Observation and theory of X-ray mirages

X線の蜃気楼の観察と理論

Magnitskiy, S.*; Nagorskiy, N.*; Faenov, A.*; Pikuz, T.; 田中 桃子; 石野 雅彦; 錦野 将元; 福田 祐仁; 神門 正城; 河内 哲哉; 加藤 義章* 

Magnitskiy, S.*; Nagorskiy, N.*; Faenov, A.*; Pikuz, T.; Tanaka, Momoko; Ishino, Masahiko; Nishikino, Masaharu; Fukuda, Yuji; Kando, Masaki; Kawachi, Tetsuya; Kato, Yoshiaki*

プラズマベースの過渡利得電子衝突励起方式のX線レーザーの発展により、小型でコヒーレントなX線光源が実現するとともに、幅広い応用研究への道が開かれている。本論文において、われわれは原子力機構において開発された2段階増幅のプラズマX線レーザーの出力位置での遠視野像に、予期しない同心円状の干渉縞が観測されたことを報告する。この模様はX線領域において初めて観察された蜃気楼現象と考えることができる。われわれは、実験条件下でのX線の伝搬を表すマクスウエル=ブロッホ方程式を解く方法を開発した。その結果、仮想的な点光源から発せられるように見えるX線の蜃気楼がさらにプラズマのレーザー効果で増幅することにより今回観測した干渉縞が発現したことを見いだした。今回得られた結果は、レーザー生成プラズマにおけるX線増幅現象の物理の本質に新しい視点を落とすとともに、X線によるプラズマ診断法や極端紫外線リソグラフィー(EUV)の新しい可能性を開くものである。

Advent of plasma-based transient collisional excitation X-ray lasers allowed us to realize compact coherent X-ray sources, thus opening the way to a wide range of applications. Here we report the observation of unexpected concentric rings in the far-field beam profile at the output of a two-stage plasma-based X-ray laser developed in Japan Atomic Energy Agency, which can be considered as the first manifestation of a mirage phenomenon in X-rays. We have developed a method of solving the Maxwell-Bloch equations, which has allowed to find that the observed phenomenon is due to the emergence in the plasma-amplifier of X-ray mirage in the form of the phase matched coherent virtual point source. The obtained results bring a new insight into physical nature of amplification of X-ray radiation in laser-induced plasma amplifiers and open new opportunities for X-ray plasma diagnostics and extreme UV lithography.