レーザー核融合のキーパーツを開発
大型高出力レーザーのキーパーツ「ガラス製ファラデー素子」が レーザー核融合の実現可能性を加速させる
概要
日本電気硝子株式会社（本社：滋賀県⼤津市 社⻑：岸本暁）、大阪大学レーザー科学研究所（以下、阪大レーザー研）、核融合科学研究所、京都大学は大型高出力レーザーのキーパーツとなる「ガラス製ファラデー素子」を開発しました。このパーツを用いた光アイソレーターにより、大型高出力レーザーの課題である反射戻り光を抑制できます。高出力レーザーは、レーザー核融合や宇宙デブリの除去、重粒子線によるがん治療など精密工学や先端レーザー制御が求められるさまざまな分野への応用が期待されています。
左：大型高出力レーザー装置「SENJU (Super Energetic Joint Unit)」（図面提供：大阪大学レーザー科学研究所）
右：開発したガラス製ファラデー素子110×110mm
阪大レーザー研で開発中の大型高出力レーザー装置「SENJU」はビーム径約Φ90mmと大径であることが特長です。そのビームを制御するためのキーパーツとして、大型化が可能なガラス製ファラデー素子が有望視されています。
ガラス製ファラデー素子の特長
ガラス製ファラデー素子は、光アイソレーターに使用される光学素子であり、磁場を利用して光の偏光面を回転させる特殊なパーツです。レーザーの反射光を制御する機器「光アイソレーター」のキーパーツとして使用されます。今回共同開発したガラス製ファラデー素子は以下の特長を持ち、テルビウム・ガリウム・ガーネット（TGG）などの従来素材を凌駕します。
・大型化が可能
超大径のビーム(Φ90mm)を制御できるほどのサイズ（110✕110mm）を実現。
・高出力（ハイパワー）耐性がある
TGGに比べ吸光係数が低く、レーザーの出力を上げても品質が落ちない。
光アイソレーターとガラス製ファラデー素子の模式図
共同開発の背景
高出力レーザーの反射戻り光は、レーザー機器の破損リスクやノイズ問題を引き起こすため、装置の実現に向けた大きな課題となっていました。日本電気硝子は、小型の高出力（ハイパワー）レーザー対応光アイソレーターの開発経験を活かし、大型高出力レーザーの要件に応えるガラス製ファラデー素子を開発。京都大学と核融合科学研究所がガラスの評価を行い、阪大レーザー研が「SENJU」の光アイソレーターとして実装を進めています。
レーザー核融合とエネルギーの未来
レーザー核融合は、安定したエネルギー供給とカーボンニュートラルの実現を目指す次世代エネルギーとして注目されています。日本のエネルギー自給率が約13%（2021年度時点）※と極めて低い中、レーザー核融合はエネルギー安全保障に大きな可能性を提供します。
※出典：経済産業省資源エネルギー庁 広報パンフレット「日本のエネルギー2023」
用語説明
- ファラデー素子
光をコントロールするパーツのひとつで、磁石の力を使って光の偏光面の角度を回転させるもの。
- 光アイソレーター
レーザー機器では、照射したレーザーの反射戻り光への対策が求められる。光アイソレーターは、順方向の光を通し、逆方向の光を遮断するため、光源の破損やノイズの発生を防ぐレーザー機器に不可欠な装置。
- 吸光係数
材料の光の吸収量を示す係数。レーザー光を吸収することで複屈折（光が特定の物質を通るとき、2つの異なる方向に屈折して分かれる現象）が発生する。それが偏光度を下げ、ビームの品質低下につながる。
- TGG
TGG（テルビウム・ガリウム・ガーネット）は、光学用途で広く利用される特殊な結晶材料。高出力耐性は高いが、大型化が困難。
- レーザー核融合
強力なレーザー光を使用して核融合反応を引き起こす技術。核融合とは、軽い原子核（通常、重水素や三重水素などの同位体）が結合してより重い原子核を形成する過程で、大量のエネルギーが放出される現象。
- SENJU
阪大レーザー研が開発中の世界最高平均出力を目指す高出力レーザー装置、Super Energetic Joint Unitの略。従来の高出力レーザーは、冷却に関する技術的問題から、数時間に１回しかレーザーを発射できないがSENJUは素材や冷却方法を工夫し、1秒間に100回のレーザーを発射できる。
- 高出力レーザー
レーザー核融合、宇宙デブリの除去、重粒子線によるがん治療などの先端医療に利用される先端的な光の複合技術。
