次世代極短パルスレーザーによるアト秒科学の新展開

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H05250
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 板谷 治郎 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50321724)
• 研究期間 (年度): 2018-06-11 – 2023-03-31
• キーワード: 極短パルスレーザー / アト秒科学 / 非線形光学 / 軟X線分光 / 超高速分光

研究実績の概要

H30年度の研究実施計画では、（1）高出力Ybレーザー開発のための調査研究、（2）超広帯域シードパルス発生手法の確立、（3）アト秒軟X線分光ビームラインの開発、の三項目を進めることとしていた。一方、本研究課題採択後に、光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）がスタートしたため、項目（1）の高出力Ybレーザー開発の見直しが必要となった。そのため、平成30年度は、項目（2）（3）について集中的に研究開発を行った。以下、この二項目についての研究実績概要を説明する。
（2）超広帯域シードパルス発生手法の確立
フェムト秒Ybレーザー増幅システムを用いて、サファイア結晶またはYAG結晶中でのフィラメンテ―ションによる白色光発生実験を行い、波長500～1000 nmをカバーする超広帯域白色光発生を確認した。特に波長500～950 nmでのスペクトルはスムースな形状であり、極短パルスシード光発生に適していることが判明した。また、波長1030 nmにおいて複数の石英薄板を用いた二段階パルス圧縮を行い、パルス幅6.5 fsの極短パルス発生に成功した。本構成で得られたフェムト秒パルスに対して差周波発生を行い、KTA結晶で光パラメトリック増幅することより、波長2.8～3.8μmで波長可変かつキャリアエンベロープ位相（CEP）安定な中赤外パルスを得た。本光源により、Ybレーザーを用いた光パラメトリック増幅システムの基本構成を実証できた。
（3）アト秒軟X線分光ビームラインの開発
差動排気されたガスセルを用いた軟X線発生部、トロイダルミラーを用いた集光部、および軟X線分光器から構成されるビームラインを構築した。高圧ガスセルの利用によって、ヘリウムおよびネオンガスを用いた高効率高次高調波発生が実現し、「水の窓」全域（280～540 eV）をカバーするアト秒軟X線パルスの発生に成功した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

H30年度は、フェムト秒Ybレーザー増幅システムをベースとした光パラメトリック増幅システムを構築し、その最適化および特性評価を行った。その結果、Ybレーザーを用いた光パラメトリック増幅システムにおいて、高安定なキャリアエンベロープ位相の長波長フェムト秒パルス発生、および、波長1030 nm帯におけるサブ2サイクルの極短パルス光発生に成功した。この結果は、サブピコ秒の高安定・高繰り返しYbレーザーシステムを用いることにより、高強度極短パルスが得られることを示しており、アト秒パルス発生のためのドライバー光源としての有用性を実証できた。この成果は、光パラメトリック増幅器の基本設計を行うという当初計画を大きく上回るものである。
アト秒軟X線分光ビームラインの開発においては、差動排気ガスセルの開発がほぼ完了し、最大3.5気圧の背圧での高次高調波発生が可能となった。高調波発生の圧力依存性を測定した結果、Heガスでは2.8気圧、Neガスでは1.6気圧が最適圧力であり、このときに最も高い軟X線フォトンフラックスを得た。発生した軟X線のスペクトル帯域は、「水の窓」（280～540 eV）の全域をカバーするものであり、軽元素としては炭素と窒素、遷移金属としてはチタンの吸収端での吸収端近傍X線吸収微細構造(NEXAFS)を実証した。また、得られた軟X線パルスは、ハーフサイクルカットオフと呼ばれるCEPに依存したスペクトル構造をもつため、水の窓領域で孤立アト秒軟X線パルスが得られていることを確認できた。これらの結果は、アト秒軟X線分光にむけての重要なステップである。

今後の研究の推進方策

まず、高出力Ybレーザーと光パラメトリック増幅（OPA）光源の開発については、光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）での光源開発との重複を避けるため、高繰り返し型の小型Ybレーザーシステムを用いた高強度極短パルスOPA光源の開発を行うこととする。
軟X線ビームラインはほぼ完成したため、semi-infiniteセルを用いた差動排気システムへのアップグレードや光源の安定化等の改善を進める。また、時間的に同期したアト秒軟X線パルスとフェムト秒レーザーパルスを用いたアト秒軟X線吸収分光の実証を目指して、気相分子を対象とした超高速分光実験を行う。

研究成果

• [国際共同研究] University of Central Florida(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Central Florida
• [国際共同研究] Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen
• [雑誌論文] High-order harmonic generation from hybrid organic-inorganic perovskite thin films (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirori Hideki, Xia Peiyu, Shinohara Yasushi, Otobe Tomohito, Sanari Yasuyuki, Tahara Hirokazu, Ishii Nobuhisa, Itatani Jiro, Ishikawa Kenichi L., Aharen Tomoko, Ozaki Masashi, Wakamiya Atsushi, Kanemitsu Yoshihiko
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 7 ページ: 041107～041107
  • DOI: 10.1063/1.5090935
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optical parametric amplification of carrier-envelope phase-stabilized mid-infrared pulses generated by intra-pulse difference frequency generation (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishii Nobuhisa, Xia Peiyu, Kanai Teruto, Itatani Jiro
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 27 ページ: 11447～11447
  • DOI: 10.1364/oe.27.011447
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ultrafast Control of Ferroelectricity with Dynamical Repositioning of Protons in a Supramolecular Cocrystal Studied by Femtosecond Nonlinear Spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Umanodan Tsugumi, Kaneshima Keisuke, Takeuchi Kengo, Ishii Nobuhisa, Itatani Jiro, Hirori Hideki, Sanari Yasuyuki, Tanaka Koichiro, Kanemitsu Yoshihiko, Ishikawa Tadahiko, Koshihara Shin-ya, Horiuchi Sachio, Okimoto Yoichi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 ページ: 013705～013705
  • DOI: 10.7566/JPSJ.88.013705
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photo-induced semimetallic states realised in electron-hole coupled insulators (2018)
  • 著者名/発表者名: Kozo Okazaki, Yu Ogawa, Takeshi Suzuki, Takashi Yamamoto, Takashi Someya, Shoya Michimae, Mari Watanabe, Yangfan Lu, Minoru Nohara, Hidenori Takagi, Naoyuki Katayama, Hiroshi Sawa, Masami Fujisawa, Teruto Kanai, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, Takashi Mizokawa, Shik Shin
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9:4322 ページ: 1～6
  • DOI: 10.1038/s41467-018-06801-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nonlinear propagation effects in high harmonic generation in reflection and transmission from gallium arsenide (2018)
  • 著者名/発表者名: Xia Peiyu, Kim Changsu, Lu Faming, Kanai Teruto, Akiyama Hidefumi, Itatani Jiro, Ishii Nobuhisa
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 26 ページ: 29393～29393
  • DOI: 10.1364/OE.26.029393
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] All-optical characterization of the two-dimensional waveform and the Gouy phase of an infrared pulse based on plasma fluorescence of gas (2018)
  • 著者名/発表者名: Saito Nariyuki, Ishii Nobuhisa, Kanai Teruto, Itatani Jiro
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 26 ページ: 24591～24591
  • DOI: 10.1364/OE.26.024591
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Polarization-Resolved Study of High Harmonics from Bulk Semiconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: Kaneshima Keisuke, Shinohara Yasushi, Takeuchi Kengo, Ishii Nobuhisa, Imasaka Kotaro, Kaji Tomohiro, Ashihara Satoshi, Ishikawa Kenichi L., Itatani Jiro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 120 ページ: 243903～243903
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.243903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generation of sub-two-cycle CEP-stable optical pulses at 3.5 μm from a KTA-based optical parametric amplifier with multiple-plate compression (2018)
  • 著者名/発表者名: Lu Faming, Xia Peiyu, Matsumoto Yoshiyuki, Kanai Teruto, Ishii Nobuhisa, Itatani Jiro
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 43 ページ: 2720～2723
  • DOI: 10.1364/OL.43.002720
  • 査読あり
• [学会発表] ハロゲン化金属ペロブスカイトからの高次高調波の観測と発生機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 廣理英基, 夏沛宇, 篠原康, 乙部智仁, 佐成晏之, 田原弘量, 石井順久, 板谷治郎, 石川顕一B, 阿波連知子, 尾崎雅司, 若宮淳志, 金光義
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 時間・角度分解光電子分光測定による2H-NbSe2の光励起電子状態の波数依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡邉真莉, 鈴木剛, 徐佳笛, 藤澤正美, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 齋藤智彦, 岡崎浩三, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] 高次高調波を用いた400 eVにおける窒素分子の時間分解軟X線吸収分光 (2019)
  • 著者名/発表者名: 斎藤成之, 三戸宏樹, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春期学術講演会
• [学会発表] 固体のサブサイクル分光に向けての3.5 μm帯CEP安定中赤外パルスの電気光学サンプリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 夏沛宇, Lu Faming, 金島圭佑, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春期学術講演会
• [学会発表] Generation of attosecond soft X-ray pulses for ultrafast absorption spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Nariyuki Saito, H. Sannohe, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, and Jiro Itatani,
  • 学会等名: International Symposium on Ultrafast Electronic and Structural Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-order harmonic generation from hybrid lead halide perovskites (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideki Hirori, Peiyu Xia, Yasushi Shinohara, Tomohito Otobe, Yasuyuki Sanari, Hirokazu Tahara, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, Kenichi L. Ishikawa, Tomoko Aharen, Masashi Ozaki, Atsushi Wakamiya, and Yoshihiko Kanemitsu
  • 学会等名: APS March Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 高強度レーザーと短波長アト秒パルスを用いた先端計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 板谷治郎
  • 学会等名: 第29回科学技術交流フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] 位相安定な高強度光パラメトリック増幅光源による高次高調波発生 (2019)
  • 著者名/発表者名: 板谷治郎
  • 学会等名: （社）日本光学会光波シンセシス研究グループ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 高繰り返しアト秒レーザー光源の現状と展望 (2019)
  • 著者名/発表者名: 板谷治郎
  • 学会等名: PF研究会「高繰り返し極短パルス光源の未来」
  • 招待講演
• [学会発表] マルチプレートパルス圧縮による中赤外極短パルス発生 (2019)
  • 著者名/発表者名: 夏沛宇, Lu Faming, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第39回年次大会
• [学会発表] 「水の窓」全域での高次高調波発生と軟X線吸収分光 (2019)
  • 著者名/発表者名: 齋藤成之, 三戸宏樹, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第39回年次大会
• [学会発表] 中赤外超短パルスを用いた回折格子による伝搬型表面プラズモン生成と光電界電子放出 (2019)
  • 著者名/発表者名: 水野智也, 竹内健悟, 金島圭佑, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第39回年次大会
• [学会発表] Strong-field physics in solids using an intense Mid-IR source (2018)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kaneshima, Nariyuki Saito, Peiyu Xia, Tomoya Mizuno, Teruto Kanai, Nobuhisa Ishii, and Jiro Itatani
  • 学会等名: Asian International Seminar on Atomic and Molecular Physics (AISAMP 13)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CEP dependence of photoionization by intense few-cycle infrared fields (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Mizuno, Ritika Dagar, Kengo Takeuchi, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Toru Morishita, and Jiro Itatani
  • 学会等名: Asian International Seminar on Atomic and Molecular Physics (AISAMP 13)
  • 国際学会
• [学会発表] Polarization analysis of high harmonic generation in crystalline solids (2018)
  • 著者名/発表者名: Jiro Itatani
  • 学会等名: Atomic, Molecular, and Optical Physics Seminar / Attosecond Quantum Dynamics Semina
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Polarization properties of high harmonics in solids using linearly and circularly polarized infrared optical pulses (2018)
  • 著者名/発表者名: Nobuhisa Ishii
  • 学会等名: The 9th Asian Workshop on Generation and Application of Coherent XUV and X-ray Radiation (9th AWCXR)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Carrier-envelope phase dependent photoionization of Xe atoms in few-cycle IR laser fields (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Mizuno, Ritika Dagar, Kengo Takeuchi, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Toru Morishita and Jiro Itatani
  • 学会等名: The 9th Asian Workshop on Generation and Application of Coherent XUV and X-ray Radiation (9th AWCXR)
  • 国際学会
• [学会発表] Soft X-ray high-harmonic generation covering the entire water window and measurement of the near edge X-ray absorption fine structure of titanium (2018)
  • 著者名/発表者名: Nariyuki Saito, Hiroki Sannohe, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, and Jiro Itatani
  • 学会等名: The 9th Asian Workshop on Generation and Application of Coherent XUV and X-ray Radiation (9th AWCXR)
  • 国際学会
• [学会発表] High harmonic generation in reflection and transmission from bulk GaAs: the role of nonlinear propagation effects (2018)
  • 著者名/発表者名: Peiyu Xia, Changsu Kim, Faming Lu, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Hidefumi Akiyama, and Jiro Itatani,
  • 学会等名: The 9th Asian Workshop on Generation and Application of Coherent XUV and X-ray Radiation (9th AWCXR)
  • 国際学会
• [学会発表] 「水の窓」全域にわたる軟Ⅹ線高調波発生 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三戸宏樹, 齋藤成之, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎
  • 学会等名: 第79回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] 反射配置でのGaAsからの高次高調波発生と伝搬効果の評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 夏沛宇, 金昌秀, Faming Lu, 石井順久, 金井輝人, 秋山英文, 板谷治郎
  • 学会等名: 第79回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] 高強度赤外電場による光電子放出過程の搬送波包絡線位相依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水野智也, Ritika Dagar, 竹内健悟, 石井順久, 金井輝人, 板谷治郎
  • 学会等名: 第79回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] Experimental verification of selection rules for circularly polarized high harmonics from a solid (2018)
  • 著者名/発表者名: Nariyuki Saito, Peiyu Xia, Faming Lu, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, and Jiro Itatani
  • 学会等名: XXI International Conference on Ultrafast Phenomena
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of Sub-Two-Cycle CEP-Stable Optical Pulses at 3.5 μm by Multiple-Plate Pulse Compression for High-Harmonic Generation in Crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Peiyu Xia, Faming Lu, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, and Jiro Itatani
  • 学会等名: XXI International Conference on Ultrafast Phenomena
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast photo control of proton-mediated organic ferroelectric systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsugumi Umanodan, Keisuke Kaneshima, Kengo Takeuchi, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani, Koichiro Tanaka, Hideki Hirori, Sachio Horiuchi, Tadahiko Ishikawa, Shin-ya Koshihara, and Yoichi Okimoto
  • 学会等名: The 12th International Conference on Excitonic and Photonic Processes in Condensed Matter and Nano Materials (EXCON 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of carrier-envelope phase-stable intense ultrashort IR and MIR pulses by Ti:sapphire laser-pumped Optical Parametric Amplfiers (2018)
  • 著者名/発表者名: Nobuhisa Ishii, Keisuke Kaneshima, F. Lu, Peiyu Xia, Nariyuki Saito, Tomoya Mizuno, Kengo Takeuchi, Teruto Kanai, and Jiro Itatani,
  • 学会等名: Asia Pacific Laser Symposium (APLS 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高強度中赤外光源と固体強光子場科学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 板谷治郎
  • 学会等名: 日本学術振興会光電相互変換第125委員会 第241回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Waveform characterization of optical pulses by plasma luminescence of gas (2018)
  • 著者名/発表者名: Nariyuki Saito, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Jiro Itatani
  • 学会等名: CLEO:2018
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast electron emission assisted by grating-coupled propagating surface plasmons in the mid-IR range (2018)
  • 著者名/発表者名: Kengo Takeuchi, Tomoya Mizuno, Keisuke Kaneshima, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Jiro Itatani
  • 学会等名: CLEO:2018
  • 国際学会
• [学会発表] Reconstructing band structure of a crystalline solid from drive-laser-intensity dependence of a single harmonic produced by intraband current (2018)
  • 著者名/発表者名: Peiyu Xia, Faming Lu, Teruto Kanai, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani
  • 学会等名: CLEO:2018
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of sub-two-cycle, CEP-stable, high-energy, 3.5-μm pulses by multiple-plate pulse compression (2018)
  • 著者名/発表者名: Peiyu Xia, Faming Lu, Teruto Kanai, Nobuhisa Ishii, Jiro Itatani
  • 学会等名: CLEO:2018
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of selection rules for circularly polarized high harmonics from a solid (2018)
  • 著者名/発表者名: Nariyuki Saito, Peiyu Xia, Faming Lu, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, Jiro Itatani
  • 学会等名: CLEO:2018
  • 国際学会
• [学会発表] Complete characterization of an optical waveform by luminescence from gas plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: Nariyuki Saito, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, and Jiro Itatani
  • 学会等名: The 7th Advanced Lasers and Photon Sources 2018 (ALPS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Multiple-Plate Pulse Compression for Generation of Few-Cycle, CEP-Stable, Intense Mid-Infrared Pulses (2018)
  • 著者名/発表者名: Peiyu Xia, Faming Lu, Nobuhisa Ishii, Teruto Kanai, and Jiro Itatani
  • 学会等名: The 7th Advanced Lasers and Photon Sources 2018 (ALPS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of sub-two-cycle CEP-stable optical pulses at 3.5 μm from a KTA-based optical parametric amplifier with multiple-plate compression (2018)
  • 著者名/発表者名: Peiyu Xia
  • 学会等名: iSAP Hamamatsu 2018
  • 国際学会
• [備考] HOME
  • URL: https://itatani.issp.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] 固体結晶からの高次高調波発生の偏光分解測定
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=5281