超短パルス軟Ｘ線プローブによるフェムト秒レーザーアブレーション初期過程の解明

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25390103
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 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) ; 難波 愼一 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00343294) ; 大西 直文 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20333859)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: フェムト秒レーザーアブレーション / 軟Ｘ線レーザープローブ / 時間・空間分解計測 / 微細加工

研究実績の概要

高速・微細現象であるため従来計測が困難であったフェムト秒レーザーアブレーションの初期過程を「フェムト秒レーザーポンプ・軟Ｘ線レーザープローブ装置」を改良することで詳細計測を行った。特に、照射強度がアブレーション閾値強度近傍においてのみ生じる特異的な現象を明らかにした。この場合、噴出物は、膨張する固体もしくは液体の表面(Ablation front)から薄膜状の構造体(Expansion front)として放出される。特に金をサンプルとした場合に顕著であり、初期の1ナノ秒以内においては厚さ10ナノメートル以下、面粗さ数ナノメートル以下の極めて精度の高い薄膜が形成されることが判明した。薄膜構造は1マイクロ秒程度まで維持され、高さは100ミクロン以上にも達する。本現象は、レーザーの局所的な照射強度と物質の種類に強く依存している事も示唆されている。更に、本研究で得られた実験結果を分子動力学(MD)シミュレーションのベンチマークとすることで、100ピコ秒以内の初期過程を計算機上で再現することに成功した。今後、実験結果と計算結果を詳細に比較することにより、フェムト秒レーザーアブレーション機構の解明と制御を行う予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Reinjection of transmitted laser light into laser-produced plasma for efficient laser ignition (2016)
  • 著者名/発表者名: T. ENDO, Y. TAKENAKA, Y. SAKO, T. HONDA, T. JOHZAKI, AND S. NAMBA
  • 雑誌名: Applied Optics 巻: 55 ページ: 1132
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of spallation during femtosecond laser ablation studied by time-resolved reflectivity with double pump pulses (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kumada, Tomohito Otobe, Masaharu Nishikino, Noboru Hasegawa, and Terutake Hayashi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 108 ページ: 011102
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Surface nanodeformations caused by ultrashort laser pulse (2015)
  • 著者名/発表者名: N. A. Inogamov, M. Ishino, et al.
  • 雑誌名: Engineering Failure Analysis 巻: 47 ページ: 328, 337
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrodynamics driven by ultrashort laser pulse: simulations and the optical pump X‑ray probe experiment (2015)
  • 著者名/発表者名: N. A. Inogamov, V. V. Zhakhovsky, N. Hasegawa, M. Nishikino, M. Yamagiwa, M. Ishino, M. B. Agranat, S. I. Ashitkov, A. Ya. Faenov, V. A. Khokhlov, D. K. Ilnitsky, Yu. V. Petrov, K. P. Migdal, T. A. Pikuz, S. Takayoshi, T. Eyama, N. Kakimoto, T. Tomita, M. Baba, Y. Minami, T. Suemoto, and T. Kawachi
  • 雑誌名: Applied Physics B 巻: 119 ページ: 413,419
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low electron temperature in ablating materials formed by picosecond soft x-ray laser pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ishino, N. Hasegawa, M. Nishikino, T. Pikuz, I. Skobelev, A. Faenov, N. Inogamov, T. Kawachi, and M. Yamagiwa
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 9589 ページ: 958904
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear increase of X-ray intensities from thin foils irradiated with a 200 TW femtosecond laser (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 ページ: 13436
  • DOI: 10.1038/srep13436
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 3D visualization of XFEL beam focusing properties using LiF crystal X-ray detector (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 ページ: 17713
  • DOI: 10.1038/srep17713
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Construction of a magnetic bottle spectrometer and its application to pulse duration measurement of X-ray laser using a pump-probe method (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Namba, N. Hasegawa, M. Kishimoto, M. Nishikino, M. Ishino and T. Kawachi
  • 雑誌名: AIP Advances. 巻: 5 ページ: 117101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pump-probe experiment for temporal profile measurement of plasma x-ray laser (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Namba, N. Hasegawa, M. Kishimoto, M. Nishikino and T. Kawachi
  • 雑誌名: Springer Proc. in Phys. 巻: 169 ページ: 95,102
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Attosecond dynamics of parametric amplification at 11 nm (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Seres, E. Seres, B. Landgraf, B. Ecker, B. Aurand, A. Hoffmann, G. Winkler, S. Namba, T. Kuehl, C. Spielmann
  • 雑誌名: Springer Proc. in Phys. 巻: 169 ページ: 173,178
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polarization of amplified spontaneous emission in a plasma active medium (2015)
  • 著者名/発表者名: C. M. Kim, H. Stiel, B. Matous, M. Nishikino, N. Hasegawa, T. Kawachi, K. A. Tran, and K. A. Janulewicz
  • 雑誌名: Phys. Rev. A 巻: 92 ページ: 043807
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temporal behavior of unresolved transition array emission in water window soft x-ray spectral region from multiply charged ions (2015)
  • 著者名/発表者名: Thanh-Hung Dinh, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O’Sullivan, Shinsuke Fujioka, Noboru Hasegawa, Tetsuya Kawachi,Masaharu Nishikino, and Takeshi Higashiguchi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 107 ページ: 121101
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Source Development of Plasma-based Soft X-ray Laser and the Applications for Probing Nano-scale Dynamics of Laser Ablation (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nishikino
  • 学会等名: Compact EUV and X-ray Sources
  • 発表場所: Long Beach (USA)
  • 年月日: 2016-03-21
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 石野雅彦
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: M. Nishikino
  • 学会等名: レーザー学会・第36回年次大会
  • 発表場所: 名城大学（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
  • 招待講演
• [学会発表] 軟X線高次高調波のX線パラメトリック増幅 (2016)
  • 著者名/発表者名: 難波愼一
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第36回年次大会
  • 発表場所: 名城大学（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
  • 招待講演
• [学会発表] Temporal characterization of laser-plasma xuv pulses by a pump-probe laser spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Namba
  • 学会等名: 16th Symposium on Advanced Photon Research
  • 発表場所: 日本原子力研究開発機構（京都府木津川市）
  • 年月日: 2015-10-15 – 2015-10-16
  • 招待講演
• [学会発表] Observation of the surface dynamics of femtosecond laser ablation by time-resolved soft x-ray imaging technique (2015)
  • 著者名/発表者名: Masaharu Nishikino
  • 学会等名: The 8th International Conference on Internal Fusion Science and Applications
  • 発表場所: 新公会堂（奈良県奈良市）
  • 年月日: 2015-09-20 – 2015-09-25
  • 国際学会
• [学会発表] Low electron temperature in ablating materials formed by picosecond soft x-ray laser (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ishino
  • 学会等名: SPIE Optics + Photonics
  • 発表場所: San-diego (USA)
  • 年月日: 2015-08-09 – 2015-08-13
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of dynamics and modification of solid surface using a picosecond soft x-ray laser (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nishikino
  • 学会等名: SPIE Optics + Photonics
  • 発表場所: San-diego (USA)
  • 年月日: 2015-08-09 – 2015-08-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ablation Mechanism and Some Ideas of Applications of Modified Surface Structures Induced by Picosecond Soft X-Ray Laser (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Ishino
  • 学会等名: The 4th Advanced Lasers and Photon Sources
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2015-04-22 – 2015-04-24
  • 国際学会
• [学会発表] Pump-Probe Spectroscopy for Temporal Characterization of Laser-Plasma XUV Pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Namba
  • 学会等名: European Physcal Society on Plasma Diagnostics
  • 発表場所: Frascati, Roma (Italy)
  • 年月日: 2015-04-14 – 2015-04-17
  • 国際学会 / 招待講演