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論文

Time-resolved soft X-ray imaging of femtosecond laser ablation process in metals

富田 卓朗*; 錦野 将元; 長谷川 登; 南 康夫*; 武井 亮太*; 馬場 基芳*; 江山 剛史*; 高吉 翔大*; 海堀 岳史*; 守田 利昌; et al.

Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 9(2), p.137 - 142, 2014/06

 被引用回数:5 パーセンタイル:57.09(Nanoscience & Nanotechnology)

リップル形成やナノアブレーションなどのフェムト秒レーザーアブレーションに関する基礎的なメカニズムは理解されていない。単一パルス照射によって引き起こされる基礎過程を理解するために、我々はプラズマ励起軟X線レーザー(波長13.9nm)による軟X線反射率計測を用いて、白金, 金, タングステンにおけるアブレーションフロントの表面状態についての計測を開始した。ガウス型の強度分布を持ったフェムト秒チタンサファイアレーザー光(波長795nm)をポンプ光とし、局所フルエンスに対するアブレーションダイナミクスの依存性を明らかにすることを試みている。ポンプ光とプローブ光のタイミングジッターをさけるために、X線ストリークカメラを用いたタイミング計測手法を開発しすべてのショットにおいてタイミング計測を行った。ポンプ・プローブ実験結果から金属の種類によって、その軟X線反射像の時間経過や中心のアブレーション痕の周りに発生するダークリングと呼ばれる軟X線低反射領域の形成が大きく違うことを確認した。これらの実験結果は、フェムト秒レーザーアブレーションにおける数値シミュレーションのベンチマークとなると考えられる。

論文

Development of soft X-ray microscopy using Fresnel zone plate for observation of laser-induce surface dynamics

錦野 将元; 馬場 基芳*; 末元 徹; 長谷川 登; 石野 雅彦; 海堀 岳史; 河内 哲哉; 山極 満

X-Ray Lasers 2012; Springer Proceedings in Physics, Vol.147, p.199 - 202, 2014/00

 パーセンタイル:100

レーザー照射によるアブレーション現象の観察やX線照射された細胞の観察へ向けた軟X線レーザーを用いた高空間分解計測手法の開発を行っている。はじめに単一パルスのフェムト秒レーザーによって引き起こされるレーザーアブレーションの過程を高空間,高時間分解能で観察するために、結像光学素子としてフレネルゾーンプレートを用いた反射型の軟X線顕微法の開発を行った。反射型軟X線顕微法の原理実証実験において空間倍率約20から50倍で、1$$mu$$m以下程度の空間分解能を持つことがわかった。これまでに軟X線レーザーをプローブ光とするフェムト秒レーザーポンプ・軟X線レーザープローブの時間分解イメージングを行っており、高倍率にすることにより高空間分解能の達成が可能なこの軟X線顕微法をポンプ・プローブ計測装置へ組み込むための検討を行っている。これらの原理実証実験の結果について講演を行う。

論文

Nano-meter size modification of metal surfaces induced by soft X-ray laser single pulse

石野 雅彦; Faenov, A.*; 田中 桃子; Pikuz, T.; 保 智己*; 長谷川 登; 錦野 将元; Starikov, S. V.*; Stegailov, V. V.*; Norman, G.*; et al.

X-Ray Lasers 2012; Springer Proceedings in Physics, Vol.147, p.121 - 124, 2014/00

 パーセンタイル:100

We show experimentally the possibility of the precise nano-meter size surface structuring of metal surfaces induced by ultra low fluencies of pico-second soft X-ray laser single pulse. After irradiation processes, we observed the modified surfaces to understand the interactions between the soft X-ray laser pulses and various materials by a scanning electron microscope. The formations of unique modified structures caused by irradiations of the soft X-ray laser pulses were seen. On Al surface, the formations of conical structures were observed in the shallow features. On Au surface, the ripple-like structures were observed. The atomistic model of ablation is developed that reveals the ultra-low threshold fluency values of this process. Calculated ablation depth as a function of irradiation fluency is in good agreement with the experimental data presented as well as with the existing data on optical ablation. Our results will open new opportunities for nano-meter size processing for metal surfaces.

論文

Observation of the laser-induced surface dynamics using the single-shot soft X-ray laser probe

長谷川 登; 越智 義浩; 河内 哲哉; 錦野 将元; 石野 雅彦; 今園 孝志; 海堀 岳史; 守田 利昌; 佐々木 明; 寺川 康太*; et al.

X-Ray Lasers 2012; Springer Proceedings in Physics, Vol.147, p.117 - 120, 2014/00

 パーセンタイル:100

フェムト秒レーザーによるアブレーションダイナミクスは数値シミュレーションによる予測が多数されているが、観測が困難であるため実験的な解明が遅れている分野である。われわれはフェムト秒レーザーポンプ・軟X線レーザープローブを用いた時間分解軟X線反射イメージング光学系を構築し、白金におけるアブレーションダイナミクスの観測を行った。ガウス型の強度分布を持ったフェムト秒レーザー光照射によって、スポット内の局所フルエンスの違いに起因した軟X線反射率の時間発展の違いを観測することに世界で初めて成功した。

論文

Nano-meter scale modifications on material surfaces induced by soft X-ray laser pulse irradiations

石野 雅彦; Faenov, A.*; 田中 桃子; 保 智己*; Pikuz, T.; 長谷川 登; 錦野 将元; Inogamov, N.*; Skobelev, I.*; Fortov, V.*; et al.

Proceedings of SPIE, Vol.8849, p.88490F_1 - 88490F_8, 2013/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:31.68

To study the interactions between soft X-ray laser (SXRL) beam and material surfaces, we irradiated the SXRL beam pulses having a wavelength of 13.9 nm and duration of 7 ps to Al, Au, Cu, and Si. Irradiated surfaces were observed using SEM and AFM. With single pulse irradiation, the formation of conical structures was observed on Al, and ripple-like structures were formed on Au and Cu. The conical structures on Al surface were destroyed under the multiple SXRL pulse exposures, but it was confirmed that the development of modified structures was observed after multiple pulse exposures on the Au and Cu surfaces. On the Si surface, deep holes that seemed to be melted structures induced by the accumulation of multiple pulses of irradiations were found. It was concluded that SXRL beam irradiation of various material surfaces causes different types of surface modifications, and the changes in the surface behaviors are attributed to the differences in the elemental properties, such as the melting points and the attenuation length of X-ray photons.

論文

Observations of surface modifications induced by the multiple pulse irradiation using a soft picosecond X-ray laser beam

石野 雅彦; Faenov, A. Ya.*; 田中 桃子; 保 智己*; 長谷川 登; 錦野 将元; Pikuz, T.; 海堀 岳史*; 河内 哲哉

Applied Physics A, 110(1), p.179 - 188, 2013/01

 被引用回数:18 パーセンタイル:27.51(Materials Science, Multidisciplinary)

To study the interactions between the picosecond soft X-ray laser (SXRL) beams and material surfaces, we irradiated the SXRL pulses having a wavelength of 13.9 nm, a duration of 7 ps to Au, Cu, and Si surfaces. Under a single pulse irradiation, the ripple-like structures were formed on the Au and Cu surfaces. These structures were different from the previously investigated conical structures formed on Al surface. And we could confirm that the developments of modified structures, i.e. growth of hillocks, on Au and Cu surfaces were observed under the multiple SXRL pulse exposures. On the Si surface, the deep holes, seemed to be melting structures, induced by the accumulation of multiple pulse irradiations were found. The SXRL beam irradiation on various material surfaces causes the different behaviors of surface modifications, and the changes of surface behaviors are attributed to the differences in elemental properties such as the attenuation lengths of X-ray photons.

論文

Experimental verification of femtosecond laser ablation schemes by time-resolved soft X-ray reflective imaging

富田 卓朗*; 山本 稔*; 長谷川 登; 寺川 康太*; 南 康夫*; 錦野 将元; 石野 雅彦; 海堀 岳史*; 越智 義浩; 河内 哲哉; et al.

Optics Express (Internet), 20(28), p.29329 - 29337, 2012/12

 被引用回数:15 パーセンタイル:29.06(Optics)

軟X反射率計測からフェムト秒レーザーアブレーションにおけるアブレーションフロントの表面状態について計測を行った。軟X線レーザーとフェムト秒レーザーを用いたポンプ・プローブ計測手法を開発し、系統的な遅延時間における軟X線反射率の計測を行った。ガウス型の強度分布を持ったフェムト秒レーザー光(800nm)をポンプ光として用いることで、強励起,中励起,弱励起と照射強度を変化させた場合の軟X線反射率の時間変化を計測した結果、強励起領域においては、反射率がフェムト秒レーザー照射後、すぐに低下し、中励起領域においては強励起部分よりは遅い時間で反射率が低下し、最終的に160ピコ秒程度で反射率が最低になる。弱励起領域においては反射率の低下は計測されなかった。これらの結果より、フェムト秒レーザー照射の局所フルエンスに対して明確な閾値特性をもったアブレーションダイナミクスの変化が起こることを明らかにした。

論文

Interaction of soft X-ray laser pulse radiation with aluminum surface; Nano-meter size surface modification

石野 雅彦; Faenov, A.*; 田中 桃子; 長谷川 登; 錦野 将元; 保 智己*; Pikuz, S.*; Inogamov, N. A.*; Zhakhovsky, V. V.*; Skobelev, I.*; et al.

AIP Conference Proceedings 1465, p.236 - 240, 2012/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:43.3

軟X線レーザーによるアブレーション過程の理解を目的として、アルミニウム表面に軟X線レーザーを集光照射した。照射痕を走査型電子顕微鏡で観察したところ、アブレーション構造とは異なる表面改質領域が形成されていることがわかった。この表面改質領域には、ナノメートルオーダーの直径を持つ円錐状構造が多数形成されている。また、円錐状構造が形成されている改質領域は、照射した軟X線レーザーの浸入長に一致する深さであるこことも確認した。軟X線レーザーによるアルミニウム表面に形成される改質構造は、新規のナノ構造形成プロセスとしても興味深い。このX線レーザーとアルミニウム表面との相互作用によって形成される改質領域については、理論計算により提唱されている破砕的モデルで説明することができる。

論文

Nanomodification of gold surface by picosecond soft X-ray laser pulse

Norman, G.*; Starikov, S.*; Stegailov, V.*; Fortov, V.*; Skobelev, I.*; Pikuz, T.; Faenov, A.*; 保 智己*; 加藤 義章*; 石野 雅彦; et al.

Journal of Applied Physics, 112(1), p.013104_1 - 013104_8, 2012/07

 被引用回数:32 パーセンタイル:14.2(Physics, Applied)

It was shown experimentally the possibility of nanostructuring (about 20 nm) of gold surface by picosecond soft X-ray single pulse with low fluence of 20 mJ/cm$$^{2}$$. The nanometer-scale changes of the surface structure are due to the splash of molten gold under fluence gradient of the laser beam. In addition, the ablation process occurs at slightly higher fluence of 50 mJ/cm$$^{2}$$. The atomistic model of ablation is developed that reveals that the low threshold fluence of this process is due to the build-up of the high electron pressure and the comparatively low electron-ion energy relaxation rate in gold.

論文

Surface modifications of metals induced by soft X-ray laser pulse irradiations

石野 雅彦; Faenov, A. Y.*; 田中 桃子; 長谷川 登; 錦野 将元; 保 智己*; Pikuz, T.; 大場 俊幸*; 海堀 岳史; 河内 哲哉

Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 7(2), p.147 - 151, 2012/05

 被引用回数:5 パーセンタイル:63.24(Nanoscience & Nanotechnology)

軟X線レーザーによる金属表面加工への応用展開の可能性を探るために、波長13.9nm,パルス幅7psの軟X線レーザーパルスをアルミニウム,銅,金の各表面に集光照射した。照射後の試料表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、アルミニウム表面に銅や金の表面には見られない特異的な円錐状ナノ構造を持つ改質領域が形成されていることを見いだした。アルミニウム表面に形成される改質領域は、軟X線レーザーによる新規なナノ構造の創成として興味深い。このアルミニウム表面に形成される円錐状ナノ構造を利用することによって、立体構造の形成も可能になると考えられる。応用例としては、例えば触媒表面やX線回折素子等が考えられる。

論文

Development of silver tape target system for high repetition X-ray laser

錦野 将元; 越智 義浩; 長谷川 登; 河内 哲哉; 大場 俊幸; 海堀 岳史; 永島 圭介

X-Ray Lasers 2010; Springer Proceedings in Physics, Vol.136, p.93 - 98, 2011/12

先進ビーム技術研究ユニットで開発した0.1Hz高繰り返しレーザーとテープターゲットシステムを用いて波長13.9nmの高繰り返し高コヒーレントX線レーザーの生成を行った。高繰り返しX線レーザー発生用に開発したテープターゲット装置は、テープターゲットの上下方向から張力をかけることによりレーザー照射面でのテープターゲットの平面一様性を向上させて、X線レーザーを発生させる。2台のテープターゲット装置を用いてダブルターゲット方式のX線レーザー発生実験を行った結果、銀コート固体ターゲットと比較して出力や指向性ビーム発散角が同程度であることを確認し、また、ビーム水平方向のポインティング安定性がテープターゲット装置を使うことにより向上したことを確認した。

論文

Source development and novel applications of laser-driven plasma X-ray lasers in JAEA

河内 哲哉; 長谷川 登; 錦野 将元; 石野 雅彦; 今園 孝志; 大場 俊幸; 海堀 岳史; 岸本 牧; 越智 義浩; 田中 桃子; et al.

X-Ray Lasers 2010; Springer Proceedings in Physics, Vol.136, p.15 - 24, 2011/12

本講演では、原子力機構におけるレーザー駆動X線レーザーの光源開発及び利用研究に関する最新の成果を報告する。利用研究の対象は物質科学,レーザー加工,X線イメージング,生体細胞の放射線損傷等と多岐に渡っている。物質科学への応用に関しては、強誘電体の相転移直上での格子揺らぎの時間相関を初めて観測した。レーザー加工に関しては、短パルスレーザー照射時の試料表面電子融解現象をX線レーザー干渉計で観察した。軟X線回折イメージングに関しては、静止したサンプルの微細構造の観察結果とともに、将来的なポンププローブ観察への計画を紹介する。また、X線レーザーの集光性能を利用した細胞損傷効果の基礎実験では、DNAの2本鎖切断の観察結果とKeV領域のインコヒーレントX線照射の場合との比較を議論する。

論文

Development of the X-ray interferometer and the method of spatial and temporal synchronization of XRL and optical pulse

長谷川 登; 越智 義浩; 河内 哲哉; 寺川 康太*; 富田 卓朗*; 山本 稔; 錦野 将元; 大場 俊幸; 海堀 岳史; 今園 孝志; et al.

X-Ray Lasers 2010; Springer Proceedings in Physics, Vol.136, p.353 - 358, 2011/12

レーザー照射によるプリアブレーション過程の解明は、非熱的加工及び微細加工等の応用に対して重要である。われわれが開発したプラズマ軟X線レーザーは物質表面の微細構造の観測に適した短い波長(13.9nm)とダイナミクスの観測に適した短いパルス幅(7ps)を有する。本研究では、ナノスケールのダイナミクスを観測するために、軟X線レーザーを用いた干渉計の開発を行うとともに、軟X線レーザーと他のレーザーとの空間及び時間同期に関する研究を行った。ダブルロイズ反射鏡を用いることにより、深さ方向1nmの分解能を持つ干渉計の開発に成功した。空間同期に関しては、軟X線に感度を有するシンチレーターを用いることにより、50micron以下の精度でのアライメントを実現した。また時間同期に関しては、薄膜ターゲットを利用したプラズマゲートによるX線レーザーと他のレーザーとの時間同期に関する基礎実験を行ったので、これを報告する。

論文

Observation of the laser-induced surface dynamics by the single-shot X-ray laser interferometer

長谷川 登; 越智 義浩; 河内 哲哉; 錦野 将元; 石野 雅彦; 今園 孝志; 海堀 岳史; 佐々木 明; 寺川 康太*; 南 康夫*; et al.

Proceedings of SPIE, Vol.8140, p.81400G_1 - 81400G_8, 2011/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:11.47

「フェムト秒レーザー照射によるレーザーアブレーション」の初期過程の解明を目指し、「アブレーションしきい値近傍の照射強度領域における表面形状の過渡的な変化」の観測を行っている。固体表面を観測するのに適した波長を持つプラズマ軟X線レーザーをプローブ光源とした干渉計を開発し、「フェムト秒レーザー照射による金属表面のレーザーアブレーション」の初期過程におけるナノメートル級の変位をピコ秒スケールの分解能で観測することに成功した。本計測手法で計測されたレーザーパルス照射の数十ps後における変位量から、膨張面の内側においてバブル状の構造が形成されていることが示唆された。さらにX線レーザーとチタンサファイアレーザーの同期手法を改善し、同期精度を3ピコ秒以下に低減することに成功したので、これを報告する。

論文

Observation of femtosecond laser ablation process by using the soft X-ray laser interferometer

山本 稔; 長谷川 登; 寺川 康太*; 梅田 善文*; 富田 卓朗*; 越智 義浩; 錦野 将元; 石野 雅彦; 今園 孝志; 海堀 岳史; et al.

Proceedings of 12th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2011) (Internet), 4 Pages, 2011/06

フェムト秒レーザー照射によるアブレーションでは、ナノ秒レーザーや連続波のレーザーでは見られなかった現象が数多く報告されている。しかしながら、フェムト秒レーザーアブレーションは高速かつ不可逆な現象であるため、その過程を観察することは困難であり、メカニズムはほとんど理解されていない。そこで、われわれはピコ秒の時間分解能とナノメートルの深さ分解能を有する軟X線レーザー干渉計を用い、フェムト秒レーザーアブレーションダイナミクスを観察した。結果、従来の可視光をプローブ光とする計測では困難であったピコ秒の時間スケールにおける過渡的な膨張過程を明らかにした。加えて、クレーター構造が形成される領域の外周部(低フルエンスレーザー照射領域)においても、ピコ秒の時間スケールで過渡的な膨張が起こっていることを明らかにした。本国際会議ではこれらの結果について議論を行う。

論文

Laser ablation of gold; Experiment and atomistic simulation

Starikov, S. V.*; Stegailov, V. V.*; Norman, G. E.*; Fortov, V. E.*; 石野 雅彦; 田中 桃子; 長谷川 登; 錦野 将元; 大場 俊幸*; 海堀 岳史; et al.

JETP Letters, 93(11), p.642 - 647, 2011/04

 被引用回数:22 パーセンタイル:20.85(Physics, Multidisciplinary)

The interaction of radiation of a picosecond X-ray laser (wavelength $$lambda$$ = 13.9 nm) with targets made of a thick gold film has been studied theoretically and experimentally. It has been shown experimentally that the action of individual X-ray laser pulses with a fluence of $$F$$ $${approx}$$ 21 mJ/cm$$^{2}$$ initiates the nanostructuring of the gold surface. Explicitly taking into account the electron subsystem, we have proposed an atomistic model of ablation that makes it possible to adequately described the experimental results. The atomistic simulation involves the ion-ion potential depending on the electron temperature $$T$$$$_{e}$$. The use of such a potential makes it possible to take into account an increase in the pressure in the system with increasing $$T$$$$_{e}$$ and to reveal two laser ablation mechanisms.

論文

フレネルゾーンプレート集光軟X線レーザーによるZnOシンチレーターの空間分解能測定

田中 桃子; 中里 智治*; 清水 俊彦*; 山ノ井 航平*; 酒井 浩平*; 猿倉 信彦*; 錦野 将元; 大場 俊幸; 海堀 岳史; 越智 義浩; et al.

JAEA-Conf 2011-001, p.126 - 128, 2011/03

本研究では、水熱合成法で作成したZnO結晶を画像用EUVシンチレーターとして応用することを目指し、その空間分解能の評価を行った。軟X線レーザーをフレネルゾーンプレートで集光してZnO結晶に照射し、その発光パターンをシュバルツシルトミラーとカメラ用レンズを組合せた拡大光学系を構築しCCDで撮影した。集光径は最小で10ミクロン以下まで確認され、またZnOが直径3インチ程度まで単結晶の作成が実現していることから、ZnO単結晶がEUV領域での画像素子として有望であることを示している。

論文

Nanoscale surface modifications and formation of conical structures at aluminum surface induced by single shot exposure of soft X-ray laser pulse

石野 雅彦; Faenov, A. Ya.*; 田中 桃子; 長谷川 登; 錦野 将元; 保 智己*; Pikuz, T. A.*; Inogamov, N. A.*; Zhakhovskii, V. V.*; Skobelev, I. Yu.*; et al.

Journal of Applied Physics, 109(1), p.013504_1 - 013504_6, 2011/01

 被引用回数:30 パーセンタイル:17.1(Physics, Applied)

軟X線レーザーによるアブレーション過程の理解を目的として、アルミニウム表面に軟X線レーザーを照射した。照射痕を走査型電子顕微鏡で観察したところ、アブレーション構造とは異なる微細構造(改質領域)が形成されていることを確認した。この領域には70-150nmの直径を持つ円錐状の構造物が多数確認できる。また、円錐構造は平均深さ約40nmの改質領域中に形成されていることもわかった。しかし、軟X線レーザーを複数回照射した領域の円錐構造は、成長することなく破壊されていることがわかった。今回得られた結果は、軟X線レーザーによるアブレーション過程の理解だけでなく、軟X線レーザーの微細加工への応用にも重要な知見を与えると考えられる。

論文

Measurement of the $$^{80}$$Se($$gamma$$, n) cross section using laser-Compton scattering $$gamma$$-rays

北谷 文人; 原田 秀郎; 後神 進史; 宇都宮 弘章*; 秋宗 秀俊*; 海堀 岳史*; 豊川 弘之*; 山田 家和勝*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(4), p.367 - 375, 2010/04

The $$^{80}$$Se($$gamma$$, n) $$^{79}$$Se cross sections were measured with Laser-Compton scattering (LCS) $$gamma$$-rays to supply fundamental data for the estimation of the inverse reaction cross sections, i.e., the $$^{79}$$Se(n, $$gamma$$) $$^{80}$$Se cross sections. An enriched $$^{80}$$Se sample and a $$^{197}$$Au sample were irradiated with LCS $$gamma$$-rays whose maximum energy was varied from 10.5 MeV to 16.0 MeV. Emitted neutrons were detected by a high efficiency 4$$pi$$-$$^{3}$$He detector. The energy distributions of LCS $$gamma$$-rays were precisely determined using a high-resolution high-energy photon spectrometer (HHS). The energy dependence of the $$^{80}$$Se($$gamma$$, n) cross sections was determined for the energy range 10.2-14.6 MeV, The energy point corresponding to each cross section was deduced using the energy distribution of LCS $$gamma$$-rays.

論文

Demonstration of submicroJoule, spatially coherent soft-X-ray laser pumped by 0.1 Hertz, 10 Joule, picosecond laser

越智 義浩; 河内 哲哉; 長谷川 登; 錦野 将元; 大場 俊幸; 田中 桃子; 岸本 牧; 海堀 岳史; 永島 圭介; 杉山 僚

Japanese Journal of Applied Physics, 48(12), p.120212_1 - 120212_3, 2009/12

 被引用回数:26 パーセンタイル:23.89(Physics, Applied)

ジグザグスラブ型Nd:ガラス増幅器を主増幅部として用いたCPAレーザーを開発し、繰り返し頻度0.1Hzにて10J、ピコ秒のレーザーパルスを2ビーム同時に発生させることに成功した。このレーザーをドライバーとして用い、ダブルターゲット方式により空間的に完全コヒーレントかつ出力がサブマイクロジュール級の波長13.9nmの軟X線レーザーの高繰り返し発生を実現した。得られた軟X線レーザー中に含まれるコヒーレント光子数は10$$^{10}$$であり、シングルショットでのポンプ&プローブ計測による高速現象の観察等に応用できる。

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