なお，短寿命放射性同位体を使用してPET用の標識剤を合成す るプロセスには既存の技術がそのまま使える。 高強度 レーザ 粒子発生 ターゲット レーザ 集光強度 核反応 放射性 材料 同位体 加速粒子 陽電子 図4.2.4.13 PET用短寿命放射性同位体生成系の構成図 高強度レーザによる粒子発生に関してはすでに多くのデータが蓄積されている。図4.2.4.14は，坂部らが これまでの報告に基づいて，レーザ集光強度と発生粒子のエネルギーとの関係をまとめたものである5)。集 光強度が1018-1019 W/cm2 のとき1-10 MeVの粒子が発生する。また，図4.2.4.15は，酸素同位体を生成する核 反応14N(d, n)15Oの断面積を示す6)。この例では，比較的低いエネルギーの重陽子照射によって酸素同位体15O を生成することができる。 阪部周二ら，日本原子力学誌，43, 996-1004 (2001) 図4.2.4.14 レーザ集光強度と発生粒子エネルギー5) －56－ 目次へもどる http://www-nds.iaea.org/Medical/index.html 図4.2.4.15 14 N(d, n)15Oの反応断面積6) 高エネルギー粒子発生や同位体生成核反応の効率は，それぞれのターゲット材料やターゲット構造に依存 する。また，同位体生成の総合効率は照射する超高ピーク出力レーザパルスの集光条件，時間波形，波面形 状，偏光などに依存する。したがって，PET用短寿命放射性同位体生成の高効率化を図るには，上記各種パラ メータの最適化が必須になり，現在これらについて実験的検討が進められている。 上記の超高密度フォトン照射に関するパラメータの最適化は，より一般的には，超高密度フォトンと物質 との相互作用を最適に制御することである。 かかる観点からは， すでに適応型光パルス反応制御装置 （RECAPS, Reaction Control system using Adaptive Pulse Synthesis）が開発されている1,2,7,8)。これは，図4.2.4.16 に原理図を示すように，高密度フェムト秒レーザパルスを波形・波長制御部で制御して反応炉に入射し，反 応炉で所望の相互作用を起こさせて生成物を得るとき，生成物の収量や品質（あるいは超高速相互作用）を 計測して制御信号演算部にフィードバックし，生成物の収量率等が最大になるように，高密度フェムト秒レ ーザパルスを制御する。このような制御には，たとえばSA (simulated annealing) 法を用いる。また，制御 するパラメータは，時間波形（振幅と位相） ，波長，波面，偏光，集光スポット径などである。制御部の具体 例としては，空間光変調器あるいはプログラマブル位相変調器を用いた光波形合成器 (optical synthesizer)や波形整形器，さらにはデフォーマブルミラーなどがある。この方法を用いると，メカニズム の詳細が未解明の超高速相互作用であっても，先験情報なしにその相互作用の結果を所望の方向に改善する パラメータを探索することができ，このことは中間準位をもつ原子の二光子吸収実験で実証されている8)。 －57－ 目次へもどる 効率 フェムト秒パルス 高い尖頭出力 広いスペクトル 原 料 試行回数 波形・波 長制御 高密度 フェムト秒 レーザ (振幅，位 相， 周波数など） 反応炉 生成物 計 測 制御信号演算 図4.2.4.16 RECAPSの動作原理1,2,7) 以上のようなPET用短寿命放射性同位体生成の研究開発では，すでに加速陽子の発生が確認され1,2)，近い うちにテーブルトップレーザによるPET用短寿命放射性同位体生成の可能性が実証されようとしている。 今後， 高出力LDの大量生産が始まって安価な高出力LDの供給が始まると，小型で使い勝手の良いTW DPSSLが普及し， このレーザを用いた小型の装置で必要な時に必要な量のPET用短寿命放射性同位体を生成することが可能に なる。その結果、中規模の病院でもPETによるがん健診が行われるようになり、さらに将来的には、PET健診 車による移動健診も可能になるだろう。 （土屋 裕） 参考文献 (1) 土屋 裕：高密度フォトンと物質との相互作用の計測と制御，先端光テクノロジー展招待講演資料, Nov. 6, 2002, 東京，pp. 1-19. (2) 土屋 裕：高密度フォトンと物質との相互作用の制御，レーザ学会第23回年次大会予稿集 (2003) pp. 85-86. (3) M. I. K. Santala et al: Production of radioactive nuclides by energetic protons generated from intense laser-plasma interactions, Appl. Phys. Lett. 78, 1 (2001) 19-21. (4) K. Nemoto et al: Laser-triggered ion acceleration and table top isotope production, Appl. Phys. Lett. 78, 5 (2001) 595-597. (5) 阪部周二，飯田敏行，高橋亮人：超高強度レーザーを用いた放射線発生，日本原子力学誌，43 (2001) 996-1004. (6) http://www-nds.iaea.org/Medical/index.html, Charged-particle cross section database for medical radioisotope production, Diagnostic, radioisotopes and monitor reactions, May 2001. (7) 土屋 裕，青島紳一郎，藤本正俊，伊藤晴康：プロセス解析のための高機能計測の研究，高密度パルス 光シンポジウム－高密度パルス光の発生と先端的物質制御－，Nov. 29, 2001, 東京，pp.25-28. (8) T. Ando, T. Urakami, H. Itoh, and Y. Tsuchiya: Optimization of resonant two-photon absorption with adaptive quantum control, Appl. Phys. Lett. 80, 22 (2002) 4265-4267. －58－ 目次へもどる 4.3 シーズから利用へ 4.3.1 ナノファブリケーション (1) はじめに 今後の科学技術産業の鍵を握ると言われるナノテクノロジーの目指すところは，材料のナノスケール化に よる新機能の発現，あるいはナノ構造の配列による既存機能の増強・高集積化などにある。未知なる可能性 を秘めているナノテクノロジーに対する期待は大きく，エレクトロニクスに始まり，バイオ，メカトロニク ス，エネルギーなどあらゆる分野においてその応用が検討・実現されつつある。ナノテクノロジーを論ずる 上でその切り口は多々あるが，ここではとりわけナノ構造の形態とその作製方法に着目する。 まず形態については，個々のナノ構造体の形状とその配列方法に大きく分けられる。単独のナノ構造の形 状としては，シート状，ワイヤ状，ドット状などがある。これらをいわゆる量子構造ととらえると，それぞ れ2次元，1次元，0次元的に電子を閉じ込めるための構造といえる。さらにこういったナノ構造を構成要素と し，実際のデバイスとして機能させるためには，これらを2次元的，ないしは3次元的に配列・配置すること が必要となる。ここで空間的配列の意義としては，これによって初めて機能が発現する場合と，単に高集積 化を目指す場合の2通りがあり得る。 一方、ナノ構造の作製方法には大きく分けて，トップダウン方式とボトムアップ方式がある。いわゆる光 加工が目指すところの多くは前者である。つまりリソグラフィー，あるいはアブレーションといった手法を 用い，バルク材料からスタートして所望の構造を得る方法である。後者の代表例は自己組織化による構造形 成などであり，光が関与するものとしては，光CVDなどが挙げられる。 一般にトップダウン方式で加工をおこなう際には，個々のナノ構造が小さいほど，またそれらを高密度に かつ，高次元に配列しようとするほど，技術的なハードルは高くなる。以下では，個々の構造をいかに小さ く作ることができるか，それらをいかにして空間的に（一括して）配列することができるかといった観点か ら，将来の光ナノ加工を展望したい。また，特にナノテクノロジーの分野においては，加工技術とアプリケ ーションが車の両輪の関係にある。そこで最後に，今後需要が高まると予測されるナノデバイスと関連付け て，光加工のロードマップを描いてみたい。 (2) 波長～サブ波長加工 光加工の微細化を推し進めるにあたり，光の回折現象は加工サイズに対して厳然たる限界を与える。大雑 把には，光を半波長以下のスポットに絞り込むことができないことがその理由である。ただし，フェムト秒 レーザを適切に導入することにより、この回折限界（加工サイズが半波長にとどまるという限界）を越えた サブ波長加工が実現する。具体的には、アブレーションや露光に際して閾値をもつ材料を加工する場合や多 光子吸収などの非線形光学過程を利用した加工をおこなう場合，光強度の強いスポット中心部のみを利用す るいわゆる「筆先加工」が可能となる。実際に，アブレーションによるナノパターニング，ナノピット形成 やポリマーの光造形などに応用されている1)。 一方，2光束（あるいはそれ以上）ビームの干渉を利用すると，一括加工も可能である2,3)。加工サイズ（周 期）はやはり波長程度ではあるが，グレーティングやフォトニック結晶といった光波制御デバイスの作製に は好都合である。また集光ビームによる加工を含め光加工全般として，サブ波長サイズまでであれば，3次元 的な加工（材料内部への加工）が可能であり、この点が光を利用する大きな特徴の1つである。 －59－ 目次へもどる (3) ナノ加工のための要素技術 上では筆先加工によるサブ波長加工について述べたが，その改善因子は通常1/2～1/3程度にとどまる。つ まり短波長光（紫外光）を利用した場合でも，加工サイズは高々100nmが限界である。したがって，ナノ～サ ブ100nm加工には何らかのブレークスルー技術が必要となる。例えば，近年進展の著しい近接場光学技術がそ の解決の糸口を与えてくれる4)。ナノサイズの微小物体・構造の周辺に発生する局在光（エバネッセント光） を光源として露光やアブレーションをおこなうというのが基本的な発想である。 近接場光学技術の最も直接的な応用が近接場光学顕微鏡 （Near-Field Scanning Optical Microscopy: NSOM） である。具体的には，図4.3.1.1に示すようにプローブ（探針）の先端にエバネッセント光を発生させ，これ を光源として観察対象を照らしながらイメージングをおこなう装置である。つまり，これまでの光学顕微鏡 の限界を越えた高分解能の実現がこのNSOMの最も大きな特徴である。このNSOMプローブ技術（エバネッセン ト光発生技術）はこれまでに10年以上の研究の蓄積があり，加工という発展的な応用にあたって大いに参考 になる。NSOMにはエバネッセント光の発生法の視点から大別して，金属微小開口（スリット）を利用する開 口型NSOMと鋭い金属探針を利用する散乱型NSOMの2つの形態が存在する。両者にはそれぞれ一長一短があり， 観察対象に応じて使い分けることになる。空間分解能（局在光のサイズ）としては，いずれも10～30nmとい う値を達成している。 このようにしてNSOMによって発生させた局在光を光加工のための光源として利用する試みはすでにいく つか報告されており、リソグラフィーや光CVDに関しては30～50nmの加工サイズが得られている5)。一方，こ れらの加工と比較してより大きな電場強度を必要とするアブレーション加工においては、プローブ先端まで 送り込むことができる光量の制限から、100～200nm程度が現段階における限界のようである。 アレイ化 近接場光学顕微鏡 プローブ ナノ粒子 マスク 大面積一括加工 図4.3.1.1 近接場光学技術を基礎としたナノ光加工 (4) 大面積ナノ加工に向けて これまでNSOMをベースとした光加工は，加工サイズの限界確認や材料探索などの基礎研究にとどまってき た。その理由の一つとして，単独のプローブを用いた加工では，大面積一括加工ができず、産業応用上現実 的ではないという事実がある。 （ただし，局部的なトリミング，例えばリソグラフィー用マスクの不良箇所の －60－ 目次へもどる 修繕など，においては単独のプローブでも十分にその威力を発揮することが予想される。 ）プローブをアレイ 化するという方法（図4.3.1.1）は一つの解決策であり，すでに光ディスクの書込み，読出し用ヘッドとして 研究が進められている6)。このアレイ化という発想については，AFMの分野でも積極的な取り組みがなされて おり，今後の急速な進展が期待される。 一括加工への道としては，開口をもつプローブの代わりに，ナノスケールのパターニングが施された大面 積マスクを使用し，これを加工対象に密着，広範囲露光することにより，リソグラフィーをおこなう方法が デモンストレーションされている（図4.3.1.1）7)。このアイデアを広く一般化すると，プローブ，すなわち 局在光の発生源をあらかじめ加工対象側に大面積にわたって配置しておき，一回の光照射によって加工をお こなうという方法が考え得る（図4.3.1.1） 。局在光の発生源としては，金属や誘電体のナノ粒子，あるいは それらの複合体などがあり，その配列方法としては，自己組織化的な手法，あるいは何らかのテンプレート を利用するやり方などが可能であろう。 ここで述べた手法はすべて，対象の表面のみの加工（2次元加工）であり，多くの需要が予想される3次元 加工には対応できない。この制限はエバネッセント光本来の性質からもたらされるものであるため，ナノ3 次元光加工を実現するためには全く新しい発想が必要となる。 (5) ナノデバイスの展望 光ナノ加工については， 現在の技術動向の外挿からだけでは今後の予測が立たないことは言うまでもなく， 数々のブレークスルー技術の出現を前提として将来を語らざるを得ない。ただ冒頭にも述べたように，技術 進歩の鍵はむしろアプリケーション（何を作りたいか）にあり，これが幾多の壁を乗り越える強いモチベー ションとなることはほぼ間違いない。 図4.3.1.2に，光情報・通信・センシングデバイスを中心に今後のおおまかな動向をプロットした。縦軸は デバイスが機能するために必要とする基本的な加工サイズ，横軸がプロトタイプの完成が期待される時期で ある。情報ストレージの高密度化，センサーの高集積化，イメージングデバイスの高分解能化は必然的な流 れであり，電子・光デバイスのナノスケール化は，高速化，低消費エネルギーを目指す上で鉄則である。ま た既存のデバイスの延長としてではなく，量子効果を積極的に利用しようとする場合，あるいはDNA，タンパ ク分子の単分子レベルでのセンシングを目指す場合には， デバイスがナノスケールであることが本質となる。 特にこういったデバイス探索においては，新しい物理現象，生命現象の発現が見え隠れしており，これらの 解明，応用が今後のナノ光加工の貴重な推進力となるであろう。 (6) おわりに レーザ加工はこれまで，主に精密機械加工の分野において積極的に導入され、マイクロメートルの精度を もつ手法として，従来の機械加工に対してその優位性を発揮してきた。今後ナノ領域の加工に突入すると， 次なる対抗技術は電子・イオンビーム，深紫外光，X線といった波長の短い波を利用した加工法となる。原理 的な加工サイズの限界だけに着目すると，これらのライバルとの競争は分が悪い。しかし，以下のようにナ ノファブリケーションに対してレーザ加工技術を導入するメリットは数多い。 －集束ビーム加工と比較して，一括加工が可能である点で有利である。 －サブ波長分解能であれば，3次元加工が容易に実現できる。 －どの手法と比較しても，装置を安価に導入できる。 －61－ 目次へもどる －近接場光学がキーワードなる光加工はさらに大きな進展の余地がある。 －光の波長，位相，コヒーレンスの制御により，新しい光加工のアイデアが生まれる余地がある。 いずれにせよ，光に特徴的な現象・プロセスを目を凝らして見つけ，また一貫した光加工に拘泥せず，他 の手法との融合も視野に入れた柔軟な発想をもつことが今後必要となるであろう。 （斎木 敏治） 加工サイズ 分子 エレクトロニクス 10nm フォトニックデバイス 光記録媒体 のトリミング 露光用マスク修理 100nm ナノ光回路 ナノチャネル ナノセンサー アレイ ナノイメージング デバイス sub-λ 光配線 フォトニック結晶 デバイス （近接場リソグラフィー） 光ファイバデバイス λ 光波デバイス 2000 2005 2010 2015 年 図4.3.1.2 ナノファブリケーション・ナノデバイスに関するロードマップ 参考文献 (1) S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada: "Finer features for functional microdevices", Nature, 412 (2001) 697. (2) T. Kondo, S. Matsuo, S. Juodkazis, and H. Misawa: "Femtosecond laser interference technique with diffractive beaam splitter for fabrication of three-dimensional photonic crystals", Appl. Phys. Lett., 79, 6 (2001) 725. (3) K. Kawamura, M. Hirano, T. Kamiya, and H. Hosono: "Holographic writing of volume-type microgratings in silica glass by a single chirped laser pulse", Appl. Phys. Lett., 81, 6 (2002) 1137. (4) 大津元一，河田聡，堀裕和編: "ナノ光工学ハンドブック", 朝倉書店 (2002). (5) T. Kawazoe, Y. Yamamoto, M. Ohtsu: "Fabrication of a nanometric Zn dot by nonresonant near-field optical chemical-vapor deposition", Appl. Phys. Lett., 79, 8 (2001) 1184. (6) T. Yatsui, M. Kourogi, K. Tsutsui, M. Ohtsu, J. Takahashi: "High-density-speed optical near-field recording-reading with a pyramidal silicon probe on a contact slider", Opt. Lett. 25, 17 (2000) 1279. (7) 納谷昌之: "近接場光リソグラフィー", オプトロニクス, 21, 11 (2002) 158. －62－ 目次へもどる 4.3.2 フェムト秒加工 (1) はじめに フェムト秒レーザを使った非熱加工は，ナノ秒やピコ秒レーザによる熱加工と比べて熱影響部を小さく抑 えられることを特徴としており，加工サイズはレーザのパルス幅の減少とともに小さくなりミクロメートル サイズを切るところまできている。そして，これまで加工サイズは，レーザ波長程度に制限されるとされて きたが，最近，見出された新しい物理現象にもとづく加工を行えば，レーザ波長の10分の1程度まで微小化で きることが示されている（図4.3.2.1） 。加工材料に関しては，容易に高強度化できるため，金属，半導体， 絶縁体，化合物，生体物質まで幅広く取り扱うことができる。このため，この加工技術は，高集積化のため に微細化が進行してゆくナノテクノロジー，情報技術，環境技術，バイオテクノロジー，製造技術など広い 分野に渡って重要な技術要素となる。現状では，フェムト秒レーザを使った加工において，近接場加工やフ ェムト秒レーザ直接加工（以下，フェムト秒加工と略す）がその中心であるが，ここでは，応用を支えるフ ェムト秒加工の技術に焦点をあて，加工技術の現状とその課題についてふれ，今後の展望についてロードマ ップにまとめてみたい。 図4.3.2.1 加工サイズの微小化 (2) フェムト秒加工技術の現状 フェムト秒加工は，高密度3次元光メモリー，微小光通信用デバイス，μ-TAS（micro total analysis system） を製作できることから，透明材料1-5)について精力的に研究がすすめられ，また医用関係6,7)において，近視矯 正，虫歯治療などで有力なツールとなることからその利用範囲は拡大している。金属，半導体，セラミクス といった材料についても, 微細加工のための基礎データや物理モデルの構築が進められ，ナノメートルサイ ズの加工例が報告されており，それらを利用しうる応用分野の開拓，拡大の時期にさしかかっている。これ らの応用を支える加工技術として，穴明け・研削加工技術，自己組織化によるナノ構造形成技術があり，そ れぞれについて現状を整理する。 (a) 穴明け・研削加工技術 発熱を伴う熱加工では，加工材料が数℃上昇すると照射レーザ中心と加工中心とがずれてしまい精度の高 い加工が難しく，熱膨張を補償する制御機構が必要である。一方，非熱加工のフェムト秒レーザはでその問 －63－ 目次へもどる 題を極力小さくできるため，制御機構なしに微細な穴明加工や研削加工を可能にしている。 フェムト秒加工によりできる穴形状（穴径や加工深さ）を制御するため，アブレーション閾値，アブレー ション率について実験的に調べられデータベース化されている。図4.3.2.2には，金属のなかで実験報告例が 多く，かつアブレーション閾値，アブレーション率を詳細に調べられている銅の実験結果8-10)をまとめた。 銅の結果は，傾きの異なる3つの対数成分からなっており，3つのアブレーション閾値（F1,th, F2,th, F3,th）が ある。また，アブレーション閾値のパルス幅依存性（図4.3.2.3）からF2,th, F3,thは多光子吸収過程によるも のとしてうまく説明されることが示された。つまり多光子吸収加工を示唆している。 アブレーション率(nm/shot) 10 3 F1,th F2,th 10 F3,th 0.1 10 橋田ら S. Nolte et al. -3 M. Hashida et al. -5 10 0.01 0.1 1 10 2 レーザフルーエンス(J/cm ) 図 4.3.2.2 アブレーション率のレーザフルーエンス 依存性（物質；銅, 波長；800nm） 図4.3.2.3 アブレーション閾値のレーザパル ス幅依存性（物質；銅, 波長；800nm） これらの詳細なデータをもとにアブレーションをコントロールし穴形状を制御した加工が行われている。ここ で，集光スポットでのレーザの空間プロファイルの径は50μm，形状はガウス関数を仮定（図4.3.2.4(a)の破線） 。 図4.3.2.4(b)中の破線は，このレーザを照射して得られる表面の加工形状を銅のデータベースをもとに予測した ものである。予測の正しさを確かめるため，レーザ照射により得られた加工形状を図4.3.2.4(b)の実線に示す， 実際に得られた加工形状は，アブレーション閾値フルーエンス（0.25J／cm2）を越える空間位置で掘れを示して おり，予測した加工形状と非常に良い一致を示している。その他の金属（Cu, Al, Fe, Ni, Mo, Zn, Pb）につい 2 レ－ザフルーエンス（J/cm ） ても加工形状は予測どおりであり制御加工に有用なデータべ− スであることが確かめられた。 0.5 0.4 実 験 2 計 算 0.3 0.2 0.1 0 -1 加工深さ（µm） (a) F＝400 mJ/cm 0 1 (b) 1200 shots 実 験 計算予測 2 3 4 -100 -50 0 断 面 50 100 (mm) (µm) 図 4.3.2.4 加工痕形状の予測と実験結果 (a) レーザ空間プロファイルの断面，(b)加工形状 の断面（物質；銅，パルス幅；70fs，波長；800nm） 図 4.3.2.5 金薄膜の微細加工 （パルス幅；100fs，波長；800nm） －64－ 目次へもどる フェムト秒加工で作られた穴径はレーザ波長よりも十分小さくでき，加工精度はレーザの波長や集光径に 制限されない8,11)。図4.3.2.5には金薄膜に精密微少穴加工を施した一例を示す。穴径は約580nmであり，レ ーザの照射スポット径50μmよりも遥かに小さく，レーザ波長よりも小さい。パラメーター（レーザの波長， パルス幅，集光光学系等）の最適化を行えば，更に小さなナノオーダーの加工を可能とし，最小穴径はレー ザ波長の3分の1まで小さくなる。加工深さに関しては1レーザ照射当たりに平均的に0.1Å／shot8,10,12)で掘れ るレーザフルーエンスの領域が見い出されている。 これは， 原子レベルでの加工の可能性を示唆するもので， ピコ秒やナノ秒のレーザにはみられない非常に浅い加工深さの領域である。この浅い加工深さとなるように レーザを調整し，レーザ旋盤13)を使ってマイクロネジ14)が作成されている（図4.3.2.6） 。また，フェムト秒 レーザの特徴を生かしてマイクロブル15,16)（図4.3.2.7） ，ナノスプリング，3次元構造物17)（図4.3.2.8）の 作成も行われている。 フェムト秒加工はナノメートルサイズの部品を安定に作れる能力があるため，ナノ構造物作成の強力なツ ールになりえる。課題として制御加工のためのデータベースを構築しつつ，大面積一括パターン加工または 短時間加工をどのように行うかが挙げられる。 (a) a sewing needle Material：Cu 図 4.3.2.7 フェムト秒レーザを用いて紫外線硬化樹 脂中に作成されたマイクロスケールの牛 330 µm (b) 630nm Tip 図 4.3.2.8 光硬化樹脂中に作成された 三次元フォトニック結晶 図 4.3.2.6 レーザ旋盤を使って作られたマイ クロネジ（パルス幅；100fs，波長；800nm） (b) 自己組織化によるナノ構造形成技術 近年，フェムト秒加工を施した加工表面には，レーザ波長以下の周期性をもつナノ構造が観測され注目を 集めている。ナノ周期構造は，金属14,18,19)，TiN，DLC（Diamond Like Carbon）20)，BaF221)の固体材料につい て形成例が報告されている。本技術は，レーザ干渉露光法とは異なり，ただ1つのパルスをレンズで固体表面 に集光照射するだけで形成できることを特徴としている。物理的な形成機構は不明であるが，波長以下の周 期構造はレーザの偏光方向に依存して変化し，アブレーション閾値レーザフルーエンス近傍で安定して形成 されている（図4.3.2.9, 図4.3.2.10） 。課題として，形成されたナノ構造物の物性を調べること，上述の応 用における有用性を確かめることが挙げられる。 －65－ 目次へもどる (a) F=0.07 J/cm 2 (b)F=0.22 J/cm 260nm 2 330nm 図 4.3.2.9 加工表面にできたナノ周期構造 （材質：銅，パルス幅；100fs，波長；800nm） 図 4.3.2.10 ナノ周期構造による光分散 (3) フェムト秒加工技術の展望 (a) 穴明け，研削加工技術の展望 レーザは高繰返し高平均出力化を目指して開発が進んでいる。高出力化とともに，加工サイズに対する焦 点は微小領域のみに留まらず，短時間に広い面積のナノ精度加工を施せる可能性が出てきた。大面積の微細 加工の対応が必要になってくる。この加工には，フェムト秒加工で見い出された原子レベルでの加工を使う のが有望である。この場合，加工に必要とされるレーザのエネルギーは市販のフェムト秒レーザ（発振器＋ 再生増幅器）で得られる出力の1000分の1程度ですむ。つまり，1000倍広い二次元空間を一括して加工をする 能力を有する。 一括パターン加工では，レーザの強度分布と位相とを組み合わせた位相マスク22） （図4.3.2.11） やパターン転写が有効と考えられる。ナノサイズの加工精度を保持しながら一括パターン加工を大面積に行 えるかが今後のキーテクノロジーである。大面積加工技術は，微細形状，超平滑面，超低摩擦面を必要とす る分野への寄与が期待される。 ◎位相板を用いたレーザー加工 集光レンズ 位相板 レーザー光 計算で求める レーザーを集光 位相板のパターン 集光点での強度分布 図 4.3.2.11 位相マスクを用いた一括パターン加工 (b) ナノ構造物形成技術の展望 フェムト秒加工では，蒸発物を集めると超微粒子同士が自己組織化によりナノ構造が形成され（図 4.3.2.12） ，加工物表面にはレーザ波長より十分に短い周期間隔をもつ構造ができる。レーザのパラメーター を調整することで加工表面のナノ形状を制御できている。これまでレーザ加工はレーザの波長やビーム径に よって加工精度に制限されるという常識がくずれ，新たな転換期にきている。レーザの偏光方向，レーザパ ワーが制御パラメーターとなるが，レーザの偏光を制御した加工は新しい微細加工の鍵を握っている。ナノ －66－ 目次へもどる 構造物を形成する技術は，通信用微少デバイス製作，トライボロジー制御，触媒材料の表面積増大，半導体 結晶化制御，高輝度放射線発生用ターゲット製作などにおいて有望視されており，形状制御に関するデータ が構築されれば今後の展開において大きく貢献する。一方でレーザの波としての効果を利用し，多光束干渉 により物質内部に制御されたナノサイズ構造を作る試みもされており3次元構造を人工的に作り出だされて いる。そして，加工サイズをさらに小さくできれば，量子リソグラフィー23)という言葉が使える加工領域に まで足を踏み入れることができる。息の長い研究となりそうだが光量子で，うまく物質をアブレーションで きればそれはおおいに可能性がでてくる。 （a）倍率×3000，（b）倍率×30000 図4.3.2.12 自己集積化した金属ナノ構造薄膜の走査型電子顕微鏡写真 (c) 極浅接合技術の展望 従来のアニーリング技術では熱平衡状態での固相拡散を利用するもので不純物ドープ層の活性化自体には 有効であるが，拡散長を短く抑制することは困難で基板に深く侵入してしまう問題があった。フェムト秒レ ーザは，トランジスターの微細化に必要とされている極浅接合を形成するための半導体不純物の新しいドー ピング技術24)として有効と考えられる。フェムト秒レーザを用いて非熱的に直接格子振動を誘起できれば， 20nm程度の浅い領域に不純物イオンの拡散を促進することができるとものと予想されている（図4.3.2.13） 。 新アニーリング技術としての可能性を検討するため，Siについて直接格子振動誘起が試みられている。浅い 領域に不純物イオンの拡散を抑えることができれば，この接合技術は，超LSIデバイスの高性能化と高集積化 のための次世代技術となる（図4.3.2.14） 。そして，この技術は，新機能材料を開発するための微細な機能性 複合材料創成技術要素としても発展させることができる。 図4.3.2.13 COMS のゲート長と接合深さの関係 －67－ 目次へもどる 図4.3.2.14 Siのコヒーレントフォノン励起による再結晶化，活性化促進過程 (d) 機能性複合材料創成技術の展望 ナノサイズの粒子同士の接合では，融点という概念がなくなり体積に対する表面積の割合が大きくなるた め融解するのではなく，融点よりも十分に低い温度で固まりはじめる低温接合が起こる。フェムト秒加工の 特徴である非熱加工は局部加熱が得意で熱拡散が極めて小さくナノサイズの異なる物質同士を接合させ複合 材料を創成する技術としても有効である。地球上に安定に存在しない複合物質は，複合物質を構成している 各々の物質が安定であっても，接合の結果，不安定になり長時間使えないという考え方がある。従って，材 料と粒子サイズをいかに上手く選ぶかが鍵となる。例えば，研削・研磨用として使われているダイヤモンド 電着された金属製ツールなどが安定した例として挙げられる。これまで電着法により金属表面近傍にダイヤ モンド粒子を付着させて作られていたため，長時間の使用でダイヤモンド粒子がとれ研削・研磨効果がなく なる問題があった。金属微粒子とダイヤモンド粒子を混合し低温度で接合させればダイヤモンドを炭化させ ることなく金属内部にまで均一にダイヤモンド粒子が分布したものを作れ，しかも安定であり，使用時間を 飛躍的に伸ばすことができる。各々の物質の特徴を兼ね備えた複合材料の製作のみならず新しい機能を持た せた微小サイズの複合材料作りに本技術は有効となる。 (4) おわりに フェムト秒加工は，その一部が報告されているにすぎない。今後，更に多くの研究結果，応用例が提示さ れることが予想される。その技術のうちの産業界で有用なものみが淘汰され最先端技術の中心的役割を担う ことになるだろう。それを見据えて，本ロードマップでは，フェムト秒加工の萌芽的研究も含めてまとめて みた（図4.3.2.15） 。今後の5年間は，新しい原理に基づくフェムト秒加工技術を使って作られたものを，応 用面からその得失を評価する時期と位置付けた。20年後の大きな目標は明確ではないが，フェムト秒加工で 安定した微小部品作成，微細接合技術の確立，ナノ構造物の制御が着実に前進し成果が得られれば，ミクロ サイズの駆動部品の製作につながり，ナノテクノロジー，情報技術，環境技術，バイオテクノロジー，製造 技術など広い分野に渡って重要な技術要素となることに間違いない。 －68－ 目次へもどる 図4.3.2.15 フェムト秒加工のロードマップ （橋田 昌樹） 参考文献 (1) M. Watanabe, S. Joudkaizs, S. Matsuo, J. Nishii, and H. Misawa: “Crosstalk in Photoluminescence Readout of Three-Dimensional Memory in Vitreous Silica by One- and Two-Photon Excitation,” Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) 6763-6767. (2) 三澤弘明： “フェムト秒超加工による透明誘電体材料の機能化”, レーザ研究30(2002)239-243. (3) E. N. Glezer, M. Milpsavljevic, L. Huang, R. J. Finlay, T. – H. Her, J. P. Callan, and E. Mazur: “Three-dimensional optical storage inside transparent materials,” Opt. Lett., 21 (1996) 2023-2025. (4) K. Kawamura, N. Sarukura, M. Hirano, N. Ito, and H. Hosono: “Periodic nanostructure array in crossed holographic gratings on silica glass by two interfered infrared-femtosecond laser pulses,” Appl. Phys. Lett., 79 (2001) 1228-1230. (5) 河村賢一, 平野正浩, 細野秀雄： “フェムト秒レーザのシングルパルス干渉露光による無機材料の微細加 工とその応用”, レーザ研究30（2002）244-250. (6) J. M. ホプキンス, W. シベット :“フェムト秒の新たな革命「フェムト秒技術」 ”,日経サイエンス,11 月号（2000）pp.20-31 (7) J. Neev, L.B. D. Silva, D. Feit, M. D. Perry, A. M. Rubenchik, and B. C. Stuart: “Ultrashort pulse lasers for hard tissue ablation,” IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., 2 (1996)790-800. (8) M. Hashida, A. Semerok, O. Gobert, G. Petit, and J. -F. Wagner: ” Ablation thresholds of metals with femtosecond laser pulses,” Proc. SPIE Nonresonant Laser-Matter Interaction(NLMI-10), Vol. 4423(2001)pp.178-185. (9) S. Nolte, C. Momma, H. Jacobes, A. Tunnermann, B. N. Chichikov, B. Wellegehausen, and H. Welling: ” －69－ 目次へもどる Ablation of metals by ultrashort laser pulses,” J. Soc. Am. B, 14(1997) pp.2716-2722. (10) M. Hashida, A. Semerok, O. Gobert, G. Petit, and J. -F. Wagner: "Ablation threshold dependence on pulse duration for copper, " Appl, Surf. Sci., 197-198 (2002), pp.862-867. (11) P. Pronko, S. K. Dutta, J. Squier, J. V. Rudd, D. Du, G. Mourou: "Machining of sub-micron holes using a femtosecond laser at 800nm,” Opt. Commun., 114(1995) pp.106-110. (12) H. Furukawa and M. Hashida:"Simulation on femto-second laser ablation, " Appl, Surf. Sci., 197-198 (2002), pp.114-117. (13) 河村良行, 竹中篤司 :“5軸マイクロレーレーザ加工装置の開発”,レーザ研究27（1999）pp.45-47. (14) 橋田昌樹，藤田雅之，節原裕一，フェムト秒レーザによる物質プロセッシング，光学，Vol.31(2002), pp.621-628. (15) 光動向調査報告書XVIII,(財)光産業技術振興協会（2002）pp.445-448. (16) S. Kawata, H-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada: Nature 412(2001)697. (17) 光動向調査報告書XVIII,(財)光産業技術振興協会（2002）pp.467-470 (18) M. Hashida, M. Fujita, Y. Izawa, A. F. Semerok: "Femtosecond laser ablation of metals : precise measurement and analytical model for crater investigation, " Proceedings of SPIE 4830 (2003) ,pp.452-457. (19) M. Hashida, K. Nagashima, M. Fujita, M. Tsukamoto, M. Katto, and Y. Izawa: "Femtosecond laser ablation of metals: characterization of new processing phenomenon and formation of nano-structures", 9th Symposium on " Microjoining and Assembly Technology in Electronics" (Mate2003), Feb. 6-7,Yokohama, Vol.9 (2003) ,pp.517-522. (20) N. Yasumaru, K. Miyazaki, J. Kiuchi, and H. Magara : " Femtosecond-laser-induced nanostructures formed on hard coatings of TiN and DLC, " Proceedings of SPIE 4830(2003) pp.521-525. (21) J. Reif, F. Costache,M. Henyk, S. V. Pandelov, Ripple revisited:non-classical morophorogy at the bottom of femtosecond laser ablation craters in transparent dielectrics”, Appl. Surf. Sci., Vol.197-198 (2002), pp.891-895. (22) 藤田雅之，橋田昌樹： “超短パルスレーザが拓く新しいプロセス技術,”レーザと産業への応用， （財） レーザ技術総合研究所出版 (2002) pp.3-10. (23) 光動向調査報告書XVIV,(財)光産業技術振興協会（2003） (24) Y. Setsuhara, B. Mizuno, M. Takase, M, Hashida, M. Fujita, and S. Adachi " Coherent phonon excitation as nonequilibrium dopant activation process for ultra-shallow junction formation,” Extended abstracts of The 2nd Int. conf. on junction technology (2001)103-106. －70－ 目次へもどる 4.3.3 原子・分子の直接加工 (1) はじめに 1980年後半から，超短光パルス発生とその増幅に関する技術が急速に発展した。現在では，パルス幅はフ ェムト秒(10-15s)の領域からアト秒(10-18s)の領域に向かい，パルスのピーク強度は，テラワット(TW=1012W) からペタワット(PW=1015W)の領域に到達している1）。このとき集光強度は1020W/cm2を超える。フェムト秒レー ザの特長は，超高速と超高電界である。近年，フェムト秒レーザパルスのこの極限特性を活かした様々な分 野の研究，産業などへの応用が注目されている。 (2) フェムト秒の超高電界下で 100フェムト秒という極めて短い時間にエネルギーを集中すると，そのピークパワーは膨大なものとなる。 例えば，僅か100mJのエネルギーを100fsに集中すると，ピークパワーは1TWである。東京電力の平成13年にお ける電力消費のピークである6430万kW（=0.06TW）を優に越えるパワーである。1TWの光を10μmのスポットに 集光すると，集光強度は1018W/cm2となる。光は電磁波であるから，その電界の強さに換算して2×1012V/mと なり, 水素原子中の電子が感じる電界（5×1011V/m）の数倍に匹敵する。光で原子から電子を直接剥ぎ取る ことが可能となる。 今やテーブルトップサイズのテラワット級の高強度フェムト秒レーザパルスにより超高電界が作り出せる ため，High Filed Physicsと呼ばれる新しい分野が切り拓かれ，研究者人口も増えつつある。図4.3.3.1に短 パルスレーザ応用をまとめてみた。 パルス幅1ピコ秒以下ではレーザを物質に照射して発生するプラズマの温 度・密度が高くなり，原子素過程を直接反映した現象が顕著となる。 1020 レーザー光強度 (W /c m 2 ) 1018 原子・分子 の直接加工 1016 エネ ル プラズマ 輻射利用 ギー 1012 1010 2 ) 高効率 102 アブレー ション 1 0 0 ・除染 衝撃作用 1 0 -2 1 0 -4 1 0 -1 4 m 104 108 106 度( J /c 106 1014 非線形 加工 ・ 断熱的 加工 密 ps 1 0 -1 2 物理的応用 硬化 産業応用 合金化処理 ns 1 0 -1 0 1 0 -8 μs 1 0 -6 レーザーパルス幅（s） レーザパルス幅（s） 図4.3.3.1 短パルスレーザの応用分野 －71－ 目次へもどる (a) レーザの中に置いた電子 波長1μmの光を集光し1018W/cm2を実現すると，このレーザの電磁界中で振動する電子は100keVのエネルギ ーを持つ。100keVの電子と言えば，もうそれは相対論的電子であり（電子の静止エネルギーmc2=511keVに十 分近い） ，光速に近い速度で運動（電磁界中で振動）している。これ以上の集光強度のもとでは，エネルギー の増加に伴い電子の質量が重くなる効果が現れてくる。 (b) レーザの中に置いた原子，分子 高強度レーザ電磁界中では原子や分子から電子を剥ぎ取り，容易にイオン化させることができる。図 4.3.3.2に示すように，比較的低強度の場合，多光子吸収が支配的となり，Above Threshold Ionizationと呼 ばれるイオン化が起きる。レーザ照射強度が高くなるにつれ，レーザ電界によりポテンシャルが歪み，イオ ン化が起こる。ポテンシャルの歪みが比較的小さい場合は歪んだポテンシャル障壁から電子が浸みだしトン ネルイオン化が起きる。歪みが大きくなると，電子のエネルギー準位以下にポテンシャルが変形し，Barrier Suppression Ionizationと呼ばれるイオン化が起きる。 レーザ光強度（W/cm2） 図4.3.3.2 高強度レーザ照射のもとでのイオン化プロセスの比較 このような強電界がフェムト秒という短時間に印加されると，ベンゼンやダイオキシンのような分子が， その形状を保ったままイオン化してしまう2）。これを利用したダイオキシンの微量検出が提案されている。 あるいは，さらに超高電界のもとでは，電子が瞬時に剥ぎ取られ，残ったイオン同士がクーロン力で反発し あい，Coulomb Explosionと呼ばれる現象が起きる3）。 (3) 原子・分子の直接加工 フェムト秒パルスの超高電界を利用した応用の中でも，今後の進展が期待できるのが核変換を利用した産 業応用であろう。前節で述べたように，いとも簡単に相対論的電子が発生でき，原子・分子を直接“加工” 出来るのである。1020W/cm2以上の集光強度でターゲットを照射すると，10MeV以上のエネルギーを持った電子 が発生し，それに伴い10MeV以上のγ線が高輝度で発生する4）。また，高エネルギー電子と超高強度パルスを 相互作用させると，高次のコンプトン散乱により数GeVの光子を人工的に発生させることができる。 －72－ 目次へもどる これら相対論的電子やコンプトン散乱γ線を利用した核変換の利用研究が進められている。原子力発電所 からの長寿命核廃棄物にγ線を照射し，短寿命核種あるいは安定核種に変換（加工）することで高レベル核 廃棄物の地層処分に対する工学的負荷が低減できる可能性が提案されている7）。例えば，核廃棄物に含まれ るI129（ヨウ素）は半減期1.6×107年に渡って放射線を発生し続けるが，ガンマ線を照射することで安定なXe （キセノン）に核変換することができる。その際，中性子が発生するが，この中性子をエネルギー源として 利用することも検討されている。また，本報告書4.2.4にあるような早期癌発見のためのポジトロン源生成手 法としても期待されている。 この他にも，基礎的な研究ではあるが，相対論的電子が指向性を持って放出される際に誘起される強磁場 によるプラズマイオンの同位体分離も観測されている5）。また，時間依存偏光フェムト秒レーザパルス発生 も達成され6），イオン化過程の制御や化学反応過程制御への応用が新たな産業応用として期待される。この 分野は「コヒーレント化学」と呼ばれ，レーザのコヒーレンスを使って化学反応経路を人工的に制御し，新 物質の創成が可能とされている8）。通常は， AB + UV/VUV（光） → AB+ となる反応を照射する光の位相を制御することで AB + UV/VUV（光） → A + B+ と反応チャンネルを変化させることが行われている。 上記の中でも特に，社会的インパクトが大きな核廃棄物処理とコヒーレント化学に関する将来像を図4.3.3.3にロ ードマップとして示す。核廃棄物処理の小規模な原理実証はすでに進行中であり，理学的実証試験の計画が立案さ れつつある。2010年までに物理的可能性を確立し工学的な課題に取り組み，2015〜2020年を目途に処理プラントの 実現が望まれる。化学反応制御技術に関しては，現状では気相中での量子制御が実証された段階である。今後，凝 縮相での反応制御が実証されれば， シス-トランス異性化反応制御が可能となり工学的に有用な新物質の創成が期待 される。また，表面・界面での反応制御技術が確立すれば，分子中での電子移動制御が可能となり人工光合成系の 実現，光コンピューティングに用いられる光量子デバイスの展開につながる。 （藤田 雅之） 2000 2005 原理実証実験 2010 理学的実証試験 2015 工学的実証試験 核変換 による 廃棄物処理 気相反応制御 化学反応制御 凝縮相反応制御 表面・界面反応制御 異性化反応制御 電子移動制御 新物質創成 人工光合成 光量子デバイス 図 4.3.3.3 光による原子・分子加工のロードマップ －73－ 目次へもどる 参考文献 (1) 宮崎，レーザ加工学会誌，8，221（2001） (2) H. Harada et al., Chem. Phys. Lett. 342, 563 (2001). (3) J. Kou et al., J. Chem. Phys. 112, 5012 (2000). (4) Y. Sentoku et al., Phys. Plasmas 5, 4366 (1988). (5) P. P. Pronko etal., Phys. Rev. Lett. 83, 2596 (1999). (6) M. Kakahata et al., レーザー研究，28, 506(2000). (7) 今崎一夫 他，ILT-APR No.14（ILT2002年報），19（2002）. (8) 平成12年度技術動向調査（エネルギー使用合理化に係る高密度エネルギービーム・テクノロジーの動向 調査），NEDO-P-0004（委託先 財団法人製造科学技術センター）, II-39 (2001). －74－ 目次へもどる 4.4 光発生技術 4.4.1 半導体レーザ (1) はじめに 半導体レーザは，光通信の領域で確実な進歩を遂げてきた。半導体レーザの主な利用分野は現在も光通信 分野であることに変わりがない。しかしながら高出力が要求される光加工分野の性能を有する半導体レーザ は，最近になって，ようやく役に立つ段階になってきたといえる。高出力半導体レーザは，YAGレーザの励起 モジュールとして，開発されてきており，1センチバーとして数十Wクラスのものが開発されたことで，直接 加工用としても利用可能となった。ここでは，光加工用の半導体レーザの開発動向と今後の発展について主 に述べる。 (2) 開発現状 光加工用の半導体レーザは，単体の半導体レーザを一次元にアレー化することにより，高出力化が実現で きる。集積化した場合の最大の問題点は，発生する熱をいかに除去するかにかかっていて，開発の大きな部 分は冷却の工夫にあるといえる。集積密度を向上させることで，逆に冷却性能が低下して，入力を大きく取 れないと出力も大きくすることができない。 出力の限界は，波長によって異なり，波長807nm，CW用LDバーでは，出力が40から60W，変換効率60%程度 まで性能が向上し，寿命も104時間まで来ている。波長が変わって940nmや980nm用のLDバーでは，807nmと比 べて同等かそれ以上の性能が出ている。さらに915nmのCWでは180Wの最大出力も報告され，市販されているLD バーとしては，CW60Wのものがある。従って光加工用のLDとしては1cm当たり60Wが現状ベースで入手できる状 態であり，出力は今後ますます増加する傾向にあるといえる。 このような半導体レーザの更なる高出力化では，一次元のアレーを二次元アレー化する技術，冷却性能を さらに向上させる工夫が始まっている。また一次元のバーを積層してスタック状として出力を高める工夫が 現実化している。高出力を得るためには，1cmバーのLDアレーを次々に積み重ねて（スタック化）二次元化ア レーとする。層数によって異なるが，二次元化アレーの方式で集光性の比較的良い200Wから2kWクラスの半導 体レーザの出力を得ることができる。 半導体レーザからの光を直接加工に使う場合には，広がったビームを収束させることが必要である。従来 このビームの収束には，ファーストアクシスとスローアクシスでの広がり角の違いをうまく収束する工夫が 必要であり，ファーストアクシス側は非球面レンズの円柱レンズで，スローアクシス側のコリメーションに は，マイクロレンズアレーが用いられている。これらの収束ビームは，低出力のレーザビームを，ただ単に 収束しているだけであり，さらに高集光を実現するためには，将来的にはコヒレンスな収束が課題となって くる。 光加工では加工部分での収束性能が最も重要であるが，現状の半導体レーザでは，収束性能はそれほど高くな く，せいぜい1.5mm角が限度となっており，得られエネルギ密度も105W/cm2となっている。この程度の収束性に関 しても，金属の直接加工は十分可能であり，出力1.5kWクラスの半導体直接加工装置も販売されている。また高 集光でなくてもプラスチックの材料では融着が可能であり，直接加工として利用されている1,2,3,4,5,6)。 図4.4.1.1は，スタック状のレーザ光を，一軸に収束させる工夫を示したものである7）。スタックの間隔を 有効に使って，半導体レーザ間の隙間を埋める工夫や，光学系を工夫して数個のスタックからの同一波長の －75－ 目次へもどる 光や異なった波長の光を一軸に結合する手段を用いることにより， 出力8kWをひとつのレーザヘッドで発生さ せることが可能となっており，エネルギ密度も5x105を超えるものが得られるようになってきた。 半導体レーザの冷却，スタックへのマウント，ビーム整形，光の結合方式を採用して，小型のレーザシス テムが市販されており，出力2.5kW，収束径1.3mmx1.3mm（焦点距離63mm）となっている。この装置では，1.5mm の光ファイバーへの導光が可能であり，もちろん直接加工も可能となっている。 図4.4.1.1 スタック状のレーザ光を一軸に収束させる工夫（ﾊﾞｯﾊﾏﾝ7）） 図4.4.1.2は，半導体レーザの収束性に関するビーム品質を，他のレーザと比べたものである7）。現状では， CO2レーザ，ランプ励起のYAGレーザやダイオード励起のYAGレーザの収束性には及ばないが，将来のターゲッ トとしての性能を考える上で参考になる。 図4.4.1.2 半導体レーザの収束性に関するビーム品質の比較（ﾊﾞｯﾊﾏﾝ7）） 図4.4.1.3は，半導体レーザの現状の収束性能であっても，利用分野が存在することを示したものである7）。 クラｯディングやソルダリング等の分野では十分に使える。また熱伝導型の溶接として，TIGレーザで加工さ れていた部材を，半導体レーザで実施して大きなメリットを出した例もある。またビーム収束の工夫をすれ ば，深溶け込みの溶接領域にも踏み込むことができることを示している。実際波長の異なる半導体レーザを －76－ 目次へもどる 組み合わせて，鋼の深溶け込み溶接を実現した報告もなされている。 従って現状の半導体レーザによる直接加工は，レーザの出力向上と，収束性能の向上により，現実的に使わ れるようになってきたと言える。 図4.4.1.3 半導体レーザの現状の収束性能（ﾊﾞｯﾊﾏﾝ7）） (3) 将来 光加工用としての半導体レーザの将来動向に関しては，今後とも出力向上と，収束性能の向上が図られる ことは，異論が無い。しかも半導体レーザの変換効率の良さは非常に魅力的であり，直接加工の分野に大き な影響を与えると思われる。その場合には，光の収束性能がポイントであり，従来のインコヒレントな収束 ではなくて，コヒレントな収束，すなはち位相も含めた状態で収束できれば，加工性能の飛躍的向上が図れ る可能性がでてくる。その場合には，同時多点の加工が実現できる可能性が高く，高精度な加工が夢でなく なる。 ドイツでは，欧州連合の中核として半導体レーザの開発をシステマティックに行っており，近い将来高効 率，高集光の大出力半導体レーザが加工装置として実現される可能性は高い8)。 国内での開発は，これに比べて，非常にゆっくりとしているように思える。欧州に負けない取り組み，国 を挙げた取り組みが必要な分野と考える。 また半導体レーザのコストの低減は，広く産業分野に半導体レーザが使われてくるかにおいて重要である。 Ewingによると9)，半導体レーザのバーの価格に付いては，1987年から約3年ごとにワットあたりのコストは 一桁ずつ落ちてきており，1990年には1000米ドルであったものが，1993年には100米ドルになってきている。 しかしながら2002年の今日でも，10ドルをきる値段にはまだなっていない。この価格が高出力半導体利用の レーザ，すなわち半導体励起YAGレーザや，半導体励起ファイバーレーザ，半導体励起ディスクレーザ，さら には半導体直接加工のレーザ装置価格の足かせとなっており，高品質で，高効率にも係らず，導入がいまい ちである原因になっていると思われる。今後は速いスピードで低価格化が計られることを期待したい。 図4.4.1.4に，半導体レーザのロードマップを示す。今後5年間では，半導体レーザの更なる高集光化が実 現されるであろう。高集光と高出力化が実現できた状態では，ロボットによる直接把持が実現して，現在の ファイバー導光YAGレーザの加工領域が置き換わるであろう。 さらに位相が各半導体レーザ間で共有できれば， 位相の制御による，更なる新しい加工法につながる，同時多点加工が実現できるであろう。これがレーザ加 －77－ 目次へもどる 工の究極の姿であると考えられる。 同時加工を実現するためには， 加工点でのビームの収束性が必要である。 加工点での収束性は，アレーのパッケージ技術はもちろんのこと，レーザの位相を整える位相制御の技術が 重要となる。レーザの利用に当っては，レーザの効率が高い程好ましいが，さらに寿命が長いことが要求さ れる。収束性が高いビームでは，高速レーザ加工に適しており，同時多点の高速レーザ加工が出来れば，究 極の姿となる。現在遠隔照射のレーザシステムを用いた，レーザ加工システムの開発が米国の自動車分野で はじまっており，近い将来同システムの高速化が計られると，位相制御を含めた，同時加工のシステムが構 築されると思われる。 項目 キーワード ～2005 ～2010 ～2015 省エネルギー 環境にやさしい、クリーン 再生可能材料の使用、リサイクル 特性 KWLDで効率50％ KWLDで効率60％ KWLDで効率70％ 1cmバーCW出力：100W 1cmバーCW出力：300W 1cmバーCW出力：600W ﾌｧｲﾊﾞｰ伝送：10kW、0.6mm直 径 CW １MW/ｃｍ２ ﾌｧｲﾊﾞｰ伝送：10kW、0.4mm直 ﾌｧｲﾊﾞｰ伝送：10kW、0.2mm直 径 CW 10MW/ｃｍ２ 長寿命化：20000時間 長寿命化：30000時間 アレー化、パッケージング技術 位相制御技術 図4.4.1.4 半導体レーザのロードマップ (4) まとめ 半導体レーザに関して光加工の観点から，現状と将来の動向について概説した。本分野は，国際競争的な 要素が大きく，将来的にも重要な分野でありながら，国家としての取り組みが少ないように思える。 図4.4.1.5に示すように，国内においては国のフォトンプロジェクトで半導体励起YAGレーザの開発が実施 された10)。フォトンプロジェクトにおいて，世界レベルの高出力レーザの開発，高集光レーザの開発が実施 されたが，装置の基本となる励起用の半導体レーザが全て外国の買い物であったことを考えると，まことに 心もとない。部分的にファイバーレーザの励起用として国内で開発された半導体レーザが，外国の製品を凌 駕することを祈るしかない。 (安田 耕三) －78－ 目次へもどる 高出力スラブ 10kW 10kW 10 A社 製品 TRW ｽﾗﾌﾞ QCW 出力（ｋＷ） ロッド スラブ ﾃﾞｨｽｸ 1 Yb以外はNd 本ﾌﾟﾛｼﾞｪｸ ﾄ TRW ｽﾗﾌﾞ QCW C社 製品 D社 製品 U.Stuttgart Ybﾃﾞｨｽｸ B社 製品 LZH ロッド 高出力ロッド 12 kW 高集光ロッド 1kW (集光径50μm） LLNL Ybロッド Hughes Ybロッド LLNL Ybロッド U.Stuttgart Ybディスク 0.1 0 5 10 15 20 25 30 電気－光変換効率（％） 図4.4.1.5 フォトンプロジェクトで半導体励起YAGレーザの開発の現状10) 参考文献 (1) 瀧川宏，西川祐司“高出力半導体レーザーのアレイ化技術”レーザー研究，28，4(2000)209 (2) 管博文，神崎武司，宮島博文，伊藤之弘，昼馬輝夫“高出力LDアレイ”レーザー研究，24，3(1996)334 (3) 管博文，神崎武司，宮島博文，伊藤之弘，昼馬輝夫，山中正宣，近江雅人，桐山博光，中井貞雄“固体 レーザー励起用高出力半導体レーザーダイオード（二次元高出力半導体レーザーアレイの開発） ”レーザー研 究，23，7(1995)541 (4) 早川利郎“高出力半導体レーザーの高性能化技術”レーザー研究，28，4(1999)203 (5) 沓名宗春“高出力レーザーによる加工技術の研究開発”レーザー研究，28，11(2000)736 (6) 粕川秋彦，大久保典雄，池上喜一，築地直樹，関政義“光ファイバアンプ用高出力半導体レーザー”レ ーザー研究，23，7(1995)531 (7) フリードリッヒ バッハマン“ドイツにおける高出力ダイオードレーザとダイオード励起固体レーザー 技術と応用の現状と将来展望”第4回フォトン計測・加工技術シンポジウム講演集，(2000)186 (8) ヘルミュート ヒューゲル“加工用ダイオード励起固体レーザの可能性―新開発と応用―” 第5回フォ トン計測・加工技術シンポジウム講演集，(2001)185 (9) J.J.Ewing “DPSS Laser Push to Markets” Laser & Optronics ,Vol.12,10(1993)15 (10) 松野建一“プロジェクト全体の進捗状況” 第4回フォトン計測・加工技術シンポジウム講演集，(2000)9 －79－ 目次へもどる 4.4.2 LD励起固体レーザ (1) はじめに 産業界の加工にかかわるレーザ発生技術は，対象となる加工物体や加工の種類などを抜きには考えられな い。加工あってのレーザ技術であって，製造業の主要製品の変遷に沿って，加工適用先を見いだし隆盛して いる。しかしながら，レーザ技術そのものの技術レベルを高度化し，ポテンシャルを保持・向上することは， 新しい加工を開拓する場合に必ず必要となるものである。基礎的なレーザ技術があって，始めて比較の土俵 に乗り，適用できると判断される。 光加工にかかわるレーザ発生技術のうち，半導体レーザ（LD）励起固体レーザに関しては，米国で80年代 後半に，従来のランプ励起の固体レーザに比較し，LD励起固体レーザの高ビーム品質，小型化，高安定度な どの特徴が注目され，早い時期からいろいろな機能をもった小出力パワーの製品が市販されていた。90年代 に入って， 欧米でハイパワー高品質レーザ発生技術やその利用を目的としたプロジェクトが次々に始まった。 アメリカにおいては，LD励起固体レーザの実用化は80年代中頃から始まり，小出力パワーの製品が市販さ れるなかで，1994年より1997年まで国防と商用利用を目指し，国防省の援助により，参加企業22社で PLM(Precision Laser Machining)が実施された。このプロジェクトでは，レーザ装置を作る企業，レーザ加 工装置とする機関，応用開発する企業が組合(consortium)を形成し，次世代の産業用レーザを開発した。 ドイツのLaser2000では，ドイツでは，レーザ関連の国家プロジェクトへの投資，産官学の密接な連携によ りレーザ発振器・加工機の全世界市場のシェアが30-40%を占めるまでになっている。さらに，世界市場でシ ェア拡大をねらい，多数のレーザ関連のプロジェクトを実施して，技術力の蓄積等強固な基盤形成を図りつ つある。 半導体レーザチップ技術からシステム化， その応用技術までカバーするプロジェクトであるMDSでは， ビーム品質や高出力化，低コスト化をクリアし，次世代レーザ加工機に使用する計画し，ドイツの産業用レ ーザのシェアを拡大するという目標に向かって着々と進んでいる。 1993－1998年に総予算200百万DM（約136億円）を投入した大型プロジェクト「LASER2000」が行われた。 連邦（連邦教育科学研究技術省）が支援するこのプロジェクトは，レーザ発生技術，その新応用，精密プロ セス，医療応用の4分野よりなる。また，1998年から「LASER2000」の第二フェーズが始まり，5分野で新プロ ジェクトが開始された。2002年終了までに総予算額650百万DM（約442億円）が計画された。開発分野は，MDS （LD開発とその直接利用） ，LEICHTER（LD励起固体レーザの軽量構造接合応用） ，フェムト秒技術などである。 さらに，研究機関や企業が，NOVALASと呼ばれる共同ネットワークを形成している。その目的は，Laser2000 で培われた高出力LDとLD励起固体レーザに関して，円滑な情報交換を行うことであり，定期的な会議がドイ ツ科学技術省(VDI Technologiezentrum)の管理の下で開かれている。 我が国においては，炭酸ガスレーザやエキシマレーザの国家プロジェクトで産業用途を目指したレーザ装 置が開発された。続いて9年度から平成13年度の期間で，経済産業省の「フォトン計測・加工技術」プロジェ クトの中で，LD励起固体レーザ技術が開発された。加工応用を主目的にした，小型，高効率の高出力LD励起 固体レーザやファイバーを構造体に成形した新タイプのファイバレーザ等の開発が行われた。その成果の一 部は製品化につながった。 (2) 現状と今後の方向 光加工を念頭においた場合，加工レーザ装置の性能項目として，出力パワー，ビーム品質，波長，効率， 大きさ，制御性（パルス，CW，Qswパルス動作，波形制御等）と，使い勝手やメンテナンス性などが上げられ －80－ 目次へもどる る。LD励起固体レーザは，発振波長が1μm帯なので光ファイバーでパワー伝送可能であり，製造ラインに対 する柔軟性が向上する利点がある。 利用状況からみて，種々の加工に利用されている数十～数百Wの中小出力のLD励起固体レーザと，利用分野 が限られているkWクラスの大出力のLD励起固体レーザに分けて，現状と課題を述べる。 (a) 数十～数百WクラスLD励起固体レーザ LD励起出力YAGレーザの優位点（高ビーム品質，長寿命，小型，高変換効率，低ランニングコスト）が注 目され，国内外の装置メーカーにより研究開発が急速に進んだ。加工の生産性に影響する性能（出力，ビー ム品質，および，加工にフィットする性能項目）が重点的に開発されていることはいうまでもない。主な用 途分野としては，マーキング，アニーリング，BGA(ボールグリッドアレイ)パッケージのハンダ付け，印刷用， マイクロ加工，局所的なスポット溶接，マイクロベンディングなどである。励起用のLD価格が下がり始めて おり，イニシャルコストはランプ励起YAGレーザと比較的高いが，前述の優位点により，長期的なランニング コストは比較的安くなり，広く使われだした。 LD励起固体レーザの研究開発では，レーザ出力とビーム品質を向上させることが目標になっている。その ため，固体レーザ材料や，励起方式と整合した固体レーザ形状に工夫がなされている。数十W程度までの装置 は内外のメーカーで開発・製造・市販されている。出力TEM00でcw10W～30W程度の装置が市販されている。媒 質は，Nd:YAG，ND:YVO4などである。米国の製品市場では，多数のメーカーが数10ワットクラスのLD励起固体 レーザを製品化している。このような製品にはLD励起光を直接にまたは光ファイバーで導光してレーザ媒質 端面に集光励起する方式であり， 高品質ビームが特長である。 さらにこれらの基本波レーザをベースとして， 波長変換による可視， 紫外光を発生する製品も多数市販されている。 波長355nmの紫外光レーザの特性例では， ビーム径0.8mm，ビーム拡がり0.5x0.6 mrad2，M2＜1.1，Qスイッチ周波数20kHzにて出力3Wが得られている。 光造形，マーキング，プリント基板の穴加工用に需要がある。 Q社のように，Nd:YLFスラブレーザを開発しているメーカーもある。LD励起で長さ30mmスラブ内を5パスす る構成により，26WのTEM00の出力パワーを得ている。MOPA方式では，TEM00，54W，M2＜1.2である。 100Wクラスのレーザでは，S社が薄板状の固体媒質で高輝度レーザを開発している。Nd:YAG結晶を L90xW10xT1mmと薄板状にした。LDバーの扁平な光ビームを有効に使い，両側面から励起した。共振器は，厚 さ方向と横方向（励起方向）で安定/不安定となるハイブリッド構造になっており，レーザ媒質内でストレー トな光路と成っている。cw220WをM2＜1.5で得ている。 このクラスでは，加工で使いやすい出力やビーム品質は，TEM00モードで10～50W程度が製品レベルである。 装置価格が高い点など課題はあるものの，ランニングコストは従来のレーザとの差がないか，むしろ低くな りつつある。励起用LDも需要が伸びているので，低下が予想されている。なかでも出力向上の必要性は対象 となる光加工に大きく依存するが，単なるcw出力だけであれば，LD光の直利用ですむので，固体レーザとし て利用では，高ビーム品質は必須である。この出力をさらに数100W程度にあげる必要性は，加工スピードを あげて生産コストを下げるためにある。また，高ビーム品質を生かす例として，微細加工やアニール等があ る。これらの応用では可視，紫外光で数十～数百Wが必要となると，非線形変換で達するにはTEM00モードで 数百Wクラスが必要となる。さらなる適用範囲を広げるには，出力，ビーム品質等の現状の課題を克服する必 要がある。依然，外国メーカーがトップランナーとなっているのが現状である。 －81－ 目次へもどる (b) kWクラスLD励起固体レーザ LD励起の高出力レーザの開発は欧米でさかんである。米国のPLMでは次世代の産業用レーザとして，高ピ ークパワーと高平均パワーのジグザグスラブLD励起Nd:YAGレーザが開発され，平均出力パワー6kWやQスイッ チ動作で25MWピークが実証された。また，これを使用して，精密切断，溶接，穴あけなどに応用開発が行わ れ，厚さ70mmの高アスペクト溶接データも得られている。 ローレンスリバモア国立研究所では，Yb:YAGロッドのエンドポンプ方式でロッドサイズφ2x50mmを2本シ リーズで配置し，励起光入力3.39kWで1.08kW出力，ビーム品質を示すM2～13.5を得ている。1kW以上でM2<10 も達成している。また10kHzのQスイッチ動作では出力532W，M2=2.2が得られている。 ドイツでは国家プロジェクトのなかに「高出力LD及びLD励起固体レーザ」があり，LD励起YAGレーザの開 発を実施した。この成果としては，R社が 4kWクラスとして製品化した。Nd:YAGロッド径5mmを使った最大出 力550Wのモジュールを多段配置した構成であり，8モジュール配置で出力パワー4.4kWである。出力ビーム品 質は60mm*mrad以下なので，コア径0.3mmのファイバー伝送が可能である。このようなLD励起では，ランプ励 起に比較して，ビーム品質が1.7倍良く，効率は3倍向上，寿命は10倍の1万時間以上である。 また，高ビーム品質でkW出力を発生する薄ディスクレーザ等を積極的に開発している。このタイプのレーザは， kW級のLD励起固ロッドレーザを開発している2社（R社，H社）でプロトタイプが製作されている。このLD励起薄ディ スク型Yb:YAGレーザはシュツットガルト大学が開発した方式である，ロッド型レーザに比べて構成が複雑になるが， 高品質のビームを高効率で発生できる特長がある。厚さ230μmのYb:YAG薄ディスクレーザにより，ビーム品質M2=80 程度で590W出力，M2=10で414Wが得られている。さらに4つの薄ディスクで1.07kWを達成している。高品質なビーム は，より細径の光ファイバーで伝送できるので，よりフレキシブルで高品質な溶接が可能となる。溶接（鋼板，ア ルミ合金，プラスチック） ，平板の任意形状への切断（鋼板，アルミ合金） ，微細加工，マーキング，焼き入れ，焼 き鈍し，クラッディング，修理再生用工具（LD直接集光レーザ） ，などをターゲットにしている。 レーザを用いた加工では， 高速で熱影響が小さいのでアルミ合金などの溶接や微細加工が容易である一方， コスト高，メンテナンスが頻繁などの課題がある。この点を払拭すべくドイツのプロジェクトでは，省スペ ース，長寿命，低コストのLDやLD励起固体レーザを開発し，それらの産業応用拡大を目指している。 我が国においては， 「フォトン計測・加工技術」プロジェクトで，出力10kWが数値目標として掲げられ，LD 励起固体レーザ，ファイバレーザが開発された。ロッド型レーザで電気光変換効率23%でcw12kWを，LD励起の ファイバーレーザ(コア径90μm)ではcw1kWを，パルス励起ロッド型レーザでは，M2=10以下で平均出力1kWを， それぞれ実証した。成果の一部は製品化に展開され，数kW出力のLD励起固体レーザが市販された。 産業用を目指す高出力レーザの開発は，海外との競合状態にあったが，得られた成果は世界レベルに達し， 世界に発信することができた。しかし，このプロジェクトでは，発振器の基本性能を実証することに主眼が 置かれ，応用開発は十分行われなかった。したがって，加工適用した場合の制御性等の課題として残された。 以上のような，過去と現在のレベルを比較して，将来の開発に対する目標値をまとめたのが，下図である。 応用を見据えた高出力化，高ビーム品質化を進めるとともに，利用形態にすばやく対応できるように，基礎 的な開発を進めておく必要がある。kW出力のファイバーレーザや，Nd:YAGセラミックレーザなど日本独自の 成果も上がってきており，諸外国に見劣りしない，明るい分野も出てきている。 光を応用した加工は，その将来性や潜在性は高く認識され，ハイテク産業のキー技術となっていることを 考え合わせると，欧米に十分対抗可能な先進加工ツールと加工技術を持って，日本の産業界が国際競争力を 維持していくには，さらなる研究開発が必要である。 －82－ 目次へもどる LD励起固体レーザー 2000 出力 パワー ビーム品質 波長 方式・材料 周辺技術 2005 2010 2015 10kW 10kW 20kW 20kW 50kW 50kW 効率20% 効率20% 効率30% 効率30% 効率50% 効率50% 2 2 2 M M ～10＠1kW ～10＠1kW 2 M M ～1 ～1 ＠1kW ＠1kW 2 2 M ～1 ＠10kW ＠10kW M ～1 vis＠200W vis＠200W vis＠1kW vis＠1kW vis＠2kW vis＠2kW 355nm＠40W 355nm＠40W 355nm＠0.5ｋW 355nm＠0.5ｋW 355nm＠1ｋW 355nm＠1ｋW 266nm@20W 266nm@20W 266nm＠0.1ｋW 266nm＠0.1ｋW [email protected]ｋW [email protected]ｋW ロッド、スラブレーザー ロッド、スラブレーザー ファイバ、薄膜レーザー ファイバ、薄膜レーザー 単結晶 単結晶 セラミック、新固体材料 セラミック、新固体材料 kWLD kWLD 効率50% 効率50% kWLD kWLD 効率60% 効率60% kWLD kWLD 効率70% 効率70% ファイバ伝送 ファイバ伝送 10kW 10kW @φ0.6mm @φ0.6mm ファイバ伝送 ファイバ伝送 10kW 10kW @φ0.4mm @φ0.4mm ファイバ伝送 ファイバ伝送 10kW 10kW @φ0.3mm @φ0.3mm 波長変換効率 波長変換効率 20% 20% 波長変換効率 波長変換効率 30% 30% 波長変換効率 波長変換効率 40% 40% 図4.4.2.1 LD励起固体レーザロードマップ (3) まとめ 海外情勢を見ると，高効率，高品質ビームを目標にLD励起の固体レーザの研究開発が盛んに行われている。 米国では，すでに小中出力で赤外から紫外光まで製品で市場を席巻している。主要メーカはLD製造も同じグ ループで行っている。ドイツでは，LD励起固体レーザの開発とその利用開発を国家プロジェクトとして推進 している。実用化可能な技術を開発し，その成果を効率的に製品化に結びつけている。これにより，ドイツ レーザ産業の国際競争力を強化しようとしている。さらに中国も国を挙げて武漢にオプティックスバレーと いう光産業基地を形成し強力に後押ししている。 我が国においても，国家プロジェクト「フォトン計測・加工技術」を終了し，LD励起固体レーザ，ファイ バーレーザなどで，世界レベルの成果も得られた。しかし，世界状況も見ると，加工の光源となるレーザ装 置に関しては開発に終わりはなく，常に最先端の技術を開発・保持していないと，後塵を拝すことになる。 中小出力のLD励起固体レーザは，小型化・軽量化・高機能化する電子機器製品の部品加工に必要不可欠なツ ールとして認知され，さらに多様に適用されつつある。高出力のそれは，自動車関連の産業において，低消 費電力，光ファイバーによるフレキシビリティにより，生産ラインに入り始めている。今後車体のアルミニ ウム化に伴う溶接プロセスを中心にこの適用が進むと予想される。 欧米との競争に勝ち残るためにも次のステップとしては，応用を見据えた高出力化，高ビーム品質化を進 めるとともに，利用形態にすばやく対応できるように，基礎的な開発を進めておく必要である。 光を応用した加工は，その将来性や潜在性は高く認識され，実用上もハイテク産業のキー技術となってい －83－ 目次へもどる る。しかしながら，日本における製造ツールとして完成度を高めるには，レーザ発生技術は元より，加工現 象の把握，加工機としてのシステム化などを幅広く開発する必要である。これにより，欧米や中国に十分対 抗可能な光加工用ツールを保持することができ，日本の産業が国際市場で生き残っていくことができる。 （山田 明孝） 参考文献 (1) 第5回「フォトン計測・加工技術」シンポジウム講演集，平成13年11月 (2) レーザ学会学術講演会第23回年次大会 31PⅢ,「Nd:YAGセラミックレーザの性能向上と将来性」 (3) PD2，Advanced Solid State Laser 2002 4.4.3 超短パルスレーザ (1) はじめに レーザによる光パルス発生は，1962年のQスイッチの発明に始まり，1964年のモード同期法の導入で今日 の基盤はでき上がった。その後，1968年に始まり70年代を通して行われた色素レーザの開発と受動モード同 期法の進歩により，パルス幅はピコ秒からフェムト秒に短縮された。そして，レーザ応用分野の発展ととも に，高速光パルス発生技術の研究が盛んに行われるようになった1）。 1990年以前の短パルスレーザはキャビティーダンピング方式，Qスイッチ方式，モード同期等の新しい技 術が導入される度に急速に短パルス化が進んできた。中でも広い利得帯域幅を持つ色素レーザでのモード同 期発振は，その後のフェムト秒領域での超高速光技術の基礎を切り開いた点で重要な出来事である。 1990年に至って，固体レーザであるチタンサファイアで受動モード同期発振が報告された。Spenceらは可 飽和吸収色素を用いずに受動モード同期を実現して，60fsのパルス幅を得た2）。超短パルスチタンサファイ アレーザは現状のフェムト秒レーザの代表例であり，それ以前に超短パルスレーザの代表格であった色素レ ーザと比較した場合，格段に優れた波長可変域の広さ（λ= 700〜1000 nm）と波長可変の容易さ，安定性， ノイズレベルの低さを有するレーザである。近年では，5fs以下のパルス幅が実証され，同時にさまざまな優 れた市販レーザシステムが入手可能になり，超短パルス標準光源として定着しつつある。 一方，操作が簡便で安定性が極めて高く産業応用に適したフェムト秒光源としてファイバーレーザが注目 を集めている。主に通信用として開発が進められてきたファイバーレーザであるが，クラッド励起技術の開 発により励起パワーが向上し，Wクラスの出力の市販品が出回るようになってきた3）。近年では，数100fsレ ベルのチタンサファイアレーザの安定な種光源として普及し始めている。 上記のような超短パルスレーザ技術の目覚ましい発展に伴い比較的小さなレーザ装置から高いピークパ ワーが得られることからから加工への応用や，超高速過程のモニター又はコントロールができることから計 測・光情報処理などの広い分野での応用，さらには（瞬時ではあるが）全世界の消費電力をも凌駕するピー クパワーを利用した物理的応用が進展している。図4.4.3.1に代表的な(a)ファイバーレーザと (b)TW出力チ タンサファイアレーザの装置写真を示す。 －84－ 目次へもどる (a) (b) 図4.4.3.1 代表的な超短パルスレーザ：(a)100mWファイバーレーザ，(b)ＴＷチタンサファイアレーザ (2) 超短パルスレーザの小型化・マイクロチップ化 超短パルスレーザのパルス列は周波数領域で見るとパルスの繰り返し周波数毎に規則的にモードが並んで おり，周波数コム（櫛）と呼ばれる。光の周波数は約500THzであるが，代表的なモードロックレーザの繰り 返し周波数は100MHzでありマイクロ波の周波数に相当する。超短パルスレーザの周波数特性を利用してマイ クロ波領域と光領域の周波数を結びつけることができる。近年，光周波数制御技術が発達し，新しい周波数 基準として期待されている4）。 例えば，パルス幅6fs程度の超短パルス列の発生にはオクターブ以上のスペクトル幅が必要であり，さらに 第二高調波を取ると，基本波と第二高調波のスペクトルに重なりが生じる。基本波と第二高調波のビートを 観測することで，パルスの包絡線と位相の間のオフセット量が計測できる。これを利用して，電気光学的制 御によりパルス内電界振動をπ/10以下の精度で位相コントロールすることが実証されており， 周波数コム制 御に活用されている。 図4.4.3.2に超短パルスレーザ小型化のロードマップを示す。現状では，実験室レベルで周波数コム制御が 実現しており，サイズ的にはアタッシュケース程度である。光学系の最適化を進めることで“手のひら”サ イズが実現できればマイクロ波通信基地局の高精度周波数基準として利用されることが考えられる。一方， 周波数基準目的としてはパルスエネルギーに対する要求は低いが，同様の装置でパルスエネルギーを向上さ せると三次元光メモリの記録デバイスとして利用可能となる。超短パルスによる非線形過程を利用して透明 材料への三次元ナノ加工がすでに実証されており，記録媒体の感度向上も必要であるが，メインフレームレ ベルの記録装置としては十分実用的であると考えられる。 さらに小型化を進め“指先”サイズが実現すれば，携帯電話の周波数基準素子として普及することが期待 できる。また，前述と同様にパソコンレベルの記録装置に搭載することができるようになり，超高密度三次 元ハードディスクの普及につながると期待される。 －85－ 目次へもどる 2000 2005 2010 2015 小型化・マイクロチップ化 10～ 100fs ブリーフケース パームトップ フィンガートップ 周波数基準素子 3次元メモリ読み書きデバイス 図4.4.3.2 超短パルスレーザ小型化のロードマップ (3) 超短パルスレーザの高繰り返し・高平均出力化 超短パルスレーザの産業応用に熱いまなざしが注がれている。小さなエネルギーで高いピークパワーが得 られ，容易に非線形現象を誘起できることから非熱的加工，透明材料の3次元加工をはじめとした様々な応用 研究が進められている5）。企業内部でも基礎研究は着実に進展しており新たな“ものづくり技術”として普 及する可能性が極めて高い。加工用途としての超短パルスレーザ普及のために解決すべき課題は，(a)フォト ンコストの低減，(b)スループット向上のための高平均出力化，(c)装置の安定化であろう。 (a)フォトンコストの低減に関しては， 高付加価値製品の生産に対応することで実用性が出てくると期待で きる。超短パルスでなければできない高機能の製品を作れば相対的にフォトンコストは吸収出来ると考えら れる。しかし，一品物の生産だけでは市場規模が小さい。やはり大きな市場を開拓するには，(b)スループッ ト向上のための高平均出力化を目指し，全世界に向けて高付加価値製品の供給ができる体制を整えなければ ならない。(c)装置の安定化に関しては，現在技術開発が進行中である。また，装置構成を簡素化できる新た な超短パルスレーザ装置が開発されつつある。 図4.4.3.3に超短パルスレーザの高繰り返し・高平均出力化のロードマップを示す。パルス幅に関しては二 つの方向性がある。 一つは， 物質に吸収された熱が緩和する時間よりも短い程度のパルス幅である1ps〜100fs で，主に穴開けや切断加工，表面処理等に用いられる。もう一つは，超高強度電磁場特有の現象を誘起でき る高ピーク出力を維持しつつパルスエネルギーを抑えるために，さらにパルス幅を短くした10〜30fsという 仕様である。 －86－ 目次へもどる 2000 2005 2010 2015 高繰り返し・高平均出力化 1ps～ 100fs 5kHz, 5W 50kHz, 50W 数100kHz, 数100W 1W 10～ 30fs 1kHz, 30W 1kHz, 300W 1kHz, 1kW 30fs, 10TW, 1kHz → PET用レーザー 図4.4.3.3 超短パルスレーザ高平均出力化のロードマップ 加工に用いられるパルスエネルギーには最適値があるため，高平均出力化に向けてパルス繰り返しの向上が必 須となる。現状では，繰り返し1kHzの場合は，パルスエネルギー1mJが標準であり，平均出力は1W程度である。 パルスエネルギーとして1mJあれば，ほとんどの加工応用に対応できる。今後，スループットを向上させるため に，繰り返しを5kHz→50kHz→数100kHzと上げていくことが高平均出力化の方向であろう。注意すべき点は，超 短パルス加工の特徴を活かすためには（内部加工は別として）プラズマとの相互作用を避けなければいけないと いう事である。従って，繰り返しを際限なく上げるわけにはいかず（一つ前のパルスが作り出したプラズマが消 滅する時間だけパルス間隔が必要となり） ，繰り返しとして1MHz（パルス間隔1μs）が上限と考えられる。 一方，パルス幅10〜30fsという仕様に対しては明確な応用分野（ニーズ）が設定されているため，ニーズ に即した装置開発を進めていく必要がある。明確な応用分野とは，4.2.4節で取り上げられているPET用ポジ トロン源生成である。このニーズからの要求は，ピーク出力10TWと言われており，スループットを考慮する と繰り返し1kHzが妥当なレベルである。10TW/1kHzを100fsで実現しようとすると平均出力は1kWとなる。近い 将来，車載規模のレーザを考えると電源容量は少ない方が望ましく，パルス幅を30fsと短くすることで平均 出力は300Wとなり工学的に実現しやすいレベルとなる。 (4) 超短パルスレーザの高ピーク出力化 最先端科学は常に新しい発見をもたらし，新技術を牽引していく。超短パルスレーザ開発も然りであり， レーザ技術者の短パルス化追求の欲望に従ってフェムト秒にまでレーザのパルス幅が縮まり，最近ではアト 秒領域の光源開発が盛んである。この動きに伴い，超短パルス光と物質との相互作用において次々と新しい 物理現象が見出され（非熱加工はその例である） ，新たな産業の種として展開が進んできた。 超高ピーク出力レーザ開発はこれまでレーザ核融合研究が先導してきており，シングルショットベースで の動作が中心であった。天体で起きている現象すら模擬できる超高エネルギー密度状態を作り出すことが可 能となってきている6）。最近では，チタンサファイアレーザをベースとした10Hz動作が可能なピーク出力 100TWのレーザ開発が進展し7），1〜2年のうちにピーク出力1PWへと展開する勢いである。 超高ピーク出力レーザは，その集光強度で評価される。いくらピーク出力が高くても小さなスポットに集 光できなければ新たな現象を見出すことは出来ない。4.3.3節にあるように集光強度1020W/cm2がすでに実現し ており，相対論的非線形現象が顔をのぞかせる可能性が示唆されている。さらにピーク出力を上げて，1EW －87－ 目次へもどる （エクサワット）パルスを集光すれば，真空の破壊が観測されると予言されている。図4.4.3.4に希望を込め た超短パルスレーザの高ピーク出力化のロードマップを示す。ここ数年でPWレーザが常時稼動体制に入り， 同時に10PW化が進むものと考えられる。その後は，革新的な増幅技術の開発も必要であるが，1EW（エクサワ ット）へ向けたレーザ開発が進むものと期待される。 2000 2005 2010 2015 高ピーク出力化 50～ 10fs 1PW 10PW ～1EW 図4.4.3.4 超短パルスレーザ高ピーク出力化のロードマップ (5) 超短パルスレーザの高出力化に向けて 超短パルスレーザの高出力化に向けて様々なレーザ開発が進められている。最後に，幾つかの有望な技術 を紹介する。 近年，半導体レーザ（LD : Laser Diode）の高出力化が進み，これを励起光源とした固体レーザ，いわゆ る全固体レーザにおいて，小型化，高効率化，高安定化，高ビーム品質化，低雑音化，長寿命化等の大幅な 特性向上が実現されてきた。産業用加工ツールとして有望なビーム源である半導体レーザ直接励起の，使い 勝手の良い全固体超短パルスレーザの開発が強く望まれている。現状では，半導体レーザで励起した固体レ ーザの波長変換を行ったグリーンレーザで励起するチタンサファイアレーザ が主流であり， 研究用には完成 度の高いレーザが市販されている。しかし，産業用超短パルスレーザとして安価で高安定のレーザとは言い 難く，超短パルスレーザを用いた様々な加工応用の産業利用の障害となっている。 最も実用化に近い超短パルスレーザとして，OPCPA（Optical Parametric Chirped Pulse Amplification： 光パラメトリックチャープパルス増幅）を用いたレーザ増幅が有望である。基本的な構成はチタンサファイ アレーザと同じであるが， 増幅段において共振器構造をとらず， シンプルな単一パスを用いることが出来る。 次に有望視されるのが，Yb系の固体レーザ増幅器であろう。チタンサファイアと異なり，LDで直接励起でき るため，よりシンプルな構造の超短パルス高出力レーザとして研究が進められている。 (a) 光パラメトリックチャープパルス増幅（OPCPA） 光パラメトリック増幅は非線形媒質中での光パラメトリック過程を利用して，励起光を波長変換すると同 時に種光へそのエネルギーを移し増幅する手法である。従来のレーザ増幅は，励起光（あるいは何らかの形 の励起エネルギー）をレーザ媒質に吸収させ，媒質のエネルギー準位を利用して入射された光へとそのエネ ルギーを変換した。従って，光へ変換されなかったエネルギーは熱として媒質中に蓄えられ，高出力時の熱 負荷が不可避な問題となっていた。一方，OPCPAは図4.4.3.5に示すように励起光から種光（増幅される光） へと直接エネルギー変換を行うため，増幅に寄与しなかった（励起光の）エネルギーは全て光の形で放出さ れ，増幅媒質には熱負荷がかからないという特徴を有している。従って，高ピーク出力を得るのみならず， 高平均出力を得る上でも有用な技術となる8）。 －88－ 目次へもどる ◎通常のレーザー増幅 ◎O P C P A 増幅 励起光 非線形結晶 レーザー媒質 エネルギーの流れ 励起光 → レーザー媒質 エネルギーの流れ → レーザー光 → 熱 励起光 → レーザー光 図4.4.3.5 通常のレーザ増幅とOPCPA増幅の比較 光パラメトリックプロセスは広帯域のゲイン特性を有しているため，数fsレベルの超短パルス増幅が可能 である。同時に，単位長さ当たりのゲインを高くとれるため，増幅長を短くできる。超短パルスのような高 ピークパワーのレーザを増幅する際には，媒質中での非線形効果により，パルスの位相が強度分布によりズ レるため，増幅長が短いことは非常に有利となる。さらに，非線形結晶としてKDPをOPAに用いることが出来 るため，大口径の増幅にも対応できる。唯一の問題点は，励起光を直接変換するため，ビームの品質がひと えに励起光の品質に依存するという点である。 いかに高品質の励起光を用意できるかがOPCPAの成否を左右す ると言っても言い過ぎではない。しかし，励起光としてすでに技術が熟成しているNd:YAGレーザを用いるこ とができるため，本質的な問題とはならないと考えられる。 光パラメトリック増幅は，フェムト秒ファイバーレーザ発振器やフェムト秒チタンサファイアレーザ発振 器を種光として，Nd:YAGレーザの2倍高調波を励起源として用いることができる。いずれも既存の完成した技 術であるため，システム化が容易であると考えられる。考えられる課題は，変換効率を上げるために1ナノ秒 という短いパルス（従来技術では，短くとも10ナノ秒が産業用として開発されてきている。 ）を高繰り返し且 つ高ビーム品質で発生させうるNd:YAGレーザの開発と高平均出力に耐えうるコンプレッサーの開発である。 (b) LD直接励起超短パルス固体レーザ 最近，半導体レーザ励起の全固体化レーザを念頭にした近赤外領域に吸収域をもつ結晶について超短パル ス発生の研究が活発に進められている。半導体レーザの品質向上により，半導体レーザや半導体レーザ励起 固体レーザが励起光源として利用可能となり，小型化が進んでいる。特に，半導体レーザ直接励起可能な超 短パルス用新固体レーザ媒質としてYbドープレーザは注目を集めている9）。 Ybドープ媒質は吸収波長が900 nm帯にあることからAlフリーで長寿命のInGaAs系高出力半導体レーザを励 起光源に使うことができる。Ybドープ媒質の効率の良さは，すでにYb:YAGなどのCW状態において実証されて いる。そして，Ybイオンの長い蛍光寿命（1～2 ms）はとりわけ高出力超短パルス増幅のために有利である。 またNdと比較して広い吸収，蛍光スペクトルを持つ点も優位である。特に，ホスト結晶として熱伝導の良い YAGを用いることで高平均出力時の熱負荷を緩和させることが期待できる。また，最近ではセラミックスをホ スト媒質として用いる技術が発達し注目を集めている。 Ybドープ媒質を用いる際の技術課題は，吸収飽和を起こさせるための高輝度LD光源並びにその集光光学系 の開発，高効率発振を維持するための冷却技術開発である。 （藤田 雅之） －89－ 目次へもどる 参考文献 (1) 鍋川康夫，藤田雅之， 「フェムト秒レーザー装置の現状」 ，電気学会誌，122（11）pp754-758 (2002). (2) D. E. Spence, et al., Opt. Lett., 16, 42 (1991). (3) M. E. Fermann, M. L. Stock, A. Galvanauskas, A. Hariharan, G. Sucha, D. Harter, and L. Goldberg, “Highly efficient low-noise Yb femtosecond fiber laser”, Conference on Lasers and Electro-optics (CLEO), San Francisco, CA, paper CMQ2 (2000). (4) Y. Kobayashi and K. Torizuka, ”Optical phase relation measurement between subharmonic pulses in femtosecond optical parametric oscillator”, Opt. Lett., 25, 856 (2000). (5) 橋田昌樹， 「フェムト秒レーザーへの産業界への期待」 ，電気学会誌，122（11）pp749-753 (2002). (6) 「特集/高エネルギー密度プラズマ研究とその応用」 ，プラズマ・核融合学会誌，75, Suppl.-II (1999). (7) K. Yamakawa, M. Aoyama, S. Matsuoka, T. Kase, Y. Akahane, et al., " 100 TW, sub-20 fs Ti:sapphire laser system operating at a 10 Hz repetition rate", Opt. Lett. 23, 1468 (1997). (8) S. K. Zhang, M. Fujita et al., “Optical Parametric Amplification of Broadband Chirped Pulses at 1micron”, Technical Digest of CLEO 2000, P.249 (2000). (9) J. Aus der Au, S. F. Schaer, R. Paschotta, C. Honinger, U. Keller, M. Moser, "High-power diode-pumped passively modelocked Yb:YAG lasers," Optics Lett., 24, 1281 (1999). 4.4.4.自由電子レーザ (1) 自由電子レーザとは何か 自由電子レーザ(FEL)は赤外光から紫外光まで，さらにこれより短いX線の波長域まで発生が可能な真空中 の自由電子を用いた真空管発振器である1)。電波から硬X線領域まで広い波長領域に渡ってFELは発振可能と 考えられている。 FELはレーザの一種であるが，位相と振巾のそろったコヒーレントな電磁波がレーザで，このような電磁 波の発生装置は，非常に長波長の領域ではレーザの発明以前から使われていた。これが電磁波の真空管式発 振器で，多くのレーザで使用されている光学技術はこの高周波発振器関連技術にその最初のアイデアがある ものが多い。電磁波発振管の類推から，FELが，真空管と同様の波長可変，高出力，高効率などの特徴を持つ であろう事は容易に想像できる。又，FELは原理的波長限界が無いこともその特徴である2)。 (2) 光源の変遷 最初のたいまつや雷等自然現象に伴う制御ができてない光源から19世紀末になって最初のコヒーレント （干渉可能）な電磁場である無線電信技術が発明された。電波技術はその後，長波，中波，短波，マイクロ 波，ミリ波，サブミリ波へと，より短い波長へ技術的に発展した。固体，気体，液体等の原子分子の量子状 態遷移を用いるマイクロ波発振器のメーザ，光発振器のレーザが1960年代までに発明された。1977年，スタ ンフォード大学の核物理用超伝導リニアックからの高エネルギー電子ビームを多数の交番磁界中を蛇行運動 させ，得られた自発放射を光共振器に蓄積，増幅，発振させ，最初のFELの実証に成功した3)。 －90－ 目次へもどる (3) FELロードマップ 超伝導リニアックによって駆動されるFELの平均出力のロードマップは図1のように2-3年毎に10倍程度上 昇を続けると予測されている。 数W以下であった常伝導FELから桁違いに高い百から数百W程度が非回収の通常 FEL発振で得られた。1999年に米国がエネルギー回収技術（ERL）を用いて，1.7kW，日本が新しい高効率極短 パルス発振モードを見つけて2.34kWを得ており，これが現在の世界最高記録である4)。ERL（エネルギー回収 型線型加速器）技術を応用することにより，米国は20kWのFELを建設中，日本はやはりERLを用いて10kWのFEL を開発中である5)。100kW以上のFELは通常の光共振器の問題が解決できないので，例えばロシアで提案され ている100kW-100MW FEL以上で使用できる2個以上のアンジュレーターを利用する「電子外部結合」によるコ ヒーレント光引き出しを採用する必要がある。これは比較的弱い光発振を最初のアンジュレーターとこれに 結合された光共振器で成立させ，この比較的弱い蓄積された光で十分に変調された電子ビームをラディエタ ーとして働く2番目以降のアンジュレーターを通過させ， 完全変調された電子ビームの発生する強い可干渉な 電磁波放射を得る方式である。0.5GHz超伝導加速器のビーム電流限界は，数Aよりも大きく，現在の大型粒子 物理学の加速器の平均ビーム電力が数十GW以上が容易に得られることから，2式のようにロードマップの10 MW以上が十分この年率で達成できると思われる。最短波長は，線型加速器の赤外領域から出発し，蓄積リン グで可視光と紫外光，波長は190nmまで短縮されてきた。一方，SASE（自己増幅自発放射光）によって，現在 の最短波長80nmが達成されている6)。図2にあるように，今後10年以上の開発によって0.1nm，つまりX線領域 まで波長は短縮すると思われる。ERLは，高出力FELを実現する手段であるが，数GeV以上の高いエネルギーま で加速して放射光を得ると回折限界の光がフェムト秒級のパルスで得られる。 式1 発振波長λ=(λu /2*γ2)∗(1+(eBuλu)/(2πmc)) 式2 変換効率＝1/（2*Nw） 図4.4.4.1 平均出力の変遷と予測 図4.4.4.2 最短波長の変遷と予測 －91－ 目次へもどる 加工では設備費と効率がホトンコストを決める。ERLは単なる効率改善だけでなく，1.0より大きな桁違いの 効率改善が期待されるので主要設備費である高周波源設備費がほとんど要らなくなる。これは，超伝導リニ アックによる高周波加速の変換効率が1であること，また同様の理由により減速の変換効率が1であることか ら，非回収で，1％程度の総効率となる。また主加速器のエネルギー回収のみで10%以上の総効率が，さらに 入射器のエネルギー回収をも行うと，30-40 % 以上の総効率が得られると予想される。 利用としては，図1にあるようなものが，議論されている。原研のFELはフェムト秒幅のパルスが高平均出 力で得られる6)。これは非熱加工を高速効率で行うことが可能で，他のレーザでは不可能な特性である。平 均出力の高いレーザは尖頭出力は小さく，尖頭出力が大きなレーザは平均出力が小さいという他のレーザと は質的に異なる性質である。 （峰原 英介） 参考文献 (1) H. Motz, J. Appl. Phys. 22, 529(1951), R. M. Phillips, 17th Conf. on Electron Tube Research, Mexico City(1959). (2) C.A.Brau, Free-Electron Lasers, Academic Press (1990). 入門自由電子レーザ，自由電子レーザー研 究専門委員会編，1995年，社団法人日本原子力学会。自由電子レーザーとその応用，電気学会，自由電子レ ーザー調査専門委員会編，1990年，コロナ社。 (3) D. A. G. Deacon, et. al., Phys.Rev.Lett.,38,892(1977). (4) N. Nishimori et al, Phys.Rev. Lett., Vol86, no. 25 pp. 5707-5710(2001). (5) E.J.Minehara et. al., Nucl.Instr.and Meth. A483,8-13(2002). (6) TTF-FEL 発 振 は ， 以 下 を 参 照 く だ さ い 。 http://sbfel3.ucsb.edu/www/desy1.html, http://www.desy.de/~wroblewt/scifel/ scifel.html －92－ 目次へもどる 4.5 光制御技術 4.5.1 波長変換技術 (1) 固体波長変換 高出力UV（紫外）レーザは，産業用途では，5.2.3のニーズ側のロードマップで示したようにプリント基板 微細穴あけの光源として期待されている。しかし，市販されている従来の高出力UVレーザは主にエキシマレ ーザであったため，大装置サイズ，低動作効率，腐食性ガス使用，ガス交換，高価格，高メンテナンスコス ト等の欠点があった。そこで，近年，上記問題を解決できる高出力LD（半導体レーザ）励起固体UVレーザ開 発の要求が市場から高まってきている。しかし，固体レーザのほとんどは，発生するレーザ光が近赤外領域 の波長であり，これより短波長のレーザ光を直接発生させることは非常に困難である。そこで，LD励起固体 UVレーザでは， 固体レーザ光を基本波とした波長変換による高調波発生によりUV光を発生している。 例えば， 波長1064nmの近赤外光を発生するNd:YAGレーザからUV光を得るためには，まず2倍高調波（波長532nm）を発 生させ，さらに3倍高調波（波長355nm），または4倍高調波（波長266nm）を発生させる必要がある。このう ちで3倍高調波までは製品に適用できるレベルになっているが4倍高調波は今後期待されているレーザである。 ここでは，これからの技術である4倍高調波レーザに的を絞って，従来報告されている研究成果と最新の高出 力4倍高調波発生について述べる。 (a) 従来の4倍高調波レーザ報告例 ここでは，出力1W以上の高出力4倍高調波を発生させている報告例について，ランプ励起固体レーザを光源 としたものも含めて述べる。 LD励起固体UVレーザで出力1W以上の高出力4倍高調波を発生させた最初の報告は， 1995年のソニーからの報告である 1,2 ） 。KTP(KTiOPO4)結晶を用いた内部共振器型SHG(Second Harmonic Generation)によりLD励起Nd:YAGレーザから出力2.9Wの2倍高調波を発生し，長さ5mmのBBO(β-BaB2O4)結晶を 用いて出力1.5Wの連続波UV光を得ている。連続波2倍高調波から4倍高調波を高効率に得るため，リング型外 部共振器を用い，位相変調器およびボイスコイル型電磁デバイスによるミラー位置決めデバイスによるフィ ードバック制御を行っている。また，直接引き上げ法育成BBO結晶を用いており，パワー密度8MW/cm2でも熱 飽和は見られていない。 以上のように，1995年までは高出力Nd:YAGレーザの4倍高調波発生に用いられていた波長変換結晶はBBO結 晶あるいはKD*P(KD2PO4)結晶がほとんどであった。しかし，1995年に大阪大学からCLBO (CsLiB6O10)結晶が報 告されて以来3），4倍高調波発生の高出力化がさらに進み，CLBO結晶を用いた報告が増えている。以下では， CLBO結晶を用いた4倍高調波発生の報告例を述べる。 1996年に大阪大学より4倍高調波出力5W (500mJ,10Hz) が報告された4)。光源として繰り返し10HzのNd:YAG レーザ(Continuum: Powerlite Pluse)から発せられる2倍高調波光を用い，波長変換結晶に長さ10mmのCLBO 結晶を用いている。 次に，1997年にはラムダフィジックス社から4倍高調波発生が報告された5)。LD励起Nd:YAGレーザを光源と して用い，LBO(LiB3O5)結晶により2倍高調波を発生している。Nd:YAGレーザは1kHzで動作され，TEM00モード のビームを発生する。長さ10mmのBBO結晶およびCLBO結晶を用いて4倍高調波を発生しており，CLBO結晶の場 合にBBO結晶の場合の約2.5倍の4倍高調波出力約2.5Wを発生している。ここで初めて，CLBO結晶を用いた方が BBO結晶を用いるより高出力UVレーザ光が得られるというデータが示された。 また， いずれの結晶においても， 熱レンズのために最小ビーム径が制限され，そのため出力も制限されたとも述べている。 －93－ 目次へもどる 次に，同じく1997年に大阪大学とウシオ電機から4倍高調波出力9.7Wを得た報告がなされている6)。2倍高 調波レーザは，繰り返し100Hzで，パルス幅3ns(FWHM)，ビーム直径5.5mmのレーザ光を発生する。波長変換結 晶には長さ3.1mmのCLBO結晶を用いている。ここでは，入射532nmのエネルギーが上昇するほど最適CLBO結晶 長が減少することも示し，その原因として，熱による位相ずれをあげている。 次に，1998年にウシオ総研，大阪大学，SEO社，およびJGM Associates社からLD励起固体UVレーザが共同発表 された7)。基本波レーザとしてLD励起Nd:YLF MOPAシステムを用い，繰り返し5kHz，パルス幅20ns(FWHM)で出 力26Wの1047nmレーザ光を発生し， 非臨界位相整合するLBO結晶を用いて523.5nmの2倍高調波出力14.1Wを発生 している。2倍高調波発生時に基本波レーザビームを150×250mmにコリメートし，その後2倍高調波ビームを 直接長さ20mmのCLBO結晶に入射して，最高6.6Wの4倍高調波（波長262nm）出力を発生している。また，長さ 15mmの4倍高調波発生用CLBO結晶と長さ10mmの5倍高調波発生用CLBO結晶を用いて出力2.0Wの5倍高調波 （波長 209nm）も発生している。ここでは，4倍高調波照射によるCLBO結晶端面損傷についても調べられ，5kHzにお ける端面損傷しきい値を3.4J/cm2と見積もっている。さらに，1998年に大阪大学とウシオから最高10.6Wの4 倍高調波出力を発生した報告がなされた8)。ここでは，同グループが文献6に示した熱位相ずれによる変換効 率の低下を結晶全体の温度を130℃以上に上げ，さらに，端面にガスを吹きつけて冷却することにより解決を 図っている。 (b) 最近の技術進歩 1997年～2002年3月まで行われた国のプロジェクト「フォトン計測・加工技術」の中で三菱電機が大阪大 学，光学技研と産学連携チームを組み“高出力波長変換方式の研究開発”を実施した9-12)。最新の報告では， 4倍高調波発生用光源として， 200W級のLD励起高輝度グリーンレーザを用いている。 このレーザは， 波長532nm， 繰り返し周波数7kHz，パルス幅約58ns，ビーム品質M2～9のグリーンレーザ光を発生する。波長変換結晶とし て，断面6×6mm2，長さ15mmのCLBO結晶を用いている。CLBO結晶は，大阪大学で育成され，光学技研で研磨さ れたものである。これにより平均入射グリーンパワー194W時に平均UV出力42Wを発生した。この値はLD励起固 体UVレーザの平均出力の世界最高値である。UV光のパルス幅は46nsであり，グリーン光からUV光への変換効 率は21.6%であった。 45 266nm紫外レーザ出力 (W) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 報告年 図4.5.1.1 4倍高調波の出力の年代と増大 －94－ 目次へもどる 以上に示した4倍高調波出力の最高値を報告された年ごとにまとめると図4.5.1.1のようになる。1995年に 報告された266nmUV出力最高値はBBO結晶を用いて達成されており，1996年以降に報告された固体レーザによ る266nmUV出力最高値は全てCLBO結晶を用いて達成されてる。また，1999年以降に報告された値は，「フォト ン計測・加工技術」プロジェクトで達成された値である。さらに，1998年に報告された値を除くと，1995年 以降ほぼ直線状に266nmUV出力が上昇していることがわかる。 以上，CLBO結晶の発見以来，固体レーザを光源とした4倍高調波発生によるUVレーザ出力は年々増加して おり，CLBOが有望な結晶であることが示されている。産業用ニーズのひとつである電子基板の微細穴あけ加 工への適用のためには十分な出力が得られるようになっており， 産業用途向け4倍高調波UVレーザが製品化さ れる日も近いと見こまれる。しかし，LD励起固体UVレーザの更なる高出力化のためには，波長変換結晶で発 生する熱の問題および端面損傷問題を解決する必要があり，研究開発を更に継続して行う必要がある。 （小島 哲夫） 参考文献 (1) M.Oka, L.Y.Liu, W.Wiechmann, and S. Kubota: IEEE J. Sel. Top. in Quantum Electron. 1 (1995) 859. (2) 岡美智雄，久保田重夫：応用物理64 (1995) 912. (3) T.Sasaki, I.Kuroda, S.Nakajima, K.Yamaguchi, S.Watanabe, Y.Mori, and S.Nakai: OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers, vol. 24, Optical Society of America, Washington, D. C. (1995) p. 91. (4) Y.K.Yap, M.Inagaki, S.Nakajima, Y.Mori, and T.Sasaki: Opt. Lett. 21 (1996) 1348. (5) U.Stamm, W.Zschocke, T.Schröder, N.Deutsch, and D.Basting: OSA TOPS Vol. 10 Advanced Solid State Lasers 1997, Optical Society of America, Washington, D.C. (1997) p. 7. (6) Y.K.Yap, Y.Mori, S.Haramura, A.Taguchi, T.Sasaki, K.Deki, Y.Ohsako, and M.Horiguchi: OSA TOPS Vol. 10 Advanced Solid State Lasers 1997, Optical Society of America, Washington, D.C. (1997) p. 10. (7) A.Finch, Y.Ohsako, J.Sakuma, K.Deki, M.Horiguchi, Y.Mori, T.Sasaki, K.Well, J.Harrison, P.F.Moulton, and J.Manni: OSA TOPS Vol. 19 Advanced Solid State Lasers 1998, Optical Society of America, Washington, D.C. (1998) p. 16. (8) Y.K.Yap, K.Deki, Y.Kagebayashi, M.Horiguchi, Y.Mori, and T.Sasaki,: OSA TOPS Vol. 19 Advanced Solid State Lasers 1998, Optical Society of America, Washington, D.C. (1998) p. 380. (9) 小島哲夫，今野進，藤川周一，安井公治，吉澤憲治，森勇介，佐々木孝友， 田中光弘， 岡田幸勝：レ ーザ学会学術講演会第19回年次大会講演予稿集，レーザ学会 (1999) p. 31, paper 28aI8. (10) T.Kojima, S.Konno, S.Fujikawa, K.Yasui, K.Yoshizawa, Y.Mori, T.Sasaki, M.Tanaka, and Y.Okada: Postdeadline papers of Advanced Solid State Lasers 1999, Optical Society of America, Washington, D.C. (1999) paper PD4. (11) T.Kojima, S.Konno, S.Fujikawa, K.Yasui, K.Yoshizawa, Y.Mori, T.Sasaki, M.Tanaka, and Y.Okada: Conference on Laser and Electro-Optics, OSA Technical Digest, Optical Society of America, Washington, D.C. (1999) p. 64, paper CTuB6. (12) 小島哲夫，古田啓介，藤川周一，竹中裕司，西前順一，田中正明：レーザ学会第302回研究会報告，No. RTM-02-06，レーザ学会 (2002) p.29. －95－ 目次へもどる (2) 高次高調波発生 原子や分子にレーザ光を照射すると，電子は光電場により励振される。この電子のもつ振動運動のエネル ギー，すなわちポンデロモーティブエネルギーUpは光強度に比例し，周波数の2乗に反比例する。レーザ強度 があまり大きくない場合は，電子の振動のエネルギーは光電場に戻されるが，レーザ強度が大きくなり1013 W/cm2を上回るようになると，多数の光子を同時に吸収して電離する多光子電離 が起こる。さらにレーザ強 度が大きくなりUp > Ei （電離エネルギー）となると，光電場によりクーロンポテンシャルが大きく歪めら れ，トンネル電離と呼ばれる現象がおこる。 このときレーザ強度を適当に調整すると，トンネル電離で生成された自由電子は，光電場に捕らえられ加 速されるが，光電場は正弦波なので半周期後には，その電場の向きが逆になり，電子は向きを変えて元の原 子核の方向に加速され戻ってくる。このとき，ある確率で元の原子と再結合し，光電場から得た運動エネル ギーとイオン化エネルギーの和にほほ等しいエネルギーを高調波として放出する1, 2)。 例えば，波長800 nm のレーザ光を，1015 W/cm2に集光すると，再結合の時の子エネルギーは約200 eVになり，6 nmまでのコヒーレ ント軟X線が得られる。 このようにして高強度フェムト秒レーザを原子や分子気体中に集光して得られる高次 高調波波長は，テーブルトップサイズのコヒーレント軟X線源として盛んに研究されており，その波長域は， いわゆる”水の窓”といわれる2〜4 nmにまで達している3)。 高次高調波の発生は，非線形波長変換に基づくため，一般には，そのコヒーレンスは励起光のそれを受け 継いできるものと考えられている。しかし，非線形結晶等を利用した低次の非線形変換と異なり，高次高調 波の発生過程では，その非線形分極の位相は，励起強度に依存するため，励起光強が大きく変化する焦点近 傍では，長い相互作用長にわたって位相整合を満たすことは困難となり，結果的に空間的コヒーレンスが劣 化する4)。 Tamaki等は，高強度フェムト秒レーザを中空ファイバーや自己チャネリングによりガイディングすることに より，位相整合条件を長い相互作用長に亙って満足する状態を作り出せることを提案し，変換効率を大幅に改 善することに成功した5, 6)。その結果，位相整合により高調波のビーム品質7)や空間コヒーレンス8)も大きく改 善されることが明らかになった。これらの先駆的な研究により，現在では高次高調波発生において位相整合を 整えることは常識となっている。緩い集光ビームを用いる場合には，媒質の分散と集光に伴う位相シフトが主 たる位相整合因子である。前者は圧力に比例する値であり，後者はビームの集光条件に依存する値であり，そ れぞれ独立に制御できる。基本波のパワーが高い場合は，発生した自由電子による分散も問題になるが，その 場合は，パルス内で時間とともに位相整合条件が変化する，いわゆる過渡的な位相整合となる。 高調波のエネルギーをさらに増大させるためには，励起エネルギーを十分投入可能な光学配置と相互作用領 域が必要である。Takahashi等の実験では，エネルギー20 mJ，パルス幅35 fsのチタンサファイアレーザ光（800 nm）を基本波として，Ar 2 torrを封入したチャンバーに入射した。相互作用長は10 cmである。27次を中心に 輝度の高い高調波が発生した。エネルギーは最高で約300 nJ，この時の変換効率は1.5x10-5である9)。同様にXe を媒質とした場合，圧力0.6 torr，相互作用長14 cmにおいて，11次（73 nm）で6 µJ，13次（62 nm）で4 µJの エネルギーが，10-4を越える効率で得られた10)。また，位相整合が満足された状態で発生した高次高調波はビ ーム品質にも優れており，ほぼガウシアンプロファイルのビームが1 mrad以下の発散角で発生した11)。これら の結果より，平均輝度を算出すると1014-1015 photon/mm2/mrad2/1%bwとなり，放射光に匹敵する。さらにピーク 輝度でみると1026-1028 photon/mm2/mrad2/1%bwであり，放射光のそれを優に10桁越える9, 10)。 XUV領域においては光学素子を自在に使うことができないため，高次高調波の利用はかなり制約される。高 －96－ 目次へもどる 次高調波のカバーする波長域の中で，10-50 nmはMo/Si，Al/C，Sc/Siなどの多層膜ミラー，50 nm以上は SiCミ ラーにより30%以上の反射率が得られる12)。しかし，非線形現象を起こすための集光強度を得るには，反射率の みならず高い面精度がミラーに要求される。球面ミラーの面精度は可視光に対してλ/10 −λ/15が可能であるが， XUV領域では波長と同等あるいはその数倍となってしまう。このような状況であるものの， 高次高調波のビー ム品質と空間コヒーレンスが良好であることから，現状ミクロンオーダーのスポットへの集光は困難ではなく， ミラーならびにフィルターの損失を考慮しても 1013-1014 W/cm2の集光強度は可能と見積もられる。これにより， 従来，近赤外から紫外領域でしかできなかった非線形光学等の強光子場に基づく実験的研究が軟X線領域でも 可能になる 13，14) 。 （緑川 克美） 参考文献 (1) P. Saliéres, A. L’Huillier, P. Antoine, and M. Lewenstein: “Study of the Spectral and Temporal Coherence of High-Order Harmonics,” in Atomic, Molecular, and Optical Physics 41, edited by B. Berderson and H. Walther, Academic Press, San Diego (1999) pp. 83-142. (2) P. Corkum: “Plasma Perspective on Strong-Field Multiphoton Ionization”, Phys. Rev. Lett. 71, 13 (1993) 1994. (3) Ch. Spielmann, N. H. Burnett. S. Sartania, R. Koppitsch, M Schnürer, C. Kan, M. Lenzer, P. Wobrauschek, F. Krausz: “Generation of Coherent X-rays in the Water Window Using 5-Femtosecond Laser Pulses”, Science 278, 24 October (1997) 661. (4) P. Saliéres, A. L’Huillier, and M. Lewenstein: “Coherent Control of High-Order Harmonics”, Phys. Rev. Lett. 74, 19 (1995) 3776. (5) Y. Tamaki, Y. Nagata, M. Obara, and K. Midorikawa: “Phase-Matched High-Order-Harmonic Generation in a Gas-Filled Hollow Fiber”, Phys. Rev. A 59, 5 (1999) 4041. (6) Y. Tamaki, J. Itatani, Y. Nagata, M. Obara, and K. Midorikawa: “Highly Efficient, Phase-Matched High-Harmonic Generation by a Self-Guided Laser Beam”, Phys. Rev. Lett. 82, 7 (1999) 1422. (7) Y. Tamaki, J. Itatani, M. Obara, and K. Midorikawa: “Optimization of Conversion Efficiency and Spatial Quality of High-Order HarmonicGeneration”, Phys. Rev. A 62, 6 (2000) 063802. (8) Y. Tamaki, J. Itatani, M. Obara, and K. Midorikawa: “Highly Coherent Soft X-Ray Generation by Macroscopic Phase Matching of High-Order Harmonics”, Jpn. J. Appl. Phys. 40, 11A (2001) L1154. (9) E. Takahashi, Y. Nabekawa, T. Otsuka, M. Obara and K. Midorikawa: “Generation of Highly Coherent Submicrojoule Soft X-Rays by High-Order Harmonics”, Phys. Rev. A 66, 2 (2002) 021802(R). (10) E. Takahashi, Y. Nabekawa, T. Otsuka, M. Obara and K. Midorikawa: “Generation of 10-mJ Coherent Extreme-Ultraviolet Light by Use of High-Order Harmonics”, Opt. Lett. 27, 21 (2002) 1920. (11) E. Takahashi, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa: “Generation of High-Energy High-Order Harmonics by Use of a Long Interaction Medium”, J. Opt. Soc. Am B 20, 1 (2003) 158. (12) R. A. M. Keski-Kuha, C. M. Fleetwood, and J. Robichaud: “Performance of High-Density Cast Silicon Carbide in the Extreme Ultraviolet”, Appl. Opt. 36, 19 (1997) 4409. (13) K. Ishikawa and K. Midorikawa: “Two-Photon Ionization of He+ as a Nonlinear Optical Effect －97－ 目次へもどる in the Soft-X-Ray Region”, Phys. Rev. A 65, 4 (2002) 043405. (14) T. Nakajima and L. A. A. Nikolopoulos: “Use of Helium Double Ionization for Autocorrelation of an XUV Pulse”, Phys. Rev. A 66, 4 (2002) 041402(R). 4.5.2 位相制御技術 レーザの位相制御技術は最近大きな進歩を遂げた。従来から周波数制御の研究は，主に周波数標準や原子 冷却の研究に関係して，優れた小数の研究者が着実な技術開発を行ってきた。単一周波数レーザの位相制御 から，モードロックレーザの周波数，位相制御に拡大するにいたって，その応用範囲と有効性はきわめて巨 大なものとなった。他方，位相制御された複数レーザではコヒーレントビーム加算も可能であり，位相同期 アレイの研究等も具体的な研究が登場するようになった。本稿では，これらの概要について将来する。 (1) 単一周波数発振レーザの位相制御 単一周波数発振の位相制御には，超高反射率ミラーを用いた基準共振器による周波数，位相弁別技術と， PZTやVCM（Voice Coil Motor）による共振器長調整(低周波領域)，AOMによる中間周波数領域，EOMによる高 周波領域の周波数，位相制御を組み合わせて，周波数，位相制御を行う。これらの方法をPound-Drever法と いうが，連続発振レーザの安定化技術には，ほとんどこの方法が用いられている。例えば，重力波検出用に 開発されたTAMA300用マスターレーザでは，10W出力の量子限界の安定度を実現している。図4.5.2.1のように 2台の位相制御レーザをコヒーレント加算する試みもなされている。1） 図4.5.2.1 周波数安定化レーザの位相制御 (2) フェムト秒レーザの位相制御 過去5年間の位相制御レーザ技術の進歩は， 超短パルスモードロックレーザの位相制御が可能となったこと である。モードロックレーザではパルス幅が短くなるにしたがって，スペクトルが拡大し，相対位相が固定 された何10万本という縦モードが位相同期されて発振する。これらの縦モード間の結合は非常に高精度で， これまでのところ相対位相誤差は18乗以上だといわれている。したがって，縦モードの1本を正確に制御して －98－ 目次へもどる 周波数や位相を制御すれば，とりもなおさず，共振器間隔で決まるモード間隔 ∆ν = c 2 L おきに周波数，位 相が制御された周波数マーカーが発生することになる。 フェムト秒レーザのモードロックパルスになるとバンド幅内に複数の周波数標準を持ち込むことが可能と なり，モード間隔自身を周波数標準で構成することが可能となる。これにより何10万本という多数の周波数 マーカーは原子や分子の共鳴周波数で決まる周波数標準と直接的に関連づけられるようになった。実際，こ れらの手法は光通信の1.55μm帯の周波数標準を精密に決定する際にも用いられた。2) 図4.5.2.2はその例で，Er添加ファイバーレーザと各々周波数標準13C2H2のP(16)線(1542nm)，85Rb 5S1/2 5D5/2(778nm)に同調された半導体レーザを位相同期して，それらの間の周波数をカウントすることで，アセチ レン分子のP(16)吸収線のスペクトルをf = 194 369 569.4 MHz，確度0.1MHzに定めた。この結果は2000年秋 の国際度量衡会議で正式に周波数標準として認められた。フェムト秒レーザパルスのバンド幅が広いので， 第2高調波を発生させることにより13C2H2のP(16)線(1542nm)，85Rb 5S1/2 - 5D5/2(778nm)という2つの周波数標 準によって，縦モード間隔も正確に求められるようになったことは重要なことである。 Si PD Si APD counter 1 counter 3 LD1 (778 nm) 85Rb 5S1/2 - 5D5/2 Mode-locked fiber laser + SHG Grating EDFA DM OSC. ~50MHz LD2 (1542 nm) 13C H 2 2 P(16) counter 2 Mode-locked fiber laser Grating InGaAs PD LD2 13C2H2 P(16) LD1 85Rb 5S1/2 - 5D5/2 SH of ML laser ~ 50 MHz 1556nm 778nm 1542nm 図4.5.2.2 モードロックパルス光通信帯周波数マーカーと 周波数標準 13C2H2 P(16) and 85Rb 5S1/2 - 5D5/2 このような技術は，Th. Udem, T. Hanschや J. Yen, J. Hallなどによって開発され，Optical Clockや光 シンセサイザ，さらに水素原子のリュドベルグ定数の精密測定の研究として発展した。近年，モードロック レーザよりもさらに広帯域のコヒーレント光を発生させることのできる技術として，光コムが研究されてい る。コム発生器はマイクロ波やRF領域ではよく使われるもので，側帯波を発生させることで，バンド幅を広 げて行く手法である。非線形光学結晶にRF周波数のコム発生をさせる技術は，日本によい研究があり，小林 （阪大） ，興梠（東工大）などが先駆的な研究をしている。3)コム発生器を制御して，パルス波形の制御を行 うような研究も行われてきた。興梠は光ファイバー内に発生させた白色光による光コム発生器を応用するこ とを提案し，実験を行っていたが，これらの研究に着目したHanschらは興梠をマックスプランク研究所に招 聘し，これらの技術を飛躍的に高めた。ちょうど，フォトニックファイバーが開発され，光ファイバーの分 散制御を人為的に行うことが可能になった時期でもあり，ドイツ，日本，そして，英国の技術を集めること で，フェムト秒レーザモードロックレーザの位相制御＋光コム発生技術＋フォトニックファイバーによる超 広帯域白色光を組み合わせた位相同期レーザ技術が開発された。4) フォトニックファイバー内で白色光を発 －99－ 目次へもどる 生する機構は自己位相変調であり，基準となっている高強度フェムト秒レーザ光による非線形パラメトリッ ク現象なので，発生している広帯域白色光には，コヒーレンスが転写されていて，広帯域光コムとして機能 する。 J. Ye, J. Hallのグループは共振器へのフィードバック技術を駆使して，モードロックレーザのパルス列 の安定化もできることを示した。5) これによって従来は単一周波数レーザのみで行われてきた独立レーザ間 のコヒーレント制御や加算，さらにフェムト秒パルス内の電界位相の制御すら，外部制御によって可能なこ とが方向が示され，位相制御されたフェムト秒レーザはコヒーレント光制御の極値を示すことになった。そ の結果は，一方で，超短パルスの時間ジッターの超精密制御や数サイクル電界パルス内の電界制御の可能性 を生み出した。最近では2台のチタンサファイアレ間の時間ジッターはサブフェムト秒（0.58fs）にまで達し ており，光電界1サイクルを切ったところまで位相同期が可能になった。同様に，ウィーン工科大学のKrausz らは，5フェムト秒レーザパルスの位相制御を行って，数サイクルパルス内の電界制御をすれば，光・物質間 の相互作用の電界位相制御ができることを示した（図4.5.2.3） 。6) 原子・光相互作用やトンネル効果など光 電界に依存する極限物性では，おなじ包絡線を持った超短パルスでも内部の光電界位相が異なれば相互作用 が全く異なる。数サイクルパルスやモノサイクルパルスの物理研究への応用では，位相制御技術なしには， 相互作用そのものの理解が不可能となる。今後とも，この方向の技術開発の重要性は増大し続けるだろう。 同時に，高強度パルスと多数のモードの位相制御を行っているフェムト秒モードロックレーザでは，複数 のレーザ装置の位相制御，同期運転が可能となる可能性が増してきた。これまでの単一周波数レーザの位相 制御に比べ，マルチモードであることと，強度が高いことから，非線形光学効果を利用した位相制御技術が 応用できるなど，今後の発展を期待させる要素は大きい。 図4.5.2.3 数サイクルパルス内の位相制御によって電界制御相互作用が可能になる －100－ 目次へもどる (3) コヒーレント加算 レーザがコヒーレント光を発生するものである以上，レーザ光の位相制御を行って，コヒーレント加算を するというのは，レーザそのものの原理からして当然の方向である。レーザはコヒーレントな光を発生する 装置であり，その優れた特性のすべては，位相の揃ったコヒーレント光に起源を有する。そもそも，光を発 生する光源の実体は原子である。空間中に広く分布している原子は，たとえ結晶のように規則的な構造中に 活性原子が配置されていたとしても，発生する光から見れば，配置はランダムであり，すべての原子が同じ 位相で光を放出するわけではない。入射される光の時間位相，空間位相に同期した光を，個々の原子が入射 光に誘導されて放出するために，誘導放出光は増幅されるのであり，位相が同期していなければ，原子の出 した光は互いに消耗しあってレーザ増幅をすることができない。まさに”Destructive Interference”であ る。光を強め合うためには，原子が放出する光が位相同期されていて，互いに”Constructive Interference” を行う必要がある。Constructive Interferenceで分かるように，レーザ増幅の以前にもコヒーレント加算の 考えはあり，図4.5.2.4のように光の粒子説，波動説の論争中にホイヘンスが行った2次小光源からの球面波 の重ね合わせによる平面波伝播の説明は，まさに，仮想的な光源からの球面波をコヒーレント加算して，合 成波としての平面波を作りだしたものである。 Light propagation in materials is a coherent additive process. "L A S E R" means Huygens principle Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation Stimulated emission multiplies the photon flux. Coherent Addition in Stimulated Emission Process 図4.5.2.4 レーザ増幅作用も大気中光伝播も位相同期されたコヒーレント加算の結果である 原子を光源を考えれば，レーザの増幅作用そのものがコヒーレント位相同期増幅であり，通常のレーザ増幅器 は位相同期増幅器だと考えることができる。しかし，レーザ自身がコヒーレント光源デバイスであるから，レー ザ装置を多数並列に並べ，それらの出力の位相を制御することでコヒーレントにビーム結合をすることができる はずである。これが，レーザ発明以来，実現を待ち望まれている位相同期アレイ・レーザである。レーザがコヒ ーレント光源である限り，これは実現できるべきだが，実際は，時間，空間位相を完全に揃えることがむずかし く，自由に制御する技術としては，まだ，実用化されていない。直列的な増幅器によるレーザ増幅は，レーザ装 置そのものが大口径化できるガラスレーザや炭酸ガスレーザでは有効な方法であるが，レーザの中には，本質的 に活性媒質の拡大則がないものが存在する。半導体レーザ（LD）がそれである。 (4) タルボット共振器によるコヒーレント回折結合 LDが高効率に動作する機構は，電流と光を極小の活性媒質内に閉じ込めるヘテロ構造にある。高い電流密 度による高エネルギー注入と， μmサイズに閉じこもった強い光による高効率エネルギー引き出しがLDの高出 力高効率特性を決定する要素である。LDを高効率化しようとして，活性領域を巨大化することは可能だろう －101－ 目次へもどる か。活性領域を拡大して全電流量を大きくすると，電流が誘起する磁場との相互作用によって，大電流密度 を均一に流すことができなくなる。また，光の閉じ込め効率は低下し，たくさんの空間モードにエネルギー は分散されるようになるので，結果的に，LDの高効率性は失われてしまう。 世の中には高出力LDがたくさん存在している。しかし，それらはいずれもたくさんのLD素子を埋め込んだ ものであり，実際にレーザ光を発生している活性領域は小出力LDと同等である。すなわち，高出力LDとは， 小出力LDの高密度実装をされたものにすぎない。ならば，LDを組み合わせて高出力かつ高輝度，高品質を実 現するには，コヒーレント加算をするのがひとつの方向だといえる。位相同期を行う場合，LDは位相制御が 容易だという有利な点を持っている。位相制御を電気的に直接行うことができるレーザは，LDをおいて他に ない。しかし，これまでに報告された例では，高い加算効率を得ることがむずかしかったし，何よりも，個々 のLDを結合する方法は，ビームスプリッターによるビーム重畳またはタルボット共振器などの回折光結合で あった。タルボット共振器によるコヒーレント結合は，ロシアの総合物理学研究所7)やドイツ・ポツダム大 学などで研究された。最大30W程度の出力まで成功しているが，外部共振器で制御するには，LDの端面反射に よる自発発振の抑制が重要である。原理実証実験としては非常に重要であるが，これらの方法では，LDは通 常の固体レーザと同等であって，外部共振器を持っているので，LDの利点が消えてしまうのが問題である。 (5) コヒーレントビーム結合 LDアレイのコヒーレントビーム結合では，米国のMITリンカーン研究所8)やAculight9)が熱心に研究をして いて，最新の研究では，400個のLDのSpectral Beam Combiningを実現し，結合効率75%で，<1.5xDLの高輝度 ビームを計測したという。 これらは位相同期アレイとして， ターゲット探索などの応用に利用されるという。 ただし，LDアレイに回折格子を結合素子として外部共振器を構成しており，並行ビーム部分でビーム結合が されているものの，個々のLD間のコヒーレント結合は行っておらず，まさにスペクトルの違いを利用したビ ーム結合技術となっている。 In-phase supermode 80% power in NA=0.15 objective Far-field N×P 2nd clad 1st clad LD pump Slope eff. >65% 図4.5.2.5 マルチコアファイバーの位相同期発振 米国のChen, A. Liu10)らはマルチコアファイバーレーザのコヒーレント結合に成功した。図4.5.2.5に示し たように，中心コアを囲んで6本のコアを周辺に配置し，それらの間をエバネッセント結合させながら外部共 振器でレーザ発振をさせた結果， 中心ピークに5倍以上の光強度を集中させたコヒーレント家号発振に成功し た。このようなエバネッセント結合型レーザは，マックスボルン研究所などでも研究されており，こちらで は， マルチコア型ファイバーレーザでも， ファイバーの周辺部に配置されたマルチコアでレーザ発振を行う。 エバネッセント結合型のレーザ発振は，以前にはCO2レーザのような長波長レーザ，しかもマルチビーム導波 －102－ 目次へもどる 路型レーザで研究されたが，ファイバーレーザでは1μm領域でもそれらが可能になったことを示している。 しかしながら，このような方式は，非常にデリケートな調整が必要で，同時に，ファイバーレーザではあっ ても，曲げることはできない。むしろ，長さが1mを越える長尺の固体レーザと考えるべき動作条件となるの で，より一層の研究が必要である。今後はフォトニックファイバー構造との組み合わせも考えられ，光伝播 における径方向共振条件の導入など，今後の可能性は大きいといえる。 (6) 多束ファイバーレーザのコヒーレント結合 単一のコヒーレント光源を分岐して，複数の増幅器で並列増幅すれば，その出力ビームはいずれも同じ周 波数を持っているので，それらの間の位相調整をすれば，位相同期のかかったコヒーレント結合ができるこ とは容易に理解できる。実際に，ドイツなどでは単一周波数YAGレーザの出力をファイバー増幅器で高出力化 しているので，それらの技術を並列化すれば，コヒーレントアレイを作ることも原理的には可能である。た だし，このような方法では，最終段階で位相調整光学系が必要となり，かなり複雑なシステムとならざるを 得ない。 多束ファイバーレーザのコヒーレント結合が理想的に行くには， ビーム数が膨大になる必要がある。 その際には，できれば，多数のレーザビーム間に自動的位相同期がかかるのが理想的である。このようなこ とは可能だろうか。 Loss Loss Loss Loss Loss Loss Loss Loss Loss Loss Loss Loss Loss Loss Simultaneous coupling with a N×N coupler N≦8 Switching is possible. Cascaded coupling with 2×2 or 4×4 couplers N=arbitrary Limited switching 図 4.5.2.6 多束ファイバーレーザのコヒーレント加算 白川，植田（電通大）11,12)らが進めてきたファイバーレーザのコヒーレント結合の研究はその可能性を示して いる（図4.5.2.6） 。白川らは単一モードファイバーレーザをファイバー結合器を組み合わせたネットワーク型複 合共振器内でコヒーレント結合させた。最初は2本のファイバーレーザの結合から始め，4本，8本のファイバー レーザを結合させて，位相同期したレーザ出力を得た。個別にはファイバー共振器に取り付けたFBG（ファイバ ーブラッグ回折格子）の特性の差から，異なった波長で発振しているレーザ出力が，コヒーレント結合して，同 一波長でレーザ発振するようになる。面白いことは，出力端の光フィードバックに端面反射，すなわちフレネル 反射の3.5%を使っている条件で，出力させたくない他のポートに，例えば，屈折率整合させたオイル球を付けた り，無反射終端コネクターを取り付けて，光フィードバックをゼロにすると，そのポートから漏れだしていた出 力まで，出力ポートに加算されて，コヒーレント結合が強化されることである。これらの現象を解析するには， 複雑な共振器モードの重畳理論，すなわちスーパーモード理論を構築する必要がある。現象を理解するためには， 複合共振器のレーザ発振はどのようなモードで，発振しているのかを測定しなければならない。出力ビームのモ ードを計測するには，モード間ビートを計測することで発振モードを理解することができる。 －103－ 目次へもどる このようなモードビートの計測や理論解析の結果明らかとなったことは，長さ12mを越える共振器長で，複 数のファイバーレーザ共振器の長さ調整をすることはほとんど不可能にもかかわらず，ファイバーレーザで コヒーレント結合したレーザ発振が起こっているのは，異なった共振モード間の共通モードのみが選択的に 成長して自動的位相同期がかかっているということである。その様子を図4.5.2.7に示したが，ファイバーレ ーザの共振器長が長大なので，縦モード数は膨大な数に上り，Er添加ファイバーレーザの利得帯域の中に多 数のモードが立っている。したがって，異なった共振器長であっても，偶然同じ周波数を持つモードは必ず 存在するので，それらが自動的に選択されてレーザ発振に至るわけである。図4.5.2.7が示すところは，結果 的に，複数共振器の共振器長の差に相当する共振器モードが自動選択されることが分かる。このような機構 は，共振器長の差が数10cmにもなるファイバーレーザの特長だということがいえる。そのため，並列的なレ ーザ増幅媒質から引き出されたレーザ出力はもっとも光フィードバックの大きな単一ポートに集中して出力 される結果となる。これによって，並列増幅媒質間のコヒーレント結合に成功したということがいえる。4 本のファイバーレーザのコヒーレント結合率＝（単一ポート出力）／（個別のファイバーレーザの独立出力 の和）が96%に達するという結果は，ファイバー結合器や融着損失を考慮すると，理論通りのコヒーレント結 合が実現されたことを意味している。 j ∆ν A ν ∆ νB j+1 ν ∆νY = c δν ∆ν A = c 2nfiber LA ∆νB = c 2nfiber LB ν Y 2nfiber ∆L δν = (∆ν A + ∆ν B ) 2 = 8.6MHz Y 図4.5.2.7 共通モードによる自動的位相同期発振 さらにファイバーレーザの結合数を増加して8本にすると，図4.5.2.8のように結合効率は82%に低下した。これ はこれ以上，ファイバーレーザの数を増やしても，コヒーレント結合は低効率化して実質的な意味がないというこ とを示しているのだろうか。実験で得られたデータを元に計算機シミュレーションを行ったところ，8本のファイバ ー結合で効率が低下した原因は，FBG特性が狭帯域で，大きな共振器長の差の時には，共通モードによるレーザ発振 が大きな損失下で起こるからだということが分かった。そこで広帯域FBGを想定して計算すると，図4.5.2.8のよう な拡大則が明らかとなった。すなわち，FBGの有効バンド幅を10nmにすると，8本ファイバーのコヒーレント結合で も99%以上の効率が可能であることが分かった。ファイバー端面に多層膜ミラーをコーティングすれば，広帯域反射 は容易なので，ファイバーレーザに関する拡大則はさらに拡大できることが確実である。 このような動作はモー ドロックレーザでも可能になり，その場合は長大な共振器長を持つファイバーでありながら，モード数が選択され たモード同期レーザを発振させることも可能となる。 面白いことに，このような研究は日本，フランス，米国で独立に研究が進められ，昨年，同時に発表され た。これらの研究グループはこれまでの研究背景も，そして研究動機や応用分野が違うにもかかわらず，偶 然，完全競合研究をしていたことになる。このようなことは，研究競争上は良くあることで，研究の発展が 必然的な方向を向いていることの例証でもある。 －104－ 目次へもどる ∆λ laser=10nm 95 ∆λ laser =0.6nm 1.0 0.95 <Reff,N> <Addition Efficiency η Ν> (%) 100 0.90 90 0.85 85 ( Experiments) 0.80 80 75 1 2 3 4 5 6 7 Number of Array N 8 0.75 9 図4.5.2.8 コヒーレント加算の拡大則 (7) 位相同期アレイレーザ 多束ファイバーレーザの位相アレイレーザでは， 前述のように1本のファイバーポートに出力を集中するこ とができるが，同時に，反対側の出力には，多数の位相が揃ったレーザ光が並列ポートから出力することに なる。これらの内の2本のビームを取り出せば，ファイバー端面から回折で広がったビームはスクリーン上に 静止した干渉縞を映し出すことになる。このような干渉するビームの数を増やして行けば，図4.5.2.9に示す ように，ビームの伝播制御が可能となり，合成されたビームを集光したり，変更させたりすることができる。 これは利得媒質でビーム制御を行う本当の能動的光学素子ということができる。米国で位相同期ファイバー レーザレイの研究が盛んなのは，むしろこちらの応用に注目しているからである。これらは位相アレイアン テナのように，探索レーザビームを発生するための基礎技術であり，将来的な応用は大きい。精密な制御が 可能になれば，レーザ加工にも応用されると考えられる。 （植田 憲一） Side pumpimg Phase controled active optics Bundled fiber laser Phase controlled 2D LD array Phase control optics 図4.5.2.9 位相アレイレーザは真の能動的光学デバイスである。 参考文献 (1) M. Musha, K. Nakagawa K. Ueda, Wideband and high frequency stabilization of an injection-locked Nd,YAG laser frequency to a high finesse Fabry-Perot cavity, Opt. Lett., vol.22，1177-1179 (1997). (2) A. Onae, T. Ishikawa, K. Nakagawa et.al., Opt. Comm., vol.183, 181, 2000. (3) M. Kourogi, B. Widiyatomoko, Y. Takeuchi, M. Ohtsu, IEEE J. Quntum Electron., vol.31, 2120, 1995. (4) R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell , Optical －105－ 目次へもどる Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy, Phys. Rev. Lett., vol 85, 2264 ,2000. (5) J. Ye, J. Hall, Opt. Lett., vol.24, 1838, 1999. (6) A. Apolonski, A. Poppe, G. Tempea, Ch. Spielmann, Th. Udem, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, and F. Krausz, Controlling the Phase Evolution of Few-Cycle Light Pulses, Phys. Rev. Lett. vol. 85, 740 (2000). (7) V. Kuzminov, V. Apollonov, A. Prokhorov, S. Derzhavin, V. Kislov, D. Mashkovskiy, Phase-locking of the 2D structures, Opt. Express, vol.4, 19, 1999. (8) V. Daneu, A. Sanchez, T. Y. Fan, H. K. Choi, G. W. Turner, C. C. Cook, Spectral beam combining of a broad-stripe diode laser array in an external cavity, Opt. Lett., vol.25, 405, 2000. (9) Aculight, Spectral Beam Combining (SBC) technology – US Patents 6,456,756 and 6,501,782, http://www.aculight.com/technology_Semi_Conductor.htm (10) P. Cheo, A. Liu, G. King, A high-brightness laser beam from a phase-locked multicore Yb-doped fiber laser array, Photonic Technology Lett., vol.13, 439, 2001. (11) A. Shirakawa, T. Saito, H. Sekiguchi, K. Ueda, Coherent addition of fiber lasers by use a fiber coupler, Opt. Exp., vol.10, 1167-1172, 2002. (12) A. Shirakawa, H. Sekiguchi, K. Ueda, Scalable coherent bam combining of fiber lasers, ASSP 2003, San Antonio, TX, US, Feb. 3, 2003. 4.5.3 回折・偏光制御技術 光加工プロセスは光電磁場と物質の相互作用に伴う現象であるから，レーザ光の強度に関係して ① 線形領域 ② 非線形領域 ③ プラズマ生成領域 に分けられる。 加工プロセスの観点からは， 線形領域では吸収過程、 非線形領域では3次の非線形性が関与し， プラズマ領域ではこれらに加えて輻射・流体応答及び相対論的応答が問題となる。これらの領域において， 相互作用プロセスはレーザ光の伝搬に左右されるので， ❶ ビーム断面での強度（振幅）分布 ❷ ビーム断面での位相分布 ❸ ビーム断面での偏光分布 が重要な制御パラメータとなる。 従って，単一ビームを集光した場合に議論を限定すると，以下の課題が抽出される。 (I) 集光パターン制御 (II) 集光スポットサイズと奥行き制御 (III) 電界分布制御 ここで，レーザビームの伝搬は一般的にはビーム断面での2次元空間と時間に依存する振幅分布と位相分布 （即ち複素振幅分布） ，及び電界の単位ベクトルの方向分布によって特徴付けられるので，上記の(I)～(II) は互いに関連していることに留意する必要がある。なお，電界分布を有するものはベクトルビームと呼ばれ －106－ 目次へもどる る。上記の議論を狭帯域レーザ光だけでなく超短パルスにまで拡げると，分散制御の概念が重要となる。例 えば，上記 (I) と(II) の両方に関係するものにベッセルビーム（非回折ビーム）があるが，位相分布制御 による分散補償が可能であれば空間的に局在した超短パルスの長距離伝搬も可能となる。 以下に、 (I)～(III)に関して概要を述べる。 (1) 位相分布制御と集光パターン制御 位相分布制御は一般的な概念であるが，ここでは集光の遠視野像を制御するための回折光学素子について述べ る。後焦平面（遠視野）での複素振幅分布は前焦平面（近視野）での複素振幅分布の光学的2次元フーリエ変換 であるから，近視野での複素振幅分布，即ち強度と位相の分布を制御することによって，任意の集光パターンを 得ることができる。ところが強度変調は損失を意味するので，ここでは位相分布のみを取り上げる。 (a) 回折光学素子 計算機速度の進展によってパーソナルコンピュータでも2次元フーリエ変換を容易に行うことができ， この 場合もっぱら離散的フーリエ変換（高速フーリエ変換，FFT）が用いられる。FFTのために回折光学素子は多 数のセグメント状に分割される。所望の集光パターンを与える近視野位相分布を求めるには，フーリエ変換 と逆フーリエ変換の繰り返しによる位相回復アルゴリズムが用いられる。位相分割をバイナリ化した場合， 回折損失の低減と非対称パターン形成のためには8～16階調以上が必要となる。図4.5.3.1は2階調（0, π） の位相パターンを石英基板上にSiO2コートしたものである。 この手法を一括レーザパターニング加工に応用する場合には，次のような課題がある。 ① 分解能の向上 ② 加工条件（レーザ波長，パルス幅，照射強度）の最適化 ③ スループットの向上 ④ スペックルの低減 最小描画線幅は集光光学系全体のF値で決まり，パターン全体の大きさは位相分割セグメントに対応するF 値に比例するので，一括加工の面積に対応して回折光学素子の最小口径が決められる。これに最適照射強度 を加味すれば所要のレーザピークパワーが求められ，スループットはレーザの繰り返し周波数によって制限 される。スペックルは多光束干渉に起因するものであるが，その低減あるいは回避の方策としてレーザビー ムのコヒーレンスを下げる方法がある他， セグメント毎に直交2成分の偏光を個別配置してセグメント間の相 関をなくす方法（zero-correlation mask）が提案されている 1) 。 －107－ 目次へもどる パルス レーザー 光 回折光学素子 集光レンズ 集光パターン 図4.5.3.1 光学的フーリエ変換による集光パターン制御 (b) 空間光変調器 集光パターン制御による一括加工は，上記のような大量生産のみならず少量多品種対応の加工にも応用可 能であり，そのためには液晶位相変調器（空間光変調器 SLM）が有用である。SLMのレーザ損傷閾値は低いの で，比較的小出力のレーザビームを位相変調した後に増幅し集光する必要がある。この際，SLM，増幅器及び 集光レンズに至る光路では像転送を行う必要がある。また，現在市販されているSLMは開口2×2cm2，画素数 はXGA対応までであるので，加工面積には自ずと制限があるものの，コンピュータ制御で加工パターンを容易 に変更できるのが大きな利点である。 (c) 光書き込み液晶位相素子 SLM以外に有望な液晶素子としては，光書き込みの回折光学素子がある。これは液晶セル基板の配向膜に光 異性化反応を生じる物質をドープし，配向膜の異方性を直線偏光の紫外線でパターニングするものである2)。 本手法を用いると，図4.5.3.2(a)のように液晶分子の配向方向を制御することが可能であり，複屈折を利用 すると位相差πの領域を作ることができる。同図(b)は，位相差0，πを2次元配列して作成した2値キノフォ ルム位相素子の例である。 phase = 0 phase = š 位相分布設計 像再生 液晶配向方向 0次 位相差 設計遠視野像 (a) 測定遠視野像 (b) 図4.5.3.2 光異性化反応を利用した液晶分子の配向制御 (a)と2値キノフォルム位相素子の例(b) －108－ 目次へもどる (d) 光書き込み液晶偏光素子 なお，この光異性化反応を利用すると，レーザ光の偏光を空間的にパターン化できる。液晶分子を入射面 で平行配向，出射面では局所的にツイストさせると，例えば図4.5.3.3のようにチェックパターンの偏光制御 （直交ニコルで観測した結果。白と黒の部分で偏光は互いに直交。PCP: Polarization control plate）が可 能となる。 同図(b)は， スペックル強度分布の確率密度関数であり， 直交偏光は干渉しないことを利用すると， 完全発達したスペックル（白丸）のコントラストを30%低下させることができる。 1 理論曲線 N=1 N=2 0.8 without PCP σ = 0.97 with PCP σ = 0.68 確率密度 0.6 0.4 0.2 0 8 cm 0 1 2 3 4 5 規格化強度 : I / 〈 I 〉 (a) (b) 図4.5.3.3 ネマティック液晶分のツイスト配向のパターン化(a)と直交2偏光によるスペックルの低減(b) (2) ベッセルビームとスポットサイズ及び奥行き制御 (a) 非回折ビーム レーザ光の応用では，発振器の基本モードである TEM00 モード（ガウスビーム）が一般的に用いられ，ビ ーム品質（M2）もガウスビームを基準として評価される。ガウスビームは波動方程式の解の1つであるが，他 の光波伝搬モードとしてベッセルビームがある。このビームは、光軸に向かって進行する光波と光軸から出 ていく光波の干渉として現れるものとも理解でき、微小スポットが光軸上の長距離にわたって保たれるため に、非回折ビーム（non-diffracting beam 又は diffraction-free beam3））ともよばれる。この原理から推 測しても分かるように，ベッセルビーム発生用の典型的な光学素子は図4.5.3.4に示すようなものである。ベ ッセルビームの特徴は，ガウスビームのレーリー長に比べて格段に長い距離にわたって集光が可能なことで ある。 R f 環状スリット α θ =(n-1)α ∆z=R/ θ (a) アキシコン (b) ホログラム (c) 図4.5.3.4 ベッセルビームの生成方法の例 －109－ 目次へもどる (b) 超短パルス伝搬における群速度分散補正 ホログラムによるベッセルビーム生成（図4.5.3.4(c)）において注目すべきことは，ホログラムのリング 構造による回折角度は波長に依存することである。 この波長依存性は同図(b)のアキシコンの屈折率分散に対 応するものであるが，アキシコン（プリズム）に比べてホログラム（回折格子）の分散は非常に大きい。従 って，リング状ホログラムからの回折光がもつ群速度分散が後方に置かれた媒質の群速度分散をキャンセル できれば，図4.5.3.5に示すように，超短パルスを光軸近傍に局在させたまま長距離にわたって伝搬させるこ とができる4)。このようなパルスは Bessel-X pulseとよばれ，負（又は正）の群速度分散を有する回折波を 発生する素子は Lensacon5)ともよばれる。 伝搬方向 120 µm (a) 400 fs (b) 図4.5.3.5 BK-7ガラス中のベッセルXパルスの伝搬．初期パルス幅は30fs， 伝搬距離は1.2 cm (a)及び3.6 cm (b) (c) 微小スポット ガウスビームの集光スポットはガウス型であり回折リング構造をもたない利点がある。強度に依存する加 工特性を利用すれば回折限界スポット以下の微細加工も可能であるが，スポットサイズそのものを回折限界 以下にする努力がなされている。代表例として，境界回折波を用いてビーム発散角を低減させる方法と，ド ーナツビーム（後述）を集光する方法がある。 開口の境界回折波は遠視野において開口を通過伝搬する光波（幾何学的ビーム）と干渉する。このとき， 境界波は入射ビームに対して位相差πをもっているので，幾何学的ビームに位相πを加えると両者は同位相 となる。すなわち，透明誘電体基板に境界がシャープな位相差πの円形パターンをコートし，これをビーム 中に挿入する。ガウスビームのサイズと円形パターンのサイズ比を最適化すると，入射ガウスビームに比べ て出射光の発散角は約半分，中心強度は約3倍になったとの報告もある6)。なお，このような共振器外でのベ ッセルビーム発生法に対して，レーザ共振器内に半波長位相板を設置する方法もあり，CO2レーザでの実験で 等価的 M2＝0.3が報告されている7)。 (3) ラゲールビーム（光の渦） 位相分布制御の中でも際だって特徴的なものにラゲールビームがある。これは，光軸のまわりに一回転し た時に位相が2π（あるいはその整数倍）変化するものであり，図4.5.3.6(a)のように等位相面が螺旋構造を とり，光の渦（optical vortex）ともよばれる8)。ビーム断面での強度包絡線がガウス分布を有する光の渦 はラゲール・ガウスモードであり，光軸に対して回転対称な座標系での波動方程式の解の一種である。従っ て，ラゲール・ガウスモード（LGm,n）は，直交座標系での解の1つであるエルミート・ガウスモード（HGm,n） －110－ 目次へもどる と互いに変換可能である。ラゲール・ガウスビームは光軸上の強度がゼロのドーナツ形をしているので，原 子・分子のトラッピングに利用される他，等位相面の螺旋構造に起因する角運動量を利用して微粒子の回転 に応用されつつある9)。ラゲールビームの発生方法としてはエルミート／ラゲールモード変換の他に，ホロ グラムや螺旋位相板がある。図4.5.3.6(b)の螺旋位相板は，石英基板の上に16ステップのSiO2コートを施し たものである。 螺旋位相板の位相分布 光の渦 螺旋構造の等位相面 １波長 エネルギー流のねじれ構造 (a) (b) 図4.5.3.6 ラゲールビームの位相構造(a)とそれを発生させる素子の例(b) (4) 偏光分布制御（軸対称偏光） 一般的に導波路モードとして知られているTEM01*モード（図4.5.3.7）は，ビーム中心から半径方向（ラジ アル）もしくは動径方向（アジミュサル）に偏光方向を持つことから軸対称偏光と呼ばれている。近年，レ ーザ技術の進歩からビーム断面内に位相分布や偏光分布を容易に与えられるようになり，高強度軸対称偏光 レーザが発生できるようになった。レーザによる金属の切断において，これらの軸対称偏光と従来の直線偏 光との加工特性の違いが明らかになりつつある10)。特にラジアル偏光ビームを集光すると，その焦点近傍に 光軸方向の電場を生じる11)。この縦電場の応用として，誘電体絶縁破壊の制御の可能性や分子配列のプロー ブ12)が上げられる。また，ラジアル偏光モードと前述のベッセルビームの組み合わせとして，ドーナツベク トルビームがある。図4.5.3.7(a)の強度分布を最適化し，明るい光学系で集光すると回折限界をはるかに超 えた微小スポット（面積で0.1λ2）が可能である13)。 (b) (a) 図4.5.3.7 軸対称偏光ビーム (a): radial 偏光，(b): azimuthal偏光 －111－ 目次へもどる (5) まとめ 以上述べたビームモードは，図4.5.3.8に示すように相互に変換可能である。モード変換には多くの方法が あるが，制御性を考慮すると液晶素子が有望である。レーザ光の位相・偏光分布を制御して従来にないユニ ークな加工形状を得たり，多様な加工ニーズに対応するには，図4.5.3.9のように位相・偏光分布及び空間周 波数フィルタリングをコンピューターでリアルタイム制御し，用途に応じて位相制御素子あるいは偏光制御 素子を加工機の直前に付加するシステムが考えられる。このようなシステムを構築するには，上記のハード に加えて以下のようなソフトの充実が不可欠である。 ① 加工の位相・偏光分布依存性に関する実験データベース ② 位相分布を有するベクトルレーザビームの簡易解析手法 ③ ベクトルレーザビームと物質の相互作用を記述する計算機コード ラゲール・ガウス (LG) モード エルミート・ガウス (HG) モード 直線偏光 円偏光 螺旋位相板 Radial 偏光 Azimuthal 位 相 歪 み 制 御 素 子 回折光学素子 旋光素子 偏光 0次 軸対称偏光 高次 非回折ビーム 図4.5.3.8 種々のレーザビームモード間の相互変換 位相制御器 偏光制御器 空間周波数制御器 発振器 加工機 増幅器 像転送光学系 PC 位相素子 偏光素子 図4.5.3.9 位相・偏光制御レーザ加工システム －112－ 目次へもどる 上記の様々な回折制御技術を統合したロードマップを図4.5.3.10に示す。回折（2次元位相）制御技術に関 しては，レーザ光の持つ特性を電子的にリアルタイム制御可能な素子を開発し，それらをプログラマブルな システムとして組み合わせ，任意の材料に対して最適な条件でフィードバック制御できる光加工システムと して統合してゆくのが今後の方向性であると考えられる。もちろん，制御素子は発振器の内部或いは外部に 置かれても良くレーザ媒質に最適なシステム化が施されるべきである。また，フィードバック制御のために は，加工現象の物理モデルとデータベースに基づいた計算機予測技術が不可欠であり，同時に超微細加工を 可能とする回折ビーム発生技術・集光技術の開発を進めるべきであろう。最終的には，これらを一体とした “誰にも扱えるどんな材料のどんな形態にも最適な条件で再現性良く”三次元の微細加工が可能なビーム発 生・制御・加工システムとして生産現場に普及することが期待される。 （宮永 憲明） 2000 2005 2010 2015 2020 2次元位相制御技術 高耐力電子位相制御素子 高耐力電子偏光制御素子 アダプティブ位相結合 広帯域位相制御素子 プログラマブル光制御 高速能動波面制御素子 フィードバック型光制御 内蔵型共振器 波形制御素子 計算機予測技術 加工現象のモデル化 統合予測コード 加工データベース 回折制御技術 ガウスビーム ラゲール・ガウスビーム ベッセルビーム 超回折ビーム 極 限 微 細 三 次 元 加 工 ビ ｜ ム 図4.5.3.10 位相・偏光・回折制御技術のロードマップ 参考文献 (1) S. Skupsky and T. J. Kessler, “Speckle-free phase plate (diffuser) for far-field applications”, J. Appl. Phys. 74, 7 (1993) 4310. (2) M. Wayne, et al., Nature, 351, (1991) pp.49-50. (3) J. Durnin, et al., “Diffraction-free beams”, Phy. Rev. Lett., 58,, 15 (1987) 1499. (4) H. Sonajalg, and P. Saari, “Suppression of temporal spread of ultrashort pulses in dispersive media by Bessel beam generator”, Opt. Lett., 21, 15 (1996) 1161. －113－ 目次へもどる (5) V. P. Koronkevich, et al., “Lensacon”, Appl. Opt., 34, 25 (1995) 5761. (6) S. Wang, et al., “A new beam produced by CO2 laser”, Optik, 101, (1996) 84. (7) C. Pan, and S. Wang; “A CO2 laser with Me2<1”,Optik, 101, (1996) 184. (8) L. Allen, et al., “Orbital angular momentum of light and the transfer of Laguerre-Gaussian laser modes”, Phys. Rev. A45, 11 (1992) 8185; Z. S. Sacks, et al., “Holographic formation of optical-vortex filaments”, J. Opt. Soc. Am., 15, 8 (1998) 2226. (9) H. He, et al, “Direct observation of transfer of angular momentum to absorptive particles from a laser beam with a phase singularity”, Phys. Rev. Lett., 75, 5 (1995) 826. (10) V. G. Niziev and A. V. Nesterov, “Influence of beam polarization on laser cutting efficiency”, J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) 1455. (11) Q. Zhan and J. R. Leger, “Focus shaping using cylindrical vector beams”, Opt. Express, 10, 7 (2002 324. (12) L. Novotny, et al.,”Longitudinal field modes probed by single molecules”, Phys. Rev. Lett., 86, 23 (2001) 5251. (13) S. Quabis, et al., “Focusing light to a tighter spot”, Opt. Commun., 179, 1-7 (2000) 1. －114－ 目次へもどる 4.6 放射光発生・利用技術 4.6.1 放射光自由電子レーザによる光加工の現状 (1) 放射光 現在殆どの放射光施設では国内外を問わず，その産業応用としてX線リソグラフィーとLIGA，TIGAによる マイクロマシーニングが行われている。 たとえばNewSUBARUでは放射光を用いた縮小光学系によるリソグラフ ィーで56nmの線幅のパターン作成に成功している。また立命館大学の施設では以下のような光加工が可能で ある。また，住友電工においてもLIGAプロセスによる研究と商品化が行われている。 ア ス ペ ク ト 比 100の Ni構 造 体 ニードル形状の微細構造体 高さ200μm/幅2μm 製作条件 製作条件 構 造 PMMA （ 高 さ 体 500μm） 構造 Ni（高さ200μm） 体 導 電 Ti （ 膜 層 0.05μm） 製 作 平面パターン断 方法 面転写法 厚 ドー 14.4Amin ズ量 電 鋳 スルファミン酸 浴 Ni(37℃) 現像 GG現像液（37℃） 液 電流 1.0A/dm2 密度 直 径 1mmの マ イ ク ロ ワ ブ ル モ ー タ 自 由 曲 面 加 工 し た PMMA構 造 体 最小ギャップ2μm 製作条件 製作条件 構造 Ni（高さ100μm） 体 導 電 Ni （ 膜 層 0.05μm） 厚 電 鋳 スルファミン酸 浴 Ni(37℃) 電流 3.0A/dm2 密度 構 造 PMMA （ 高 さ 体 100μm） 製 作 移動マスク+斜 方法 め照射(39℃) ドー 15Amin ズ量 現像 GG現像液（39℃） 液 図 4.6.1 LIGAによる加工の一例 放射光をこのような半導体プロセスに利用するメリットは価電子や内殻電子を選択して励起し，これによ り生じる物質の化学変化を積極的に利用できる点と，放射光の高強度，高平行性，超高真空環境により，通 常では得られない清浄性，微細性，低温等のユニークな半導体プロセスが行われる。すなわち ● 非加熱半導体プロセス 薄膜形成，低温エッチング，不純物ドープ ● 3次元デバイス 機能一体化デバイス，フォトニック結晶，テラヘルツデバイス －115－ 目次へもどる ● ナノストラクチャー 超格子構造，量子細線，量子ドット などが，放射光を用いた光加工として考えられている。 光源装置に関しては，その建設コストや維持管理コストの高さが一番のネックとなっていることは古くか らの状況であり，放射光による加工が普及していない大きな原因でもある。これまでに立命館大学の装置の ような小型放射光装置が幾つか試みられ，稼働しているが，放射線遮蔽までを含めた光加工用テーブルトッ プ機はまだ実現されていない。文科省での小型加速器の開発プログラムが立ち上がっており，実用に耐えう る装置の出現が期待されるが， ここ数年での実用化は困難が予想される。 放射光を用いた光加工に関しては， 照射野の狭さから来る加工速度の遅さがネックとなっている。但し，電総研（現産総研） ，旧SORTEC，住友電 工による波動リング法により，ある程度の進歩が見られた。挿入光源により，光の強度をあげる事は可能で あり，超微細加工に対しては非常に有効な手段になるが，照射野の拡大は更に困難になり技術開発の必要性 が，小型化と並んで依然存在している。 (2) 自由電子レーザ 自由電子レーザ（FEL）を使ったレーザ加工は，現状では，米国において一部の分野で実証研究がなされて いるが，国内では実際にはあまり多くなされていない。その理由は，これまでのレーザ加工の多くが熱的な プロセスを用いており，FELを用いる必要がさほど無かったからである。しかし，幾つかの過去の基礎的研究 から，多光子吸収現象を利用した分子の直接解離が起きることが知られている。このことは放射光による光 加工と同様に，直接的な分子結合の切断，すなわち非加熱半導体プロセスが，FELを用いても可能であること を示唆している。更に，光源の開発状況によれば，X線領域までのFELが利用可能になる可能性もあり，高出 力短波長レーザとして半導体リソグラフィへの応用は十分考えられる。以下は自由電子レーザ研究所におい て実際に試みられた光加工の例である。 レーザ加工（穴あけ，切断，溶接） 表面加工 焼き入れ ダイアモンドやSiCのアニーリングによる改質 溶接プロセス（合金化，肉盛，表面溶融） 光CVD レーザ励起エッチング リソグラフィ 薄膜形成（スパッタ法，アブレーション法） ドーピング（不純物の制御，高濃度ドーピング） 殺菌（ウエハー，洗浄水） マーキング，MEMS 光加工用の光源開発については，放射光，FELともに一般に大型であり，非常に高価な装置を対象にしている 特殊性もあるため，目立った進歩は10～20年単位で成される傾向にある。現在は第3世代放射光装置に設置され た，アンジュレータ（挿入光源）からの高輝度光を用いる場合が主流であるが，今後は第4世代放射光装置が建 －116－ 目次へもどる 設されることになる。一言で第4世代放射光装置といっても，内容的にはtransverse（ビームの進行向に対して 垂直面内）方向及びlongitudinal（ビームの進行方向）方向のビーム質の向上がある。前者はビームエミッタン スをこれまでの1桁以上向上させるものであり，後者は超短パルス化である。シンクロトロン放射の超短パルス 化の方法としては，最近エネルギー回収型直線加速器を用いた方式が注目されて幾つかのプロジェクトで建設計 画が出されており，2010年ころまでにはフェムト秒のパルス幅の放射光源が実現される可能性が高い。更にコヒ ーレンシーを持たせた放射光，即ちFELを第4世代放射光と呼ぶこともある。FELに関しては，その平均出力が供 給される高周波パワーにより制限されるため，従来型の常伝導直線加速器では，デューティが低く平均出力とし ては非常に低かった。最近，超伝導の利用により，デューティの飛躍的向上が行われ，平均出力においてkWのオ ーダーに達している。今後数年間でエネルギー回収技術が確立され，MW級の平均出力が2010年頃には可能になる と見込まれている。短波長化に関してはSRFEL（蓄積リング自由電子レーザ）が主流であったが，光共振器損失 の問題があり，最近の短波長化の速度は比較的鈍い。光共振器の無い，HGHG-FEL（高ゲイン高調波発生型FEL） ， SASE-FEL（自発放出光自己増幅型FEL）によりサブnmまでの短波長レーザが発振可能になると予想されている。 更なる短波長化に関しても，原理的には可能ではあるが，装置建設の費用と光の需要のバランスから考えると近 い将来において実現するのは困難と思われる。 光源開発を全く違った角度から眺めると，小型化という側面が重要になる。装置の小型化は産業応用にとって は必須の項目であり，逆コンプトン散乱を用いた小型X線源はエネルギー数～数100 keVで繰返し100 Hz，強度 Brightness(photons/s/mm2mrad2/0.1%) 1010photon/s以上を目標にした開発研究が進められている。 1030 4th Gen. SOR/FEL 1025 3rd Gen. SOR Undulator 1020 Wiggler 1015 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 year 図 4.6.2 放射光源開発のロードマップ －117－ 目次へもどる 1G エネルギー回収型 超伝導Linac Power (W) 1M 超伝導Linac 1k 常伝導Linac 1 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 year 図 4.6.3 FEL平均出力ロードマップ 1000 Wavelength (nm) SRFEL 100 HGHG 10 SASE 1 1980 1990 2000 2010 2020 year 図 4.6.4 FEL短波長化ロードマップ （大垣 英明） －118－ 目次へもどる 4.6.2 Deep X-ray Lithography ロードマップ LIGAというと，リソグラフィー・メッキ・充填プロセスを意味することになり，技術が限定されてしまう ので，最近はDeep X-ray Lithography(DXL)という用語も良く用いられる。現在のDXLを第一世代と呼び，第 三世代までをロードマップにまとめてみた（図4.6.5） 。第一世代では，まずx線露光の解像度は波長λ×マ スクとウエハーのギャップgの1/2乗で表せる。従って，単純には解像度の向上には短波長化が有効であると いえる。しかし，短波長x線はエネルギーが大きいためにレジストや基板の原子に衝突して出てくる二次電子 の量が増えるばかりでなく拡散距離も長くなり，光学像がぼやける（解像度の悪化）ことになる。このため， 一般の放射光の教科書や総説には波長7-8オングストロームが最適であると書かれている。しかし，第二世代 x線リソグラフィーではこの定説を見直し，二次電子の影響を影響を最小限にできるレジストの開発により， 広い波長域を有効に活用させることが提案されている。広い波長域の活用により，露光時間の大幅な短縮を 目指す。さらにマスク形成材料を抜本的に見直すことにより，高い透過率を持つメンブレンを有するマスク を作製する。現在，x線のマスクの価格は面積，パターンの精度，パターンのサイズ，パターンのアスペクト 比から決定されている。メンブレン部分とマスク部分のコントラストをつけるには，高アスペクト比パター ンになってしまうので，高価格になる。低アスペクト比のマスクパターンで高透過率のメンブレンを用いる ことで露光時のコントラストが良好につく。従って，高精度な露光パターンの形成が可能となるばかりでな く，深い加工が短時間で達成できる。 第三世代では，フォトリソグラフィーの常套手段である位相シフト法を導入し，さらに縮小投影を行う。 この時の集光ミラーは炭化珪素(SiC)や白金(Pt)でコーティングしたものでなく， ルテニウム(Ru)やロジウム (Rh)に変更して短波長に対する反射率を高める。図4.6.6は，産総研の放射光リング(TERAS)での露光時間を 他の露光手段の場合と比較した図である。第二世代の算出の根拠は後述のダイアモンドメンブレンの利用， 現在提案されている短波長用レジストを用いた場合のものである。また，第三世代の露光時間算出は，光源 の高輝度化（第三世代リング）と集光によるもので，無理のない目標値として示した。x線露光において，常 に議論されるのが価格の問題である。しかし，ASETでは図4.6.7に示すとおり，x線露光に要する費用はKrF エキシマレーザリソグラフィーよりも高いが， ArFエキシマレーザリソグラフィーよりも安価であるとの試算 を出している。図4.6.8は，第二世代で用いられるx線マスクの材料設計の例である。まずメンブレンとして SiN, SiCが今日，広く用いられているが，ダイアモンドに置き換えることにより著しく透過率が増大するこ とがわかる。これはシリコン原子による吸収がなくなるためである。特に短波長（高エネルギー）領域で顕 著である。ただし，現在通常に手に入るダイアモンド膜はアモルファスでないため，結晶構造を反映し平滑 でなかった。表面平滑化の一つの手法としてクラスターイオンビームの利用が提案されている。クラスター イオンビームはクラスターがダイアモンド表面で炸裂し，表面を走ることにより平滑化させる技術である。 将来的にはダイアモンド開発は目覚しい勢いで進んでおり，通常の膜形成技術により平滑表面を有する膜を 作製できると考えられている。 レジスト剤に対してもロードマップの策定が必要と思われる。ただ，半導体リソグラフィー用の材料の延 長線上にあるか，全く別の発想で開発されるのかまだ明確にはなっていないのが現状である。現在はPMMA, SU-8（エポキシ樹脂）が用いられているがこれはi, g線～KrF～ArF～F2の流れとは全く異なった発想といえ る。ニーズ（求められているもの）は，厚膜化，金属，セラミックスを充填あるいはメッキした後，剥離し やすいもの，逆にしにくいもの。現像液（アルカリ）耐性。高感度といった特徴のレジストである。ただ， これらの物性は相反するものでありすべての同時達成は困難である。例えば，PMMAでは樹脂そのものが光感 －119－ 目次へもどる 光するため，低感度であるが剥離は容易であるというのが特徴である。PMMAに感光剤，PAG(Photo Acid Generator)の導入による高感度化も期待できる。逆に，ハンドリングの観点からは，低感度というの扱いや すい。エポキシ系はアルカリ不溶で剥離困難であるが強い膜であるという特徴がある。高密度化（緻密化） による現像液耐性の向上も望まれる。最後にレジスト材料ロードマップを図4.6.9に示した。 高度化（ スループット，微細化，ナノ精度） 第三世代DXL(2010~2020) ・位相シフト法の導入 ・縮小投影 第二世代DXL(2002~2010) ・2-3 Åの短波長成分の有効利用： 二次電子を放出しない高感度レジストの開発 ・ウエハー，マスクの改良，二次電子の低減 第一世代DXL(~2001) 1/2 Ｘ線露光の解像度 (λ・g) ：波長，g: マスクとウエハーのギャップ 「７－８Åが最適波長 短波長成分：二次電子発生の要因 長波長成分：散乱の原因」というのが，「定説」だった。 2000 2010 2020 （年） 図4.6.5 Deep X-ray Lithography ロードマップ 102 露光効率 (cm2/sec) 101 光源の高輝度化・第三世代DXL(in 2020) ArF 100 10-1 10-2 g-line i-line レジストの高感度化・高解像度化 年 EUV KrF F2 第二世代 DXL (in 2010) 10-3 DXL for PMMA in 2002 Single point E-beam 10-4 10 100 1000 Resolution (nm) 図4.6.6産総研の放射光リング(TERAS)での露光時間を他の露光手段の場合と比較した場合のロードマップ －120－ 目次へもどる Mask Costs Resist Process Costs Lithography System Cost KrF ArF X-ray 図 4.6.7 各種リソグラフィーのコスト予測(ASETデーター) 1.1 1 Transmittance 0.9 0.8 SiN SiC Diamond 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2000 4000 6000 8000 10000 エネルギー(eV) 図 4.6.8 X線マスク用メンブレンの透過率 －121－ 目次へもどる 短波長化 化学増感型高感度化 2 緻密化（現像液耐性が向上） 2 Ⅹ線感度 1000mJ/cm (PMMA) 50mJ/cm （臭素含有レジスト） 解像度 100nm(PMMA) 35nm 20mJ/cm 2 10nm 現像後の表面のラフネス（現状でも500mJ/cm2以上照射すれば全てのレジストで1nm程度） ここでは100mJ/cm2での比較 30nm 10nm 1nm 2 現像後の側面のラフネス（現状でも500mJ/cm 以上照射すれば全てのレジストで1nm程度） ここでは100mJ/cm2での比較 50nm 2002 30nm 5nm 2010 2020 図 4.6.9 X線レジスト高度化ロードマップ 謝辞 本稿作成にあたり新エネルギー・産業技術総合開発機構 阿刀田技術参与兼主任研究専門員，姫路 工業大学服部教授，内海助教授にコメントをいただいた上で本稿を作成しました。お礼申し上げます。 （粟津 浩一） －122－ 目次へもどる 付録： 第４章 キーワード解説 4.2.1. 自動車・重工業分野 テーラードブランク 薄板を対象とした自動車分野で，端材の節約のためにあらかじめ板を裁断し，部材形状に近い状態に接合， または異なる板厚の部材を板の状態で接合した後に，プレス成形する部材の加工方法。溶接には抵抗溶接を 使ったり，レーザ溶接を使ったりする。現在世界各国でこの方法が採用されている。 ハイドロフォーミング 薄板を対象とした部材の成形手法で，型枠にはめた板材に静水圧をかけて型材と同じ形状の部材を成形す る手法。圧力の媒体は通常水を使用する。もとの部材がパイプ材の場合にはパイプの曲げ成形などの加工も 行うことができる。加工のプロセスが単純であり，成形精度もでることから，最近使われるようになってき た。 ラピッドプロトタイピング 紫外線で硬化する樹脂などを用いて，溶融した樹脂にレーザ照射を行い，照射部分のみを硬化して部材の 形状を作成する処方。レーザ照射位置は部材の形状情報を取り込み，正確に硬化部分を成形する。近年は樹 脂だけでなく，金属の特殊な粉末を用いて，高いエネルギ密度のレーザ照射で，部材の形状を作っていく手 法も開発されており，部材の直接製作や，金型の枠の製作などに使われるようになっている。 4.2.2.情報・通信分野 PLC Planar Lightwave Circuit，平面型光波回路の略。Si基板にシリカ（石英ガラス）を堆積させて，光導波 路を平面上に形成し光回路を構成する。屈折率が高く光が通るコア部分の寸法は，5～10μmである。ガラス 層堆積，導波路パタン形成，エッチング技術により作製する。多波長を合・分波するアレイ導波路格子（AWG） ， 熱光学効果を利用した光スイッチ（TO-SW）などが実用化されていて，光通信システムに利用されている。 AWG Arrayed-Waveguide Grating, アレイ導波路格子の略。少しずつ長さの異なる導波路を通した光を干渉さ せることにより，回折格子の機能を実現している。波長の異なる光の合・分波が可能で，光通信のキーデバ イスである。1480nmから1650nmの波長範囲において，8チャンネルの小規模低コストなものから1000チャンネ ルに至る大規模なものまでの実現している。 MEMS Micro Electro Mechanical Systemの略。LSIプロセス技術を用いて，半導体基板上に形成された，ミクロ ンオーダーの寸法を持つ微小な機械。静電気力などにより動く部分を持ち，動くことにより機能を実現する 物が多い。光技術との融合による光MEMS，バイオ分野での利用に特化したバイオMEMSなど，単純な小さい機 械を超えた発展・応用が始まりつつある。 4.2.3.半導体・電機分野 コヒーレント光 波面の揃った光でビームの発散が小さい。レンズで細いビームに絞れる性質を持つ。 －123－ 目次へもどる Nd：YAG イットリウムアルミニウムの単結晶にネオジウムをドーピングしたもので，固体レーザの励起媒質，1.064 μｍの波長のレーザを発振する。 固体非線形光学素子 BBO，LBOなどの単結晶の光学素子であり入力した光の波面を歪ませて高調波（短波長）の光を出力させるもの。 アニール 材料を再加熱することで材料の改質や結晶化をおこなうこと。 多結晶 サブミクロンから数ミクロンの結晶が多く集まったもの。 ダイシング 分割切断することで，切断装置はダイサーと呼ばれる。 ミューチップ 日立製作所が開発したサブミリ角の粉末のような微小ICチップで商品のIDへの応用が考えられている。 4.2.4 医療分野 QOL(Quality of Life) 医療で，患者の生活を楽しめないような状況において，生存期間のみを延長してもそれは医療とはいえな い。患者が療養期間中に如何に生活を楽しむか，そのような生活の質をQOLという。定量化は難しいが，一般 には入院期間を短縮し自宅療養期間を長くすればQOLが高いと考える。 PET（陽電子放出断層撮像） PETはPositron Emission Tomographyの略称で，陽電子放出断層撮像ともよばれる。体内に短半減期の陽 電子放出核種を含んだ薬剤を投与し，放出陽電子が近くにある電子と結合して消滅するときに放出されるガ ンマ線を体外で検出して，体内の薬剤の分布やその時間変化を画像化することができる。がんは生理的に活 発な組織であることから，がんに集積される薬剤を用いたPET診断では，径が5 mm以下の早期がんを発見する ことができるとともに，悪性か良性かの判断もできる。 PET用短寿命放射性同位体（陽電子放出核種） PETに用いる短半減期の陽電子放出核種として，11C (半減期20分), 13N (10分), 15O (2分) などがある。 これらを使用して脂肪，アミノ酸，たんぱく，水，酸素などを標識したものがPET用薬剤（標識剤）として用 いられる。 適応型光パルス反応制御装置（RECAPS） 英名はReaction Control system using Adaptive Pulse Synthesisであり，略してRECAPSとよばれる。こ れは，フェムト秒光パルスと物質との超高速相互作用を制御して所望の結果を得るために，適応型制御によ って必要な制御パラメータを自動的に求める手段として開発されたものである。この方法はメカニズムの詳 細が未解明の超高速相互作用であっても，先験情報なしにその相互作用の結果を所望の方向に改善するパラ メータを探索することができる。 4.3.1. ナノファブリケーション 近接場光学・エバネッセント光 －124－ 目次へもどる 波長よりも小さな物体・構造（特徴的なサイズをaとする）に光を照射したときに，その表面近傍（表面か らの距離がa以下の領域）に発生する電磁場を光近接場とよび，遠方まで到達する波（伝搬波）と局在した波 （エバネッセント波）から構成されている。特にaが光の波長よりも十分に小さい場合，エバネッセント波が 光近接場の主たる成分となる。このようなエバネッセント波が支配的となる場面，つまり波長よりも小さな 物体（構造）近傍のごく狭い領域で繰り広げられる光学現象を扱う分野を総称して近接場光学と呼ぶ。 4.3.2. フェムト秒加工 レーザブレーション レーザにより原子間の結合を熱的または光化学的に切断し，レーザ照射部の物質から原子またはイオンと して除去する過程をアブレーションという。熱的なアブレーションでは，自由電子がレーザを吸収し，自由 電子と格子イオンとの衝突により格子イオンの温度が上昇するというもので，結合エネルギーを超える温度 にあれば物質が除去される。光化学的なアブレーションでは，レーザを結合エネルギーに共鳴させ物質を除 去する。これまで，レーザ融解，レーザ蒸発，レーザ昇華，レーザ損傷，レーザスパッターリグ，レーザデ ソープションなどの言葉が対象物，蒸発量，放出エネルギー分布の違いで言葉が使い分けられていたが，い まではそれらを含めた総称として使われている。 アブレーション閾値 一般に，アブレーション閾値はアブレーションが起こるか起こらないかの境界となるレーザフルーエンス と定義され，単位としてJ／cm2が用いられる。一方，フェムト秒加工におけるアブレーション閾値ではアブ レーション率が急激に変化するフルーエンスと定義され，複数のアブレーション閾値が存在している。 多光子吸収過程 絶縁体や半導体などのようにバンドギャップをもった物質に，本来，共鳴しない長波長のレーザを高強度 化し物質に照射すると，電子は，仮想レベルを経て複数個の光子を同時に吸収でき，共鳴的に価電子帯から 伝導帯へ遷移される。この遷移過程をいう。金属の場合，多光子吸収過程により仕事関数内にある電子が自 由空間へ放出される。 4.4.1 半導体レーザ LDバー レーザダイードを多数個一列に並べて，固定したレーザダイオードの集合体。通常バーの長さは，1cm程 度。一個あたりの出力が小さいLDを並べてトータル出力を高くして取り出すことができる。またレーザダイ オードのバーを並べて面発光の状態にしたアレー状のレーザを作って更に出力を上げて，固体レーザの励起 源として利用されている。 ファイバーレーザ YAGの励起媒体がファイバ状になっており，ファイバに外部から例起用の光を，導入，ファイバ端面から 直接レーザ出力を得るレーザの発振方法。細いファイバから直接レーザが取り出せるため，集束性能はファ イバ径程度まで絞ることができる。近年急激な進歩があり，出力がKWクラスの装置が開発されている。励起 源としてLDを用いており，高い発振効率を実現している。 ディスクレーザ YAGの結晶をスライスして薄板とし，裏面側を強冷却することで，表側から入射した励起用の光や，LD光 －125－ 目次へもどる の光で励起媒体が励起され，レーザ出力が表面側に取り出せる。従来のロッド型レーザやディスクレーザに 比べて，薄板の片面を強冷却が実現できるために，レーザの発振効率は高くなる。数KWクラスの装置が既に 実現している。 4.4.2. LD励起固体レーザ MOPA Master Oscillator Power Amplifier の略。発振器で，出力は小さいが高品質のビームを発生し，その特 性を保持しながらパワー増幅を行う。 薄ディスクレーザ 固体レーザ媒質を厚さ1mm以下の薄いディスク状にして，その一面から励起光を集光して小さいスポット に利得を持たせる方式。ディスクのもう一方の面から熱を取る。発振光軸方向の熱分布が小さいので，高品 質ビームが取り出せる。励起光の高吸収タイプが合う。 薄膜レーザ 厚さ1mm程度のスラブ状の固体レーザ媒質をLDバーでエッジ部から励起する方式。LDバーの励起光と励起 面が扁平の矩形状になりマッチングがよい。幅方向は広いので不安定共振器構造とする。さらに厚さ0.2ｍｍ またはそれ以下した平面導波路レーザも報告され，高ビーム品質で，数百Wレベル得られている。 4.4.3.超短パルスレーザ フェムト秒（fs） 時間の単位で10-15秒を表す。一般的なフェムト秒レーザのパルス幅は100フェムト秒程度である。100フ ェムト秒の間に光はわずか30μmしか進まない。 チタンサファイア サファイア結晶にチタンをドープした固体レーザ媒質。 現状の超短パルスレーザで最も一般的に用いられている。 ファイバーレーザ 一般的な固体レーザの媒質はロッド（棒）やディスク（円板）のような形状をしているが，ファイバーレ ーザはファイバーのコア部をレーザ媒質としている。クラッド層に注入された励起光は，クラッド内でコア を横切り伝搬し，コア内部でレーザ増幅を行う。 周波数コム（櫛） 数多くの波長（周波数）の光（モード）を規則正しく並べる（同期させる）ことにより超短パルス列が得 られる。従って，超短パルス光のスペクトルは繰り返し周波数で決まる等しい間隔で並んだ多数の光から構 成されている。この等しい間隔でならんだ多数の光を「櫛の歯」に見立てて「光周波数コム（Comb） 」と呼ぶ。 光の波長（周波数）の間隔が正確に並んでいるため，まるでものさしのように光の波長（周波数）を測るこ とができます。この光の波長（周波数）の間隔は，１兆分の１程度の精度であるため，光周波数を精密に測 定することができる。 非線形加工 通常，レーザフルーエンス（単位面積当たりのレーザパルスエネルギー）を増やすと加工レートが増加す るが，非線形現象が起こると，わずか吸う％のフルーエンスの変化に対して加工レートが一桁変化する現象 が見出された。このような加工領域を利用することでシャープなエッジをもった加工を行うことが出来る。 －126－ 目次へもどる 非熱加工 通常のレーザ加工ではレーザ光のエネルギーが材料に吸収され熱となり物質を蒸発させる。ナノ秒以上の パルス幅のレーザで加工を行うと，プラズマ化した物質をさらにレーザが加熱し，レーザ照射部の周囲には 熱変成部が生じる。超短パルスレーザで加工する際には，プラズマが発生する以前にエネルギー注入が終了 するため熱変成領域が極めて小さくなる。実際には熱的効果で物質が蒸発しているが，従来の熱加工と対比 するために非熱加工と呼ばれている。 透明材料の加工 レーザ加工は材料にエネルギーを吸収させて物質を加工する。透明な材料では吸収が起きないため通常は 加工できないが，超短パルスレーザのようにピーク強度の高いレーザ光を集光すると，集光点近傍で多光子 吸収により加工が生じる。集光点を材料の内部に配置することで透明材料の内部加工が可能となる。 ペタワット（PW） 1015W（テラワット（TW）は1012W） 。一般的な原子力発電所の出力はギガワット（109W） ，地球規模での消 費パワーは数テラワットである。超短パルスレーザはフェムト秒という極めて短い時間にエネルギーを集中 させることができるため，ペタワットという膨大なピークパワーを実現することが出来る。エクサワットは ペタワットのさらに1000倍のパワーである。 4.4.4. 自由電子レーザ 超伝導リニアック（超伝導線型加速器） 超伝導線型加速器は，超伝導リニアックとも呼ばれ，超伝導材料で製作した空洞共振器を直線状に並べて 高周波電界で繰返し加速する高周波線型加速器である。超伝導物質で高周波空洞を製作するとその高周波損 失はゼロとなり，加速に使われる高周波電力は全量がビーム電力に変換される。このため極めて高出力，高 効率，高品質の加速が可能となる。 エネルギー回収型超伝導リニアック 超伝導リニアックは，損失が無く，高周波エネルギーをビームエネルギーに100％変えることができる。逆 に粒子ビームを減速して，ビームエネルギーを高周波エネルギーに完全変換することもできる。使用後の高 エネルギービームを加速器に再入射することによって，同じ加速器で得たエネルギー分だけ減速させ，次の ビームの加速に制御誤差内で過不足無く再利用できる。また，ビーム損失が無いので放射線発生は無視でき るほど少なく，将来「放射線」を発生しない加速器を実現できる。 4.5.1. 波長変換技術 高調波発生 固体結晶やガスなどを用いてレーザの周波数を高周波数化する技術。2倍高調波発生，3倍高調波発生，4 倍高調波発生などがあり，それぞれレーザの周波数としては2倍，3倍，4倍となり，波長としては1/2，1/3， 1/4となる。レーザの波長変換技術としては，高調波発生以外に和周波発生，差周波発生等もある。 波長変換結晶 レーザの波長を変換するための非線形光学結晶。代表的な波長変換結晶としてBBO(化学式β-BaB2O4)結晶， CLBO(化学式CsLiB6O10)，KD*P(化学式KD2PO4)，KTP(化学式KTiOPO4)結晶，LBO(化学式LiB3O5)結晶，LN(化学 式LiNbO3)結晶などがある。 －127－ 目次へもどる CLBO結晶 化学式CsLiB6O10，セシウム・リチウム・ボレート。1993年大阪大学により発見された日本発の非線形光 学結晶。4倍高調波発生，5倍高調波発生等の紫外レーザ光発生に有望な結晶で，最近の高出力4倍高調波発生 は，全てこの結晶を用いてなされている。ただし，吸湿性が高いという問題がある。 4.5.3. 回折・偏光制御技術 位相回復アルゴリズム ホログラム （回折光学素子） 透過光の遠視野像を所望のパターンとなるように設計するための簡便な手法。 ホログラムに適当な位相分布を与え，そのフーリエ変換の２乗（遠視野パターン）を計算する。位相項はそ のままにして振幅分布を所望の分布に置き換えた後に逆フーリエ変換して近視野像に戻す。ここでも，位相 分布をそのままにして振幅分布を入射光のそれで置き換える。この時，バイナリホログラムでは位相分布を 2nステップで近似する。こうして得られた近視野像をフーリエ変換し再び遠視野像を得る。遠視野像が設定 誤差の範囲内で所望のパターンに一致するまで，このプロセスを繰り返す。 SLM Spatial Light Modulator の略。液晶パネルの液晶分子の配列を電気的に制御し，１次元あるいは２次元 の位相分布を与える素子である。液晶セルへの電圧の与え方には，電極を介して直接行うタイプと光書き込 みのタイプがある。光書き込みでは，液晶セルとアモルファスSi（a-Si）層が直列に接続されており，s-Si のキャリア密度をLD光の吸収強度で変化させて液晶セルにかかる分圧を制御する。 光異性化反応 アゾ系色素（窒素の2重結合を有す）などが光を吸収するとトランス状態からシス状態（折れ曲がった状態） に遷移する。これを光異性化反応という。シス状態は一般的に不安定なので，室温でもトランス状態に戻る。 このとき元のトランス状態の配置に戻る場合と90゜近く回転した配置に戻る場合がある。光吸収はトランス 状態の分子長軸方向の偏光に対して選択性があるので，直線偏光の光を当て続けると色素分子は偏光と直交 配列することになる。液晶セルの配向膜にこのような色素をドープすると配向膜に異方性が生じ，液晶分子 が色素の配向方向に列ぶので，書き込み光の偏光方向をパターン化すると液晶の配向もパターン化できる。 4.6.1.放射光自由電子レーザによる光加工の現状 ウィグラ，アンジュレータ（Wiggler,Undulator） 高速に近い速度を持つ電子が，その運動方向に垂直な磁場中において偏向を受ける際，接線方向にエネル ギーの一部を電磁波として放出する。これを放射光と呼び，蓄積リングのような装置では電子を周回させる ために，偏向磁石を用いるがこの磁場により放射光が発生する。これに対し，放射光装置の磁場の無い部分 に短い周期で周期的磁場を存在させると，単純な偏向磁石からの放射光より輝度が高く，特性の異なる放射 光を発生させることが出来る。一般に周期磁場による電子の偏向角が放射光の広がりより大きいものをウィ グラと呼び，放射光の広がりより小さいものをアンジュレータと呼ぶ。アンジュレータ光はその放射する光 が互いに干渉効果を有するので，準単色の放射光が磁場の周期数の2乗の強度で得られるのに対し，ウィグラ ではスペクトル幅の広い放射光が周期数の2倍の強度で得られる。このことから，ウィグラは波長シフターと して用いられることが多い。 －128－ 目次へもどる HGHG-FEL(High-Gain Harmonic Generation Free Electron Laser) FELの短波長化，大出力化には光共振器を必要としないSASE-FELが考えられているが，SASE-FELの発生機構 がノイズに起因しているため，線幅等ビームの品質が問題になる。このSASE-FELビームの高品質化，制御性 の向上のために考案された。まず種（シード）レーザを導入した１段目の短いアンジュレータにおいて，電 子ビームにエネルギーモジュレーションをかける。次に分散部と呼ばれる偏向部分を電子ビームが通過する 際，そのエネルギーモジュレーションが空間的なモジュレーションに変換される。この電子ビームを長いア ンジュレータに導き，発生する高調波によりレーザ発振を行うものである。既に10µmのCO2レーザをシードに し，5µmのHGHG-FELの発生に米国BNLで成功している。 SASE-FEL(Self Amplified Spontaneous Emission Free Electron Laser) 通常のFELでは，アンジュレータのような周期磁場からの放射光を，光共振器に蓄積し，電子ビームとの相 互作用を高めてレーザ発振を行う。ここで，非常に長いアンジュレータを用いると，放射光と電子ビームと の相互作用がアンジュレータを1回通過する場合でもレーザ発振に至ることが可能になる。このようなFELを SASE-FELと呼び，光共振器を使用しないので，有効な反射ミラーが得られないような短波長のレーザでも発 振が可能である。 －129－ 目次へもどる 第5章 光加工技術普及のために 5.1 基礎研究から実用化研究へ 5.1.1 はじめに バブル崩壊後の製造業の急速な海外への生産シフト並びに東アジア等からの製品の輸入浸透度の急増に対 して，雇用問題を含む産業構造の調整が長引いており，景気回復遅延による産業空洞化が懸念されている。 このため，日本経済を活性化するための課題が国家的な命題として大きく取り上げられ1），ものづくり基盤 技術の振興や我が国に適したイノベーションシステムの構築に関する施策が種々講じられている2-3)。 21世紀社会では，量から質へ，安全・安心の確保，省エネ・環境保全といった， 「物」ではなく生活が豊か な「こと」の実現が求められてくる4)。このために，各種ネットワークの機能向上を中心として，エレクト ロニクスが果たせる役割は大きいが，いわゆる情報インフラ上に構築されるソフトウェア主体の技術開発で は限界があり，ハードウェアに軸足をおいた斬新な技術の提示4)，並びにそれらを具現するためのプロセス 技術の確立と実用化などが必要である。我が国には，企業内並びに企業間で長年培われてきたインテグラル （摺り合わせ）の製品アーキテクチャ5)や， 「手づくり」の要素に支えられた「匠」の良さがあり，これらを 加味した「知と匠の国づくり」という考え方も重要である6)。 5.1.2 実用化研究の環境整備・強化 主要国における研究費の対国内生産（GDP）の推移3)をみると，このところ日本は1位を継続しており，こ れから考えると最近の日本の国際競争力の低下減少は奇妙である。研究から実用化へのイノベーションのプ ロセスが迅速に進まない原因のいくつかは，次のようなものであると思われる。すなわち，まず大学や政府 研究機関による知の創成と企業によるそれらの継承に関する連携関係に，欧米に比べて，ミスマッチングが あると見られること，また，研究開発人口や研究費が圧倒的に企業側に遍在しており，多数の競合企業によ る横並びの防衛的要素も含む閉鎖的な企業内の研究が多く，また研究者も企業に所属していてあまり流動的 でないため，企業間では知の共有がなかなか進まず，ある面では，最近の西欧的，垂直分業型，モジュラー 型経営によるスピーディな変化への追随が困難になりつつあるように思われる。しかし，業種や製品によっ ては，全面的に西欧的なモジュラー型経営アーキテクチャに切り替えると，知財ともに国外にまで全面的に 急速に流出し，ますます空洞化が進む懸念もありうるため，業種や製品に応じて，我が国に適した適度なモ ジュラー化と新たなる企業間のネットワーク化を進め，企業群としての開発効率を高める必要がある。文部 科学省による21世紀COE制度や，産学官連携制度などの制定により，大学や政府系研究機関による知の創成と それらの企業への移転に関しては，最近かなり諸制度が整備されつつあるので，今後は実用化研究により近 いフェーズにおける企業群の一層の研究の効率化を図る諸制度の整備とその推進が必要と思われる。 その対策の一つとしては，従来よりも，より広範囲な企業群による実用研究のネットワークの構築とそれ による知の共有の拡大，並びに企業発ベンチャーの起業支援，製品安全化や信頼性向上，製品出荷に向けた サプライチェーン構築に関する諸々の支援の整備などにより，新製品開発のスピードアップ並びに新製品比 率の一層の向上などを図ってゆく必要があるものと思われる。ちなみに村田製作所では，新製品比率30%が維 持できればオール村田で国内生産比率80%を変えないで日本での生産体制を維持できる7)としている。 －130－ 目次へもどる また，企業と緊密に協力して実用化研究を推進・支援する強力な民間よりの中立的研究所の充実と育成強 化が必要である。ちなみに，高出力レーザ光源8)やレーザ加工分野の研究開発で著名な独Fraunhofer Institut Lasertechnik (ILT)のAnnual Report 2001をみると9)，サイエンティストおよび技術者86名，技術スタフ30 名，管理スタフ16名，卒業研究生89名，その他13名など，総計234名の大陣容で研究開発および実用化研究を 推進・支援しており，産業界からの研究委託等による研究資金提供も58%程度にまで高まっている。また，同 じくレーザ溶接や表面改質分野の研究開発で著名な独Fraunhofer Institut Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) のAnnual Report 2001をみても10) ， サイエンティスト96名，技術スタッフ44名，研究アシスタント68 名，その他20名など総計228名の大陣容で，レーザ加工関連の材料評価からシステム技術開発に至るまで，体 系的に研究開発および実用化を推進・支援しており，その研究資金も46%が産業界からの研究委託等によりな されている。我が国でも， （財）レーザ技術総合研究所のような中立的立場の研究所が存在するが，いまだ十 分に産業界がその研究開発機能を享受できるほどには陣容が強化されているとは言い難い。今後よりいっそ う産業界からの切実な研究委託等が高まるような，道・州レベル程度以上の広域の裾野をもった，産業界向 けに実践できる強力かつフレキシブルな実用化研究の推進・支援拠点（複数）の仕組みの整備と強化などが 望まれる。 設計の自由度が高く，高い可能性を有した光加工技術の一層の開発とニーズに即したそれらの実用化の促 進は，競争力ある魅力的な高付加価値の機械機器新製品を創出し続ける貴重な国力の源泉になる今後ますま す重要な推進課題であると考える。 5.1.3 研究開発の仕組みの新パラダイムー光加工産業の発展に向けてー レーザ加工の多くは，いまだにニッチな市場における比較的少量の利用にとどまっており，エレクトロニ クス産業や自動車産業などスケールの大きな産業におけるメジャーな加工プロセス等において大々的に用い られるまでには普及していない。とくに大きな課題は，加工用新レーザ光源ならびにその励起源たるLD等の いっそうの高信頼度化，高安定化，低コスト化などであろう。真に工業製品たる高い信頼性，高安定度を備 えた新製品の迅速な開発・実用化には，従来の大型プロジェクトでしばしばみられた大艦・巨砲型の鈍重か つ超大出力な新レーザを1～2台研究試作したらあとは終わりで民間まかせというような研究開発プロジェク トではなく，真に産業界で必要としている実用的なパワーレベルのものを如何にタイミングよく，高信頼度 化，高安定化して，すくなくともセミ量産規模で提供できるようにするかというシナリオまで正しく描いた 研究開発プロジェクトの仕組み作りが重要である。この点，加工用高出力半導体レーザ開発プロジェクトの 一つである独MDS (Modulare Diodenlaser-Strahlwerkzeuge) プロジェクトのように，加工用高輝度・高出力 半導体レーザの高信頼度化の研究やセミ量産試作もある程度大きな規模で実施できるように，光源開発と併 行してより多くの光源利用の研究開発を行うような研究開発プロジェクトの仕組み作りを大いに参考にすべ きであろう。すなわち，高信頼度かつ機動性ある実用的な新型レーザ光源の開発とその利用技術たるプラッ トフォームの開発は，あたかも高信頼度な新型高性能艦載機のセミ量産規模までの開発とその安定した離発 着を可能とする新型航空母艦の同時開発とにもたとえられよう。かつての大戦における日本の誤った戦略の 轍を再び踏むことのないよう，新しい21世紀の製造業の蘇りに相応しい，実用化への研究アプローチに関す る実効あるコンセンサスの涵養と，活力の漲った着実な実践とが望まれる。 （鷲尾 邦彦） －131－ 目次へもどる 参考文献 (1) 内閣府 編： “平成14年版 経済財政白書” ，財務省印刷局（2002） pp.161-242. (2) 経済産業省・厚生労働省・文部科学省 編： “製造基盤白書（2002年版） ” ，ぎょうせい(2002) pp.170-197. (3) 文部科学省 編： “平成14年版 科学技術白書” ，財務省印刷局（2002）. (4) 保立和夫： “21世紀COE「未来社会を担うエレクトロニクスの展開」が目指すもの“，東京大学21世紀COE 「未来社会を担うエレクトロニクスの展開」第1回公開シンポジウム講演資料集（2003.2.）pp.1-9. (5) 藤本隆宏： “日本型サプライヤーシステムとモジュール化 －アーキテクチャ論の視点から” ， （独）経済 産業研究所設立記念コンファランス「モジュール化 －日本産業への衝撃」 “講演資料（2001.7.13）. (6) 「産業空洞化」と関税政策に関する座長報告： “産業空洞化を越えるWin-Winシナリオ” ，(2002.6). (7) 村田泰隆： “新製品比率30%，モジュール化戦略を徹底” ，エコノミスト(2003.2.11) pp.4-5. (8) R. Poprawe and W. Schulz: “Development and application of new high-power laser beam source”, RIKEN Review, No. 50, (Jan, 2003) pp.3-10. (9) Performance and Results Annual Report 2001, Fraunhofer Institut Lasertechnik , Feb. 2002. (10) Annual Report 2001, Fraunhofer Institut Werkstoff- und Strahltechnik , Jan. 2002. (11) F. G. Bachmann: “Present status and future aspects of high power diode laser materials processing under the view of the German national research projects”, Proc. SPIE, Vol.3933 (2000) pp.90-104 －132－ 目次へもどる 5.2 人材育成 5.2.1 はじめに 我が国の成長産業も電子工業から，電子・光融合したデバイス・システムに関係する産業にシフトしつつ ある。それ故，光技術分野の人材の育成は重要な課題である。これなくしては，我が国の光産業の復興，発 展はあり得ない。 5.2.2 これまでのわが国の人材育成 今までの工学系人材育成は，大学学部では基礎・専門科目に関する基礎的教育（座学主体） ，大学院前期 博士課程（修士課程）では先端専門教育と研究教育，さらに後期博士課程（博士課程）の先端研究を通じた 専門教育で行われてきた。 歴史を振り返ってみると，光技術分野に限定すれば民間企業の光技術者になる学生は，従来は修士課程修 了者が主であった。民間企業の基礎研究所，総合研究所では，数は少ないが博士課程修了者も採用されてき た。国立研究所（現在 独立行政法人） ，大学教員になる光技術者は，後期博士課程修了の学生で占められて いた。古くは博士課程の学生の教育は大学教員育成が主なミッションであったので，その歴史の余韻が永く 残ったため，博士課程修了者の企業への参入が大きく貢献してこなかった。企業の研究所においても，実業 社会とは離れた基礎研究に博士修了者が投入され，価値ある学術論文を生産してきた。20世紀は，企業に資 金的な余裕があったし，株主に対する対応をしなくてもすむ時代であった。企業の研究所および国立研究所 においては， “大学教員”を育成する場にもなっていた。修士課程修了者を研究所に配属し，研究者として育 成し， 論文博士を取得するという流れさえあった。 研究成果＝論文と直結した考え方が社会に定着していた。 日本の製造業が活力を備え，資金的に余裕があったので，大学から優秀な素材（卒業生）を供給すれば， “最 終フェーズの人材育成”は企業が担っていた。そのため，従来の大学と社会の関係では大学の専門と学生の 就職の専門が直結することが少なかった。博士は使いにくいという声さえ，現在でも大企業に残っている。 大学もこの社会システムに甘んじて，努力を怠ってきたことは否めない。実業社会を見据えた基礎教育でな く，基礎のための基礎教育を行ってきた。 5.2.3 現状の人材育成の課題と新しい方向 20世紀後半から日本の電子工業が活力を失ってきた。既存の製造技術だけを基盤にした戦略では，21世紀 の日本の光産業の発展はあり得ない。欧米諸国でも，中央研究所を設置している企業の数は減少し，リスク の大きな研究はコンソーシアムおよび大学との共同研究の形態を取るようになった。研究開発のリニアモデ ルがもはや通用しなくなった。開発のスピードが一番大切な時代に突入したので，基礎研究と応用開発研究 を同時進行かつ協調してすすめ，開発期間の短縮を図る必要がある。また，企業では研究開発の場が生産現 場にシフトした。そのため，基礎的研究は制限され，アウトソーシングするようになった。アウトソーシン グの受け皿は，コンソーシアム研究か産学連携研究である。現在ほど大学の実力，先端的な英知が試されて いる時代はない。企業から社会が何を求めているかの情報を得て，目標にフォーカスした研究の深化が大学 に望まれている。この産学連携のプログラムの中で，博士課程の学生を研究教育することが望まれる。博士 課程学生が両親からの教育投資でなく，学費・給与を競争的環境で獲得できる仕組みを構築することが，資 質の高い学生が博士課程に進学する学生数を増大させることになる。すでに欧米では長い歴史のある研究シ －133－ 目次へもどる ステムである。また，ドイツでは，一旦，大学から社会に出た技術者がそこで実学を学ぶと共に，人脈を形 成し，その後に再び大学に戻ってより深く専門技術を習得し，その技術を背負ってまたまた実業界に転出す ることがドイツの光加工が世界のトップレベルである理由のひとつとして挙げられる。米国では，リバモア 国立研究所を始め，数千人規模の博士が専門分野の研究を継続する環境が整っており，それらの研究成果を 民生に転用する仕組みが機能することでハイテク産業が活性化している。 その結果， 光技術関連の層が厚く， 専門家である博士の数も多いことがあげられる。我が国でも，博士課程での研究を通じて，高度な理解力， 創造力を備えた博士課程修了者を輩出し，光産業創生を手がけるアントレプレナーが続々出現することが希 求される。さらに大学でポスドクとして研究を深められる環境の整備も必要となる。光技術はハイテクであ る。ITベンチャーの発展とともに，ハイテクベンチャーが急成長することが不可欠である。この光技術ベン チャーを起業し，株を店頭公開し，博士課程修了者のアントレプレナーが富を得る構図（および成功例）を， 将来の光技術の担い手である理工学部生に提示する必要がある。ベンチャー支援体制は，日本では最近急速 に整ってきた。喜ばしいことである。この店頭公開された光ハイテクベンチャーを大手企業が買収し，製造 技術を駆使して，大きなマーケットを醸成する。総じて，どちらかと言うと保守的なマインドを持って，研 究を楽しむ学生の博士課程進学を促進するよりも，21世紀は進取の気風を持ち視野が広く，知的所有権にも 関心のある学生を博士課程に進学させる枠組みを整備する必要がある。この課題の解を得るには，従来の大 学像である学問研究の自由と共生するような研究環境を醸成することが大切である。 5.2.4 光加工分野の面から 従来からのトリマー，マーカー，リペアーなどは，低価格競争により収益率の悪化や成長の鈍化が顕在化 しています。したがって，日本では，紫外光による半導体微細加工，非熱加工，フェムト秒レーザ加工など， 高付加価値の先端加工へのシフトが不可欠である。 以上のような施策により，ハイテク，かつ生産技術に支えられた我が国の光加工技術は，中国，台湾，韓 国などの技術を寄せ付けない状態を維持できよう。 現在では，光技術が利用されない産業分野，科学分野， 医療分野はない，と言っても過言ではない。光技術は重要な産業の基盤技術の一つである。常に発展を続け ている科学技術で，ノーベル物理学賞にも未だに数多くレーザ物理工学が登場するので，若手学生をこの分 野に誘引する魅力がある。 5.2.5 これからの人材育成への提言 前記目標を達成するためには，大学・大学院のみならず国を挙げて，早急に高度光技術に関する人材育成 に取り組まねばならない。関連の学協会も人材育成プログラムの立案・遂行に重要な役割を演じなくてはな らない。官民連携して，人材育成のためのプロジェクトを立案し，光技術の研究教育の拠点（約10拠点）を 日本の大学から選考し，集中的に人材育成を図ることが急務である。生命・バイオ関連では，文部科学省の 人材育成プログラムが推進されている。光技術は深く広い学問を必要とするので，カリキュラムの体系化を 含む新しい学問体系の確立も重要である。光技術分野の従来の科目群は，レーザ物理，レーザ工学，量子エ レクトロニクス，光エレクトロニクス，フォトニクス，古典電磁気学，量子工学，光応用工学，固体物理， 光材料工学，半導体物性などがあった。最近では，高強度光科学，フェムト秒科学，アト秒科学，レーザ医 学，ナノフォトニクス，バイオフォトニクス，ニアフィールドオプテイック，非線形プロセシング，テラビ ット光工学等が登場してきた。それゆえ，これらを体系化しなおす時期に来ている。このプログラムを成功 －134－ 目次へもどる させるためには，大学が社会の産業創造・発展のひとつの大きな役割を演ずることが必要であるという意識 改革する必要がある。また，少子高齢化が進む我が国では，留学生の大学院博士課程進学数の増大も考えな ければならない。米国スタンフォード大の工学系大学院の留学生は2001年度で学生総数の約45％に達してい る。留学生の博士修了者の英知を活用するには，我が国での起業の機会も作る必要がある。 21世紀は，知的高度技術者が社会の成長産業を担う時代である。光技術，光加工はまさに知的高度技術そ のもので，我が国のこの分野の復興，発展には高度知的技術者である光関連の専門家（プロフェッショナル） を育成することが国家の緊急重要課題である。 （小原 實） －135－ 目次へもどる 5.3 光技術普及ネットワーク 5.3.1 はじめに 我が国の大学・研究所における基礎研究能力は他国に比べて決してひけをとらない。一方，産業界での（市 場が見えている分野に対する）製品開発能力も欧米に対して劣っているわけではなく，むしろ高いぐらいで あるという評価がある。バブル崩壊以前の好況期には大企業が競って中央研究所を設立し，大学顔負けの基 礎研究を行っていた。大学は負けじと10年先，20年先を見越した研究テーマに取り組んでいた。しかし，バ ブル崩壊後，企業の中央研究所の活力が低下すると，今度は逆に大学に対して実用化に向けた研究テーマを 進めなさいという風潮が生まれ，実用性の見えない研究には資金が回らなくなってきている。学問の危機と も言える状況である。何故，このような事態に陥ったのか？ 大学にしろ，産業界にしろ，中味は同じまま にその役割の変化が急に求められる時代になってしまっている。この世の中で最も慣性の大きなモノは“人 間”であると言われている。慣性が大きい故に，体制が変わっても社会的要請が変化しても意識改革が追い つかず成果に結びついていないのではなかろうか。 これはひとえに我が国の基礎研究と実用化研究の間の （人 的，組織的，制度的）ギャップの存在に起因すると思わざるをえない。空白を埋めるがごとく経済情勢の影 響を受けて同じ人間が，組織が，慣性をひきづったままあちらへ行ったりこちらに来たりする始末である。 5.3.2 死の谷とダーウィンの海 図5.3.1に基礎研究から実用化研究へ向けての投資額の様子を示す1）。最近米国ポリシーメーカーではやり の「死の谷」の存在である。基礎研究にはそれなりに投資されており，市場が見えた実用化研究にも投資が 向かう。 （恐らく実用化研究の最終フェーズに於いては日本の投資額が米国を上回るのであろう。 ）しかし， その間の開発研究において（最も投資が必要とされているにもかかわらず）資金が充当されないという図式 である。米国では開発研究の目途がたった段階で投資が始まるが，日本はそのギャップが（特にバブル崩壊 後）大きく産業の活性化が進んでいないという現状を反映している。 投 資 額 基礎研究 Basic Research 開発研究 Development & Scale-up 実用化研究 Commercial Operation 図5.3.1 基礎研究と実用化研究のギャップ「死の谷」の存在 －136－ 目次へもどる 図5.3.1のオリジナルの脚注には 「えてして新しい技術コンセプトは不確定且つ複雑な要因をリスクとして 伴うものである。このようなコンセプトが技術的且つ経済的に成立することを実証するまでの時間を”死の 谷”と呼ぶ。この谷を如何に短時間で渡りきるかが市場における新技術開発の成功を左右する。 」とある。 「死の谷」が基 さらには， 「死の谷」の先には「ダーウィンの海」が待ち受けているとも言われている2）。 礎研究と実用化研究（革新技術）との間のギャップとすれば， 「ダーウィンの海」は革新技術が新たな市場を 形成するまでの淘汰の段階であると解釈できる。せっかく革新技術が芽生えても，それが新たな市場を形成 し成長して行くまでには幾多の荒波を乗り越えなければならず，ここでの技術支援・投資の枯渇は命取りと なるのである。 “The Darwinian Sea” The Valley of Death 基礎研究 New Business 革新技術 Basic Research Invention 革新技術 新市場 Innovation Innovation 地獄谷 (a) (b) 図5.3.2 (a)「死の谷」と(b)「ダーウィンの海」 5.3.3 三位一体の技術開発 基礎研究も実用化研究も他国にひけを取らない我が国で新たな技術革新を引き起こし産業の活性化を図る には，基礎と実用化の間に普及体制というバッファの存在が不可欠である。 「死の谷」の基礎研究岸には人材 豊富な大学・研究所が， 「ダーウィンの海」 の市場形成側にも人材豊富な産業界の事業部が存在している。 「死 の谷」と「ダーウィンの海」にはさまれた岸で悪戦苦闘している，おそらく産業の基盤を支える中小企業や 中堅企業の研究所を，効率よくサポートする体制の確立が重要となる。 産業界の方々からよく耳にすることに， 「大学の先生はどこまで技術開発をサポートしていただけるので しょうか」という懸念がある。研究としておもしろい時期には（人的，資金的サポートが得られると言うメ リットから）積極的な協力をするが，いざ実用化のための泥臭い研究段階となると， 「後は産業界の方で勝手 に進めて下さい」となる。一方， 「大学で論文も書かずに実用化研究をしても評価されない」という大学側の 言い分ももっともであろう。しかし，産業界からすれば「死の谷」の途中で放り出されるようなことでは心 許なく，先にも進めない。お互いの懸念を払拭する架け橋的な普及体制を確立し，三位一体で運営する仕組 みがこれからの国際競争の中で生き延びるために不可欠である。 －137－ 目次へもどる 5.3.4 魂のこもった普及体制 近年，産学連携が声高に叫ばれ様々な制度が整備されつつあるが，やはり大事なのは魂のこもった制度で あろう。いっとき，全国の大学に雨後の竹の子のごとくベンチャーラボが出現した。はたから見れば結局は 既存大学の研究室の出張所に過ぎず，棚から落ちてきたぼた餅でもないが最新鋭の設備が埃をかぶっていた り，少数の寡占利用に供されているように見受けられる。これだけ世間が支援体制を用意しているのにもか かわらず，ベンチャーラボ発のベンチャーは新聞をにぎわせることもない。むしろ，ベンチャーラボとは離 れたところで起業が進んでいる。これなどはハコモノ行政が大学を浸食している良い例であろう。人のやる 気がなければ物事は進まない。研究開発は道路や橋を造る建設業ではない。金のばらまきにハコモノを用意 して人が群がるところから研究開発のビジネスチャンスが生まれるのであろうか？ やはり，基本は“人→ モノ→金”で， （夢と情熱を持った）人がいて，そこにモノや支援が集まり，最終的に投資や起業に結びつ くのが本流であろう。ハコモノへの投資よりも（夢と情熱を持った）人への投資が最も効率よいものと思え るのだが。 5.3.5 ロードマップ実現のために 本ロードマップ報告書でまとめあげたことをどうやって実現していけばよいのであろうか？ 光技術を21 世紀の基盤技術として位置づけ，光加工技術を発展させ“ものづくり”日本の再生を図るために，次の2点を 提案したい。 ①. 若い目利きの養成 ②. 全国に光技術開発・普及ネットワーク拠点を設立 ここで，あえて“若い”目利きと主張した理由は，若ければ自身が現役の間に目利きの具合を目の当たり に見ることが出来るからである。そうすれば，自ずと責任感が発生し若さの強みを活かして最後までやり遂 げようとするものである。また，セカンドチャンスの機会にも恵まれるであろう。 “亀の甲よりは年の功”と は言うものの，自分の判断（目利き）結果が引退後にしか分からず自身に責任が及ばなければ“目”が狂お うというものである。定年を間近にひかえて周囲をイエスマンで固める“裸の王様”であってはいけない。 責任が伴わなければ，ゼネコン体制よろしく利益調整者が蔓延する恐れもある。風見鶏よりも利益調整者よ りも，若い責任感あふれた優れた目利きを養成するべきである。 5.3.6 全国に普及ネットワークを 光加工技術普及のための新たな体制の構築が切望される。そのための拠点を全国に数カ所設けネットワー クを展開するのである。ハコモノであってもいけない，本来の目的を達成するための魂がこもってなければ いけない。そのための拠点としての条件は ③. 大学の近くにあって大学とは独立 ④. 論文よりも実用化に対する成果での業績評価 ⑤. 技術支援スタッフの充実 ⑥. 常に利用設備を更新できる体制 ⑦. 公開できる基礎研究の推進と守秘のもとでの実用化研究の実施 ③については， 常に最先端の科学技術情報にさらされなければ革新技術支援もままならない。 かといって， どうも中小企業にとって大学は敷居の高いものであるらしいという背景がある。全国に公設試があるが，専 －138－ 目次へもどる 門知識に乏しい。産業界が気軽に訪れ，最先端の専門知識に接する環境が最も重要であろう。また，基礎研 究者のシーズと応用研究者のニーズが常に行き交う場でなければならない。さらには，ハコモノを避けるた めにプレハブ造りの拠点であっても良い。プロジェクト終了と同時に撤去できれば流動性も高まる。 ④については，拠点のメインスタッフはあくまで研究者マインドを持つべきであり，且つ研究所にありが ちの「論文も書かずに実用化研究をしても評価されない」ということを避けなければならないからである。 評価されなければ人は動かないものである。 ⑤については， 産業界と実用化研究の最後までお付き合いするために必要である。 いつでも試験ができる， いつでも試験結果が評価できる体制でなければ，研究開発のペースが上がらずせっかくの成果が時代遅れの ものとなる恐れが充分にある。また，技術支援スタッフには産業界の技術者養成・教育の役割を担わせるこ とで最先端技術の普及支援に役立つ。 ⑥については，過去に失敗例がある。ハコモノよろしく最新のレーザ装置を揃えたはいいが数年で時代遅 れとなり技術開発能力を失してしまった例があるのである。やはり，革新技術を支援するためには最新のツ ールを用意出来る体制が不可欠である。しかし，設備投資が先行してはならない。基礎研究のために用意さ れた大学の研究施設へのアクセスを容易にする体制であっても良い。 あるいは， 数年の実用化研究使用の後， 産業界に移設して実用化研究の展開に役立たせる体制であっても良い。数年で基礎研究・実用化研究で装置 を使い倒してしまうぐらいの勢いが望ましい。 ⑦は実用化研究を目指す際に注意を要する事項である。 これが曖昧であると産業界からそっぽを向かれる。 研究支援拠点であるからには， 研究とは何であるかを理解しある程度の基礎研究能力を維持する必要がある。 しかし，最終的には研究の実用化=利益であり，産業界からの投資は，しょせん自社の利益のための研究投資 であるという現実を認識して拠点は運営されなければならない。後述するが，ドイツの拠点ではうまく機能 させている。 5.3.7 欧州の先行例 ドイツは光技術を基盤技術として位置づけ国家戦略に組み込んでいる。 図5.3.3に示すようなレーザ普及ネ ットワークが政府の支援で確立しているのである。図中の多角形それぞれに拠点が設けられ，そこを中心と したネットワークが全国に張り巡らされている。拠点には数人の専任スタッフが政府の支援で常駐し，無料 のレーザ照射試験・トレーニング・セミナーが行われている。一方，有償で産業界の製品性能試験・共同研 究・成果普及を行っており，スクラップアンドビルドのプロジェクト体制で組織を維持している。この体制 により， 国土全体で中小企業に至るまでレーザ利用が普及している。 （街角の宝石屋さんがレーザを使ってい るという。 ）これによりレーザ市場が拡大し，レーザの性能向上・コスト低下が進み，さらにレーザが普及す ると行った正のフィードバックがかかっている。 各拠点は中立的（公的）研究機関でありながら産業界からの委託研究に対しては守秘義務を守りつつ，常 に公開可能な基礎研究を進め自らの能力向上に努めている。 ドイツの国家プロジェクトレーザ2000では政府の資金が投入されフェムト秒レーザ加工プロジェクトが推 進されたが，税金が投入されたのは基礎研究のみで中立的な研究機関（ネットワークの拠点）で基礎研究が 行われた。その成果は公表され技術を参加企業が持ち帰り，プロジェクトの最終目標達成に向けて自社のニ ーズに合わせた実用化研究を展開した。その投資は各社持ちであり，社外秘技術となる。 －139－ 目次へもどる 図5.3.3 ドイツのレーザ普及ネットワーク 図5.3.4 Virtual European Laser Institute また，ヨーロッパ全体でも図5.3.4に示すような”Virtual European Laser Institute”が組織されている。 各国の代表的な研究機関がネットワークを形成し，あたかもひとつの研究所として機能しているのである。 GDPで比較すれば，日本とEUはほぼ同レベルである。EUの各国が日本の各地方であってもおかしくない。北 －140－ 目次へもどる 海道・東北・関東・関西・・・にそれぞれ大学に隣接した拠点を設け魂のこもったネットワーク構築を進め れば光加工技術で我が国の“ものづくり”産業が復活することは夢ではない。 手前みそな話で恐縮であるが，我が国でもレーザネットワークの試行例はある。大阪大学レーザ核融合研 究センターと財団法人レーザ技術総合研究所と社団法人レーザ学会が構成する“レーザトライアングル”で ある。阪大レーザ研はレーザ核融合を中心として最先端の研究を展開し，その技術の産業界へのスピンオフ をレーザ総研が担っている。基礎的なレーザ応用研究のみならず， （中小企業を含めた）産業界のニーズに即 した実用化研究がレーザ総研で行われ，また，出版・セミナー・技術者養成等も行っている。レーザ学会は 産業界が気軽に参加でき且つ高レベルの研究発表が行われる場であり， レーザ技術普及啓蒙に貢献している。 学会の林立は避けなければいけないが，このように大学と密接した産学連携の拠点が政府の支援を得て全国 で活躍することが理想であろう。 （藤田 雅之） 参考文献 (1) http://www.atp.nist.gov/atp/presentations/atp_overview/slide4.htm (2) http://ts.nist.gov/ts/htdocs/210/centennial/branscomb%20pptslides.pdf －141－ 目次へもどる 第6章 あとがき 光加工ロードマップを産業界・学界を代表する委員の方々並びに学界有識者の先生方の力を借りてまとめ あげることができた。産業界の方々からは我が国の製造業が直面している空洞化の危機とその打開策の必要 性を，光関連の産学の研究者の方々からは光技術の発展に対するひたむきな情熱を感じた次第である。分科 会の総意は， 「製造業再生の鍵は光加工技術である」の一言に尽きる。かつて得意とした工業製品の大量生産 拠点がアジアへと移りつつある中，いかにして製造業を維持・発展させていくべきか？資源の乏しい我が国 にとっては死活問題である。その解決のためのキーワードは， ・ 少量多品種生産 ・ 極短納期生産 ・ 環境負荷低減 ・ 最先端光技術の取り込み であろう。いずれを取り上げてもレーザ加工技術がその重要な役割を担う。光はフレキシブルなツールであ る。機械加工のような反作用も摩耗もなく，光強度・波長・偏光等々自由自在に操ることが出来る。少量多 品種生産にはうってつけの加工ツールである。と同時に，電子制御技術や IT 技術と組み合わせて極短納期生 産にも対応できるツールである。さらには，社会的な要請に応えるゼロエミッション生産をサポートする環 境負荷低減に最適なツールでもある。これらの本質的な特性と最先端光技術を融合させれば革新的な生産加 工技術が生まれることに疑問の余地はない。 誰でも買えるモノからは革新技術は産まれない。未踏技術への挑戦から誰も思いつかなかった革新技術が 産まれるのである。本報告書は産学の中心的なメンバーが英知を結集して出来上がったものである。今後の 産学の技術革新の指針として活用され，新たな国家プロジェクトの推進に寄与することを切望する。 また，分科会の活動の中で，内外の関係各位から忌憚ないご意見を多々いただいた。なかでも， “これまで 国プロとして，CO2，YAG，エキシマ，自由電子レーザと様々な光源開発が行われてきたが，いずれもプロジ ェクト終了と同時に盛り上がりが失せてしまっている。どこを見ても外国製レーザが氾濫している。何が問 題だったのかを反省すべきではないか。 ”というご指摘は大変貴重なものと受け止めた。多額の税金を投入し た国プロが，その場限りのお祭りで終わることが日常化しているとすれば，ゆゆしき問題である。米国のレ ーザプロジェクト PLM では，プロジェクト後のアウトプットとして“加工技術マニュアル”ごときものが含 まれていた。ドイツのレーザプロジェクト Laser2000 では， “利用における安全”というテーマが光源開発・ 利用と並列にプロジェクトに含まれていた。いずれも，プロジェクト後の実用化・産業への展開を念頭に置 いたものであろう。 このような視点が我が国のレーザ開発プロジェクトでは足りなかったのではなかろうか。 次期国プロでは，税金に見合った成果が社会に還元できるような仕組みを考え，実行していく必要がある。 是非とも基礎・実用・普及の三位一体を推進できる政策を提言していきたいものである。世間に感動をもた らす「平成版プロジェクト X」を，夢と情熱を持って光技術から立ち上げようではないか！ 最後に本報告書にご寄稿いただいた諸先生方，分科会でご講演いただいた先生方，分科会で活発な議論を していただいた委員の方々と光協会事務局の担当者の方々に厚くお礼を申し上げる次第である。 （藤田 雅之） －142－ 目次へもどる － 禁 無 断 掲 載 － 光テクノロジーロードマップ報告書 － 光加工分野 － 発 行 編集・発行 2003（平成 15）年 3 月 財団法人 光産業技術振興協会 〒112－0014 東京都文京区関口 1－20－10 住友江戸川橋駅前ビル 7 階 電話（03）5225-6431 目次へもどる
© Copyright 2026 Paperzz
