コヒーレント軟X線を用いた高空間・高時間分解顕微干渉イメージングシステムの開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25286086
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: 富田 卓朗 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 准教授 (90359547)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長谷川 登 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究職 (50360409) ; 錦野 将元 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究副主幹 (70370450) ; 河内 哲哉 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究主幹 (40343941) ; 末元 徹 東京大学, 物性研究所, 教授 (50134052) ; 大西 直文 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20333859)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 軟X線レーザー / 顕微計測 / 時間分解測定 / フェムト秒レーザーアブレーション / 分子動力学解析 / シングルショット計測

Research Abstract

25年度では、フレネルゾーンプレートを用いた顕微光学系の構築をすすめた。まず、フレネルゾーンプレートを用いた顕微イメージング光学系と時間原点決定のためのタイミング計測システムを両立することのできる光学系の配置案を設計した。また、それに必要なビームスプリッターなどの光学部品の仕様も決定し、発注を行った。さらに、これらの光学系が入る専用チャンバーを設計し、26年度早期に発注可能な段階に来ている。26年度ではこれらの納品後、速やかに光学系の構築とデータ取得に取り掛かる予定である。
さらに、光学系やチャンバーの設計・製作と並行し、、既存の光学系を用いた種々の金属におけるアブレーションダイナミクスの観測を行った。具体的には、これまでの白金に加え、金やタングステンにおけるフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測をおこない、これまで観測していなかった時間領域でも幾つかの新しい現象を見出すことに成功した。そのなかでも特に、レーザー照射後数百ピコ秒で観測された軟X線のニュートンリングはアブレーションに伴う膨張表面の詳細なプロファイルを与えるとともに、軟X線領域でのニュートンリングを観測した初めての例としても重要なものである。
また、数百ナノ秒の時間領域ではアブレーションに伴う膨張表面の拡大に伴って、膨張表面の影（シャドウグラフ）を観測することに成功した。このシャドウグラフから数百ナノ秒領域における膨張表面の形状を推定することが出来た。
さらに、これらの結果は分子動力学シミュレーションとの対応がとられ、数百ピコ秒程度で観測された被照射面の振動現象など、実験と計算とのよい一致が得られた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

実験データの取得は非常に順調に進んでおり、理論計算との対応も始まっている。そのため、残り2年間でアブレーションに関する知見の蓄積は十分にできるものと考えている。
一方で顕微計測システムの構築は鋭意行っているものの、発注が当初予定より遅れている。この点については、顕微計測用チャンバーの発注を2014年度6月期までに行うことで、研究計画に大きな影響は生じないと考えている。

Strategy for Future Research Activity

研究計画は概ね順調に進行しているので、現状の推進方策で概ね問題ないものと考えているが、顕微計測系の立ち上げがこれ以上遅れないように注意して研究を進める必要があると考えている。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

顕微計測用のチャンバーの発注が遅れたため次年度使用額が生じた。
これらのうちの大半（400万円程度）は26年度前期にチャンバーを購入するために使用し、残りは主にフレネルゾーンプレートの購入にあてる予定である。

Research Products

• [Journal Article] Time-resolved soft x-ray imaging of femtosecond laser ablation process in metals (2014)
  • Author(s): Takuro Tomita, Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Yasuo Minami, Ryota Takei, Motoyoshi Baba, Takashi Eyama, Shodai Takayoshi, Takeshi Kaihori, Toshimasa Morita, Yusuke Hirano, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • Journal Title: Journal of Laser Micro/Nanoengineering Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 固体物性からみたレーザーアブレーション, --- 講座:レーザー生成プラズマの新しい温度，密度領域における物性とシミュレーション --- (2013)
  • Author(s): 富田卓朗
  • Journal Title: プラズマ・核融合学会誌 Volume: 89 Pages: 493-499
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 斜入射型反射軟X線顕微鏡によるサブミクロン画像観察 (2014)
  • Author(s): 馬場 基芳, 錦野 将元, 長谷川 登, 富田 卓朗, 南 康夫, 武井 亮太, 山極 満, 河内 哲哉, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 20140328-20140328
• [Presentation] フェムト秒レーザー照射に伴う金属表面剥離過程の分子動力学解析 (2014)
  • Author(s): 羽富 大起, 大西 直文, 錦野 将元, 長谷川 登, 富田 卓朗, 伊藤 篤史, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 20140328-20140328
• [Presentation] 軟X線ニュートンリングとシャドウグラフを用いた金属表面のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測 (2014)
  • Author(s): 江山 剛史, 柿本 直也, 富田 卓朗, 長谷川 登, 錦野 将元, 南 康夫, 武井 亮太, 馬場 基芳, 大西 直文, 羽富 大起, 海堀 岳史, 守田 利昌, 平野 祐介, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 20140328-20140328
• [Presentation] 軟X線レーザープローブを用いた，金属表面のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測 (2014)
  • Author(s): 山極 満, 長谷川 登, 錦野 将元, 富田 卓朗, 江山 剛史, 柿本 直也, 大西 直文, 羽富 大起, 伊藤 篤史, 南 康夫, 武井 亮太, 馬場 基芳, 河内 哲哉, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川)
  • Year and Date: 20140328-20140328
• [Presentation] 軟X線イメージングによる金属表面におけるアブレーション過程の観測 (2014)
  • Author(s): 富田 卓朗, 江山 剛史, 柿本 直也, 長谷川 登, 錦野 将元, 南 康夫, 武井 亮太, 馬場 基芳, 大西 直文, 羽富 大起, 海堀 岳史, 守田 利昌, 平野 祐介, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 20140327-20140327
• [Presentation] 軟X線レーザーを用いた金属表面のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測II (2014)
  • Author(s): 錦野 将元, 長谷川 登, 富田 卓朗, 江山 剛史, 柿本 直也, 大西 直文, 羽富 大起, 伊藤 篤史, 南 康夫, 武井 亮太, 馬場 基芳, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 20140327-20140327
• [Presentation] 軟X線レーザーを用いた金属表面のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測I (2014)
  • Author(s): 長谷川 登, 錦野 将元, 富田 卓朗, 江山 剛史, 柿本 直也, 大西 直文, 羽富 大起, 伊藤 篤史, 南 康夫, 武井 亮太, 馬場 基芳, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 20140327-20140327
• [Presentation] 軟 X 線シャドウグラフを用いたナノ秒スケールにおける金のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測 (2014)
  • Author(s): 柿本 直也, 江山 剛史, 富田 卓朗, 長谷川 登, 錦野 将元, 南 康夫, 馬場 基芳, 海堀 岳史, 守田 利昌, 平野 祐介, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 第 61 回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 20140320-20140320
• [Presentation] Observation of the transient state of the femtosecond laser ablation phenomena on various metals (2014)
  • Author(s): Takuro Tomita, Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino, Takashi Eyama, Yasuo Minami, Ryota Takei, Motoyoshi Baba, Takeshi Kaihori, Toshimasa Morita, Yusuke Hirano, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • Organizer: 8th International Conference on Reactive Plasmas 31st Symposium on Plasma Processing
  • Place of Presentation: Fukuoka Convention Center (Fukuoka)
  • Year and Date: 20140206-20140206
• [Presentation] 軟X線レーザープローブを用いた金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程の時間分解計測 (2014)
  • Author(s): 長谷川 登, 富田 卓朗, 錦野 将元, 武井 亮太, 馬場 基芳, 江山 剛史, 柿本 直也, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: レーザー学会創立40周年記念学術講演会 第34回年次大会
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場 (福岡県)
  • Year and Date: 20140121-20140121
• [Presentation] 軟X線レーザーによる金のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測 (2014)
  • Author(s): 錦野 将元, 長谷川 登, 富田 卓朗, 江山 剛史, 柿本 直也, 羽富 大起, 大西 直文, 馬場 基芳, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: レーザー学会創立40周年記念学術講演会 第34回年次大会
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場 (福岡県)
  • Year and Date: 20140121-20140121
• [Presentation] レーザーアブレーションダイナミクスのイメージング (2013)
  • Author(s): 富田 卓朗
  • Organizer: 第9回励起ナノプロセス研究会
  • Place of Presentation: 筑波大学東京キャンパス (東京都)
  • Year and Date: 20131219-20131219
  • Invited
• [Presentation] Pt表面におけるフェムト秒レーザーアブレーション過程の分子動力学解析 (2013)
  • Author(s): 羽富 大起, 大西 直文, 錦野 将元, 長谷川 登, 富田 卓朗, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学 (徳島県)
  • Year and Date: 20130928-20130928
• [Presentation] ピコ秒からサブマイクロ秒時間領域における金属のフェムト秒レーザーアブレーションダイナミクスの観測 (2013)
  • Author(s): 長谷川 登, 錦野 将元, 海堀 岳史, 平野 祐介, 守田 利昌, 河内 哲哉, 山極 満, 富田 卓朗, 江山 剛史, 柿本 直也, 羽富 大起, 大西 直文, 南 康夫, 武井 亮太, 馬場 基芳, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学 (徳島県)
  • Year and Date: 20130928-20130928
• [Presentation] 軟X線反射率イメージングによる金および白金におけるレーザーアブレーションダイナミクスの観測 (2013)
  • Author(s): 江山 剛史, 富田 卓朗, 錦野 将元, 長谷川 登, 南 康夫, 武井 亮太, 馬場 基芳, 大西 直文, 羽富 大起, 海堀 岳史, 守田 利昌, 平野 祐介, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学 (徳島県)
  • Year and Date: 20130927-20130927
• [Presentation] 軟X 線レーザーによる金及び白金におけるフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測 (2013)
  • Author(s): 江山 剛史, 富田 卓朗, 錦野 将元, 長谷川 登, 南 康夫, 武井 亮太, 馬場 基芳, 大西 直文, 羽富 大起, 海堀 岳史, 守田 利昌, 平野 祐介, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • Organizer: 第74回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学 (京都府)
  • Year and Date: 20130917-20130917
• [Presentation] Observation of the surface dynamics of femtosecond laser ablation by time-resolved soft x-ray imaging techinique (2013)
  • Author(s): Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Takuro Tomita, Yasuo Minami, Ryota Takei, Motoyoshi Baba, Takashi Eyama, Shodai Takayoshi, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • Organizer: The Eighth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Place of Presentation: Nara Prefectural New Public Hall (Nara)
  • Year and Date: 20130913-20130913
• [Presentation] Femtosecond laser ablation process on platinum and gold observed by plasma-based soft x-ray laser (2013)
  • Author(s): Takashi Eyama, Takuro Tomita, Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Yasuo Minami, Ryota Takei, Motoyoshi Baba, Yusuke Hirano, Toshimasa Morita, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • Organizer: The Eighth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications
  • Place of Presentation: Nara Prefectural New Public Hall (Nara)
  • Year and Date: 20130913-20130913
• [Presentation] Observation of the nano-scale surface dynamics of femtosecond laser ablation by time-resolved soft x-ray imaging technique (2013)
  • Author(s): Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Takuro Tomita, Yasuo Minami, Ryota Takei, Motoyoshi Baba, Takashi Eyama, Shodai Takayoshi, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • Organizer: SPIE Optics + Photonics 2013
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center (San Diego)
  • Year and Date: 20130827-20130827
  • Invited
• [Presentation] A study of the femto-second laser ablation process in metals by using a single shot soft x-ray laser probe (2013)
  • Author(s): Noboru Hasegawa, Takuro Tomita, Masaharu Nishikino, Yasuo Minami, Motoyoshi Baba, Ryota Takei, Takeshi Kaihori, Yusuke Hirano, Toshimasa Morita, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • Organizer: The 12th Asia Pacific Physics Conference
  • Place of Presentation: Makuhari Messe International Conference Halls (Chiba)
  • Year and Date: 20130717-20130717