理研ら,軟X線FELを高効率でナノ領域に集光

理化学研究所(理研),東京大学,高輝度光科学研究センターの研究グループは,軟X線自由電子レーザー(軟X線FEL)を高効率でナノ領域に集光可能なシステムを新たに開発した(ニュースリリース)。

軟X線は,試料の電子状態や磁性分布,化学組成などの分析に広く用いられている。なかでもX線自由電子レーザー(XFEL)により発振される軟X線は,高強度かつフェムト秒パルスという光特性を備えている。

軟X線領域ではミラーによる集光が主流で,数マイクロメートル程度の軟X線ビームが実験に利用されてきた。しかし,軟X線利用実験の高度化のためには,新たな集光システムによるビームサイズのさらなる微小化が必要とされていた。

今回研究グループは,KBミラーと回転楕円ミラーという2種類の集光ミラーを組み合わせた「ハイブリッド型の軟X線FEL集光システム」を考案した。KBミラーは,反射面が直交するように配置した2枚の楕円面でX線を反射させることによってX線を1点に集光する。回転楕円ミラーは,1枚の回転楕円面でX線を反射させることでX線を1点に集光する。

それぞれのミラーは「受光できる光のサイズ」と「集光サイズ」において,反対の特徴を持っている。そこで,それぞれの利点を生かすために,KBミラーで軟X線FELを受光・集光してビームを小さくした後,回転楕円ミラーで再び集光するという二段集光光学系を設計した。

回転楕円ミラーの表面材料はニッケルで,X線自由電子レーザー施設「SACLA」の軟X線ビームライン(BL1)で発振波長の8~30nmにおいて高い反射率を示す。

SACLAのBL1で実際に集光システムを構築し,集光実験を行なった結果,波長10nm前後の軟X線を500×550nmの領域に集光し,1×1016W/cm2を超える極めて高強度な軟X線光電場を形成することに成功した。

次に,形成した高強度集光ビームを用いて,可飽和吸収と呼ばれる非線形光学現象の観測を行なった。集光点に窒化ケイ素(Si3N4)の薄膜を設置し,透過率の集光強度依存性を計測した。その結果,強度1015W/cm2を境に,可飽和吸収の特徴である急激な透過率上昇が見られた。これは,高強度な軟X線電場が形成されている証拠だという。

今回の集光システムを用いることにより,非線形軟X線光学の研究に必要な高強度軟X線電場を広い波長帯域で形成できるようになった。研究グループは,今回の研究成果は軟X線非線形光学や磁性材料の研究をはじめとした,軟X線FELを使用するさまざまな研究分野の発展に貢献するとしている。

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