高輝度コヒーレント軟Ｘ線による新しい超微細レーザー加工技術の確立

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289244
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 河内 哲哉 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 室長代理 (40343941)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石野 雅彦 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究副主幹 (80360410) ; PIKUZ Tatiana 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, リサーチフェロー (20619978) ; 長谷川 登 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 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, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究副主幹 (70370450)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 材料加工、処理 / 量子ビーム / 高性能レーザー / 高輝度Ｘ線

Research Abstract

軟Ｘ線レーザーによる超微細加工の実証に向けて、アルミ、金、鉄、タンタルの試料へ軟Ｘ線レーザーを集光照射する実験を行った。その際、試料表面のアブレーション領域からの可視光域の発光の計測をCMOSセンサーにより試みた。本計測系の最小検出光量は0.016nJであった。試料上の軟Ｘ線レーザーの光量の調整は0.2ミクロン厚のZrフィルター（13.9nmの透過率48%）を用いて行った。今回の実験条件では、試料上での照射エネルギーで100-200nJ、エネルギーフルエンスに換算して10-20 mJ/cm2であり、いずれの場合においても試料上にアブレーション痕が生成した。またZrフィルターを入れた場合（フルエンス10mJ/cm2）には、可視発光量は検出限界以下であった。この結果から、軟Ｘ線レーザー照射による表面アブレーションは、試料表面のプラズマ化を伴わない描像で説明できることが分かった。これは我々が以前から主張する破砕的なアブレーションであることを裏付ける結果である。これらの実験結果と理論計算との比較も併せて行った。理論計算はアブレーション時の試料表面では電離が起きず、ほぼ液体状態であることを示しており、実験の傾向と一致することを確認した。
今年度予定していた装置整備については、50nm間隔の軟Ｘ線レーザー干渉露光を行うための照射装置の設計を行い、軟Ｘ線多層膜鏡等を用いた装置の製作を開始した。また、軟Ｘ線レーザー照射領域の紫外線プローブ計測については、チタンサファイアレーザーの３倍高調波による紫外線プローブ光の発生を確認するとともに、軟Ｘ線レーザーパルスとチタンサファイアレーザーの時間同期方法をストリークカメラを用いることにより確立した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

軟Ｘ線レーザーによる微細加工の実証試験については、今年度予定していた軟Ｘ線レーザーの集光照射系の設計及び、照射時の発光量の定量評価を行うことができた。干渉露光のための照射部分について、多少の遅れが生じているが、ほぼ計画通り進んでいるといえる。軟Ｘ線レーザー照射領域の紫外線プローブ計測については、計測用のＣＣＤカメラの仕様の決定が遅れたため購入を来年度に繰り越したが、それ以外の計測系整備等については順調であり、ほぼ計画通りと言える。

Strategy for Future Research Activity

当初の計画通り、軟Ｘ線レーザーによる微細加工の実証試験については、金属材料を対象に50nm精度の超微細加工の実証試験に取り掛かる。軟Ｘ線レーザー照射領域の紫外線プローブ計測については、表面反射率計測システムを完成させ、まずは軟Ｘ線レーザー照射時の試料からの紫外線プローブ反射率の測定を試みる。順調に成果が出た場合、プローブビームのスペックルの計測を開始する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

当初は、軟Ｘ線レーザー照射領域の紫外線プローブ用ＣＣＤ検出器を年度内に整備する予定であったが、軟Ｘ線レーザー照射時の試料表面からの自発光特性を詳細に調べたうえでＣＣＤ検出器の仕様を決定する必要が期中に判明した。そこで、研究予算を効率的に執行する観点から、購入費を次年度に繰り越すこととした。
繰り越し分については、仕様を精査したうえで、本来の予定通り紫外線プローブ用ＣＣＤ検出器の購入に充てる予定。

Research Products

• [Journal Article] Soft picosecond X-ray laser nanomodification of gold and aluminum surfaces (2014)
  • Author(s): S. Starikov, A. Faenov, T. Pikuz, I. Skobelev, V. Fortov, S. Tamotsu, M. Ishino, M. Tanaka, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Kaihori, T. Imazono, M. Kando and T. Kawachi
  • Journal Title: Applied Physics B Volume: - Pages: 1,12
  • DOI: 10.1007/s00340-014-5789-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of the nano-sclae surface dynamics of femtosecond laser ablation by time-resolved soft x-ray imaging technique (2013)
  • Author(s): M.Nishikino, N. Hasegawa, T. Tomita, Y. Minami, R. Takei, M. Baba, T. Eyama, S. Takayoshi, T. Kawachi, D. Hatomi, N. Ohnishi, M. Yamagiwa and T. Suemoto
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8849 Pages: 88490E-1, 6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanometer-sclae modification on metal surfaces induced by soft x-ray laser pulse irradiations (2013)
  • Author(s): M. Ishino, A. Faenov, M. Tanaka, S. Tamotsu, T. Pikuz, N. Hasegawa, M. Nishikino, N. Inogamov, I. Skobelev, V. Fortov, G. Norman, S. Starikov, V. Stegailov, T. Kaihori, T. Kawachi and M. Yamagiwa
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8849 Pages: 88490F-1,8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nano-meter size modification of metal surfaces induced by soft x-ray laser single pulse (2013)
  • Author(s): M. Ishino, A. Faenov, M. Tanaka, T. Pikuz, S. Tamotsu, N. Hasegawa, M. Nishikino, S. Starikov, V. Stegailov, G. Norman, V. Fortov, I. Skobelev, T. Kaihori, and T. Kawachi
  • Journal Title: Springer proceedings in Physics Volume: 147 Pages: 121,124
  • DOI: 10.1007/978-3-319-00696-3_20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Source development of novel coherent x-rays and their applications in JAEA (2013)
  • Author(s): T. Kawachi, A. Sasaki, M. Nishikino, M. Ishino, N. Hasegawa, T. Imazono, Y. Ochi, M. Tanaka, A. Faenov, T. Pikuz, A. Pirozhkov, T. Esrkepov, T. Nakamura, M. Kando, S. Bulanov, K. Kondo, K. janulewicz, C. Kim, H. Steil, G. Norman, T. Suemoto, T. Tomita, K. Namikawa, M. Yamagiwa adn Y. Kato
  • Journal Title: Springer proceedings in Physics Volume: 147 Pages: 143,150
  • DOI: 10.1007/978-3-319-00696-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of soft x-ray microscopy using Fresnel zone plate for observation of laser-induced surface dynamics (2013)
  • Author(s): M. Nishikino, M. Baba, T. Suemoto, N. Hasegawa, M. Ishino, T. Kaihori, T. Kawachi and M. Yamagiwa
  • Journal Title: Springer proceedings in Physics Volume: 147 Pages: 199-202
  • DOI: 10.1007/978-3-319-00696-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 軟Ｘ線による物質アブレーション (2013)
  • Author(s): 牧村哲也、錦野将元、河内哲哉
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 42 Pages: 45,49
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of surface modifications induced by the multiple pulse irradiation using a soft picosecond x-ray laser beam (2013)
  • Author(s): M. Ishino, A. Y. Faenov, M. Tanaka, S. Tamitsu, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Pikuz, T. Kaihori and T. Kawachi
  • Journal Title: Applied Physics A Volume: 110 Pages: 179-188
  • DOI: 10.1007/s00339-012-7100-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of X-ray mirage (2013)
  • Author(s): S. Magnitskiy, N. Nagorskiy, A. Faenov, T. Pikuz, M. Tanaka, M. Ishino, M. Nishikino, Y. Fukuda, M. Kando, T. Kawachi and Y. Kato
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 2923 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1038/ncomms2923
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Zeeman splitting of laser-driven soft x-ray laser line by the enhancement of magnetic field in plasma (2014)
  • Author(s): T. Kawachi, N. Hasegawa, A. Iwamae, H. Yoneda
  • Organizer: The 22nd International Conference of Spectral Line Shapes
  • Place of Presentation: Tennessee, USA
  • Year and Date: 20140601-20140606
  • Invited
• [Presentation] Progress and Prospects of Coherent X-ray Research using High Power Lasers in JAEA (2014)
  • Author(s): T. Kawachi, M. Nishikino, A. Sasaki, M. Ishino, N. Hasegawa, T. Imazono, T. Pikuz, A. faenov, M. Magnitskiy, M. Maruyama, T. Tomita, T. Suemoto, A. Pirozhkov, S. Bulanov, H. Kiriyama, M. Kando, M. Yamagiwa, K. Kondo, P. Bolton, and Y. Kato
  • Organizer: The 14th International Conference of X-ray Lasers
  • Place of Presentation: Fort Collins, USA
  • Year and Date: 20140525-20140530
  • Invited
• [Presentation] Observation of the nano-sclae surface dynamics of femtosecond laser ablation by time-resolved soft x-ray imaging technique
  • Author(s): M.Nishikino, N. Hasegawa, T. Tomita, Y. Minami, R. Takei, M. Baba, T. Eyama, S. Takayoshi, T. Kawachi, D. Hatomi, N. Ohnishi, M. Yamagiwa and T. Suemoto
  • Organizer: IFSA2013
  • Place of Presentation: Nara, Japan
• [Presentation] Observation of the nano-sclae surface dynamics of femtosecond laser ablation by time-resolved soft x-ray imaging technique
  • Author(s): M.Nishikino, N. Hasegawa, T. Tomita, Y. Minami, R. Takei, M. Baba, T. Eyama, S. Takayoshi, T. Kawachi, D. Hatomi, N. Ohnishi, M. Yamagiwa and T. Suemoto
  • Organizer: SPIE Optical Engineering and Applications
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Nanometer-sclae modification on metal surfaces induced by soft x-ray laser pulse irradiations
  • Author(s): M. Ishino, A. Faenov, M. Tanaka, S. Tamotsu, T. Pikuz, N. Hasegawa, M. Nishikino, N. Inogamov, I. Skobelev, V. Fortov, G. Norman, S. Starikov, V. Stegailov, T. Kaihori, T. Kawachi and M. Yamagiwa
  • Organizer: SPIE Optical Engineering and Applications
  • Place of Presentation: San Diego, USA