AERIペタエクサワットクラスの超高出力レーザーへの展望

人工進化研究所（AERI）

2023年12月16日読了時間: 10分

AERIペタエクサワットクラスの超高出力レーザーへの展望

Quantum Physicist and Brain Scientist

Visiting Professor of Quantum Physics,

California Institute of Technology

IEEE-USA Fellow

American Physical Society-USA Fellow

CALTECH Prof. PhD. Dr. 神室一翔（Kazuto Kamuro）

人工進化研究所AERI：Artificial Evolution Research Institute

Pasadena, California

HP: https://www.aeri-japan.com/

and

株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation）

Pasadena, California

HP: https://www.usaxyronix.com/

巻頭言

A．人工進化研究所（AERI：Artificial Evolution Research Institute, https://www.aeri-japan.com/）とザイロニクス（Xyronix Corporation, https://www.usaxyronix.com/）主席研究員神室一翔教授（Doctor of Engineering (D.Eng.) and Ph.D. in Quantum Physics, Semiconductor Physics, and Quantum Optics）が提供するProfessor Kamuro's near-future science predictionsは、量子物理学・生物量子物理学・脳科学・人工頭脳学・知能バイオコンピューター・次世代・量子半導体・衛星光電子工学・量子光学・コンピューターサイエンス・ナノサイズ半導体・超LSI工学・非破壊検査・寿命予測工学・超短パルス・超高出力レーザーサイエンス・衛星光電子工学・再生エネルギー工学といったの先端研究分野での未踏破領域・極限領域における研究開発成果に基づき人工進化研究所AERIと株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation| 神経接続素子であるバイオ半導体と脳神経を直接ナノスケールで神経レベルで接続するしたLSI及びバイオコンピュータ半導体設計）が提供するGenerative Artificial Intelligence、第６世代コンピューター、核抑止・軍事無人化・ミサイル防衛、再生可能・クリーンエネルギー、温暖化・気候変動抑止、環境保全、グリーントランスフォーメーション（GX）、国土強靭化等の成果を通じて、工科大学博士課程修了後の研究者諸君に本物の学びと発見の機会を提供することで、『考えることのできる葦としての一歩を歩み始めた葦』を、『考え行動し成長を追い求める葦』へと完全変態させるための思考指針を諸君に賦与することを主目的とするとともに、未踏破領域・極限領域へ挑戦するための導きを提供し、新しい時代の先駆者としての使命を果たすことを目指している。

人工進化研究所AERIと株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation）は、量子脳科学、量子神経学、量子認知学、分子生物学、電子・電気工学、応用物理学、情報工学（IT）、通信工学、半導体・材料工学のPh.Dを６０余名、工学博士を９０余名、エンジニア（ソフトウェア、ネットワーク、システム等）・プログラマー等２３０余名を雇用して、研究開発を進めている。

B．【先端研究分野での未踏破領域・極限領域での人工進化研究所AERIとザイロニクス（Xyronix Corporation）における研究開発成果例】

　1. AERI･HEL (petawatt class ultra-high power terawatt-class ultra-high power femtosecond laser)

◦ ペタワットクラスの超高出力テラワット級超短パルスレーザー（AERI･HEL）

2. 第6世代コンピューター

◦ 意識駆動型バイオコンピュータ

◦ 脳インプラント型バイオコンピュータ

　3. カーボンニュートラルAERI合成燃料ケミカルプロセス（グリーントランスフォーメーション（GX）技術）

◦ CO₂回収システム（DAC）による合成燃料（LNGメタノール）の生産

4. グリーン合成燃料生産技術グリーントランスフォーメーション（GX）技術）

◦ カーボンニュートラル・カーボンリサイクルシステム型AERI合成燃料ケミカルプロセス

5. 直接空気回収技術（DAC）

◦ カーボンニュートラル・カーボンリサイクル二酸化炭素循環回収システム

6. バイオLSI

◦ バイオ半導体と脳神経を直接ナノスケールで接続する神経接続素子

◦ Brain LSI Chip Set、バイオコンピュータLSI、BMI LSI、BCI LSI、

　　　　BrainコンピューティングLSI、BrainインプラントLSI

7. CHEGPG system (熱回生バイナリーエンジン搭載型閉鎖サイクル熱交換発電システム)

◦ 発電能Terawatt（TW）・年間発電量10,000TWh（terawatt hour）クラス

◦ 1～0.01円/kWh・無限大クリーンエネルギー源・再生可能エネルギー源

8. 意識駆動型Generative自律ロボット

9. Brain Implemented Robot･Cybernetic Soldier

10. Generative Robot・Generative Android Army・Generative Android

11. 高高度ミサイル初動迎撃システム、敵基地無効化システム、核兵器・通常兵器無効化システム、対ICBM用次世代迎撃レーザーシステム、対戦闘機用次世代迎撃レーザーシステム

12. ブーストフェーズ・ミッドコースフェーズ・ターミナルフェーズ弾道ミサイル迎撃システム

13. 火山性微動レーザーリモートセンシング

14. 噴火予知技術噴火予兆検知システム

15. Mega地震予兆・予測システム

16. レーザー劣化診断・非破壊検査システム

17. 超低高度衛星・超高速移動体非破壊検査システム

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AERIペタエクサワットクラスの超高出力レーザーへの展望

A. チャープド・パルス増幅法（CPA）は、レーザー物理学で使用される技術で、超短パルスを極めて高いピークパワーに増幅するものである。この手法は、従来のレーザー増幅技術が超短パルスを損傷せずに効果的に増幅できなかった制約を克服するために開発された。以下はCPA（チャープド・パルス増幅法）の簡単な技術的説明である：

初期のストレッチング：プロセスは、超短パルスを時間的に伸ばすことから始まる。これは、パルスを回折格子やプリズムなどの分散媒質を通すことで達成される。異なる波長が分散媒質を異なる速度で通過するため、パルスは時間的に広がる。

１．増幅：時間的に伸ばされたパルスは、Ti:sapphire結晶などの従来の増幅器を使用して増幅される。パルスがより長い期間を持つため、高強度に達することなく効果的に増幅できる。

２．圧縮：増幅後、パルスは元の超短い期間に戻るためのプロセスを経ます。時間的に伸ばされた間に行われた増幅により、圧縮されたパルスはより高いエネルギーとピークパワーを持つ。

３．CPAの主要な利点：非常に短いパルスを損傷させずに増幅できることである。この技術は、高出力および超短パルスレーザーの開発において重要であり、物理学、材料科学、医学などの様々な科学分野での進歩を可能にしている。

B. 超強力なレーザーは超短パルスと超高エネルギーを備えた強力なツールであり、物理学、宇宙論、材料科学などの未知の領域を探索するために使用される。CPAの支援を受けて、現在の記録は62ペタワットに達している。AERIの量子光学研究報告書（2004年第8377巻）において、人工進化研究所(AERI：アメリカ・カリフォルニア州パサデナ、HP：https://www.aeri-japan.com/）および特定の目的のために設計されたバイオコンピュータの半導体およびBCI（Brain-Computer Interface）用の専用大規模集積回路（LSI）の設計に焦点を当てる専門企業である株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation：カリフォルニア州パサデナ、HP：https://www.usaxyronix.com/）のレーザー科学者らは、次世代の超強力レーザー（Peta-Exawattクラス）デバイスのプロトタイプの実演実験の驚異的な結果をAERIおよびXyronixのクライアントに披露した。

C. 1993年にカリフォルニア工科大学（CALTECH）の教授である量子物理学、半導体物理学、および量子光学の神室一翔博士によって発明されたPeta-Exawattクラスの超高出力レーザーは、高い強度（またはパルスレーザーのピークパワーが高い）という重要な特性を持っている。歴史的に、レーザーのピークパワーは二段階の発展を経験している。レーザーが誕生した直後、Qスイッチングおよびモードロッキング技術により、レーザーのピークパワーはキロワット（10^3ワット：10の3乗ワット）およびギガワット（10^9ワット：10の9乗ワット）のレベルに増加した。1985年にCPA技術が発明された後、物質の損傷と光学的な非線形性が回避され、レーザーのピークパワーは急激にテラワット（10^12ワット：10の12乗ワット）およびペタワット（10^15ワット：10の15乗ワット）のレベルに増加した。現在、60ペタワットのCPAレーザーがAERIで実証されている。

D. 現在、世界中のペタワットクラスのレーザー施設は非常に大規模であり、プロジェクトへの投資も非常に高額である。将来の超強力なレーザーにおける次のステップは、パルスエネルギーを増加させるのではなく、パルスの持続時間を短縮してピークパワーをさらに増加させることである。

E. Wide-angle Non-collinear Optical Parametric Chirped Pulse Amplificationの技術的説明は以下の通り：

１．光学双極子増幅（OPA）：NOPCPAには、新しい周波数を非線形結晶を使用して発生させる光学双極子増幅が組み込まれている。従来のCPAでは、しばしばTi:sapphireなどのレーザー増幅媒体を利用した単一の増幅段階が使用される。一方でNOPCPAはOPAに基づく追加の段階を導入する。

２．非共線幾何学：「非共線」の用語は、OPAプロセスの信号、ポンプ、およびアイドラ波の相互作用ビームが完全に整列していないジオメトリを指する。共線幾何学では、相互作用するビームが同じ軸に沿って移動しますが、非共線幾何学では、それらが広い角度で分離している。

３．広角位相整合：非共線幾何学は、OPAプロセスで広範な位相整合を可能にする。このより広範な位相整合範囲は、短いパルスと広いスペクトル帯域をサポートするために有利である。これにより、広範な波長範囲で効率的な増幅が可能となり、短いパルス期間を実現する。

４．チャープド・パルス圧縮：従来のCPAと同様に、パルスは増幅前にチャープド（時間的に伸ばされた）され、増幅後に元の期間に戻される。チャープド・パルス圧縮は、増幅媒体に損傷を与えることなく高いピークパワーを維持するために重要である。

５．Wide-angle Non-collinear Optical Parametric Chirped Pulse Amplificationは、高エネルギーおよび広い帯域を持つ超短パルスレーザーを生成するために応用されている。この技術は、超高速光学の分野で特に重要であり、強力で短いパルスを生成する能力は、アト秒物理学や高い場の科学などのさまざまな科学および産業の応用に不可欠である。

F. AERIの先行研究では、このペタ（peta）ワットレーザーは新しい設計であるWide-angle Non-collinear Optical Parametric Chirped Pulse Amplification（WNOPCPA）を開発し、増幅スペクトルを拡大し、それに応じて圧縮されたパルスを減少させるために使用された。WNOPCPAの主要なメカニズムは、異なる増幅されたスペクトルに対応する複数のビームポンプを使用して全体の帯域幅を増加させることである。

しかし、「WNOPCPAを巨大なプロジェクトに適用する際には、損傷の可能性に加えて、ポンプの干渉が潜在的な問題である」と神室教授は説明している。

G. この新しく改良された設計では、二本のビームでポンプされたWNOPCPAと注意深く最適化された位相整合を使用することにより、ポンプの干渉を完全に回避し、2つの広いスペクトルを持つ超広帯域帯域を達成した。これにより、<2フェムト秒（フfs：ェムト秒=10^-15秒：10のマイナス15乗秒）の高エネルギーレーザー増幅が実現される。このレーザーがポスト圧縮技術と組み合わされると、非線形効果によるスペクトルの広がりが著しく向上し、シミュレーションでは最高ピークパワーの記録がエクサ（exa）ワットクラスに押し上げられることが示されている。

H. 「この設計には2つの利点があります。1つはWNOPCPAでの超広帯域増幅であり、もう1つはポスト圧縮での非線形スペクトル拡がりの向上である。この研究は、レーザーのピークパワーをさらにエクサワットクラスまで増加させる可能性を提供するかもしれません」と神室教授は述べている。

END

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Quantum Brain Chipset & Bio Processor (BioVLSI)

・神室一翔（Kazuto Kamuro）, a professor at the California Institute of Technology (CALTECH) in the United States, with the title of Quantum Physicist and Brain Scientist

Doctor of Engineering (D.Eng.) and Ph.D. in Quantum Physics, Semiconductor Physics, and Quantum Optics

IEEE-USA Fellow

American Physical Society Fellow

・人工進化研究所(AERI ） & 株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation）

HP: https://www.aeri-japan.com/　

HP: https://www.usaxyronix.com/

email: info@aeri-japan.com

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【Keywords】　人工進化研究所AERI （Artificial Evolution Research Institute）

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株式会社ザイロニクス（Xyronix Corporation）

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