JAXA における宇宙用レーザの研究の紹介（宇宙用レーザ技術分野）

宇宙利用ミッション本部地球観測研究センター境澤　大亮2012 年 2 月 17 日 ドップラーライダー検討会 in 東大理学

部

地球観測や月・惑星探査用アクティブセンサ光源として必須な宇宙用高出力パルスレーザに関する基盤技術の TRL 向上を目指し、 JAXA 全体として取り組むべき戦略的重点研究に提案。JAXA 横断的な重点研究「宇宙用レーザ技術の研究」として採択され、平成 23 年度から３年間で宇宙環境で動作する高信頼性の 10W 級出力レーザの実現を目指す。

経緯

信頼性が高く、メンテナンスフリーで長時間（ 3 年以上）稼働する高出力パルスレーザの実現

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AerospaceTechnology

EarthScience

Exploration

Clouds/AerosolTropospheric WindsTrace gas sensing Ozone CO2/CO/CH4 Water vaporLaser altimeter （ Laser scanner ） Biomass, surface

Turbulence detectionWind shear detectionWake vorticesWind profiling for shuttle launch and landing

Deep space exploration Guidance/Control Atmospheric composition

Laser TechnologyBasical lidar technology

レーザ技術を用いたミッション・イメージ（月・惑星探査機搭載センサ）

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周回軌道からの地形測定：　　 「かぐや」で実績があるが、レーザ出力低下着陸時の遠距離から近距離までの高度測定：　「はやぶさ」で実績があるが、最大レンジは比較的短い着陸時の近距離用障害物検出：　 実績無し　米国では FlashLIDAR が開発されている地上局－探査機間のレーザレンジング：　 実績無し　米国 LRO が地上からの 1way ranging

かぐや

LRO

SELENE2

はやぶさ

宇宙機搭載システムとして実績のあるレーザ高度計ただし寿命に関する問題は未解決センサ稼働時間が　 1 年未満

パッシブセンサ( 比較的水平プロファイル観測に有利 )

アクティブセンサ( 比較的鉛直プロファイル観測に有利 )

光学

高分解能イメージャ分光放射計

ＬＩＤＡＲ　　 ~

電波

マイクロ波放射計 レーダー

海外衛星の例まだ実績が少ない【実用観測実現よりまだ 5 年内】　 - 諸外国で 2 例、（開発中 3 件）　　 - 我が国では軌道上実績がない　　（開発中止１件、提案中１件）→ 観測センサ方式のフロンティア

実績多数実績多数

実績多数

背景地球観測センサ方式の比較

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光源技術がネックとなり、これまであまり実用化が進まなかった。しかし、センサに対するユーザ要求は、高度化・高精度化する傾向。⇒ 光学センサのアクティブ化は必須。

背景：過去～未来のライダー地球観測ミッション

• 複合観測センサ候補としてライダーミッションが期待される。• 共通的に必要となる基盤技術：宇宙用パルスレーザ光源⇒ 高信頼性のレーザが必要とされる領域

1990~1994 1995~1999 2000~2004 2005~2009 2010~2014 2015~2019

ADM/DLR風観測

EarthCARE/ESA-JAXA雲・エアロゾル観測

ISS-JEM /JAXA植生観測 ( 提案中 )

STS-64(LITE)/NASA雲・エアロゾル観測

ICESat /NASA氷床観測

CALIPSO/NASA-CNES雲・エアロゾル観測MDS-2 (ELISE)/NASDA大気観測 (abort)

ICESat -II/NASA氷床観測

2013 2015 2016

2016

(2003)

1994/9

2006.Apr - Current

2003/1 – 2010/2

現在

背景 / どういうパルスレーザ光源が必要か？

LALT, GLAS, CALIOP, ALADIN, ATLID: 商用で普及している Nd:YAG レーザを利用CDL, DIAL : Nd:YAG レーザとは異なるレーザが必要

ICESat -> CALIPSO では与圧システムを採用しコンタミネーション起因のレーザ寿命低下を改善ICESat は運用開始後約 1-2 ヵ月程度でレーザ出力 60% 以下へCALIPSO は運用開始後約 3 年経過でも出力 96% 以上を維持（現在 2nd レーザが稼働中）

LALT 1Hz1064nm 100mJ

GLAS(1 (ICESat)40Hz 532nm/1064nm

30mJ/100mJ

CALIOP(2 20.16Hz 532nm/1064nm

110mJ/110mJ

ATLID(EarthCARE) 100Hz 355nm 19mJ

ALADIN(ADM)100Hz 355nm

150mJ

Scanner 1300Hz 1064nm 10mJ

mW級

1W 級

10W 級

1) J.B. Abshire et al. GRL (2005)2) W.H. Hunt et al. Proc of 24th ILRC (2008)

目標２：寿命 100 億ショット（＝軌道上で 3 ～ 10 年以上動作できる）

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開発の方向性現在の技術レベル

目標１：平均出力 10W 級以上 次世代ライダー観測に要するスペック

目標領域CO2 70Hz-pair 1572nm/2060nm 100mJ

CDL 30Hz 1550nm/2090nm 0.5J

宇宙用レーザのベンチマーク～消費電力・質量～

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センサー名（搭載衛星：開発機関）

目標BBM

ATLID(EeathCAR

E:ESA)

ALADIN(ADM-

Aeolus:DLR)

CALIOP(CALIPSO

:NASA/CNES)GLAS

(ICESat:NASA)

LIDAR( はやぶさ

:JAXA ）

質量 (kg) 50-60 35 51.5 35 15.2 3.7（※）

消費電力 (W) ＞ 200 300(†) 510 99 110 17.0（※）

レーザ平均出力 (W)

＞ 10-20W級

（ > e-o 効率 10% ）

1.9( ３次高調波として )

15 4.4 4.4 0.008

繰り返し周波数 (Hz)

100 Hz 100 100 20 40 1

用途

ドップラーレーザスキャナレーザ高度計DIAL

大気・エアロゾル計測用後方散乱ライダ

風向・風速計測用ドップラーライダ

エアロゾル計測用後方散乱ライダ

地球観測用レーザ高度計

小惑星着陸用高度計

打上げ年度 － ２０１５（予定）

２０１３（予定）

２００６ ２００３ ２００３※　 LIDAR 機器としての質量･電力（他はレーザモジュールのみ）†　送信機全体（レーザ単体以外の消費電力も含む）

宇宙機（地球観測衛星 / 探査機）搭載レーザレーダ（ライダ）～技術ブレークダウンストラクチャ (TBS) ～送信部

受信光学系

検出部

大口径受信鏡低歪光学ベンチ

検出素子信号処理

大型ミラーの研究/次世代の観測衛星の研究で実施

用途毎にR&D を実施

スキャン機構

結晶加工・品質評価排熱（励起構造）

機構（アライメント、振動）宇宙用高出力 LD スタック宇宙用 EO デバイス

10W 級 パルスレーザ

狭帯域レーザ高精度波長制御

コンタミネーション抑制

ライダーシステム 高品質結晶の試作：RIKEN

伝導冷却技術の提供：　 NICT->JAXAモジュール試作品： RIKEN->JAXA

高安定共振器 :JAXA

放射線試験による軌道上耐性評価 : RIKEN/JAXA

不活性ガスのパージ /非パージシステムを用いた試験

：本研究の対象

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LD stackmodule EO

DIAL: Transmitter

Narrow band laser 1

Narrow band laser 2

Reference gas

LD stackmodule

LD stackmodule

LD stackmodule

OpticalSwitch

10W 級パルスレーザ

IsolatorCavity length

Controller

LD stackmodule EO

Doppler Transmitter

Narrow band laser 1

LD stackmodule

LD stackmodule

LD stackmodule

OpticalSwitch

10W 級パルスレーザ

IsolatorCavity length

Controller

Send to detector as Local oscillator

Doppler, DIAL, Scanner などに共通するレーザ発振機

本研究のレーザシステムとライダーシステムとの対応

送信部結晶加工・品質評価 排熱（励起構造） 機構（アライメント、振動）

宇宙用高出力 LD スタック 宇宙用 EO デバイス

10W 級 パルスレーザ

コンタミネーション抑制9

DIALDopplerAerosol/Cloud

1064 nm パルスレーザ（本研究の対象）

技術的難易度（レーザ送信部）

高精度波長制御

CALIOP, ATLIDGLAS, ATLAS

SHG, THG SHG, THG OPO/OPA/OPG非線形波長変換

ALADIN N/Aダブルパルス

高

重要技術課題『レーザ光源は原理的にエネルギー効率が悪い』　 10W のレーザ光源を作るには・・・ ・レーザ結晶から各２０W× ３～４個（合計で６０～８０W ）の排熱。 ・発熱密度 : １ W/mm3 。 （→結晶の破壊や出力の不安定性の要因にも）・励起用ＬＤモジュールから合計で３００～３５０W の排熱。⇒ 排熱技術が非常に重要となる。

課題①： 排熱

『高出力レーザ光源は特にコンタミに弱い』（通常は定期的にクリーニングを実施している）　アウトガスによる分子コンタミの影響　　・光学素子の性能を劣化させ、出力低下・ビーム品質悪化を引き起こす。　　・光学素子の反射防止膜上で、高出力レーザによる焼損を引き起こす。⇒ コンタミの課題を解決することは必須。

課題②： コンタミネーション

『高出力レーザ光源は高精度アライメントが必要』　打上げ機械環境や熱歪みによるごく僅かなミスアライメントでも、出力低下・ビーム品質悪化に繋がる。⇒ 耐振動性の評価や発振器構造のロバスト性向上が必要。

課題③： 構造

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◆ 重要技術課題の解決に向けて以下の２つのアプローチで研究を進めるアプローチ１アプローチ２

各課題個別の対策の検討各課題に対する対策の効果をレーザシステムとして組み上げた状態で評価することも不可欠である。よって、 BBM を早期に試作、環境試験等を通じで、これらの有効性を評価し、早期に各検討にフィードバックを行う。

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1 年目 2 年目 3 年目

宇宙用高出力パルスレーザ技術　研究計画

[ その他の研究計画 ]○ BBM 用レーザ結晶の試作

(RIKEN)○ 評価試験（放射線・寿命試験）○ コンタミネーション抑制技術の

研究○ システム熱制御

[ その他の研究計画 ]○ 評価試験（放射線・寿命試験）○ コンタミネーション抑制技術

の研究○ システム熱制御○ 翌年度以降の展開検討

[ その他の研究計画 ]○ 放射線耐性試験準備○ 過去のプロジェクトの

lessons learned ヒアリング

○ システム熱制御の検討

● BBM によりレーザ送信部のシステム成立性を確認するとともに、各種環境試験を早期に実施し、宇宙用高出力パルスレーザ光源技術を短期で実現する。

進行状況

時間

光学定盤設置イメージ主発振器（光学定盤設置）20mJ x100Hz, 15-30ns

筐体設置イメージ

光源筐体の内部構成（ MOPA 方式）主発振器 初段増幅器

後段増幅器（２段）

主発振器（筐体設置）20mJ x100Hz, 15-

30ns主発振器 +増幅器 ( １段 )30-50mJ x100Hz,10-

20ns

主発振器+増幅器（計３段）100mJ x100Hz,

5-7ns

主発振器+増幅器（計３段）150mJ x100Hz,

5-7ns

レーザシステム及び主発振器の設計

○ 主発振器の筐体実装　 → 実装性の確認　　＆環境試験による確認へ○ 初段増幅器の実装

後段増幅器を実装、高出力化へ

レーザ光の流れ

光源筐体の内部構成（ MOPA 方式）

主発振器

LD pump power: 4.5kW Derated power: 2.4kWLD pulse width: 200usRepetition rate: 100HzHeat: 110 W

重要技術課題

LD pump power: 6.0kW Derated power: 3.6 kWLD pulse width: 200usRepetition rate: 100HzHeat: 160 W

Post amplifier

Pre amplifier

LD pump power: 1.8kW Derated power: 1 kWLD pulse width: 200usRepetition rate: 100HzHeat: 45 W

Oscillator

レーザ光学素子の破壊、劣化を抑えるため　　発振器出力を低出力化　　増幅器（プリアンプ、ポストアンプ）による出力調整　　　→　 LD を長く使うためのディレーティング。

No. EOL (shot)

1Quantel-LD 補償値 0.5-10 billion ( 4-10 x 109) パルス幅 : 200us

素子温度： 25 degC2 Duty cycle 5% -> 2% 1.25-25 billion ( 10 - 25 x 109) 5% / 2% = 2.5 倍3 温度変化 (1/2 @ +10 degC) 0.4-8 billion ( 3.2 - 8 x 109) + 3 deg -> 0.8 倍

（ +10 deg → ½倍）4 2 & 3 を考慮 1 – 20 billion ( 8 - 20 x 109) 2.5 x 0.8 倍5 ディレーティング　（ x @ y

% ）? X 倍

6 推定される寿命値 (No.4 x No.5)

( 1 – 20 ) x X billion 9.5 x 109 shot （参考）　　 ≒ 3 年動作

EOL (shot) スタート時の出力と比較して 80% となる時間とする

機材の寿命に対して光学素子の破壊、劣化打ち上げ時の振動による光強度の減少を解決した場合レーザシステムの寿命を決定する要因は LD の寿命

○これまでの成果 宇宙用レーザシステム（ BBM ）全体の設計を実施した。

構成：主発振器＋増幅器 (MOPA 方式 ) 。　この 出力分担配分を決定。 目標である 10W 級出力・パルス幅 5 ～ 7ns を得られる設計とした。

主発振器について、詳細設計を実施した。 有識者との議論およびメーカヒアリングを行った。

○ 今後 光学定盤上で主発振器のレーザ発振。性能及び設計妥当性評価 筺体モデルへの移植に向けた設計

⇒ 筺体へ移植、初段増幅器を設計 & 実装し、性能評価（来年度） 耐環境 / 寿命・信頼性評価及びコンタミネーション防止、

システム熱制御技術に関する詳細な研究実施。

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まとめ／今後の進め方