東大ら，XFELの可干渉性の可視化に成功

東京大学大，理化学研究所，高輝度光科学研究センターらの研究チームは，X線自由電子レーザー（XFEL）から出射されたレーザー光がどの程度干渉することが出来るかを評価する手法を考案し，理研のXFEL施設SACLAにおいて実証実験に成功した（ニュースリリース）。

XFELは，波長がオングストローム（100億分の1メートル）程度の電磁波であるX線の領域で初めて実現したレーザー光源だが，従来のX線光源とは異なって，光の位相がきれいに揃った光，すなわち高い可干渉性を持つ光を発振させることができると理論的に予測されていた。しかし，これまでその明確な証拠は得られてこなかった。

XFEL光源から出射されたレーザー光の可干渉性を定量的に評価することは，理想的な条件のもとでX線がどこまで小さく集光できるか，という指標となっている。そのため，その可干渉性を精確に知ることは，X線を集光する光学素子を設計して，より明るいX線のレーザー光を実現するためにも非常に重要になる。

しかし，X線領域のレーザーを発振する手法として考案されたSASE方式で発振されたXFELの光は，フェムト秒の時間幅を持つパルス光だが，1つ1つのパルス光の性質がそれぞれ異なるという特徴を持っている。そのため，XFEL光の可干渉性を評価するためには，1つだけのXFELパルスを使って情報を引き出す必要があり，その計測の難しさのために，XFELの可干渉性の測定はこれまでほとんど行なわれてこなかった。

研究チームは，XFEL光の可干渉性を評価するために，ヤングの実験を拡張した新しい計測法を開発した。この方法では，ヤングの実験で用いられている二重スリットの代わりに大小2つの大きさの球状粒子を利用する。そして，X線が照射された粒子からの散乱波の干渉パターン画像を測定・解析することで，粒子位置におけるXFEL光の位相がどの程度揃っているのかを評価する。

今回開発した計測法では1つのXFELパルスを用いて得られた1枚の画像から直ちに可干渉性を決定することができる。このアイデアに基づいて，研究チームはSACLAから出射されたレーザー光の可干渉性を評価した。

SACLAから出射されたXFELの光をX線ミラーによって集光し（集光サイズ: 1.8µm（水平方向）×1.3µm（垂直方向）），その集光点に大小2種類のサイズの金コロイド粒子を含んだ溶液を液体ジェットによって導入した。そして，試料からのX線散乱の様子を高感度のX線CCDカメラによってXFELパルスごとに測定し，画像解析によって得られた多数の画像の中から大小2つの大きさの球状粒子による散乱像を抽出した。

大小2粒子からなる散乱像は，明暗の縞模様を示す。この明暗のコントラストは，画像の中心からの距離によって大きく変化する。このコントラストの最大値は，2つの粒子位置に対応した可干渉性の度合いと一致するという特徴がある。

さらに，縞模様の間隔は粒子間の距離に対応している。これらの特徴を利用して大小2粒子からなる散乱像を解析することで，可干渉性の度合いを粒子間の距離の関数として可視化することが出来た。

可干渉性の度合いは，集光ビームサイズと同程度離れた2点間でも非常に高い値であり，SACLAから出射されたXFEL光はビームのほぼ全体に渡って位相が揃っていることが分かった。このことは，SACLAからの光が非常に高い可干渉性を有する理想的なレーザー光であることを意味している。

今回開発した実験手法は，XFELの光の可干渉性を評価する新しい“ものさし”となるもの。可干渉性は，X線がどこまで小さく集光できるかを決める基本的な物理パラメータとなる。今回，定量的に測定した可干渉性をX線光学素子の開発にフィードバックすることによって，X線を小さなスポットに集光する光学素子の開発に発展が期待できるという。

研究グループでは，X線光学素子の開発によって，より明るいX線のレーザー光が利用できるようになることで，小さな試料であっても原子レベルで構造を決定することに貢献できるとしている。