2013 Fiscal Year Annual Research Report
高強度フェムト秒レーザープラズマ高速電子パルスによる高速時間分解電子線回折の実証
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23226002
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
阪部 周二 京都大学, 化学研究所, 教授 (50153903)
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| Project Period (FY) |
2011-05-31 – 2016-03-31
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| Keywords | 電子顕微鏡 / 時間分解電子線回折 / 高強度レーザープラズマ / フェムト秒レーザー / レーザー加速 |
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| Research Abstract |
単一電子パルスによる高速時間分解電子線回折像の取得を実証することを目的に、高品位電子線源の開発を行い、以下の成果が得られた．
（1）レーザープラズマ加速電子の自己圧縮パルス幅の最短実証：高強度フェムト秒レーザーとポリエチレン薄膜との相互作用により加速する高エネルギー電子パルスを位相反転しパルス圧縮した．圧縮の最適化により250fs程度を実現した．（2）レーザー加速プラズマ電子パルス幅がレーザーパルス幅に等しいことの検証に成功：「フェムト秒電子偏向法」を提案し，２つのレーザー生成加速短パルス電子による自己相関法により世界で初めてこの検証を行った．（3）電子の高品位化（金属標的による電子線量の増加）：標的材料をアルミニウム薄膜にすることにより，線量は10倍以上に増加した．しかし，線源の拡大や面方向への放射などの欠点が明らかとなり，レーザーパルスのコントラストの向上の必要性が明らかとなった．（4）プラズマミラーの開発：プラズマミラー装置を開発しレーザーシステムに導入した．開発したプラズマミラーの性能は反射率～70％，プリパルスコントラスト比の改善104を示し，世界で報告されているプラズマミラーと比して最高の性能が得られた. （5）電子の高品位化（ダブルパルス照射による電子線量の増加）：薄膜ターゲットのプラズマ化と電子加速をそれぞれ低強度と高強度の短パルスレーザーで行った．その結果，アルミニウム薄膜で，単一パルス照射に比べて，20倍以上の線量増加が確認できた． （6）電子の高品位化（新電子線源の発見）：数10mmの金属ワイヤーで薄膜ターゲットに比べて30倍程度の電子線量の増大を確認し，m級の金属細線でも電子が誘導され，細線を用いることにより，極めて指向性の高い電子線が得られる事を発見した．（7）新THz放射源の発見：高強度レーザー金属細線相互作用による表面電磁波の生成を発見した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的は高強度短パルスレーザーと固体標的との相互作用により発生・加速・放射する電子を利用して、超高速電子線回折を実証することである。そのための電子源開発の目標を、①固体などの物性において原子や格子のダイナミックスを追随できる 100fs程度（10fsへの可能性と課題の示唆も含め）のパルス幅，②非可逆過程を捉えうる単一パルスによる撮像を可能とする電子数の同時達成においている．①に関しては、レーザー加速電子の特徴の一つである運動量の広がりを利用し、位相反転によるパルスの自己圧縮法を用いる．②に関しては，レーザー固体相互作用により発する電子の特性を精査し，標的とレーザーの最適化により電子線量の増大（数10倍程度）を図る．研究の前期は電子線回折のための電子線源の高品位化（短パルス、高輝度）であり、上述のような成果をあげ、後期４～５年目に向けて着実な成果をあげている。加えて、本研究を遂行する過程において、既に以下のような派生的な成果をあげており（［ ］は貢献が期待される分野）、最終的には予定以上の成果が見込まれる。①フェムト秒電子偏向法の提案と実証［強度レーザープラズマ物理や表面物性分野］，②世界最高の性能のプラズマミラー実現［超高強度レーザー科学分野］，③高指向性の新たな電子源の提案と実証［加速器科学」，④レーザー照射金属ワイヤーが電子光学素子となりうることを実証［加速器科学」，⑤レーザー加速フェムト秒電子が 電子線回折以外の応用として電場ダイナミックスの測定に有効であることを実証［物性］，⑥新たな高強度テラヘルツ源の提案［テラヘルツ科学，物性］．⑦レーザーとプラズマ相互作用の物理（レーザー加速）に新たな知見［レーザープラズマ物理］．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目標を達成するための課題は［１］高品位パルス電子源の実現と［２］それを用いた超高速電子線回折の実証である．［２］のためには［１］は必要不可欠であり，本研究期間の最初の３－４年にそのための要素研究として，高強度レーザーと薄膜との相互作用により発生・加速する電子の放射線特性測定，レーザーパルスの裾野の付随するプリパルスの除去と制御を行うことのできるプラズマミラーの開発，金属ワイヤーターゲットによる高指向性電子線発生の提案と実証を実施した．今までのこれらの成果を踏まえて，３つを電子源の候補とした．すなわち，①プラズマミラーによりプリパルス除去したパルスとアルミ（あるいは他の金属薄膜）との相互作用により電子発生・加速する．②プラズマミラーによりプリパルス除去したパルスから低・高強度のダブルパルスを生成し，低強度パルスをアルミ（あるいは他の金属薄膜）に予備照射しプラズマ化したものとの高強度パルス相互作用により電子加速する．③金属ワイヤーターゲットを用いる．これらの電子源からのパルス電子線をパルス圧縮し、電子の線量とパルス幅に関して最高品位の電子線源を決定する．続く後期２年に
(1) 電子線のパルス圧縮：
レーザー加速電子の運動量広がりを利用しパルス自己圧縮により電子パルスの短パルス化を行う．双極磁石を用いた位相回転器を設計構築する．
(2) 圧縮パルス幅の測定法の確立：高強度短パルスレーザーを用いた電子の散乱を利用する．散乱用レーザーパルスとパルス電子線を直交させ，これらの時間間隔を変化させながら散乱電子の自己相関測定を行う．
(3) 電子線回折装置の設計と構築：今までに確立した要素を元に，電子線回折装置を設計・製作する．最初の実験では，ポンプ源として電子生成用レーザーから部分分岐した光パルスを用いる．
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