コヒーレント軟X線を用いた高空間・高時間分解顕微干渉イメージングシステムの開発

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25286086
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 富田 卓朗 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 准教授 (90359547)
• 研究分担者: 長谷川 登 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 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, 量子ビーム応用研究部門, 研究副主幹 (70370450) ; 河内 哲哉 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究主幹 (40343941) ; 末元 徹 東京大学, 物性研究所, 教授 (50134052) ; 大西 直文 東北大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20333859)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 軟X線レーザー / 顕微計測 / 時間分解測定 / フェムト秒レーザーアブレーション / シングルショット計測

研究実績の概要

フェムト秒レーザーポンプ(波長795 nm, パルス幅80 fs)・ピコ秒軟X線プローブ(波長13.9 nm, パルス幅7 ps)を用いたポンププローブ測定により、金属をターゲットとしたアブレーション現象における軟Ｘ線の反射率計測を行っている。これまでに、フェムト秒レーザー照射後のピコ秒時間遅延領域では試料表面から剥離された薄膜が形成するドームと試料底面によるプローブ光のニュートンリング、ナノ秒の時間遅延領域では剥離された薄膜ドームによるシャドウグラフを観測した。
本年度は、フェムト秒レーザー光照射後のピコ秒の時間遅延領域において、ニュートンリングの干渉条件を用い、薄膜ドームの高さと形状をそれぞれ推定した。さらに、ナノ秒の時間遅延領域では薄膜ドームによるシャドウグラフを用いることで、薄膜ドームの高さと形状をそれぞれ推定した。これらを組み合わせることでフェムト秒レーザー照射後、ピコ秒からナノ秒に至る幅広い時間領域での剥離薄膜と形状を決定することができた。これらの結果から、剥離薄膜はピコ秒ではナノメートルオーダーであるが、ナノ秒の時間領域ではマイクロメートルオーダーに膨張していることが明らかとなった。さらに面内方向にガウス型の強度分布を取るレーザー光を試料に投入していることから、得られた高さをガウス関数で近似したところ、非常に良い一致を示した。この結果は、投入エネルギーに対して剥離された薄膜の高さは線形の関係をとることを示唆している。さらに、剥離薄膜の膨張速度は局所フルエンスに対して線形となる結果が明確に得られた。これは、熱的過程であれば照射エネルギーの平方根となるはずであるので、フェムト秒レーザーアブレーション過程が熱的なものではなく、その過程に衝撃波などが関与している可能性を示唆するものである。

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

顕微計測用チャンバーの納入も完了し、シャドウグラフ法を用いた膨張表面の剥離形状及び飛行速度に関するデータが得られた。特に膨張薄膜の飛行速度が照射エネルギーに対して線形であるという結果はアブレーション過程の本質的理解に繋がる重要な情報である。

今後の研究の推進方策

上述の通り、膨張表面と飛行速度に関する傾向はフェムト秒レーザーアブレーションが熱的な過程ではなく、その過程への衝撃波などの関与を伺わせる結果であり、今後、この点について明らかにしていきたい。また、顕微計測についてもさらに新しい結果が得られるよう努力していく。
最後に、来年度は最終年度でもあるため、これらの結果の成果発表にも努めていく。

次年度使用額が生じた理由

顕微計測用チャンバーの仕様や、業者間で価格競争を行ったことが最も大きな理由である。他にも、国際会議が国内で開催されたため旅費を抑えることが出来た。

次年度使用額の使用計画

現在、シャドウグラフの計測で堅実な成果を挙げられている。可視光の計測も併用すればさらにアブレーション過程の理解が進むと考えられるため、そのための光学部品の購入にも使用する。

研究成果

• [雑誌論文] Submicron scale image observation with a grazing incidence reflection-type single-shot soft X-ray microscope (2014)
  • 著者名/発表者名: Motoyoshi Baba, Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Takuro Tomita, Yasuo Minami, Ryota Takei, Mitsuru Yamagiwa, Tetsuya Kawachi and Tohru Suemoto
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 53 ページ: p.080302(1-4)
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.080302
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Time-resolved soft x-ray imaging of femtosecond laser ablation processes on metals (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuro Tomita, Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Yasuo Minami, Ryota Takei, Motoyoshi Baba, Takashi Eyama, Shodai Takayoshi, Takeshi Kaihori, Toshimasa Morita, Yusuke Hirano, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • 雑誌名: Journal of Laser Micro/Nanoengineering 巻: 778-780 ページ: 440-443
  • DOI: 10.2961/jlmn.2014.02.0011
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程における剥離形状と照射強度分布の相関 (2015)
  • 著者名/発表者名: 江山 剛史, 柿本 直也, 井筒 類, 富田 卓朗, 長谷川 登, 錦野 将元, 南 康夫, 馬場 基芳, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 (東京都新宿区)
  • 年月日: 2015-03-23 – 2015-03-23
• [学会発表] 軟X線シャドウグラフを用いたフェムト秒レーザー照射によるタングステンの剥離薄膜形状の観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 柿本 直也, 江山 剛史, 井筒 類, 富田 卓朗, 長谷川 登, 錦野 将元, 南 康夫, 馬場 基芳, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 (東京都新宿区)
  • 年月日: 2015-03-22 – 2015-03-22
• [学会発表] フェムト秒レーザーアブレーションにおけるタングステン剥離薄膜形状の局所強度依存性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 井筒 類, 江山 剛史, 柿本 直也, 富田 卓朗, 長谷川 登, 錦野 将元, 南 康夫, 馬場 基芳, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • 学会等名: 第62 回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学 (神奈川県平塚市)
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-11
• [学会発表] A study of the femto-second laser ablation process in metals by using a soft x-ray laser probe (2014)
  • 著者名/発表者名: Noboru Hasegawa, Takuro Tomita, Masaharu Nishikino, Takashi Eyama, Naoya Kakimoto, Naofumi Ohnishi, Atsushi M. Ito, Motoyoshi Baba, Yasuo Minami, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: Tokimesse (新潟県新潟市)
  • 年月日: 2014-11-21 – 2014-11-21
• [学会発表] Observation of Femtosecond Laser Ablation on Tungsten by using Soft X-ray Laser (2014)
  • 著者名/発表者名: Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Takuro Tomita, Takashi Eyama, Naoya Kakimoto, Naofumi Ohnishi, Atsushi M. Ito, Motoyoshi Baba, Yasuo Minami, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: Tokimesse (新潟県新潟市)
  • 年月日: 2014-11-21 – 2014-11-21
• [学会発表] Observation of femtosecond laser ablation process in nano-seconds region by soft x-ray shadow graph (2014)
  • 著者名/発表者名: Naoya Kakimoto, Takashi Eyama, Takuro Tomita, Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino, Yasuo Minami, Ryota Takei, Motoyoshi Baba, Takeshi Kaihori, Toshimasa Morita, Yusuke Hirano, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • 学会等名: 9th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications
  • 発表場所: Kunibikimesse(島根県松江市)
  • 年月日: 2014-10-01 – 2014-10-01
• [学会発表] 軟X 線シャドウグラフを用いた金における フェムト秒レーザーアブレーション過程のフルエンス依存性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柿本 直也, 江山 剛史, 富田 卓朗, 長谷川 登, 錦野 将元, 南 康夫, 馬場 基芳, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • 学会等名: 第75 回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学 (北海道札幌市)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-17
• [学会発表] タングステンにおけるフェムト秒レーザーアブレーション過程の軟X線プローブ光を用いた観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 江山 剛史, 柿本 直也, 富田 卓朗, 長谷川 登, 錦野 将元, 南 康夫, 馬場 基芳, 大西 直文, 伊藤 篤史, 河内 哲哉, 山極 満, 末元 徹
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 中京大学 (愛知県春日井市)
  • 年月日: 2014-09-10 – 2014-09-10
• [学会発表] Observation of Weakly Excited Ablation Dynamics with Femtosecond Laser by using Time-Resolved Soft X-ray Imaging Technique (2014)
  • 著者名/発表者名: Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, Takashi Eyama, Naoya Kakimoto, Takuro Tomita, Daiki Hatomi, Naofumi Ohnishi, Atsushi M Ito, Yasuo Minami, Motoyoshi Baba, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • 学会等名: 14th International Conference for X-Ray Lasers 2014
  • 発表場所: Colorado State University (Fort Collins, Colorado, USA)
  • 年月日: 2014-05-30 – 2014-05-30
• [学会発表] Progress and Prospects of Coherent X-ray Research using High Power Lasers in JAEA (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kawachi, M. Nishikino, A. Sasaki, M. Ishino, N. Hasegawa, T.i Imazono, P. Tatian, A. Faenov, M. Magnitskiy, M. Maruyama, T. Tomita, T. Suemoto, P. Alexander, S. Bulanov, H. Kiriyama, M. Yamagiwa, M. Kando, M. Yamagiwa, K. Kondo, P. Bolton, Y. Kato
  • 学会等名: 14th International Conference for X-Ray Lasers 2014
  • 発表場所: Colorado State University (Fort Collins, Colorado, USA)
  • 年月日: 2014-05-26 – 2014-05-26
• [学会発表] Direct observation of femtosecond laser ablation on metals by plasma-based soft x-ray laser (2014)
  • 著者名/発表者名: Takashi Eyama, Naoya Kakimoto, Takuro Tomita, Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino, Yasuo Minami, Ryota Takei, Motoyoshi Baba, Takeshi Kaihori, Toshimasa Morita, Yusuke Hirano, Tetsuya Kawachi, Mitsuru Yamagiwa and Tohru Suemoto
  • 学会等名: International conference on HIGH ENERGY DENSITY SCIENCES
  • 発表場所: Pacifico Yokohama (神奈川県横浜市)
  • 年月日: 2014-04-24 – 2014-04-24