硬Ｘ線自由電子レーザー用結晶素子の超精密無歪み加工

• Project/Area Number: 13J00898
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Production engineering/Processing studies
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 大坂 泰斗 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 完全結晶素子 / X線自由電子レーザー / 分割・遅延光学系 / 時間分解研究 / プラズマ加工 / 結晶光学素子 / 超高速科学 / 大気圧プラズマ / ピームスプリッタ / チャネルカット結晶

Outline of Annual Research Achievements

昨年度SPring-8においてテスト実験を行った分割・遅延光学系（SDO）を，X線自由電子レーザー施設SACLAへと適用し，分割したパルスX線強度の独立測定の実現可能性，並びに生成した遅延時間の精度を評価した．分割パス内で測定したパルス強度とSDO下流の共有パス上で測定した強度との相関を，片方の分割パルスのみを供給し評価した結果，標準偏差約6%の相関が得られた．従って，両分割パルス供給時においても不確かさ10%の精度によるパルス強度独立測定が可能である事を示した．また，SDO下流にX線ストリークカメラを配置し，パルス間の遅延時間を測定した．初期遅延時間には目標値から約5 psの誤差が確認されたものの，遅延時間を変化させた際の近似直線からの誤差は+/- 100 fs以下であり，ストリークカメラを用いる事で100 fsの時間精度が達成される事を実証した．
SACLAに常設されている1 μm集光ミラーを用いて，分割ビームの集光特性を評価した．ビームスプリッタである薄い結晶透過側の分割ビームに関しては理想集光が達成されたものの，反射側の分割ビームにおいて集光径の増大が確認された．これは薄い結晶に残留した格子面の傾斜誤差によって波面が乱れた為であり，薄い結晶作製プロセスの更なる高精度化が必要である事が示唆された．
新たなビーム分割手法として，厚い結晶のエッジ部において反射光と非接触透過光とに空間的に分割する波面分割を検討した．本手法では厚い結晶を用いるため，薄い分割結晶利用時に問題となった格子面の歪みの影響が抑制される．
非集光ビームプロファイルには，エッジ部からの散乱により縞状のスペックルが確認されたものの，1 μm集光光学系利用時，両分割ビームとも集光径約1.5 μmと，ほぼ理想的な集光を実現した．また，空間的にビームを分割する事から，分割ビームの強度比も波長に依らず1:1へと制御可能であり，世界で初めて実用に足る分割・遅延光学系の開発に成功した．

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] LCLS(米国)
• [Int'l Joint Research] DESY(Germany)
• [Journal Article] Development of split-delay x-ray optics using Si(220) crystals at SACLA (2014)
  • Author(s): Taito Osaka, Takashi Hirano, Makina Yabashi, Yasuhisa Sano, Kensuke Tono, Yuichi Inubushi, Takahiro Sato, Kanade Ogawa, Satoshi Matsuyama, Tetsuya Ishikawa and Kazuto Yamauchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 9210 Pages: 921009-921009
  • DOI: 10.1117/12.2060238
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thin crystal development and applications for hard x-ray free-electron lasers (2013)
  • Author(s): Taito Osaka, Makina Yabashi, Yasuhisa Sano, Kensuke Tono, Yuichi Inubushi, Takahiro Sato, Kanade Ogawa, Satoshi Matsuyama, Tetsuya Ishikawa, Kazuto Yamauchi.
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8848 Pages: 884804-884804
  • DOI: 10.1117/12.2023465
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Current status of x-ray split-and-delay optics using Si(220) crystals at SACLA (2016)
  • Author(s): Taito Osaka
  • Organizer: 7th Ringberg Workshop on Science with FELs -from first results to future perspectives
  • Place of Presentation: Tagungsstatte Schloss Ringberg (Kreuth, Germany)
  • Year and Date: 2016-02-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] XFEL用分割・遅延光学系の開発 -SACLAにおける性能評価- (2016)
  • Author(s): 大坂泰斗，平野嵩，犬伏雄一，佐野泰久，松山智至，登野健介，石川哲也，山内和人，矢橋牧名
  • Organizer: 第29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: 東京大学柏キャンパス（千葉県柏市）
  • Year and Date: 2016-01-09
• [Presentation] Demonstration of Feasibility of X-ray Pump-X-ray Probe Experiments Using Hard X-ray Split-and-Delay Optics Combined with Focusing Mirrors (2015)
  • Author(s): Taito Osaka, Takashi Hirano, Yuichi Inubushi, Yasuhisa Sano, Satoshi Matsuyama, Kensuke Tono, Tetsuya Ishikawa, Kazuto Yamauchi, and Makina Yabashi
  • Organizer: The 12th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI 2015)
  • Place of Presentation: the New York Marriott Marquis (New York City, NY, USA)
  • Year and Date: 2015-07-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current status of a hard x-ray split-and-delay scheme at SACLA (2015)
  • Author(s): Taito Osaka
  • Organizer: Pre-conference satellite meeting on dynamic imaging: from AMO/Chemistry to Bio. (HeKKSaGOn University Consortium The 4th Japanese-German University Presidents’ Conference)
  • Place of Presentation: Tohoku University (Miyagi, Japan)
  • Year and Date: 2015-04-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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: 東洋大学白山キャンパス（東京）
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [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回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 立命館大学びわこ・くさつキャンパス（滋賀）
  • Year and Date: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] Development of Hard X-Ray Split-Delay Optics Based on Si(220) Crystals (2014)
  • Author(s): Taito Osaka, Takashi Hirano, Yuichi Inubushi, Makina Yabashi, Yasuhisa Sano, Satoshi Matsuyama, Kensuke Tono, Takahiro Sato, Kanade Ogawa, Tetsuya Ishikawa and Kazuto Yamauchi
  • Organizer: JSAP-OSA Joint Symposia 2014 (The 75th JSAP Autumn Meeting 2014)
  • Place of Presentation: Hokkaido University (Hokkaido), Japan
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Development of split-delay x-ray optics using Si(220) crystals at SACLA (2014)
  • Author(s): Taito Osaka, Takashi Hirano, Makina Yabashi, Yasuhisa Sano, Kensuke Tono, Yuichi Inubushi, Takahiro Sato, Kanade Ogawa, Satoshi Matsuyama, Tetsuya Ishikawa and Kazuto Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics
  • Place of Presentation: San Diego, CA, USA
  • Year and Date: 2014-08-17 – 2014-08-21
  • Invited
• [Presentation] 大気圧プラズマによるチャネルカット単結晶シリコンの内壁エッチング (2014)
  • Author(s): 平野 嵩, 大坂 泰斗, 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: 2014年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2014-03-19
• [Presentation] XFEL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: 広島国際会議場
  • Year and Date: 2014-01-11
• [Presentation] 大気圧プラズマによるチャネルカット単結晶シリコンの内壁エッチングの検討 (2013)
  • 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: 2013年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 関西大学
  • Year and Date: 2013-09-12
• [Presentation] Thin crystal development and applications for hard x-ray free-electron lasers (2013)
  • Author(s): Taito Osaka, Makina Yabashi, Yasuhisa Sano, Kensuke Tono, Yuichi Inubushi, Takahiro Sato, Kanade Ogawa, Satoshi Matsuyama, Tetsuya Ishikawa, Kazuto Yamauchi.
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics
  • Place of Presentation: San Diego, US
  • Year and Date: 2013-08-26
• [Presentation] Fabrication of Thin Si Crystal for X-Ray Beam Splitter (2013)
  • Author(s): Taito Osaka, Makina Yabashi, Yasuhisa Sano, Kensuke Tono, Yuichi Inubushi, Takahiro Sato, K anade Ogawa, Satoshi Matsuyama, Tetsuya Ishikawa, Kazuto Yamauchi.
  • Organizer: 28^<th> The American Society for Precision Engineering Annual Meeting
  • Place of Presentation: Saint Paul, US