大阪大学、量子科学技術研究開発機構、高エネルギー加速器研究機構は、レーザー航跡場加速（LWFA）で生成した電子ビームを用いて極端紫外線（XUV）領域での自由電子レーザー（FEL）の発振に成功した（ニュースリリース）。
XFEL（X線領域のFEL）は、フェムト秒（1000兆分の1秒）オーダーの超短パルスで、太陽の100億倍に相当する超高輝度かつコヒーレントなX線を発生できる、きわめて強力な光源。原子・分子の構造変化を動画のように観測することが可能なことから、原子配列の観察、次世代半導体材料の微細構造解析、化学反応や生命分子の超高速ダイナミクス計測など、世界最先端の研究において不可欠な基盤となっている。
しかし、このXFELの発振には高エネルギーかつ高品質の電子ビームが必要であり、数百メートルの高エネルギー加速器を備えた大型施設が必要となっている。そこで注目されているのが、高強度のレーザーの照射によってプラズマを作り、そのプラズマの中で電子を加速するLWFA。
LWFAは加速器を飛躍的に小型化できる可能性を持つ一方、プラズマの制御が難しく、発生する電子ビームの品質にばらつきが大きいため、安定な高品質電子ビームを必要とするFELさらにはXFELの発振には至っていなかった。
今回、研究グループは、レーザーパルスの波面乱れを抑制し、プラズマ源となる超音速ガスジェット標的の安定性を高めた。さらにその内部構造を精密に制御する技術を開発し、電子ビームの品質と安定性をXUV領域でのFEL発振を可能とするレベルまで向上させることに成功した。具体的には、以下の技術的開発・改良を行なった。
・レーザーパルス整形による集光精度の向上
レーザーパルスの周縁部を空間フィルターで除去し、平面度の高い中心部分のみを用いることで集光精度を向上。これによりプラズマ生成が安定化し、結果として発生する電子ビーム発生点の揺らぎが大幅に低減し、電子ビームの安定性とともに単色性も向上した。
・内部整流構造を備えた超音速ガスノズルの新規開発
ガス流を均質化する内部整流構造を設計し、従来よりも安定性・再現性の高い超音速ガスジェット標的を実現した。
・急峻（きゅうしゅん）な階段状密度分布を形成する技術の開発
衝撃波を用いてガス標的内部に急峻な階段形状の密度構造を安定に形成する手法を新たに開発し、FEL発振に必要となる単色性の高い電子ビームの生成に成功した。
・高品質LWFA電子ビームによるXUV FEL利得の実証
これらの改良によって得られた高品質・高安定性のLWFA電子ビームをアンジュレータに通過させることで、XUV（波長27〜50nm）領域において放射光の強度が自発光に対して、最大約20倍に増幅されること（FEL発振）を確認した。
・磁力相殺型アンジュレータの導入
通常型アンジュレータでは、永久磁石を用いて強力な周期磁場を発生し、この磁場と電子ビームの相互作用によって放射光を生成する。今回の研究では、磁石間の強い磁場吸引力を相殺する反発磁石を付加してアンジュレータの大幅な小型軽量化を実現し、FEL発生部の小型化に成功した。これにより、将来の小型FELシステムとしての実現可能性を明確に示した。
研究グループは、大型施設に限られていた先端研究が、卓上サイズの小型装置で実現する道を拓く成果であり、材料科学、半導体開発、生命科学、量子科学など幅広い分野での新たな研究展開が期待されるとしている。
