補償光学系を駆使した多段光学系によるＸ線自由電子レーザーのナノメートル集光

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23226004
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 山内 和人 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10174575)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松山 智至 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10423196)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: X線自由電子レーザー / X線集光 / X線ミラー / X線波面計測 / X線干渉計 / 多層膜ミラー

Outline of Annual Research Achievements

次世代X線源「X線自由電子レーザー (XFEL： X-ray free electron laser)」の高度利用に不可欠なXFELのナノ集光技術の確立を目的に，これを実現し得る光学系として，ビーム拡大のための「開口数変換光学系」と，極限集光のための「大開口数集光光学系」からなる多段光学系の構築を目指している．
本年度は，①X線自由電子レーザー集光装置の開発，②多層膜ミラー開発，③２D位相格子を用いたワンショット波面計測　を中心に行った．
①では，ナノ集光を実現するために，高安定性集光装置を構築した．本装置は，2枚のミラーの全自由度に対して高精度にアライメントできるマニピュレータと，ミラー表面の汚染を避けるための真空チャンバーから成るものである．動作確認の結果，特に重要である入射角(ピッチング)において0.5μrad以下の精度を達成するなど，高精度な装置を完成させた．
②では，高反射率を達成できる多層膜の研究を進めた．反射率を向上させるためには，多層膜界面の表面粗さの向上が不可欠であり，このために重元素(主に白金)の結晶化の抑制が必要であると考えた．白金層にカーボンを添加することで結晶化の抑制を試みた．X線反射率法(XRR)やX線回折法(XRD)，原子間力顕微鏡(AFM)による解析の結果，結晶化の抑制に成功した．また，これによって反射率が向上した．今後も様々な検討を行い反射率向上のための研究を継続する．加えて，SACLAの1μm集光光学系を使って多層膜損傷の閾値を調べた．この研究によって現在開発中の多層膜はSACLAからのX線に十分耐えられることを確認した．
③では，２D位相格子を作製しこれを用いてX線自由電子レーザーのワンショット波面計測を試みた．SACLAの50nm集光光学系において，グレーチング干渉計を構築しその結果がミラー形状とよく一致することを確認した．また，１D位相格子の結果と比較し，よい一致を得た．

Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでの研究開発によって，実験装置の準備や必要な基礎技術(多層膜，波面計測)の確立が進められつつある．また，SACLAの50nm集光光学系を使った実験によって実際に波面計測に関する知見を得ることができている．以上のように研究は順調に進んでいる．

Strategy for Future Research Activity

今後の研究として，①XFELのワンショット波面計測の高度化・自動化，②長尺ミラーに特化した形状計測システムの開発，③高反射率多層膜の実現　を進めていく．①においては，波面計測の高精度化に加え，ミラーアライメントを調整するためにも利用することを検討する．また，一連の波面計測を自動化することで，将来的にユーザーが簡易に利用できる環境を整える．②では，新しく開発中の計測装置を完成させ，形状誤差1nmで長尺かつ曲率の大きい楕円ミラーを高精度に測定できるようにする．③では，カーボンドープに加え各種工夫によって反射率が高いグレーディッド多層膜の形成に挑戦する．様々な角度から多層膜を検証し，高精度かつ高反射率な多層膜集光ミラーを完成させる．
以上の基礎技術を確立することで，最終的に，4枚のミラーから成る多段集光光学系を構築し，XFELのサブ10nm集光を実現する．

Research Products

• [Journal Article] A Bragg beam splitter for hard x-ray free-electron lasers (2013)
  • Author(s): T. Osaka, M. Yabashi, Y. Sano, K. Tono, Y. Inubushi, T. Sato, S. Matsuyama, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 21 Pages: 2823-2831
  • DOI: 10.1364/OE.21.002823
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] X-ray nanofocusing using a piezoelectric deformable mirror and at-wavelength metrology methods (2013)
  • Author(s): H. Nakamori, S. Matsuyama, S. Imai, T. Kimura, Y. Sano, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Volume: 710 Pages: 93-97
  • DOI: 10.1016/j.nima.2012.11.059
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Coherent x-ray zoom condenser lens for diffractive and scanning microscopy (2013)
  • Author(s): T. Kimura, S. Matsuyama, K. Yamauchi, and Y. Nishino
  • Journal Title: Optics Express Volume: 21 Pages: 9267-9276
  • DOI: 10.1364/OE.21.009267
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Investigation of ablation thresholds of optical materials using 1-um-focusing beam at hard X-ray free electron laser (2013)
  • Author(s): T. Koyama, H. Yumoto, Y. Senba, K. Tono, T. Sato, T. Togashi, Y. Inubushi, T. Katayama, J. Kim, S. Matsuyama, H. Mimura, M. Yabashi, K. Yamauchi, H. Ohashi, and T. Ishikawa
  • Journal Title: Optics Express Volume: 21 Pages: 15382-15388
  • DOI: 10.1364/OE.21.015382
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] X線自由電子レーザー集光技術の現状と将来 (2013)
  • Author(s): 山内和人
  • Journal Title: 高圧力の科学と技術 Volume: 23 Pages: 220-226
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of achromatic full-field hard X-ray microscopy using four total-reflection mirrors (2013)
  • Author(s): S. Matsuyama, Y. Emi, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 463 Pages: 012017
  • DOI: 10.1088/1742-6596/463/1/012017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Damage study of optical substrates using 1-um-focusing beam of hard X-ray free-electron laser (2013)
  • Author(s): T. Koyama, H. Yumoto, Y. Senba, K. Tono, T. Sato, T. Togashi, Y. Inubushi, J. Kim, T. Kimura, S. Matsuyama, H. Mimura, M. Yabashi, K. Yamauchi, H. Ohashi, and T. Ishikawa
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 463 Pages: 012043
  • DOI: 10.1088/1742-6596/463/1/012043
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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 Pages: 13-16
  • DOI: 10.1080/08940886.2013.832585
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thin crystal development and applications for hard x-ray free-electron lasers (2013)
  • Author(s): T. Osaka, M. Yabashi, Y. Sano, K. Tono, Y. Inubushi, T. Sato, K. Ogawa, S. Matsuyama, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8848 Pages: 884804
  • DOI: 10.1117/12.2023465
  • Peer Reviewed
• [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. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8848 Pages: 88480S
  • DOI: 10.1117/12.2022735
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [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. Matsuyama, H. Mimura, M. Yabashi, K. Yamauchi, H. Ohashi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8848 Pages: 88480T
  • DOI: 10.1117/12.2025377
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of achromatic full-field x-ray microscopy with compact imaging mirror system (2013)
  • Author(s): S. Matsuyama, Y. Emi, H. Kino, Y. Sano, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8851 Pages: 885107
  • DOI: 10.1117/12.2023152
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 二次元位相回折格子を用いたXFELナノビームのシングルショット波面計測 (2014)
  • Author(s): 西原明彦，福井亮介，松山智至，金章雨，長平良綾香，湯本博勝，三村秀和，小山貴久，登野健介，犬伏雄一，佐藤尭洋，片山拓也，富樫格，矢代航，佐野泰久，大橋治彦，百生敦，後藤俊治，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2014年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京，東京大学
  • Year and Date: 2014-03-18 – 2014-03-20
• [Presentation] 光を集める結晶精密加工：OSAKA-Mirrorのこれから (2014)
  • Author(s): 山内和人
  • 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，広島国際会議
  • Year and Date: 2014-01-11 – 2014-01-13
  • Invited
• [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，長平良綾香，松山智至，福井亮介，西原明彦，小山貴久，湯本博勝，佐野泰久，大橋治彦，後藤俊治，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • 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: 大阪，中ノ島センター
  • Year and Date: 2014-01-11 – 2014-01-13
• [Presentation] FEL用オートコリレータの開発；チャネルカット結晶内壁部の無歪み・平滑化 (2014)
  • Author(s): 大坂泰斗，平野嵩，矢橋牧名，佐野泰久，登野健介，犬伏雄一，佐藤尭洋，小川奏，松山智至，石川哲也，山内和人
  • 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: 大阪，中ノ島センター
  • Year and Date: 2014-01-11 – 2014-01-13
• [Presentation] チェス盤回折格子を用いたXFELナノビームのシングルショット波面計測 (2014)
  • Author(s): 西原明彦，福井亮介，松山智至，金章雨，長平良綾香，湯本博勝，三村秀和，小山貴久，登野健介，犬伏雄一，佐藤尭洋，片山拓也，富樫格，矢代航，佐野泰久，大橋治彦，百生敦，後藤俊治，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • 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: 大阪，中ノ島センター
  • Year and Date: 2014-01-11 – 2014-01-13
• [Presentation] Recent progress of the K-B nano-focusing system (2013)
  • Author(s): K. Yamauchi
  • Organizer: ALBA-SSRF Bilateral Workshop
  • Place of Presentation: Shanghai, China
  • Year and Date: 2013-12-16 – 2013-12-18
  • Invited
• [Presentation] 硬X線ナノ集光ミラー用Pt/C多層膜の作製と評価 (2013)
  • Author(s): 金章雨，長平良綾香，松山智至，福井亮介，西原明彦，小山貴久，湯本博勝，佐野泰久，矢橋牧名，大橋治彦，石川哲也，山内和人
  • Organizer: X線ナノ集光技術研究会2013
  • Place of Presentation: 大阪，中ノ島センター
  • Year and Date: 2013-11-17 – 2013-11-17
  • Invited
• [Presentation] Development of a full-field hard X-ray imaging microscope based on Advanced Kirkpatrick-Baez mirror optics (2013)
  • Author(s): Y. Emi
  • Organizer: The MEADOW 2013
  • Place of Presentation: Trieste, Italy
  • Year and Date: 2013-10-28 – 2013-10-30
• [Presentation] Adaptive focusing optics of hard X-rays with piezoelectric deformable KB mirrors (2013)
  • Author(s): K. Yamauchi
  • Organizer: The MEADOW 2013
  • Place of Presentation: Trieste, Italy
  • Year and Date: 2013-10-28 – 2013-10-30
• [Presentation] Development of an X-ray slope profiler for Wolter type telescope mirrors - Performance evaluation using geometric and wave-optical simulator (2013)
  • Author(s): A. Kime
  • Organizer: The MEADOW 2013
  • Place of Presentation: Trieste, Italy
  • Year and Date: 2013-10-28 – 2013-10-30
• [Presentation] Fabrication of Thin Si Crystal for X-Ray Beam Splitter (2013)
  • Author(s): T. Osaka, M. Yabashi, Y. Sano, K. Tono, Y. Inubushi, T. Sato, S. Matsuyama, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: 28th The American Society for Precision Engineering Annual Meeting
  • Place of Presentation: St. Paul, USA
  • Year and Date: 2013-10-20 – 2013-10-25
• [Presentation] Development of achromatic full-field hard X-ray microscopy using four total-reflection mirrors (2013)
  • Author(s): S. Matsuyama
  • Organizer: The 12th symposium on X-ray Imaging Optics
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2013-10-18 – 2013-10-20
  • Invited
• [Presentation] Development of a High-resolution Full-field Hard X-ray Imaging Microscope with Compact AKB Mirror Optics (2013)
  • Author(s): Y. Emi, S. Matsuyama, H. Kino, Y. Kohmura, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: The 12th symposium on X-ray Imaging Optics
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2013-10-18 – 2013-10-20
• [Presentation] Development of one-dimensional Wolter Mirror figured on a single substrate for full-field X-ray microscopy (2013)
  • Author(s): H. Kino, S. Matsuyama, Y. Emi, H. Okada, Y. Sano, and K. Yamauchi
  • Organizer: The 12th symposium on X-ray Imaging Optics
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2013-10-18 – 2013-10-20
• [Presentation] Single-shot wavefront measurement of XFEL nanobeam (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
  • Organizer: The 12th symposium on X-ray Imaging Optics
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2013-10-18 – 2013-10-20
• [Presentation] Two-dimensional X-ray nanofocusing using piezoelectric deformable mirrors (2013)
  • Author(s): H. Nakamori, S. Matsuyama, T. Goto, T. Kimura, Y. Sano, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: The 12th symposium on X-ray Imaging Optics
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2013-10-18 – 2013-10-20
• [Presentation] Nanofocusing of X-ray free electron laser for coherent X-ray science (2013)
  • Author(s): K. Yamauchi
  • Organizer: X-ray lasers in biology
  • Place of Presentation: The Royal Society, London, UK
  • Year and Date: 2013-10-14 – 2013-10-15
  • Invited
• [Presentation] 硬X線用多層膜集光ミラーの反射率向上に関する研究 (2013)
  • Author(s): 長平良綾香，金章雨，松山智至，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 2013年度精密工学会秋季大会学術講演
  • Place of Presentation: 大阪，関西大学
  • Year and Date: 2013-09-12 – 2013-09-14
• [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，長平良綾香，小山貴久，湯本博勝，松山智至，佐野泰久，矢橋牧名，大橋治彦，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2013年度精密工学会秋季大会学術講演
  • Place of Presentation: 大阪，関西大学
  • Year and Date: 2013-09-12 – 2013-09-14
• [Presentation] X線回折格子を用いたX線自由電子レーザーのシングルショット波面計測 (2013)
  • Author(s): 福井亮介，松山智至，金章雨，湯本博勝，三村秀和，小山貴久，百生敦，大橋治彦，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2013年度精密工学会秋季大会学術講演
  • Place of Presentation: 大阪，関西大学
  • Year and Date: 2013-09-12 – 2013-09-14
• [Presentation] Development of ultra-precise piezoelectric deformable mirrors for x-ray nanofocusing (2013)
  • Author(s): H. Nakamori, S. Matsuyama, S. Imai, T. Goto, T. Kimura, Y. Sano, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2013-08-26 – 2013-08-29
• [Presentation] Thin crystal development and applications for hard x-ray free-electron lasers (2013)
  • Author(s): T. Osaka, M. Yabashi, Y. Sano, K. Tono, Y. Inubushi, T. Sato, S. Matsuyama, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2013-08-26 – 2013-08-29
• [Presentation] Damage characteristics of platinum/carbon multilayers under focused 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. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2013-08-26 – 2013-08-29
• [Presentation] Development of full-field hard x-ray microscopy with four aspherical mirrors (2013)
  • Author(s): S. Matsuyama, Y. Emi, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2013-08-26 – 2013-08-29
• [Presentation] 硬X線用多層膜集光ミラーの反射率向上に関する研究 (2013)
  • Author(s): 長平良綾香，金章雨，松山智至，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 精密工学会2013年度関西地方定期学術講演会
  • Place of Presentation: 大阪，大阪工業大学
  • Year and Date: 2013-06-14 – 2013-06-14
• [Presentation] 放射光X線のナノ集光技術とその応用 (2013)
  • Author(s): 山内和人
  • Organizer: 2013年度精密工学会秋季学術講演会シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪，大阪工業大学
  • Year and Date: 2013-06-14 – 2013-06-14
  • Invited
• [Presentation] Nanofocusing and single shot wavefront diagnosis of SACLA (2013)
  • Author(s): K. Yamauchi, M. Yabashi, H. Mimura, H. Yumoto, T. Koyama, K. Tono, T. Togashi, Y. Inubushi, T. Sato, T. Katayama, S. Matsuyama, J. Kim, R. Fukui, Y. Sano, W. Yashiro, T. Ohmori, S. Goto, H. Ohashi, A. Momose, and T. Ishikawa
  • Organizer: SPIE Optics+Optelectronics
  • Place of Presentation: Clarion Congress Hotel, Prague, Czech
  • Year and Date: 2013-04-17 – 2013-04-18
  • Invited
• [Remarks] 山内研究室
  • URL: http://www-up.prec.eng.osaka-u.ac.jp/