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

2014 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，①大開口数多層膜集光ミラー開発，②大開口数集光光学系の開発，③X線自由電子レーザー集光実験　を中心に行った．
①では，設計した楕円ミラーを作製するために，合成石英基板を材料とし，コンピュータ制御EEMを使って決定論的に加工を進めた．基板形状の計測には，開発したスティッチング干渉計と3次元計測機（開発中）を用いた．急峻な非球面形状を持つため，オフライン計測には数nm程度の不確かさが生じていることが予想された．研究計画の段階から想定しており，この修正にはX線を使ったAt-wavelength形状計測を利用する(本年度とH27年度実施)．加工後基板は表面粗さの確認ののち，これまでの研究で確立したグレーディッド多層膜を成膜した．XRDや干渉計，断面TEMの計測結果などから，多層膜は十分な精度で作製できたことを確認した．
②では，大開口数集光システムの構築・高度化を進めた．50nm集光システムで得られた知見を基に，高精度・高剛性なシステムを構築した．事前のシミュレーションで得られた許容アライメント精度を達成した．
③では，X線自由電子レーザーを使って，作製した大開口数多層膜集光ミラーのファーストテストを実施した．多層膜の反射率は設計値とほぼ同程度であり，予想通りの性能を有していた．また，開発したグレーチング干渉計を使って，波面計測を行い，ミラー基板に存在する形状誤差を決定することができた．

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おいて，実験装置の準備や必要な基礎技術の確立がほぼ完成した．また，大開口数多層膜集光ミラーを2枚作製し，その性能テストをSACLA（X線自由電子レーザー施設）にて実施した．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，①グレーチング干渉計の高度化，②補償光学を利用した多層膜集光ミラーの修正，③XFEL集光実験とその応用実験を進めて行く．
①では，グレーチング干渉計の高精度化とシステムエラーの校正を進める．SACLAとSPring-8の両方で同一ミラーを使った実験を行うことで，再現性や確からしさを評価する．②では，グレーチング干渉計の結果を基に，基板形状の誤差を，追加成膜によって修正する．本技術は，25年度と26年度に確立済みである．③修正した多層膜ミラーを使って，高密度光子場形成を実証する．また，様々な非線形現象である可飽和吸収を観測し，本システムの有効性を確認する．

Research Products

• [Journal Article] Development of split-delay x-ray optics using Si(220) crystals at SACLA (2014)
  • Author(s): T. Osaka, T. Hirano, M. Yabashi, Y. Sano, K. Tono, Y. Inubushi, T. Sato, K. Ogawa, S. Matsuyama, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 9210 Pages: 921009
  • DOI: 10.1117/12.2060238
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a one-dimensional two-stage focusing system with two deformable mirrors (2014)
  • Author(s): T. Goto, S. Matsuyama, H. Nakamori, T. Kimura, Y. Sano, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 9208 Pages: 920802
  • DOI: 10.1117/12.2061821
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of achromatic full-field hard x-ray microscopy and its application to x-ray absorption near edge structure spectroscopy (2014)
  • Author(s): S. Matsuyama, Y. Emi, H. Kino, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 9207 Pages: 920802
  • DOI: 10.1117/12.2060783
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Saturable absorption of intense hard X-rays in iron (2014)
  • Author(s): H. Yoneda, Y. Inubushi, M. Yabashi*, T. Katayama, T. Ishikawa, H. Ohashi, H. Yumoto, K. Yamauchi, H. Mimura, and H. Kitamura
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 5 Pages: 5080
  • DOI: 10.1038/ncomms6080
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] X-ray two-photon absorption competing against single and sequential multiphoton processes (2014)
  • Author(s): K. Tamasaku, E. Shigemasa, Y. Inubushi, T. Katayama, K. Sawada, H. Yumoto, H. Ohashi, H. Mimura, M. Yabashi, K. Yamauchi, and T. Ishikawa
  • Journal Title: Nature Photonics Volume: 8 Pages: 313
  • DOI: 10.1038/nphoton.2014.10
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] X線光学 (2014)
  • Author(s): 山内和人
  • Journal Title: 光学 Volume: 43 Pages: 147
• [Presentation] 結晶光学素子に基づくX線分割・遅延光学系の開発―集光光学系併用時の空間的重複の実現― (2015)
  • Author(s): 大坂泰斗，平野嵩，犬伏雄一，矢橋牧名，佐野泰久，松山智至，登野健介，佐藤尭洋，小川奏，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2015年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京，東洋大学白山キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [Presentation] 硬X線集光用形状可変ミラーによる二段KBミラー集光光学系の開発 (2015)
  • Author(s): 後藤拓実，中森紘基，松山智至，木村隆志，Khakurel Krishna，佐野泰久，香村芳樹，石川哲也，西野吉則，山内和人
  • Organizer: 2015年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京，東洋大学白山キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [Presentation] モノリシックな一次元Wolter mirrorを用いた結像型硬X線顕微鏡の開発 (2015)
  • Author(s): 安田周平，松山智至，木野英俊，岡田浩巳，青野真也，佐野泰久，香村芳樹，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2015年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京，東洋大学白山キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [Presentation] 2回反射型X線ミラーのためのX線スローププロファイラの開発 (2015)
  • Author(s): 松山智至，木目歩美，後藤拓実，西原明彦，香村芳樹，石川哲也，坂尾太郎，山内和人
  • Organizer: 2015年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京，東洋大学白山キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [Presentation] X線集光ミラー形状測定のための姿勢補正機構を有する三次元測定機の開発 (2015)
  • Author(s): 金章雨，松山智至，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 2015年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京，東洋大学白山キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [Presentation] Ion Beam Figuringを用いた高精度X線ミラーの作製（第7報）―静電偏向制御による非球面形状の作製と評価― (2015)
  • Author(s): 山田純平，松山智至，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 2015年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京，東洋大学白山キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [Presentation] 放射光X線ナノ集光技術の現状と将来展望 (2015)
  • Author(s): 山内和人
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 神奈川，東海大学湘南キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
  • Invited
• [Presentation] XFEL用オートコリレータの開発； KBミラー光学系併用時の空間的重複の実現 (2015)
  • Author(s): 大坂泰斗，平野嵩，犬伏雄一，矢橋牧名，佐野泰久，松山智至，登野健介，佐藤尭洋，小川奏，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 第28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] XFEL用オートコリレータの開発； 幾何・波動光学計算に基づくアライメント手法の検討 (2015)
  • Author(s): 平野嵩，大坂泰斗，犬伏雄一，矢橋牧名，佐野泰久，松山智至，登野健介，佐藤尭洋，小川奏，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 第28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] XFEL用集光ミラー用Pt/C多層膜の性能評価 (2015)
  • Author(s): 長平良綾香，金章雨，小山貴久，松山智至，西原明彦，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28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] 位相回折格子を用いたX線自由電子レーザーナノビームの集光波面計測 (2015)
  • Author(s): 西原明彦，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，片山拓也，富樫格，矢代航，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28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] Sub-10 nm集光用X線ミラーのための高精度形状計測装置の開発 (2015)
  • Author(s): 金章雨，長平良綾香，西原明彦，松山智至，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 第28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] X線ミラー作製のためのビーム偏向制御を用いた数値制御イオンビーム加工装置の開発 (2015)
  • Author(s): 山田純平，松山智至，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 第28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] 形状可変ミラーによる二段集光光学系の開発 (2015)
  • Author(s): 後藤拓実，中森紘基，松山智至，木村隆志，佐野泰久，香村芳樹，玉作賢治，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 第28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] 1次元Wolterミラー（Monolithic型）を用いた色収差のない結像型X線顕微鏡の開発 (2015)
  • Author(s): 木野英俊，松山智至，岡田浩巳，佐野泰久，香村芳樹，玉作賢治，矢橋牧名，津村尚史，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 第28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] 2回反射型結像ミラーのためのX線スローププロファイラの開発 (2015)
  • Author(s): 木目歩美，松山智至，山内和人
  • Organizer: 第28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: 滋賀，立命館大学BKC
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] X線顕微鏡開発の最前線 (2014)
  • Author(s): 山内和人
  • Organizer: 日本物理学会大阪支部公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪，大阪大学基礎工学部シグマホール
  • Year and Date: 2014-12-21 – 2014-12-21
  • Invited
• [Presentation] Development of Autocorrelator for Hard X-ray Free-Electron Laser (2014)
  • Author(s): T. Hirano, T. Osaka, Y. Inubushi, M. Yabashi, Y. Sano, S. Matsuyama, K. Tono, K. Ogawa, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: The 1st International Symposium on Interactive Materials Science Cadet Program
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2014-11-16 – 2014-11-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Achromatic full-field X-ray microscopy using four total-reflection mirror (2014)
  • Author(s): S. Matsuyama, Y. Emi, H. Kino, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: International Conference on X-ray Microscopy (XRM2014), Conference
  • Place of Presentation: Melbourne, Australia
  • Year and Date: 2014-10-26 – 2014-10-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Hard X-Ray Split-Delay Optics Based on Si(220) Crystals (2014)
  • Author(s): T. Osaka, T. Hirano, Y. Inubushi, M. Yabashi, Y. Sano, S. Matsuyama, K. Tono, T. Sato, K. Ogawa, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: JSAP-OSA Joint Symposia 2014
  • Place of Presentation: Hokkaido University, Hokkaido, Japan
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 硬X線自由電子レーザー用オートコリレータの開発―アライメント手法の検討― (2014)
  • Author(s): 平野嵩，大坂泰斗，犬伏雄一，矢橋牧名，佐野泰久，松山智至，登野健介，佐藤尭洋，小川奏，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2014年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 鳥取大学，鳥取
  • Year and Date: 2014-09-16 – 2014-09-18
• [Presentation] 位相回折格子を用いたX線レーザーナノビームの高精度波面計測 (2014)
  • Author(s): 西原明彦，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年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 鳥取大学，鳥取
  • Year and Date: 2014-09-16 – 2014-09-18
• [Presentation] Ion Beam Figuringを用いた高精度X線ミラーの作製（第6報）～静電偏向制御による数値制御加工～ (2014)
  • Author(s): 山田純平，松山智至，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 2014年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 鳥取大学，鳥取
  • Year and Date: 2014-09-16 – 2014-09-18
• [Presentation] Development of high-precision figure measurement system for x-ray optics using laser focus microscope (2014)
  • Author(s): J. Kim, S. Matsuyama, Y. Sano, and K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2014
  • Place of Presentation: San Diego, CA, US
  • Year and Date: 2014-08-17 – 2014-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of achromatic full-field hard X-ray microscopy and its application to X-ray absorption near edge structure spectromicroscopy (2014)
  • Author(s): S. Matsuyama, Y. Emi, H. Kino, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2014
  • Place of Presentation: San Diego, CA, US
  • Year and Date: 2014-08-17 – 2014-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a two-stage x-ray focusing system with ultraprecise deformable mirrors (2014)
  • Author(s): T. Goto, S. Matsuyama, H. Nakamori, T. Kimura, Y. Sano, Y. Kohmura, K. Tamasaku, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2014
  • Place of Presentation: San Diego, CA, US
  • Year and Date: 2014-08-17 – 2014-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of split-delay x-ray optics using Si(220) crystals at SACLA (2014)
  • Author(s): T. Osaka, T. Hirano, M. Yabashi, Y. Sano, K. Tono, Y. Inubushi, T. Sato, K. Ogawa, S. Matsuyama, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2014
  • Place of Presentation: San Diego, CA, US
  • Year and Date: 2014-08-17 – 2014-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子スケールの形状精度と平滑度の実現を目指して (2014)
  • Author(s): 山内和人
  • Organizer: 精密工学会関西支部2014年度関西地方定期学術講演会
  • Place of Presentation: 大阪，近畿大学東大阪キャンパス
  • Year and Date: 2014-07-04 – 2014-07-04
  • Invited
• [Presentation] 硬X線自由電子レーザー用オートコリレータの開発―χ軸回転に対する許容角度誤差の検討― (2014)
  • Author(s): 平野嵩，大坂泰斗，犬伏雄一，矢橋牧名，佐野泰久，松山智至，登野健介，佐藤尭洋，小川奏，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 精密工学会関西支部2014年度関西地方定期学術講演会
  • Place of Presentation: 大阪，近畿大学東大阪キャンパス
  • Year and Date: 2014-07-04 – 2014-07-04
• [Presentation] 位相回折格子を用いたX線レーザナノビームの波面計測法の研究―フーリエ変換法と縞走査法の2つの解析法の検討― (2014)
  • Author(s): 西原明彦，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: 精密工学会関西支部2014年度関西地方定期学術講演会
  • Place of Presentation: 大阪，近畿大学東大阪キャンパス
  • Year and Date: 2014-07-04 – 2014-07-04
• [Presentation] X線ミラー作製のためのビーム偏向制御用いた数値制御イオンビーム加工装置の開発 (2014)
  • Author(s): 山田純平，松山智至，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 精密工学会関西支部2014年度関西地方定期学術講演会
  • Place of Presentation: 大阪，近畿大学東大阪キャンパス
  • Year and Date: 2014-07-04 – 2014-07-04
• [Presentation] Development of Achromatic Full-field X-ray Microscopy Based on Total Reflection Mirrors (2014)
  • Author(s): S. Matsuyama
  • Organizer: Collaborative Conference on 3D & Materials Research (CC3DMR 2014)
  • Place of Presentation: Incheon/Soul, South Korea
  • Year and Date: 2014-06-23 – 2014-06-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 大阪大学山内研究室
  • URL: http://www-up.prec.eng.osaka-u.ac.jp/