2015 Fiscal Year Annual Research Report
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15H05434
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| Research Institution | Japan Synchrotron Radiation Research Institute |
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Principal Investigator |
犬伏 雄一 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 研究員 (40506250)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子ビーム / X線自由電子レーザー / レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は外部励起源を用いたX線増幅手法の開発であり、励起源として高強度光学レーザーを固体サンプルに照射した際に生成する高エネルギーの電子（高速電子）を用いた。この高速電子が固体中を伝搬する際に、内殻電離状態が生成される。本研究ではここに、その内殻電離状態から放射されるKα線と同じ波長のXFELを照射することで誘導放出を起こし、X線増幅を行った。
実験はSACLAで実施した。ゲイン媒質として銅（Cu）を選択し、厚さ20umのフォイルを用いた。CuのK吸収端エネルギーは9keVであり、内殻電離状態を生成するためには、そのエネルギー以上の高速電子が必要である。光学レーザーは波長800nm、パルスエネルギー70mJ、パルス幅50fsであり、10umまで集光した。このレーザー条件における高速電子温度は50keV以上となるためCuの内殻電離を充分生成可能である。XFELの光子エネルギーは8.05keVであり、CuのKαと同じ光子エネルギーである。このXFELをKBミラーにより10um程度に集光した。
増幅スペクトル計測のために、楕円ミラーとシリコン分光結晶、X線CCDカメラを組み合わせたシングルショット・スペクトロメーターを用いた。増幅光はシード光と同軸に指向性を持って放射されるため、スペクトロメーターはXFELと同軸下流側に設置した。また、波長分散と直交する方向には空間情報を有していた。
実験で得られたスペクトルでは、Cu-Kαと一致する光子エネルギーにおいて鋭いピークが観測され、また、その角度分布に指向性をもつことから、増幅されたスペクトルであると結論付けた。但し、パルス毎のタイミングジッターとスペクトル変化の影響で増幅は数%の成功率であった。増幅スペクトルの幅はおよそ600meVであった。その幅内のエネルギーのゲインはおよそ5であった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前述のように、Cuをゲイン媒質とした高強度光学レーザーとXFELの組み合わせた実験において、本研究課題の最大目標であったX線増幅を達成しており、研究は順調であるといえる。増幅スペクトルのバンド幅、そのバンド幅内のエネルギーゲインも評価することができた。
尚、本研究課題の計画当初は、2年目（2016年度）において、セルフシード方式によるシングルモードXFELパルスをシード光として用いた実験を行う予定であったが、SACLAにおけるセルフシードXFELのユーザー供用の目途が立っておらず、この実験は現状では実施できない。しかし、現状のSASE方式のXFELでも生じる物理現象に違いはないので、増幅機構を詳細に調べる過程において問題はないと考えている。
また、3年目（2017年度）において、使用予定の500TWハイパワーレーザーは現在立ち上げ調整中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
現状では、X線増幅に成功しているものの、まだ光学レーザー条件やサンプル条件の最適化ができていない。光学レーザー条件として強度とパルス幅、サンプル条件として厚みをパラメータとすることを考えている。今後はこのようなパラメータを変えながら増幅スペクトルを計測することで、より高いゲインが得られる条件をさがす。
また、これまでに得られている増幅スペクトルのバンド幅はおよそ600meVであった。この幅はCuのKα線の自然幅（~2eV）よりも狭い。プラズマ中のエネルギー準位の変化によって、ゲインが生じる波長域がごく狭くなっていることが予想される。ゲイン幅をより詳細に調べるために、今後はより高分解能のシングルショット・スペクトロメーターを使用すると共に、レーザー生成プラズマからの発光スペクトルも同時計測する。
XFELと光学レーザーのタイミングジッター、XFELスペクトルのパルス毎の変動から、現状の増幅は数%のショットしか増幅されていない。しかし、後者の影響に関しては、Cuに入射する前のスペクトルを観測しておき、Cu下流側のスペクトルと照合することで、詳細な解析が可能となる。この計測を実施するために、今後はCu上流部にてビームスプリッターを用いたシングルショット・スペクトロメーターを使用する。
これらの実験を実施したうえで、最終的には500TWハイパワーレーザーを使用した実験にて、パルスエネルギーの飛躍的な増大を目指す。
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Research Products
(2 results)
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[Presentation] Amplifier for x-ray free electron laser using intense optical laser2015
Author(s)
Y. Inubushi, K. Ogawa, I. Inoue, T. Togashi, S. Owada, T. Kameshima, K. Tono, T. Katayama, H. Yoneda, and M. Yabashi
Organizer
International Workshop on Warm Dense Matter 2015
Place of Presentation
Kurashiki, Japan
Year and Date
2015-06-07 – 2015-06-12
Int'l Joint Research / Invited
