高強度レーザー誘起硬X線パルスの高効率発生と応用

• Project/Area Number: 14077209
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 中村 一隆 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助教授 (20302979)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 弘中 陽一郎 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助手 (20293061) ; 中野 秀俊 日本電信電話(株), NTT物性科学基礎研究所, 主幹研究官 (90393793)
• Project Period (FY): 2002 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥104,400,000 (Direct Cost: ¥104,400,000); Fiscal Year 2005: ¥22,100,000 (Direct Cost: ¥22,100,000); Fiscal Year 2004: ¥33,900,000 (Direct Cost: ¥33,900,000); Fiscal Year 2003: ¥32,000,000 (Direct Cost: ¥32,000,000); Fiscal Year 2002: ¥16,400,000 (Direct Cost: ¥16,400,000)
• Keywords: 放射線・X線・粒子線 / 量子ビーム / 光物性 / 光源技術 / 高性能レーザー / フェムト秒レーザー / パルスX線 / 時間分解X線回折 / 量子放出 / イオン加速 / 強光子場 / 高速電子 / 電子線シャドーグラフ / フェムト秒 / ピコ秒 / レーザー / 高エネルギー電子 / プラズマ / 時間分解 / X線 / イメージング / ピコ秒時間分解X線回折 / 結晶格子ダイナミクス

Research Abstract

高強度フェムト秒レーザー光を真空中で金属ターゲットに集光照射することにより、超短パルス硬X線を発生し、これを用いたフェムト秒時間分解X線回折を用いた物質ダイナミクスの研究を行った。本年度は、50フェムト秒レーザー光励起によるCdTe単結晶のコヒーレント光学フォノン計測に成功した。光学フォノンは重心が固定された運動であるため、結晶格子間隔の変化に対応する回折角度の変化がない。そのために通常のX線回折法では検出することができない。本研究では、格子振動周期よりも短いパルス幅の光パルスを用いて励起することで、位相の揃ったフォノンであるコヒーレント光学フォノンの励起を行った。これに加えて、振動周期よりも十分短い時間分解能での測定を行うことにより、X線回折強度の変調として、コヒーレント光学フォノンの計測に成功した。50フェムト秒レーザー光照射を行うと、X線回折強度は20ピコ秒以内に強度減少することが観測された。また、この状態を20フェムト秒の時間ステップでX線回折測定を行うと、約200フェムト秒の周期(5THz)の振動成分がCdTe(111)のX線回折強度の時間プロファイルに現れた。ラマン分光測定との比較から、この振動はCdTeのガンマ点におけるLOフォノンであることが分かった。また、フェムト秒時間分解反射率測定も行い、励起されたフォノンがCdTeのLOフォノンであることを確認した。
本研究で、200フェムト秒の振動が観測されたことから、200フェムト秒の時間分解X線回折測定が可能であること、またフェムト秒レーザー誘起プラズマX線のパルス幅が数百フェムト秒であることが明らかになった。

Research Products

• [Journal Article] Nanosecond rapid freezing of liquid benzene under shock compression studied by time-resolved coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (2006)
  • Author(s): A.Matasuda, K.Kondo, K.G.Nakamura
  • Journal Title: J.Chem.Phys. 124 Pages: 54501-54501
• [Journal Article] Flyer acceleration by pulsed laser and its application to shock recovery experiments on MnF_2 (2005)
  • Author(s): T.Hongo, A.Matsuda, K.Kondo, K.G.Nakamura, T.Atoh
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. 44 Pages: 5006-5008
• [Journal Article] Dependence on laser intensity and pulse duration in proton acceleration by irradiation of ultrafast laser pulses on a Cu foil target (2005)
  • Author(s): Y.Oishi, T.Nayuki, T.Fujii, Y.Takizawa, X.Wang, T.Kayoiji, T.Sekiya, Y.Okano, Y.Hironaka, K.G.Nakamura et al.
  • Journal Title: Phys.Plasma 12 Pages: 73102-73102
• [Journal Article] Electron imaging of charge separated field on a copper film induced by femtoseond laser irradiation (2005)
  • Author(s): Y.Okano, Y.Hironaka, K.Kondo, K.G.Nakamura
  • Journal Title: Appl.Phys.Lett. 86 Pages: 141501-141501
• [Journal Article] Picosecond time-resolved X-ray diffraction from a laser-shocked germanium crystal above Hugoniot elastic limit (2004)
  • Author(s): K.G.Nakamura, H.Kawano et al.
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics 43 Pages: 5477-5479
• [Journal Article] Picosecond time-resolved X-ray diffraction from laser-shocked semiconductor (2004)
  • Author(s): K.G.Nakamura, Y.Hironaka et al.
  • Journal Title: Laser and Particle Beams 22 Pages: 285-288
• [Journal Article] Enhanced generation of fast protons from a polymer-coated metal foil by a femtosecond intense laser field (2004)
  • Author(s): H.Kishimura, K.G.Nakamura et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters 85 Pages: 2736-2738
• [Journal Article] Relativistic laser plasma from micron-sized argon clusters as a debris-free x-ray source for pulse X-ray diffraction (2004)
  • Author(s): Y.Fukuda, K.G.Nakamura et al.
  • Journal Title: Applied Physics Letters 85 Pages: 5099-5101
• [Journal Article] Hard X-ray emission from a copper target by focusing a picosecond laser beam at 3x10^13 W/cm^2 (2004)
  • Author(s): H.Nagao, K.G.Nakamura et al.
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics 43
• [Journal Article] Energy distribution of electron ejected from a copper target in a femtosecond laser field of 10^17 W/cm^2 (2004)
  • Author(s): Y.Okano, K.G.Nakamura et al.
  • Journal Title: Journal of Applied Physics 95 Pages: 2278-2282
• [Publications] H.Kishimura, A.Yazaki, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Lattice deformation of laser-irradiated silicon crystal studied by picosecond X-ray diffraction"Appl.Surf.Sci.. 207. 314-317 (2003)
• [Publications] T.Nayuki, Y.Oishi, T.Fujii, K.Nemoto, T.Kayoiji, Y.Okano, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo, K.Ueda: "Thin tape target driver for laser ion accelerator"Rev.Sci.Instru.. 74. 3293-3296 (2003)
• [Publications] Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Ultrafast Time-Resolved X-ray Diffraction of Shock-Compressed Condensed Matter"New Diamond and Frontier Carbon Technology. 13. 161-170 (2003)
• [Publications] Y.Okano, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Time-resolved electron shadowgraphy for 300-ps laser ablation of a copper film"Appl.Phys.Lett.. 83. 1536-1538 (2003)
• [Publications] Y.Okano, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo, Y.Oishi, T.Nayuki, K.Nemoto: "Energy Distribution of Electrons Ejected from a Copper Target in a Femtosecond Laser Field of 10^<17>W/cm^2"J.Appl.Phys.. 95. 2278 (2004)
• [Publications] T.Fujii, Y.Oishi, T.Nayuki, Y.Takizawa, K.Nemoto, T.Kayoiji, K.Horioka, Y.Okano, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo: "MeV-order Proton and carbon ion acceleration by irradiation of 60-fs-TW-laser pulses on thin copper tape"Appl.Phys.Lett.. 83. 1524-1526 (2003)
• [Publications] 大石祐嗣, 名雪琢弥, 藤井隆, 滝沢靖史, 根元孝七, 山崎敏光, 通地努, 関谷智彦, 堀岡一彦, 岡野泰彬, 弘中陽一郎, 中村一隆, 近藤建一: "超短パルス超高強度レーザーを用いたプロトン生成とそのレーザー強度とパルス幅依存性"レーザー研究. 31. 747-751 (2003)
• [Publications] H.Nagao, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Hard X-ray generation from picosecond laser irradiated Cu film at 10^<13>W/cm^2"Jpn.J.Appl.Phys.. 43. 1207-1208 (2004)
• [Publications] 中村一隆, 広中陽一郎, 近藤建一: "レーザー生成X線による超高速パルスX線回折計測"O Plus E. 25巻9号. 1020-1024 (2003)
• [Publications] Y.Okano, Y.Hironaka, Y.Oishi, T.Nayuki, K.Nemoto, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Fast electron and ion emission from metal targets in intense femtosecond laser fields"Ultrafast Phenomena XIII, eds.R.D.Miller, M.M.Maurnane, N.F.Scherer, and A.M.Weiner (Springer Series in Chemical Physics). 71. 105-107 (2003)
• [Publications] H.Kishimura, A.Yazaki, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Lattice deformation in laser-irradiated silicon crystal studied by picosecond X-ray diffraction"Appl.Surf.Sci.. 207. 314-317 (2003)
• [Publications] H.Kishimura, A.Yazaki, H.Kawano, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Picosecond structural dynamics in photoexcited Si probed by time-resolved x-ray diffraction"J.Chem.Phys.. 117. 10239-10243 (2002)
• [Publications] K.G.Nakamura, K.Wakabayashi, Y.Hironaka, K.Kondo: "Pump and probe measurements of shock compressed states"J.Phys. : Condens.Matter. 14. 10817-10820 (2002)
• [Publications] Y.Hironaka, A.Yazaki, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Picosecond X-ray diffraction from laser-irradiated crystals"Appl.Surf.Sci.. 197-198. 189-293 (2002)
• [Publications] A.Yazaki, H.Kishimura, H.Kawano, Y.Hironaka, K.G.Nakamura, K.Kondo: "Picosecond time-resolved X-ray diffraction of a photo-excited silicon crystal"Jpn.J.Appl.Phys.. 41・3A. 1614-1615 (2002)