Ultra-fast probing of solid target heating by intense-laser irradiation using X-ray free electron lasers

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K03788
• Research Institution: Japan Synchrotron Radiation Research Institute
• Principal Investigator: 籔内 俊毅 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, 主幹研究員 (20397772)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 高強度レーザー / XFEL / 高エネルギー密度科学

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，高強度レーザーと固体試料の相互作用における基本的な現象の一つである「レーザーエネルギー付与に伴う固体の加熱過程」を理解するために，高強度レーザーが照射された固体内の任意領域における温度及び電離度の時間発展を超高速に診断することである．これを実現するために，X線自由電子レーザー（XFEL）をプローブとした新しい計測手法を提案した．
提案する計測手法では，高強度レーザー照射により加熱された固体試料に対してXFELを照射し，これにより発生するX線のスペクトルを取得し解析することで，XFELが照射された領域・時刻における物質状態を診断する．この手法の確立に向けた実験をXFEL施設SACLAにおいて実施した．XFELの光子エネルギーとの親和性を考慮して標的試料材料には銅を選択し，銅のK吸収端に合わせてXFELの光子エネルギーは9keVとした．試料加熱には最大出力500TWの高強度レーザーを利用した．
集光したXFEL（~数百 uJ/パルス）と高強度レーザー（~1 J/パルス）を各々独立に銅平板に照射すると，高強度レーザーにより加速された高エネルギー電子による励起に由来した特性X線と，XFELによる励起に由来した特性X線が発生することをX線分光及びX線イメージング装置により確認した．イメージング測定からXFELが所望の位置に照射されていることを確認した．単純な銅平板を試料とした場合には，高強度レーザーのエネルギーを顕著に抑制しないと，XFEL由来のX線よりも高強度レーザー由来のX線の信号量が高く，解析に必要な信号量比がられないことが判明した．銅フォイルを中間層にもつ多層膜試料を作成して同様な実験を行った結果，レーザーエネルギーを一定程度に保ったまま高強度レーザー由来のX線の信号量を抑制することに成功した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要で記したように，10 um程度まで集光されたXFELと高強度レーザーの空間調整法を確立し，すでに確立している100 fs以下の時間同期調整手法を併せて活用することで，高強度レーザーにより加熱された試料の任意の領域・時刻にXFELを照射することが可能であることを示した．ただし，計測手法の実証での利用を計画していた単純な銅平板試料では，高強度レーザーのエネルギーを顕著に抑制しない限り，高強度レーザー由来とXFEL由来の特性X線信号量の比が十分でないことが判明した．これに対処するため，当初計画では次年度に計画していた多層膜試料の利用を前倒しし，信号量比を改善できることを示した．この結果として，当初計画では次年度以降に予定していた多層試料中の任意深さに設置された標的試料からの信号検出が可能であることを既に確認できた．

Strategy for Future Research Activity

初年度には，信号量比の改善可能性について検証するために多層膜試料の設計・製作を優先して行ったため，当初計画していた湾曲分光結晶を備えた分光器は未整備である．次年度には，信号量比の改善をさらに進めるため，これまでに得られた結果をもとに試料設計の最適化を進めると同時に，新型分光器を利用して，信号量比が改善された状態で特性X線の検出信号量を増大させる計画である．これらの取り組みにより，高強度レーザーが照射された固体内の任意領域における温度及び電離度の時間発展を超高速に診断する手法を確立し，実験に活用することで，当初計画通りに高強度レーザーと固体試料の相互作用における固体加熱の過程の解明を目指す．