{"@context":"https://schema.org","@type":"VideoObject","name":"【高出力レーザーとアダプティブ光学】01 高出力レーザーとアダプティブ光学の関係と応用：高出力レーザーとアダプティブ光学の関係（他10項目）講師：植田憲一","thumbnailUrl":"/api/ogp/image?pageType=video&teamId=9XMOvovx4bXNNl6izejmLEs88sg1&contentId=f78fc698-1fc6-423b-91e1-54d86a2ebb40","uploadDate":"2023-01-06T02:54:13+00:00","description":"

【高出力レーザーとアダプティブ光学の関係】

　レーザーの本質は質で量を凌駕するところにある。同じ出力でもビーム品質を改善するアダプティブ光学は、レーザー光の能力を高める技術として重要で、しかもビーム品質が１０倍良くなることは、集光強度は１００倍と２乗で効くので、その効果は絶大でレーザー技術の中でも重要であることは間違いありません。レーザー品質の改善の中で、超短パルス化、単一周波数化など時間コヒーレンスの改善に比べて、３次元空間の空間コヒーレンスの改善は、空間周波数の制御が難しいことで、なおざりにされてきました。しかし、空間位相変調器SLMが開発されるにしたがい、空間波面の制御が２１世紀のレーザーの大きな課題として登場しています。この講義では、残された大きな課題であるレーザーの空間周波数制御、アダプティブ光学技術について検討したいと思います。

【米国NSF Center for Adaptive Opticsの情報】

　米ソの冷戦時代、巨大レーザーの軍事研究から始まったアダプティブ光学の研究はレーガン大統領のSDI構想がソ連崩壊によって一段落した後、より拡大する必要がなくなったわけですが、その技術を別の分野に展開しようとしたものに思えます。ここで示す情報は２００３年８月７日にNSF CAOのAssociate DirectorであるScot Oliverが発表したものです。彼はLLNLのアダプティブ光学グループのリーダーでもあるので、LLNLの巨大レーザーNIF NationalIgnition Facilityにおける応用例を見ることができます。実際、NIFのような巨大レーザーシステムに導入されたアダプティブ光学の例ですから、高出力固体レーザーへの応答として十分に学習することが必要です。この報告の中では、従来型のアダプティブ光学の限界を議論し、新しい技術として、液晶やMEMSを活用した空間モード変調技術を紹介しています。今後のアダプティブ光学技術の方向でもあるでしょう。

【米国NIFにみるアダプティブ光学】

　CAOとしては、AOの代表的応用例としてレーザー核融合研究のNIFと地上で宇宙望遠鏡と、宇宙望遠鏡と同様の分解能を実現するレーザーガイドスター技術を紹介しています。確かに、アダプティブ光学は最初は天体望遠鏡の大気擾乱を補正する技術として開発されました。その背景には大出力レーザーを敵のミサイルや航空機に集光し、破壊するための大気擾乱との戦いという隠された研究テーマが存在しました。(ちなみに、アダプティブ光学技術は1995年に米国では機密解除されました。ただし、高出力レーザーが関係する部分は別扱いだとTextronのMandl@ CLEO'95, Baltimoreから聞かされました。)筆者が見学したときも米国アルバカーキーのカートライト空軍基地内（離れた丘陵地帯の天文台）に設置された2.4m望遠鏡はスペースシャトルや人工衛星を観測しながら、同時に、航空機のジェット噴流の観測から、敵と味方を識別する研究をしていました。だからといって、軍事研究だから研究が高度化するわけではありません。ただ、対象とする大気擾乱の周波数が異なっていることも事実です。

【AOA Xineticsとの出会いと21世紀の光技術を目指す光専攻提案】

　Oliverが紹介している具体的なAO技術はXinetics、LLNL、Univ.Chicago, CLIASが開発したものを使っているとしています。Xineticsは正式にはAOAXinetics, Adaptive Optics Associates Xineticsです。すばる望遠鏡の計画のために、国立天文台の家さんが組織した補償光学研究会が1993年8月24日に開催され、筆者も大出力レーザーと大口径ホイールミラーの開発の招待講演をしました。その会議には、米国からの参加者もいて、その中のAOA関係者が翌日、電通大レーザー研に筆者を訪問してきて、シャックハルトマン計測の議論を時間をかけて行ないました。議論の結果、1/500波長まで可能だということで一致しまして、米国に来るときには必ずAOAを訪問するようにと告げられました。ちょうど、その直後にカナダのトロントでOSAの年会で発表する予定があったので、帰りに車で寄り道をして、AOAを訪問しました。

　そのボストン郊外には、エキシマレーザーや真空紫外光学で筆者が世話になったAVCO Everrett社、Acton Research Optics、さらにはMIT Lincoln Labなど米国の国家プロジェクトに関係する研究会社が散在しています。カリフォルニアのシリコンバレーに先行する国家的研究拠点であったのです。AOAではアダプティブ光学の応用事例を見せてもらいました。ちょうどスペースシャトルの船外活動を観察していたところでしたが、AO制御を切った状態では詳細は見えません。それがAO制御をオンにしたとたん、宇宙服を着た作業員が船外活動をしている様子がしっかり見えるようになります。そのためには、1ms以下で空気の擾乱を計測し、AO補正をしなければならず、1990年代初頭の技術では、PZTアクチュエータ毎に1枚の計算ボードがついており、壁一面を埋め尽くす計算ラックが必要でした。当時、東大では天体計算用の専用スーパー計算機GRAPEが開発されていて、それは特定の計算に集中すれば、ハードウェア－としてプログラムに組み込むことができるという考えで、アナログ計算機のように単なる回路で結果が出るという原理でした。ならば、シャックハルトマン→Zernike展開→波面補正や光ホログラム計算も単純な計算の繰り返しで可能になるので、専用LSIを設計すれば、高速波面補正が可能になると考えました。そのアイデアを、ちょうど、高速ホログラム計算をしていた矢部孝さんに相談し、電通大に大学院の独立専攻「光専攻」を提案すると、文部省が採用してくれて調査費がつきました。しかし、教養部の改組という大学の大綱化の遅れがあって、毎年、調査費が配分されるが、設置は遅れるということになりました。文部省には怒られましたが、優秀な教員を拘束できないとして、3年後には提案を撤回し、皆さん移動していきました。

（ここで示したのは、全くの余談で、講義を聴いている皆さんには関係のないことです。しかし、よく考えてみましょう。私にとっては、これらの周辺情報、エピソードは、アダプティブ光学に取り組むきっかけを与えた重要な情報なのです。そして、そのような周辺情報があるからこそ、アダプティブ光学の必要性や、あの時あのように考えた、という具体的情景が浮かんできます。逆に言うと、結果だけを報告した場合、皆さんは本当にそれらの知識を得たことになるのでしょうか。知識を得るということは、同じ地点から新しい研究をスタートできるという意味です。私の講義では、私の経験を同時に伝えることで、同じように考えれば同じように研究ができるし、同じ情報からもっと良いアイデアに発展させることも可能だと思うので、余分な情報も伝えようとしています。研究者が語る、という意味はその研究者が経験した余計な情報も一緒に伝えるという意味を含んでいるのです。）

　ともあれ、NIFで用いていたXinetics社が、昔筆者が訪問したAOA社と同じだということは、今回ネットで調べてはじめて知りました。それまでは、AOAはUnited Technologyという大きな会社の一部だと理解していました。United Technologyは1970年頃、高速OPアンプでお世話になった総合技術会社ですし、その後、AOA XineticsはNorthrop Grummannに統合されました。米国における技術の買収競争の激しさを感じます。

【Bimorphな可変鏡】

　一方、Bimorph deformable mirrorはCILAS社が提供しています。CILAS社はフランスの会社で、これもArianというロケットやエアバスなど宇宙、航空機関系の巨大企業の傘下に入っています。Bimorphというのは、電圧の印加方向に直交した方向に電歪する素子をミラー背面に貼り付けてバイメタルと同じような機構で波面制御する方式のAOのことで、ピストン運動をさせるPZTに比べて、大きな力を発揮できる特徴があります。低周波の空間波面を制御することに優れています。それ以外にはLLNLが自作しているもの、シカゴ大学などが提供しているものがあると報告されています。英国のラザフォード研究所のAOはロンドン大学が提供しました。大学に強力な専門家、協力者であるC. Danty（Imperial College）などがいることが強みといえるでしょう。これらは図に見るようにフランスのLMJ、PETALなどの巨大レーザー施設で利用されるだけでなく、宇宙空間でもAOは不可欠な技術となっているのです。簡単に人間が調整にいけない空間にある光学系は必然的にAO中心とならざるを得ないことを示しています。

【NIFのDeformable Mirror】

　NIFで使われてるDeformable Mirrorの実例を見ていきましょう。NIFレーザーはビーム口径が大きいので、Deformable Mirrorといってもかなり巨大な可変鏡となります。一番大きいものは主増幅器の終端毎に１つ設置されているので、それだけでも１９２個のDeformable Mirrorが設置されており、増幅器毎に異なる熱分布による波面歪みを解消する役割を負っています。NIFの最終段増幅器は再生増幅器のような構造をしており、増幅媒質を4パスするので、ガラス媒質に発生する熱的波面歪みが大きいことで、可変鏡の導入が必要だったと説明されています。なおLLNLで最初に可変鏡を導入したのは、ウラン同位体分離の銅蒸気レーザーシステムで、その結果を経てNIFプロトタイプのBeamletに小さな可変鏡が導入されたのが1994年だったそうです。

【NOVAの自動アライメントシステム】

　NIFを訪問し、Mike Dunneと話したとき、もっと小規模のアダプティブ光学も前置増幅器より小出力部分で使っていることを確認しました。192ビームを同じターゲット位置に正確に照準するには、個別ビームを人間の手で調整することは不可能といえます。NIFの前にあったNOVAでも自動アライメントシステムを用いていたと当時、聞いたことがありました。具体的な図もデータも持っていませんし、論文を調べても、自動アライメントという単語は使われていますが、その詳細は見つかりません。NOVAの自動アライメントを聞いたときは、マスター発振器をビーム数に分けて、増幅段ラインに入射させる部分に、コンピュータで駆動するミラーが配置している。そのビーム方向をランダムアクセスでガタガタと動かして、その結果のビームスポットの位置を解析することで、最適アライメントに調整するということでした。多数本のビームアライメントの場合、逐次補正ヒルクライム的に最適状況に接近させる人間的、手工業的な方法は、多数本の増幅ビームを持つNOVAレーザーシステムでは時間がかかるだけでなく、本当の最適値には到達しないという考えでした。そこで、NOVAは自分たちは世界の最も複雑で高精度の光学システムだと自己評価して、このような自動アライメントシステムは世界にない、というのが、彼らの自慢でした。中国のSIOMなども追随しようとしていたのではないかと感じますが、同じシステムを開発したとは聞いていません。最近、SIOMが出した論文でももっと純光学的方法を追求しているように見えます。

【阪大レーザー研　LFEXレーザーへの応用】

　日本の阪大レーザー研でも、高速点火実験のためのLFEXレーザーでアダプティブ光学の応用を導入しました。アダプティブ光学はロシアのActive OpticsのKudryashovとの共同研究で開発され、26cm×26cmの大口径のバイモルフミラーを導入しました。４ビームシステムのPWレーザーであるLFEXのビーム品質はSemi-passiveな波面補正システムとして、ビーム品質を改善するシャックハルトマン計測→高速フィードバックのシステムが導入されました。2000年にロシア郊外のShaturaにあるActive Opticsで講義をしたときの写真を掲載しましたが、彼らとは1997年にShaturaで開催されたWS onAdaptive Optics以来の友人です。バイモルフPZT素子を接着する技術はかなりの職人芸で、写真の中に写っているSamalkinさんが特別の技術を持っています。1997年のワークショップで、筆者がアダプティブ光学の専門家でないにもかかわらず、厚遇を受けたのは、筆者が当時、OSAのApplied OpticsのTopical Editorをしていたことが大きかった印象があります。論文の採択を決める人と評価され、いろいろな人から論文草稿を見せられ、研究アドバイスを求められました。研究者には名前を売る活動も必要なのだと感じさせられたエピソードでした。バイモルフミラーの開発では、非常に繊細な技術を利用していましたが、インクジェットプリンターなどに応用している日本のセラミック技術からすれば、接着剤を使わない全セラミック製のバイモルフミラーをデバイス化することも、技術的には問題がないと考えました。

【Adaptive Opticsの医療分野への応用】

　米国のCenter for Adaptive Opticsとして重視しているものに医療応用分野もあります。この図はCAOが示したものですが、ここでは眼底検査の分解能が上がって検査の精度が上がるとされています。これについては、面白い逆のAO研究があります。人間の眼のレンズや眼球による波面歪みをAOで補正するとどうなるか、ということは、1997年6月にWorkshop on Adaptive Opticsに参加した時、ロチェスター大学光学研究所のDavid Williams教授の研究で、人間の眼の収差を補正すると視細胞が完全に分解されるようになった。一方、その逆にAOで収差を補正すると、色がおかしくなるという発表だった。完全な波面補正をすると、外部から入ってくる光を色を感じない桿体だけに集中することもあるし、錯体でもL、M、 S錯体のどれか一つにしか当らないことになって普通の視覚が持てなくなってしまう。人間の眼はある程度ボケさせており、これらの視細胞がまんべんなく感じるようにして色感と強度を認識するようになっていると証明

しました。阪大レーザー研の韓国人ポスドクであったG.Y. Yoon君はその後Williams教授の研究室に移り、渡米して2、3年でコンタクトレンズに回折光学を導入し、多焦点コンタクトレンズを開発する研究でボシュロムという大きなメーカーから予算を獲得して助教授に昇格したと聞きました。

【Optically addressed liquid crystal spatial light modulator】

　新しいテクノロジーを利用したアダプティブ光学の代表は液晶変調器でしょう。電圧を印加すれば液晶分子の配向が変化して光の位相を変化させてくれる液晶変調器です。液晶は液晶テレビなどに応用されて、大量生産技術が確立されたので、非常に高度な技術だが、比較的安価に光の位相変調を可能とします。さらに空間分解能が高いこともあって、新時代の空間変調器SLMとなります。通常のSLMでは電圧による直接変調ですが、光を当てることによって電界制御ができるOpticallyAddressed Liquid Crystal Spatial Light Modulatorでは光ビームの断面プロファイルをITO薄膜に照射して自動的に均一波面となるような光によるフィードバックも可能となります。この分野では、図に見るように、Jenopticsと浜松ホトニクスが商品を提供している。実際、モスクワ大学で光フィードバックの実際の実験を見ましたが、応答速度を高速化することが必要でした。

【MEMS型SLMとの比較】

　液晶プロジェクターに対抗して米国TI社が開発したDigital Micromirror Deviceを使ったDLP技術はMEMS技術を利用した空間位相変調器です。液晶技術とDLP技術はどちらも高分解能プロジェクターとして広く使われるようになったように、高い空間分解能で、光の位相制御が可能となります。これらの機能を使って光の空間位相を滑らかに変化させればアダプティブ光学素子として高い性能を発揮します。ただし、位相制御がたにするので、マイクロミラーが平行に移動する構造とされています。両者の比較をした見解を右図のように発表しています。液晶型は高い空間周波数の制御の能力を持ち、商品化されたものを利用することができ、サイズは非常にコンパクトです。ただ、問題点としては、応答時間に制限があることと、ストロークが限られているので、位相調整の範囲が限定されること。さらに偏光や温度に対して敏感なことです。一方、MEMS利用のDMD、DPL技術は、同じく高い空間周波数の補正が可能で，軽量、低コスト、コンパクトで制御用エレクトロニクスは一体化できます。ただし、液晶デバイスに比較すると、今のところはアダプティブ光学に必要な仕様を持った商品は限られています。DMD素子の現状は電子的な制御は十分ですが、液晶のようなOptically Address型は開発されていないように見えます。