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

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289244
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 河内 哲哉 国立研究開発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): 長谷川 登 国立研究開発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 国立研究開発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) ; 石野 雅彦 国立研究開発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)
• 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

Outline of Annual Research Achievements

H26年度に引き続き、軟X線レーザー照射装置を用いて、アルミニウム等の金属試料を対象に照射実験を行い、表面にナノスケールの突起状構造体が形成される最適な照射パラメータ（軟Ｘ線レーザーのエネルギーフルエンス）を明らかにした。また、分子動力学シミュレーションとの詳細な比較を行い、ナノスケールの突起状構造体の形成プロセスとして、（１）軟Ｘ線レーザー照射により表面近傍の金属内部に溶融層が生成し、その領域の温度上昇に伴う圧縮応力波が発生し、表面層を真空中に押し出す。（２）表面層がバルクから破砕的に剥がれる際に、溶融層の粘性によりナノスケールの直径を持つ柱構造が形成される。（３）表面層が吹き飛んだ後、柱構造が切断され、突起状のナノ構造がクレータ内部に生成する。ことを明らかにした。
また、軟X線レーザー照射時のアルミニウム、銅およびフッ化リチウム試料表面からの可視光領域の発光分光計測を行った。得られた実験結果を理論モデルと比較することにより、試料表面の固体密度プラズマの電子温度を求めた。その結果、軟Ｘ線レーザー照射後100-1000ピコ秒の表面電子温度は物質によらず0.4-0.7 eVであった。このような低温状態のプラズマでは、試料表面の原子が部分的には電離しているが、多くは電荷的には中性である弱電離状態にあることを示している。更に発光強度量から、ほとんどの元素は蒸発しておらず、液体～固体状態を維持していることも判明した。これは上記ナノ構造形成過程において、表面層が破砕的にバルクから剥離する説明と合致するものであった。
これらの結果から、軟X線レーザー照射によるナノ構造形成に至る主要な物理過程を明らかにすることができた。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ロシア科学アカデミー合同高温研究所/ロシア科学アカデミーランダウ理論研究所/ロモノソフ モスクワ州立大学(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: ロシア科学アカデミー合同高温研究所/ロシア科学アカデミーランダウ理論研究所/ロモノソフ モスクワ州立大学
  • # of Other Institutions: 1
• [Journal Article] Observation of dynamics and modification of solid surface using a picosecond soft x-ray laser (2015)
  • Author(s): M. Nishikino, T. Kawachi, N. Hasegawa, M. Ishino, Y. Minami, T. Suemoto, N. Ohnishi, A. M. Ito, K. Satoe, A. Y. Faenov , N. A. Inogamov, and M. Yamagiwa
  • Journal Title: SPIE Volume: 9589 Pages: 958902-1-7
  • DOI: 10.1117/12.2186363
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nonlinear increase of X-ray intensities from thin foils irradiated with a 200 TW femtosecond laser (2015)
  • Author(s): A. Ya. Faenov, J. Colgan, S. B. Hansen, A. Zhidkov, T. A. Pikuz, M. Nishiuchi, S. A. Pikuz, I. Yu. Skobelev, J. Abdallah, H. Sakaki, A. Sagisaka, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, Y. Fukuda, M. Kanasaki, N. Hasegawa, M. Nishikino, M. Kando, Y. Watanabe, T. Kawachi, S. Masuda, T. Hosokai, R. Kodama and K. Kondo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 13436-1-10
  • DOI: 10.1038/srep13436
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 3D visualization of XFEL beam focusing properties using LiF crystal X-ray detector (2015)
  • Author(s): T. Pikuz, A. Faenov, T. Matsuoka, S. Matsuyama, K. Yamauchi, N. Ozaki, B. Albertazzi, Y. Inubushi, M. Yabashi, K. Tono, Y. Sato, H. Yumoto, H. Ohashi, S. Pikuz, A. N. Grum-Grzhimailo, M. Nishikino, T. Kawachi, T. Ishikawa, and R. Kodama
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 17713-1-7
  • DOI: 10.1038/srep17713
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] SPIE (2015)
  • Author(s): M. Ishino, N. Hasegawa, M.Nishikino, T.Pikuz, I. Skobelev, A. Faenov, N. Inogamov, T. Kawachi, M. Yamagiwa
  • Journal Title: SPIE, X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources: Development and Applications XI Volume: 9589 Pages: 958904-1-4
  • DOI: 10.1117/12.2186053
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Source Development of Plasma-based Soft X-ray Laser and the Applications for Probing Nano-scale Dynamics of Laser Ablation (2016)
  • Author(s): M. Nishikino and T. Kawachi
  • Organizer: Compact EUV and X-ray Sources
  • Place of Presentation: 米国、加州
  • Year and Date: 2016-03-20 – 2016-03-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 軟X 線レーザーパルスの集光照射によるアルミニウム表面での損傷構造の形成 (2016)
  • Author(s): 石野雅彦, 錦野将元, 長谷川登, 保智己, Anatory Faenov, Tatiana Pikuz, Vasily Zhakhovsky, Igor Skobelev, Nail Inogamov, 河内哲哉
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 日本、東北学院大学泉キャンパス （宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-16 – 2016-03-17
• [Presentation] Ｘ線レーザープローブを用いたfsレーザー薄膜アブレーションの観測 (2016)
  • Author(s): M. Nishikino, T. Kawachi, N. Hasegawa, M. Ishino, Y. Minami, T. Suemoto, N. Ohnishi, A. M. Ito, K. Satoe, A. Y. Faenov , N. A. Inogamov, and M. Yamagiwa
  • Organizer: レーザー学会、第３６回年次大会
  • Place of Presentation: 日本、名城大学天白キャンパス （愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2016-01-20 – 2016-01-22
  • Invited
• [Presentation] Plasma Soft X-ray laser for probing nano scales dynamics of femto-second laser ablation (2015)
  • Author(s): T. Kawachi, M. Nishikino, N. Hasegawa, Y. Minami, M. Baba, M. Yamagiwa, K. Kondo, N. A. Inogamov, V. Zakhovskii, A. Ya. Faenov and T. Suemoto
  • Organizer: The 7th Asian Workshop on Coherent X-ray Radiation
  • Place of Presentation: 韓国、光州
  • Year and Date: 2015-08-31 – 2015-09-02
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Observation of dynamics and modification of solid surface using a picosecond soft x-ray laser (2015)
  • Author(s): M. Nishikino, T. Kawachi, N. Hasegawa, M. Ishino, Y. Minami, T. Suemoto, N. Ohnishi, A. M. Ito, K. Satoe, A. Y. Faenov, N. A. Inogamov, and M. Yamagiwa
  • Organizer: SPIE Optical Engineering and Applications
  • Place of Presentation: 米国、加州
  • Year and Date: 2015-08-15 – 2015-08-18
  • Int'l Joint Research / Invited