多層膜集光ミラーを用いたＸ線自由電子レーザーのナノ集光

• Project/Area Number: 13J00129
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Production engineering/Processing studies
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 金 章雨 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2015: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2014: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: X線自由電子レーザー / X線集光 / 形状計測 / 波面計測 / 多層膜 / X線反射率 / Pt/C

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，未踏領域である硬X線非線形光学の開拓を目的に，多層膜Kirkpatrick-Baezミラーを用いたXFELのsub-10nm集光の実現を目指している．
ミラー光学素子においては，原子的に平滑かつ急峻な非球面をPV 1 nmを上回る形状精度で作製する必要がある．このため，曲面測定に強いレーザー顕微鏡をメインプローブに採用し，そのプローブの姿勢をヘテロダイン干渉計によってsub-nm精度でモニターできる形状計測システムを構築し，ミラー基板のオフラインでの形状評価を可能にした．そして，この計測結果をもとに，所定精度の基板をディタミニステックに加工することを可能にした．
本ミラー光学素子では，素子へのX線の斜入射角度が全反射の臨界条件を越えており，ミラー基板に多層膜コーティングを施す必要がある．そこで，硬X線領域で実績のある白金/カーボン多層膜に注目し，そのXFEL損傷耐性を詳細に評価した．反射率の劣化曲線や断面TEMを用いた損傷形態を詳細に評価し，目的の集光において利用可能な条件が存在することを明らかにした．さらに，集光効率に直接影響する反射率の劣化が，成膜時のPt層の結晶化によって起こることを見出し，その解決法としてPt層にCを添加することを提案し，光学系全体のスループットを約10％向上することに成功した．
集光ビームの最終的な波面精度は，XFELビームラインにミラー光学素子をセットした状態でat-wavelength評価する必要があるが，ここではTalbot効果を用いたシングルグレーチングX線干渉計を構築し，この計測に成功した．そして，開発したat-wavelength計測法によって，ミラー基板上でsub-nmの形状誤差に対応する波面誤差の評価を可能にし，同時にミラー光学素子の姿勢調整にも適用することによって，世界で初めて約10 nmにXFELを集光することに成功した．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Damage threshold of platinum/carbon multilayers under hard X-ray free-electron laser irradiation (2015)
  • Author(s): J. Kim, A. Nagahira, T. Koyama, S. Matsuyama, Y. Sano, M. Yabashi, H. Ohashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 23(22) Issue: 22 Pages: 29032-29037
  • DOI: 10.1364/oe.23.029032
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Damage to inorganic materials illuminated by focused beam of X-ray free-electron laser radiation (2015)
  • Author(s): T. Koyama, H. Yumoto, K. Tono, T. Togashi, Y. Inubushi, T. Katayama, J. Kim, S. Matsuyama, M. Yabashi, K. Yamauchi, and H. Ohashi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 9511 Pages: 951107-951107
  • DOI: 10.1117/12.2182778
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Generation of 1020 Wcm-2 hard X-ray laser pulses with two-stage reflective focusing system (2014)
  • Author(s): H. Mimura, H. Yumoto, S. Matsuyama, T. Koyama, K. Tono, Y. Inubushi, T. Togashi, T. Sato, J. Kim, R. Fukui, Y. Sano, M. Yabashi, H. Ohashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 5 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/ncomms4539
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Investigation of ablation thresholds of optical materials using 1-μm-focusing beam at hard X-ray free electron laser (2013)
  • Author(s): T. Koyama, H. Yumoto, Y. Senb a, K. Tono, T. Sato, T. Togashi, Y Inubushi, T. Katayama, J. Ki m, S. Matsuyama, H. Mimura, M. Yabashi, K. Yamauchi, H. Ohashi, and T. Ishikawa
  • Journal Title: Optics Express Volume: 21 Issue: 13 Pages: 15382-15388
  • DOI: 10.1364/oe.21.015382
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Damage characteristics of platinum/carbon multilayers under X-ray free-electron laser irradiation (2013)
  • Author(s): J. Kim, T. Koyama, H. Yumoto, A. Nagahira, S. Matsuyama, Y. Sano, M. Yabashi, H. Ohashi, T. Ishikawad, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Proceedings of SPLE Volume: 8848 Pages: 88480S-88480S
  • DOI: 10.1117/12.2022735
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Damage threshold investigation using grazing incidence irradiation by hard X-ray free electron laser (2013)
  • Author(s): T. Koyama, H. Yumoto, K. Tono, T. Sato, T. Togashi, Y. Inubushi, T. Katayama, J. Kim, S. Mats uyama, H. Mimura, M. Yabashi, K. Yamauchi, and H. Ohashi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8848 Pages: 88480T-88480T
  • DOI: 10.1117/12.2025377
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Precision Grazing-incidence Angle Error Measurement of a Hard X-ray Condenser Mirror Using Single-grating Interferometry (2013)
  • Author(s): R. Fukui, J. Kim, S. Matsuyama, H. Yumoto, Y. Inubushi, K. Tono, T. Koyama, T. Kimura, H. Mimura, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Synchrotron Radiation News Volume: 26 Issue: 5 Pages: 13-16
  • DOI: 10.1080/08940886.2013.832585
  • Peer Reviewed
• [Presentation] X-ray mirror surface metrology using optical and at-wavelength techniques for hard XFEL single-nanometer focusing (2015)
  • Author(s): Jangwoo Kim
  • Organizer: 12th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI 2015)
  • Place of Presentation: NY Marriott Marquis (Times Square)
  • Year and Date: 2015-07-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X線集光ミラー形状測定のための姿勢補正機構を有する三次元測定機の開発 (2015)
  • Author(s): 金 章雨
  • Organizer: 2014年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東洋大学, 東京都
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [Presentation] Sub-10 nm 集光用X線ミラーのための高精度形状計測装置の開発 (2015)
  • Author(s): 金 章雨
  • Organizer: 第28回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 立命館大学びわこ・くさつキャンパス, 滋賀県
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] Development of high-precision figure measurement system for x-ray optics using laser focus microscope (2014)
  • Author(s): Jangwoo Kim
  • Organizer: SPIE Optics + Photonics 2014
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, California, United States
  • Year and Date: 2014-08-17 – 2014-08-21
• [Presentation] 硬X線自由電子レーザーシングルナノ集光用Pt/C多層膜の破壊特性評価 (2014)
  • Author(s): 金 章雨
  • Organizer: 第27回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 広島国際会議場, 広島県
• [Presentation] XFEL-induced damage to optical thin film for X-ray mirrors under graz ing incidence condition (2014)
  • Author(s): Jangwoo Kim
  • Organizer: International Workshop on Atomically Controlled Fabrication Technology
  • Place of Presentation: Osaka University Nakanoshima Center, Osaka, Japan
• [Presentation] Damage characteristics of platinum/carbon multilayers for hard X-ray free-electron laser focusing (2013)
  • Author(s): Jangwoo Kim
  • Organizer: The 25th Synchrotron Radiation Users' Workshop & KOSUA meeting
  • Place of Presentation: POSCO International Center, Pohang, Republic of Korea
  • Year and Date: 2013-11-21
• [Presentation] 硬X線ナノ集光ミター用Pt/C多層膜の作成と評価 (2013)
  • Author(s): 金 章雨
  • Organizer: X線ナノ集光技術研究会2013
  • Place of Presentation: 大阪大学中之島センター, 大阪府
  • Year and Date: 2013-11-17
  • Invited
• [Presentation] Damage characteristics of platinum/carbon multilayers under focused X-ray free-electron laser irradiation (2013)
  • Author(s): Jangwoo Kim
  • Organizer: SPIE Optics + Photonics 2013
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, California, United States
• [Presentation] X線自由電子レーザーを用いた硬X線集光用Pt/C多層膜の特性評価 (2013)
  • Author(s): 金 章雨
  • Organizer: 2013年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 関西大学, 大阪府
• [Remarks] 大阪大学 山内研究室
  • URL: http://www-up.prec.eng.osaka-u.ac.jp/
• [Remarks] 山内研究室のホームページ
  • URL: http://www-up.prec.eng.osaka-u.ac.jp/