研究 Research

高出力レーザのパワー計測・制御技術
ビームプロファイル計測技術

 産業界では、3Dプリンタや溶接等の加工ツールとして高出力レーザの利用が進んでいます。こうしたレーザ応用技術の高度化への貢献を目的とし、レーザ光のパワーやビームプロファイルを計測するための標準、ならびにその関連技術の研究開発を行っています。

 レーザ加工において、品質や歩留まりを確保するにはパワーの精度が重要ですが、従来のレーザパワー制御装置は光の偏光を利用したものが主流で、高出力で偏光がランダムであることが一般的な加工用レーザへの適用が困難でした。そこで、近接場光を利用した新たなレーザ光強度変調素子を開発し、偏光に依存せず高パワーにも適用可能なレーザパワー制御システムを実現しました。

[1] 産総研プレスリリース 「加工用レーザのパワー制御システムを開発」
[2] 沼田 孝之, 溶接技術 65, 57-60 (2017).

LED・OLED等のための測光・放射標準の開発、および高精度計測技術開発に関する研究 (光放射標準研究Grとの連携)

 LEDやOLED等の固体素子を利用した発光デバイスは、照明・ディスプレイ等に広く利用され、これら発光デバイスの性能 (光度、全光束、輝度等の測光量や放射束・放射照度等の放射量等)を正確に評価するための、高精度な測定技術や測光・放射標準の確立が要求されています。 このため、産総研はLED素子やLED照明の測光量の高精度計測技術、更には計量標準の開発を行ってきました。

 現在では、LEDの短波長化に伴う紫外LEDの放射照度・放射束の高精度計測に関する研究、及びLEDの輝度測定に関する研究を行っています。

LEDを利用した新しい仲介用標準器の開発 (光放射標準研究Grとの連携)

 計量標準の供給のためには、仲介用標準器と呼ばれる再現性が非常に高く、経年変化が少ない安定した器物に校正値を付与し供給します。このため、LEDのための測光・放射標準を産業界に供給するために、産総研は日亜化学工業(株)と共同で研究開発を行い、2007年にLED素子の光度および全光束の基準となるLEDを光源とした新しい仲介用標準器(標準LED)の開発に成功しました (AIST Today 2013/07)。

 近年では、輝度計測用の標準LED、紫外LED用の標準LED、更には可視域全域の分光測定における参照標準として利用できる新しい標準LEDの開発にも成功しました (2016/02 プレスリリース、2021/08 プレスリリース)。電球べースであった測光・放射量の仲介用標準器をLEDに置き換えることが本研究の最終目的になります。

全ての光を吸収する究極の暗黒シート
― 高い光吸収率と耐久性を併せ持つ黒色素材 ―

 表面を黒色化した材料は、装飾や映像分野などの幅広い用途があり、特に乱反射防止用には、100 %に近い光吸収率の材料が求められています。しかし、99 %以上の光を吸収する従来の材料は耐久性に乏しく、一般環境での利用が困難でした。私たちは、シリコーンゴムなどの表面に、あらゆる光をとらえて逃がさない光閉じ込め構造を形成することで、柔軟で耐久性にも優れた究極の暗黒シートを製造する技術の開発に成功しました。ポイントとなる光閉じ込め構造は、サイクロトロン加速器からのイオンビームの照射と化学エッチングにより、ポリマー表面に微細な円錐状の空洞構造を多数形成することで実現しました。これを原盤としてシリコーンゴムに転写作製した暗黒シートは、紫外線~可視光~赤外線の全域で99.5 %以上の光を吸収し、特に熱赤外線に対しては99.9 %以上という世界最高レベルの光吸収率を達成しました。これまでにない美しい黒が映える新素材としての活用や、映像のコントラスト向上のほか、サーモグラフィーなどでの熱赤外線の乱反射防止といった応用も期待されます。

[1] K. Amemiya et al., Journal of Materials Chemistry C 7, 5418-5425 (2019).
[2] プレスリリース「全ての光を吸収する究極の暗黒シート」
[3] Youtube 1分解説 全ての光を吸収する究極の暗黒シート【産総研公式】
[4] さがせ、おもしろ研究!ブルーバックス探検隊が行く 世界中の“暗黒”の裏側には「計量標準」の人間がいる!
[5] 産総研研究ハイライト 全ての光を吸収する究極の暗黒シート

非接触発熱者検知の信頼性向上に貢献する平面黒体装置の開発
― 暗黒シート技術の応用 ―

 新規感染症の蔓延防止策の一つとして、赤外線計測に基づく表面温度分布計測装置(熱画像装置)による非接触発熱者検知が実施されています。現場における熱画像装置の測定誤差は、温度基準となる平面黒体装置を被験者と同時撮像することにより補正し、精確な計測を実現することができます。

 平面黒体装置の温度基準面として、高放射率であることは重要な性能ですが、従来の高放射率材料は機械的堅牢性に課題がありました。そこで、高放射率と高耐久性を共に実現できる当グループの暗黒シート技術を温度基準面に応用し、高精度な平面黒体装置の開発を進めています。最近の研究では、温度基準面の高放射率と温度制御性・均一性を両立させることに成功しました[1]。

[1] Y. Shimizu et al., Optics Letters 46, 4871-4874 (2021).
[2] Y. Shimizu et al., Optics Express 28, 22606 (2020).

バイメタルMEMS方式新規熱型センサの開発

 熱量センサは、熱型光センサのほか、幅広い用途がありますが、近年は より微弱なパワーを検出する必要性から、ますます高感度なものが求められています。しかし、従来の薄膜サーモパイル方式などでは高感度と大面積の両立が困難で、十分な信号対雑音比を得にくいという課題がありました。

 そこで今回、新たにバイメタルMEMS方式の熱量センサを開発しました。本センサは、従来よりも高感度な熱量計測を可能にするもので、熱型の光・赤外線センサのほかにも、バイオ・化学分野における微小反応熱検出用熱量センサとしての応用も期待されます。

■ K. Amemiya, Applied Physics Express 9, 117201 (2016).
■ 雨宮 邦招、熱物性 29, 19-26 (2015).