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[研究の背景]

150年近く内燃機関の要であった点火源であるスパークプラグに高性能レーザーが取って代わる！？そんなニュースが世界的に注目され今年の４月末からBBCやNew York Timesなど世界の主要メディアで話題となった [14-26]．これにはエネルギー変換法としての燃焼方式の高効率化，低エミッション化の実現が内燃機関（エンジン）を有する輸送システムから発電機システムなどの動力源における大きな課題であり今もなおその改善に精力的な研究が続けられているからである．高尖頭出力レーザーを用いた混合気の着火法であるレーザー点火では，非接触かつ時間・空間的な自由度が高いためシリンダー内での理想的な燃焼状態を作り出せるため，プラグに代わる点火装置としてレーザーの発明以来ずっと期待が寄せられてきた [1,2]．しかしながら，尖頭値がメガワット以上のジャイアントパルス固体レーザーは，一般に大型・不安定で効率も低いため環境の整った実験室から持ち出す事ができず，レーザー点火に関する原理は検証できてもそれ以上に議論が進むことは無かった．

[研究の成果]

　ところで，マイクロチップレーザーは，小型化を図ることでコヒーレンス，輝度を高めることができる．ただし，その代償として高出力化や高効率化は諦めざるを得ず，新レーザーの探索活性化に繋がった[3,4]．そして，最近になりーザーセラミックス [5] や分極反転素子 [6] など，物質・材料の光に対する性質をマイクロメートルの桁（光の波長）で制御することにより，その特性の強調や新機能の発現が可能となることが示され状況は大きく変わった（図１）．

図１　マイクロドメイン制御の概念

これに物性研究に則った新たなQスイッチ動作法の提案が融合し固体レーザーのダウンサイジングに端を発したマイクロチップレーザーは，これらマイクロ固体フォトニクス(*1)に至り，従来不可能と思われてきたメガワット出力のジャイアントパルスが望めるにまでなった [7]．一方で，従来のパルスレーザーでは発生が困難であったピコ秒からナノ秒に至るパルスギャップ領域が点火に有効であることを見出した [8]．この効果は顕著で，図２(a) に示すように燃焼にはブレークダウンのための多光子吸収過程を誘起するに十分な高い尖頭値と火炎核形成に必要な電子加速の両方が求められ，同図(b) にあるように我々のマイクロチップQスイッチレーザーはモードロックと従来Qスイッチのギャップを埋めるもので，これを可能とする．これにより従来報告値より遙かに低い投入エネルギーで点火を可能とできた．エンジン動作実験でも，スパークプラグの1/10程度の投入エネルギー（2mJ程度）での効率的な動作を検証でき，低燃費化・低エミッション化を可能とする希薄燃焼での優位性を実証できた [9-11]．

図２　レーザーによる燃焼過程とレーザーパルス幅の比較

さらにレーザー点火でこそ可能とされながら実際には困難で長らく理想とされてきた多点点火可能なレーザーシステムをマイクロ固体フォトニクスによりスパークプラグと同程度の寸法に造り込むことにも成功した．図３の写真は個別の励起LD光を３本の光ファイバーでモノリシックNd:YAG/Cr:YAGセラミックスの異なる空間を励起し，独立に発振した尖頭値数メガワットのジャイアントパルス光を個別の光学系でそれぞれに焦点を結ばせ，大気中でブレークダウンさせたときの様子を示している [12, 13]．

図３ プラグ型三ビーム・ジャイアントパルス発生可能なマイクロチップレーザーの外観

この成果はレーザー研究の最前線である国際会議CLEO 2011（米国，バルチモア）[14] においても注目され，5月2日の学会発表を前にOSAからプレスリリースされることとなった [15]．CLEOは参加者6,000人規模の大きな会議でOSAでは同程度のOFC, FiOなどの会議とその他に20程度の参加者数100人規模のTopical Meetingを主催・共催している．そしてこの中から年間で10件程度の注目トピックスをピックアップしている．案件によっては他のメディアの反応が鈍いこともあるらしいが，幸いなことに我々の講演はレーザー科学の分野に留まらず， AAASのScience news wireであるEurekAlert!  [16] やBusiness Wire [17] を通じて広く世界に発信された．さらには，OSAの調査では５月末時点で米国，カナダ，英国，独国，仏国，オランダ，トルコ，インド，パキスタン，タイ，中国，韓国，各国から科学技術系のみならず新エネルギーやビジネス，一般情報（UPI [18], BBC news [19], Time [20]，Forbes [21]，New York Times [22], USA Today [23], ABC News [24], Discovery News [25], Popular Science [26] など，図４参照、引用一覧）を扱う360件以上電子ニュース，TVやラジオ番組として紹介されたらしい．また現在も欧州からの自動車関係雑誌から問い合わせが来ているとのことで，我々が提唱のキーワード「レーザープラグ」が一般の自動車ファン・マニアの間でも話題になるなど一種の社会現象にまでなった．

図４ 我々のCLEO発表に関する代表的雑誌のプレス情報
　　（4/E~5/Mの期間で総計360件の引用・紹介記事）　

[今後の展開と研究の社会的意義]

以上，マイクロ固体フォトニクスの展開により視野に入ってきたレーザー点火は，化石エネルギーの高度利用を可能とするもので近未来の低排出，低燃費の高効率・高出力自動車エンジンに期待されている．一方で発電システムへの適用も検討が始まっており天然ガスや原子力などの魅力的な分野への展開が期待されている．一方で，船舶や航空機などのように内燃機関無くしては考えられない動力システムも数多くある．特に我が国は，一次エネルギーの9割を石炭，石油，天然ガスに依存しており，エネルギー変換法としての燃焼方式の高効率化，低エミッション化の実現は大きな課題である．
加えて，高輝度マイクロチップレーザーは非線形光学波長変換やアブレーションも高効率に行えるもので，可視，紫外から中赤外，さらにはテラヘルツ波発生における励起光源や，物質の微細加工用の光源としても有用性が実証されている [27, 28]．すでに島津製作所で癌の検診に有用である事を検証し，次世代MALDIの光源としての搭載も決まっている [29]．しかもプラグサイズの筐体に複数のメガワットレーザーを構成できたという事実は，これまでのジャイアントパルスレーザーは大型で大変だから研究室の中心に配置させビームを小分けして使うものであるという高強度レーザーの常識が変わることも意味している．またマイクロ固体フォトニクスは従来のレーザーセラミックスでは不可能であった異方性材料の取り扱いや機能部位のパターニングなども集積化も可能とできることが最近示され，現在の高強度レーザーの性能を著しく発展させる手法としても期待されている[30, 31]．最近ではレーザー核融合を目指す米国のLLNLやアト秒サイエンスを切り拓いた独国マックスプランク研究所MPQ，国内でも融合光新創生ネットワークのもと（独）日本原子力研究開発機構関西光科学研究所との光源開発に関する共同研究が進んでいる．総括するならば，微細な秩序制御（高度な物質制御）を施した物質の集積によるジャイアント光（高輝度光・高輝度温度光）の発生・制御が可能になりつつあり，まさにジャイアントマイクロフォトニクス（Giant Micro-photonics）(*3)とでも呼ぶべき，新たな展開が見えつつある[32, 33]．今後，より多くの研究者の参加による精力的な研究・開発を期待したい．

参考文献
[1]    R. Hickling and W. R. Smith, “Combustion bomb tests of laser ignition,” in SAE Paper No.740114, (1974).
[2]    H. Furutani, and T. Saito, “Gas engine with laser ignition system,” Oyo Buturi, vol. 77, no. 11, pp. 1315-1318 (2008) (in Japanese).
[3]    J. J. Zayhowski and A. Mooradian, “Single-frequency microchip Nd lasers,” Opt. Lett., vol. 14, no. 1, pp. 24-26 (1989).
[4]    T. Taira, A. Mukai, Y. Nozawa, and T. Kobayashi, "Single-mode oscillation of laser-diode-pumped Nd:YVO4 microchip lasers", Opt. Lett., vol. 16, no. 24, pp. 1955-1957 (1991)
[5]    T. Taira, "RE3+-ion-doped YAG ceramic lasers," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 13, no. 3, pp. 798-809 (2007)
[6]    T. Taira, "Bulk quasi-phase-matched device: large aperture PPMgLN and PPMgLT," SPIE Photonics West, San Francisco, USA, January 26-28, 7582-37 (2010). (Invited)
[7]    H. Sakai, H. Kan, and T. Taira, ">1 MW peak power single-mode high-brightness passively Q-switched Nd3+:YAG microchip laser," Opt. Express, vol. 16, no. 24, pp. 19891-19899 (2008).
[8]    T. Taira, "Micro solid-state photonics - Review-," The Review of Laser Engineering, vol. 37, no. 4 (Special Isuue on Micro Solid-State Photonics), pp. 227-234 (2009). (in Japanese).
[9]    M. Tsunekane, T. Inohara, A. Ando, N. Kido, K. Kanehara, and T. Taira, "High peak power, passively Q-switched microlaser for ignition of engines, " IEEE J. Quantum Electron., vol. 46, no. 2, pp. 277-284 (2010).
[10]  M. Tsunekane, T. Inohara, K. Kanehara, and T. Taira, Advances in Solid-State Lasers: Development and Applications, (Book edited by: Mikhail Grishin, ISBN 978-953-7619-80-0, pp. 630, February 2010, INTECH, Croatia), Chapter 10, "Micro-solid-state laser for ignition of automobile engines," pp. 195-212 (2010).
[11]  Duncan Graham-Rowe, “OUT OF THE LAB: Lasers for engine ignition,” Nature photonics, vol. 2, no. 9, 515-517 (2008).
[12]  N. Pavel, M. Tsunekane, K. Kanehara, and T. Taira, “Composite all-ceramics, passively Q-switched Nd:YAG/Cr4+:YAG monolithic micro-laser with two-beam output for multi-point ignition,” in Conference on Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper CMP1.
[13]  N. Pavel, M. Tsunekane, and T. Taira, “Composite, all-ceramics, high-peak power Nd:YAG/Cr4+:YAG monolithic micro-laser with multiple-beam output for engine ignition,” Opt. Express, vol. 19, no. 10, pp. 9378-9384 (2011).
[14]  CLEO
<http://www.cleoconference.org/>
[15]  OSA News Release
<http://www.osa.org/about_osa/newsroom/news_releases/releases/
04.2011/lasersparksrevolution.aspx>
[16]  EurekAlert! (AAAS Science news wire) 
<http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-04/osoa-lsr042011.php>
[17]  Business Wire
<http://www.businesswire.com/news/home/20110420005464/en/Laser-Sparks-Revolution-Internal-Combustion-Engines>
[18]  UPI
<http://www.upi.com/Science_News/2011/04/20/Lasers-could-replace-spark-plugs-in-cars/UPI-41831303334362/>
[19]  BBC news
<http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-13160950>
[20]  Time <http://newsfeed.time.com/2011/04/24/flash-of-genius-lasers-could-replace-spark-plugs-under-your-hood/>
[21]  Forbes <http://blogs.forbes.com/alexknapp/2011/04/23/replacing-spark-plugs-with-lasers-for-a-more-fuel-efficient-car/>
[22]  New York Times 
<http://wheels.blogs.nytimes.com/2011/04/27/spark-plugs-joining-carburetors-on-the-automotive-scrap-heap/>
[23]  USA Today 
<http://content.usatoday.com/communities/sciencefair/post/2011/04/laser-ignition-may-replace-spark-plugs/1>
[24]  USA ABC News
<http://abcnews.go.com/Technology/save-gas-lasers-powering-cars/story?id=13546879>
[25]  Discovery News
<http://news.discovery.com/tech/laser-car-engine-power-110502.html>
[26]  Popular Science 
<http://www.popsci.com/science/article/2011-04/lasers-could-replace-spark-plugs-making-engines-more-efficient>
[27]  R. Bhandari, and T. Taira, “6 MW peak power at 532 nm by using linearly polarized passively Q-switched microchip laser,” in 2011 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and 12th European Quantum Electronics Conference (CLEO®/Europe - EQEC 2011), (IEEE, 2011), paper CA7.6 MON.
[28]  S. Hayashi, T. Shibuya, H. Sakai, T. Taira, C. Otani, Y. Ogawa, and K. Kawase, “Tunability enhancement of a terahertz-wave parametric generator pumped by a microchip Nd:YAG laser,” Appl. Opt., vo. 48, no. 15, pp. 2899-2902 (2009).
[29]  井戸豊, 渡辺一馬, 石垣直也, 門谷章之, 徳田勝彦, 東條公資, 平等拓範: “マイクロチップレーザー/周期分極反転タンタル酸リチウム（PPSLT）によるMALDI用光源開発”, レーザー研究, vol. 37, no. 4, pp. 290-295 (2009).
[30]  J. Akiyama, Y. Sato, and T. Taira "Laser ceramics with rare-earth-doped anisotropic materials," Opt. Lett., vol. 35, no. 21, pp. 3598-3600 (2010)
[31]  J. Akiyama, Y. Sato, and T. Taira, "Laser demonstration of diode-pumped Nd3+-doped fluorapatite anisotropic ceramics," Appl. Phys. Express, vol. 4, no. 2, 022703 (2011).
[32]  平等拓範: “マイクロ固体フォトニクス,”パリティ, vol. 26, no. 1, pp. 11-13 (2011).
[33]  T. Taira, "Anisotropic laser ceramics toward giant micro-photonics," OSA Topical Meeting on Advanced Solid-State Photonics (ASSP), Istanbul, Turkey, February 13-16, ATuE1 (2011). (Invited)

用語解説

*1)「マイクロ固体フォトニクス」マイクロドメイン(*2)構造制御，界面制御などのマイクロ材料加工・制御による光学機能を活用した先端的レーザー光源及びそれを応用・展開する分野を指す．

*2)「マイクロドメイン」強磁性体，強誘電体など，秩序相に方向性があり，1つの結晶体がその方向を異にする領域に分かれる場合，それぞれの領域をドメインという．すなわち，物質の性質をマイクロメータ（光の波長）オーダーで制御する事により，その物質の光学特性を強調する，または新たな機能が発現できる．

*3)「ジャイアントマイクロフォトニクス」マイクロ固体フォトニクスの進展により，微細な秩序制御（高度な物質制御）を施した物質の集積によるジャイアント光（高輝度光・高輝度温度光）の発生・制御が望めるにまでなってきた．そこでジャイアント光の性能向上を志向したマイクロ固体フォトニクスに限ってこの名称が適用されている．

■論文情報

N. Pavel, M. Tsunekane, K. Kanehara, and T. Taira, “Composite all-ceramics, passively Q-switched Nd:YAG/Cr4+:YAG monolithic micro-laser with two-beam output for multi-point ignition,” in Conference on Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper CMP1.

N. Pavel, M. Tsunekane, and T. Taira, “Composite, all-ceramics, high-peak power Nd:YAG/Cr4+:YAG monolithic micro-laser with multiple-beam output for engine ignition,” Opt. Express, vol. 19, no. 10, pp. 9378-9384 (2011).

■研究グループ

Nicolaie PAVEL（にこらい　ぱべる）
自然科学研究機構・分子科学研究所・分子制御レーザー開発研究センター、先端レーザー開発研究部門、博士研究員

常包　正樹（つねかね　まさき）
自然科学研究機構・分子科学研究所・分子制御レーザー開発研究センター、先端レーザー開発研究部門、博士研究員

金原　賢治（かねはら　けんじ）
(株)日本自動車部品総合研究所、Project General Manager

平等　拓範（たいら　たくのり）
自然科学研究機構・分子科学研究所・分子制御レーザー開発研究センター、先端レーザー開発研究部門、准教授
http://www.ims.ac.jp/research/assoc/taira.html

謝辞：写真の筐体製作には装置開発室水谷伸雄にご協力頂いた．また，本研究は一部，科学技術振興機構（JST）の支援を受け，日本自動車部品総合研究所，豊田中央研究所，デンソーと共同で進めているエンジン点火用マイクロレーザーの研究成果（JST 育成研究／育成ステージ）にかかるものである．また，セラミックレーザー，マイクロチップレーザー研究では基盤A，地域連携研究などの科研費，振興調整費，JST地域結集事業，NEDOなど，また，浜松ホトニクス，リコー，三菱電機，島津製作所，コンポン研究所，川崎重工，新日鉄などの支援を得て行われている．ここに感謝する．

■その他

OSAから新刊の雑誌Optical Materials ExpressのSenior Associate Editorを行う事になりました．折に触れ特集号を組みますので何かご提案があれば気軽にお声かけ下さい．