Development of advanced plasma soft x-ray laser and next generation nano-processing technology

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H03750
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: ヂン タンフン 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 主任研究員 (20744808)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長谷川 登 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 主幹研究員 (50360409) ; 錦野 将元 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 本部 経営企画部, 上席研究員 (70370450) ; 石野 雅彦 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 上席研究員 (80360410) ; 米谷 佳晃 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 主幹研究員 (80399419) ; 畑 昌育 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 量子応用光学研究部, 主任研究員 (60712429)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: プラズマX線レーザー / ナノ微細加工造形 / 高強度レーザー駆動X線光源

Outline of Annual Research Achievements

【高機能光源開発】高強度駆動レーザーの開発においては，チタンサファイアレーザーの出力を増大させるために，主増幅器の励起光源として波長532nm，繰り返し周波数10Hz，パルス幅~10ns，エネルギー1.6J級のQスイッチYAGレーザーを2ビーム増設した．既存４ビームと合わせて，励起エネルギーは最大7.5Jまで増強可能である。主増幅器は前置増幅の出力にあわせた5パス構成を採用した．10Hzで増幅されたレーザー光は，出力3.2J，エネルギー取り出し効率43％以上達成している．パルス圧縮後，自己相関法を用いて評価したパルス幅は約40fs（FWHM）であり，パルスエネルギーは2J以上に引き上げることができ．また，レーザー出力やビームポインティングなどの安定性を向上させるため、プラットフォームレーザーの専用の二次空調システムを導入し，レーザーブースの温度安定化を行なった．その結果，運転中の温度変化がRMS 0.04~0.07℃まで制御でき，長期安定性が格段に向上した．
プラズマX線レーザーの高度化においては，構築したチタンサファイアレーザーをテープターゲットに照射し，波長18.9nm MoプラズマX線レーザーを繰り返し周波数10Hzで発振させることに成功した．PICシミュレーションを用いて，ターゲット形状によるレーザー生成プラズマの加熱効率の解析を実施した．EUV高次高調波発生においては，高圧圧力制御装置を導入し，圧力とガスジェット長さに対する発生効率の依存性を調べた．
【加工理物モデルの構築】EUV・IRレーザーを用いた2色照射加工の計算モデルの構築を進めている．2色レーザー照射による相乗効果を調べるために，シリコン表面のレーザー加工効率の電子温度依存性に関する第一原理計算を実施した．実験では，EUV高次高調波とIRレーザーを用いた高分子材料への2色照射試験を実施した．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Ablation study using soft x-ray laser (2024)
  • Author(s): Masahiko Ishino、Katsuhiro Mikami、Thanh-Hung Dinh、Masaharu Nishikino
  • Journal Title: Photonics Review Volume: 2024 Pages: 240202-1～4
  • DOI: 10.11470/photo.240202
  • Open Access
• [Journal Article] Damage threshold of LiF crystal irradiated by femtosecond hard XFEL pulse sequence (2023)
  • Author(s): Makarov Sergey、Grigoryev Sergey、Inogamov Nail、Filippov Evgeny、Pikuz Tatiana、Ozaki Norimasa、Ishino Masahiko、Nishikino Masaharu、Dinh Thanh-Hung、Kawachi Tetsuya、．．．、Pikuz Sergey
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Pages: 26383～26397
  • DOI: 10.1364/OE.486868
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectral Shift and Split of Harmonic Lines in Propagation Affected High Harmonic Generation in a Long-Interaction Gas Tube (2023)
  • Author(s): Seres Jozsef、Seres Enikoe、Serrat Carles、Dinh Thanh-Hung、Hasegawa Noboru、Ishino Masahiko、Nishikino Masaharu、Namba Shinichi
  • Journal Title: Atoms Volume: 11 Pages: 150－1～10
  • DOI: 10.3390/atoms11120150
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sub-nanometer scale depth patterning on sapphire crystal by femtosecond soft x-ray laser pulse irradiation (2023)
  • Author(s): Mikami Katsuhiro、Ishino Masahiko、Motoyama Hiroto、Dinh Thanh-Hung、Yokomae Shunya、Yamaguchi Gota、Egawa Satoru、Sakaue Kazuyuki、Mimura Hidekazu、Higashiguchi Takeshi、Kubota Yuya、Owada Shigeki、Iwasaki Atsushi、Inubushi Yuichi、Nishikino Masaharu
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 48 Pages: 5041～5044
  • DOI: 10.1364/ol.501589
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Induction heating for desorption of surface contamination for high-repetition laser-driven carbon-ion acceleration (2023)
  • Author(s): Kojima Sadaoki、Miyatake Tatsuhiko、Sakaki Hironao、Kuroki Hiroyoshi、Shimizu Yusuke、Harada Hisanori、Inoue Norihiro、Dinh Thanh-Hung、Hata Masayasu、Hasegawa Noboru、Mori Michiaki、Ishino Masahiko、Nishiuchi Mamiko、Kondo Kotaro、Nishikino Masaharu、Kando Masaki、Shirai Toshiyuki、Kondo Kiminori
  • Journal Title: Matter and Radiation at Extremes Volume: 8 Pages: 054002-1～7
  • DOI: 10.1063/5.0153578
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Ultrafast laser-driven extreme-ultraviolet sources for applications to advanced nanolithography (2024)
  • Author(s): Thanh-Hung Dinh, Shinichi Namba, Hiroki Yamamoto, Noboru Hasegawa, Masahiko Ishino, Masaharu Nishikino
  • Organizer: The 13th Advanced Lasers and Photon Sources
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Soft X-Ray Laser Ablation Toward to Nanometer-Scale Depth Surface Patterning (2024)
  • Author(s): Ishino Masahiko
  • Organizer: The 13th Advanced Lasers and Photon Sources
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Challenge of Using Ultrafast Short-wavelength Lasers in Advanced Nano-processing (2024)
  • Author(s): Thanh-Hung Dinh
  • Organizer: SACLA Users’ Meeting 2024
• [Presentation] Development of a compact 100-TW-class laser for energetic quantum beam generation toward practical applications (2023)
  • Author(s): Thanh-Hung Dinh
  • Organizer: The 18th International Conference on X-Ray Lasers
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Soft x-ray laser ablation study and development of coherent x-ray sources for surface processing (2023)
  • Author(s): Ishino Masahiko, Thanh-Hung Dinh
  • Organizer: The 18th International Conference on X-Ray Lasers
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study on initial process of femtosecond soft x-ray laser ablation (2023)
  • Author(s): Thanh-Hung Dinh, Masahiko Ishino, Noboru Hasegawa, Yoshiteru Yonetani, Masayasu Hata, Masaharu Nishikino
  • Organizer: The 12th Asia-Pacific Laser Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Estimation of laser parameters for generating enough number of energetic heavy ions for applying as the injector of the next generation heavy ion synchrotron accelerator (2023)
  • Author(s): Hata Masayasu, Kojima Sadaoki, Miyatake Tatsuhiko, Dinh Thanh-Hung, Kondo Kotaro, Hasegawa Noboru, Ishino Masahiko, Mori Michiaki, Sakaki Hironao, Nishiuchi Mamiko, Kon Akira, Nishikino Masaharu, Kando Masaki, Shirai Toshiyuki, Kondo Kiminori
  • Organizer: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited