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論文

Low electron temperature in ablating materials formed by picosecond soft X-ray laser pulses

石野 雅彦; 長谷川 登; 錦野 将元; Pikuz, T.*; Skobelev, I. Y.*; Faenov, A.*; Inogamov, N.*; 河内 哲哉; 山極 満

X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources; Development and Applications XI (Proceedings of SPIE, Vol.9589), p.958904_1 - 958904_6, 2015/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:36.32

波長13.9nmを持つピコ秒軟X線レーザーパルスを集光照射すると、物質表面には多彩なアブレーション構造が形成される。軟X線レーザーによるアブレーション機構の解明を目指して、アブレーション物質からのプラズマ発光観察および電子温度の導出を試みた。アブレーションに伴う可視発光の観察から、アブレーションの継続時間を1,000ps以下と仮定したとき、軟X線レーザーによって加熱された物質の電子温度が1eV未満であることがわかった。また、導出した加熱物質の電子温度は、Warm Dense Matterと呼ばれる非平衡な物質状態の中でも特に低温領域にあることが判明した。発表ではアブレーション実験の現状についても述べる。

論文

Observation of dynamics and modification of solid surface using a picosecond soft X-ray laser

錦野 将元; 河内 哲哉; 長谷川 登; 石野 雅彦; 南 康夫*; 末元 徹*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 佐藤 克俊*; Faenov, A.*; et al.

X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources; Development and Applications XI (Proceedings of SPIE, Vol.9589), p.958902_1 - 958902_7, 2015/09

The high quality soft X-ray laser (SXRL) source enables us to achieve quite high spatial-resolution as a probe and quite intense X-ray as a pump. As an application using the SXRL, we have observed the spallative ablation process by the interaction with SXRL or femto-second (fs) laser. In the presentation, we show several new application results using the SXRL. We discuss the scenario of the spallative ablation of the sample surface. The numerical simulation study is underway by using a molecular dynamics code. These results lead to understanding the full process of the interaction with the SXRL and/or fs laser.

論文

The Observation of a transient surface morphology in the femtosecond laser ablation process by using the soft X-ray laser probe

長谷川 登; 錦野 将元; 富田 卓朗*; 大西 直文*; 伊藤 篤史*; 江山 剛史*; 柿本 直也*; 井筒 類*; 南 康夫*; 馬場 基芳*; et al.

X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources; Development and Applications XI (Proceedings of SPIE, Vol.9589), p.95890A_1 - 95890A_8, 2015/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:36.32

フェムト秒レーザーポンプ・軟X線レーザープローブ計測法を開発し、フェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を開始している。レーザーアブレーション過程は、初期過程における変化が高速(~ピコ秒)である反面、粒子が飛散する過程はマイクロ秒程度と長い時間をかけて行われる。我々は、この様な現象を同一の装置で観測するため、ポンプ光とプローブ光を異なる発振器で発生させることで両者の遅延時間を数ピコ秒の時間精度を保ちつつ、マイクロ秒以上の幅広い時間に対応させた。今回は本システムを用いることで、金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程において、その初期(数ピコ秒)に金属表面から剥離した薄膜が、マイクロ秒程度まで膜としての形状を保持したまま膨張することを新たに見いだした。

論文

Hydrodynamics driven by ultrashort laser pulse; Simulations and the optical pump - X-ray probe experiment

Inogamov, N. A.*; Zhakhovsky, V. V.*; 長谷川 登; 錦野 将元; 山極 満; 石野 雅彦; Agranat, M. B.*; Ashitkov, S. I.*; Faenov, A. Y.*; Khokhlov, V. A.*; et al.

Applied Physics B, 119(3), p.413 - 419, 2015/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:55.3(Optics)

Spatial structures of ablative mass flow produced by femtosecond laser pulses are studied. In experiments with a gold film, the Ti:sap laser pulse having a focal size of 100 microns on a target was used, while a soft X-ray probe pulse was utilized for diagnostics. The experimental data are compared with simulated mass flows obtained by two-temperature hydrodynamics and molecular dynamics methods. Simulation shows evolution of a thin surface layer pressurized after electron-ion thermalization, which leads to melting, cavitation and formation of spallation liquid layer. The calculated asymptotic surface velocity of this layer as a function of fluence is in reasonably good agreement with experimental data.

論文

Very low electron temperature in warm dense matter formed by focused picosecond soft X-ray laser pulses

石野 雅彦; 長谷川 登; 錦野 将元; Pikuz, T. A.*; Skobelev, I. Y.*; Faenov, A.*; Inogamov, N. A.*; 河内 哲哉; 山極 満

Journal of Applied Physics, 116(18), p.183302_1 - 183302_6, 2014/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:60.58(Physics, Applied)

軟X線レーザーパルスによって物質表面で起こるアブレーション物質の電子温度の導出を試みた。アブレーションに伴って発生する可視発光の計測から、軟X線レーザーの照射によって加熱される物質の電子温度は、アブレーションの継続時間を100-1000psと仮定したとき、0.4-0.7eVと見積もることができた。導出した加熱物質の電子温度は、Warm Dense Matterと呼ばれる非平衡な物質状態の中でも極低温領域にあることが判明した。この結果から、軟X線レーザーによって物質表面で起こるアブレーションは、破砕的アブレーションの中でも明瞭なプラズマ発光を伴わない現象であると結論される。

論文

Surface nano-structuring produced by spallation of metal irradiated by an ultrashort laser pulse

Inogamov, N. A.*; Zhakhovsky, V. V.*; Ashitkov, S. I.*; Emirov, Y. N.*; Faenov, A. Y.*; Pikuz, T. A.*; 石野 雅彦; 神門 正城; 長谷川 登; 錦野 将元; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 500(11), p.112070_1 - 112070_6, 2014/05

 被引用回数:18 パーセンタイル:0.88

超短パルスレーザーの照射によって金属表面に形成される構造とその形成機構についての報告である。複雑な形状のナノ構造はレーザーの照射によって融解した表面層の破砕的アブレーションによって形成されることが、実験結果および理論計算から示された。破砕的アブレーションは照射レーザーによって加熱融解された表面層の内部に形成される泡状構造の成長を伴っている。融解層はレーザーの照射後数ナノ秒後には凝固し、表面には泡状構造由来の複雑な形状のナノ構造が残ると考えられる。

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:2 パーセンタイル:20.97

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

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:2 パーセンタイル:30.79

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

Ablation of insulators under the action of short pulses of X-ray plasma lasers and free-electron lasers

Inogamov, N. A.*; Anisimov, S. I.*; Petrov, Y. V.*; Khokhlov, V. A.*; Zhakhovskii, V. V.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.; Fortov, V. E.*; Skobelev, I. Y.*; 加藤 義章*; et al.

Journal of Optical Technology, 78(8), p.473 - 480, 2011/08

 被引用回数:5 パーセンタイル:67.52(Optics)

An experimental and theoretical study has been carried out of the ablation of a solid insulator with a wide band gap (LiF) under the action of ultrashort laser pulses of the UV range, obtained in a free-electron laser, and the soft X-ray region, obtained in a silver-plasma laser. A comparison is made of the results obtained on the two laser systems. It is shown that the ablation threshold is about the same for both lasers. A theory is presented that explains the weak growth of the ablation mass with increasing surface energy density of the laser radiation (the fluence) in the case of X-ray lasers as a result of the transition from spallation close to the ablation threshold to evaporative ablation at high fluence values.

論文

Two-temperature warm dense matter produced by ultrashort Extreme Vacuum Ultraviolet-Free Electron Laser (EUV-FEL) pulse

Inogamov, N. A.*; Faenov, A. Ya.*; Zhakhovsky, V. V.*; Pikuz, T. A.*; Skobelev, I. Yu.*; Petrov, Y. V.*; Khokhlov, V. A.*; Shepelev, V. V.*; Anisimov, S. I.*; Fortov, V. E.*; et al.

Contributions to Plasma Physics, 51(5), p.419 - 426, 2011/06

 被引用回数:19 パーセンタイル:30.15(Physics, Fluids & Plasmas)

極短パルス,極端紫外自由電子レーザー(EUV-FEL)パルス(波長:50nm,パルス幅:100fs)をフッ化リチウム(LiF)のような誘電体に照射することで、結晶状態にあるLiFの破砕現象を初めて観測した。低フルーエンスの場合ではLiFの破砕現象が起こり、これがLiFの低いアブレーション閾値の原因となっていることを明らかにした。同様の現象は、ピコ秒パルスの関西光科学研究所X線レーザー装置を用いた実験でも観測されている。この破砕現象は、ナノ秒パルスのX線レーザー装置では観測されておらず、フェムト$$sim$$ピコ秒パルス特有の現象であることをモデル計算から明らかにした。

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:32 パーセンタイル:19.02(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

Spallative ablation of dielectrics by X-ray laser

Inogamov, N. A.*; Zhakhovsky, V. V.*; Faenov, A. Ya.*; Khokhlov, V. A.*; Shepelev, V. V.*; Skobelev, I. Y.*; 加藤 義章*; 田中 桃子; Pikuz, T. A.*; 岸本 牧; et al.

Applied Physics A, 101(1), p.87 - 96, 2010/10

 被引用回数:30 パーセンタイル:22.19(Materials Science, Multidisciplinary)

A short laser pulse in wide range of wavelengths, from infrared to X-ray, disturbs electron-ion equilibrium and increases pressure in a heated layer. The case where the pulse duration $$tau$$$$_{L}$$ is shorter than acoustic relaxation time $$t$$$$_{s}$$ is considered. It is shown that this short pulse may cause thermomechanical phenomena such as spallative ablation regardless of wavelength. While the physics of electron-ion relaxation strongly depends on wavelength and various electron spectra of substances. There are spectra with an energy gap in semiconductors and dielectrics opposed to gapless continuous spectra in metals. The paper describes entire sequence of thermomechanical processes from expansion, nucleation, foaming, and nanostructuring to spallation with particular attention to spallation by X-ray pulse.

論文

Interaction of short laser pulses in wavelength range from infrared to X-ray with metals, semiconductors, and dielectrics

Inogamov, N. A.*; Faenov, A. Ya.*; Zhakhovskii, V. V.*; Skobelev, I. Y.*; Khokhlov, V. A.*; 加藤 義章*; 田中 桃子; Pikuz, T. A.*; 岸本 牧; 石野 雅彦; et al.

Contributions to Plasma Physics, 51(4), p.361 - 366, 2010/05

 被引用回数:18 パーセンタイル:31.79(Physics, Fluids & Plasmas)

Laser-matter interaction is defined by an electric band structure of condensed matter and frequency of electromagnetic radiation. The thermalization processes are different for optical as compared with X-ray quanta and for metals relative to semiconductors and dielectrics, since the light absorption and electron-electron, electron-ion dynamics are sensitive to the electron population in a conduction band and the width of a forbidden gap. Although the thermalization processes are different, the final state is simply a heated matter. Laser heating creates powerful stresses in a target if duration of laser pulse $$tau$$$$_{L}$$ is short in acoustic time scale. Nucleation and material removal take place under such stresses. Such way of removal is called here the spallative ablation. Thus the spallative ablation is an ablation mechanism universally important for qualitatively different materials and quanta.

論文

Low-threshold ablation of dielectrics irradiated by picosecond soft X-ray laser pulses

Faenov, A. Y.; Inogamov, N. A.*; Zhakhovskii, V. V.*; Khokhlov, V. A.*; 西原 功修*; 加藤 義章*; 田中 桃子; Pikuz, T. A.*; 岸本 牧; 石野 雅彦; et al.

Applied Physics Letters, 94(23), p.231107_1 - 231107_3, 2009/06

 被引用回数:41 パーセンタイル:16.73(Physics, Applied)

Ablation of LiF crystal by soft X-ray laser pulses with wavelength 13.9 nm and duration 7 ps is studied experimentally and theoretically. It is found that a crater appears on a surface of LiF for XRL fluence, exceeding the ablation threshold 10.2 mJ/cm$$^{2}$$ in one shot, or 5 mJ/cm$$^{2}$$ in each of the three XRL shots. This is substantially below the ablation thresholds obtained with other lasers having longer pulse duration and/or longer wavelength. A new mechanism of thermomechanical ablation in large bandgap dielectrics is proposed. The theory explains the low ablation threshold via small attenuation depth, absence of light reflection, and electron heat conductivity.

口頭

Low threshold ablation of large bandgap LiF dielectrics induced by picosecond soft X-ray laser pulses

Faenov, A. Y.; Inogamov, N. A.*; Zhakhovskii, V.*; Khokhlov, V. A.*; 西原 功修*; 加藤 義章*; 田中 桃子; Pikuz, T.*; 岸本 牧; 石野 雅彦; et al.

no journal, , 

Experimental and theoretical investigations of large bandgap LiF dielectrics ablation threshold induced by 7 ps 13.9 nm XRL pulses were performed. LiF crystal threshold is about 1600, 210 and 8 times smaller compare with LiF crystal thresholds measured previously for ns and fs visible lasers and ns 46.9 nm soft XRL, correspondently.

口頭

Low-threshold ablation of dielectrics irradiated by picosecond soft X-ray laser pulses; Observation and modeling

Faenov, A. Y.; Pikuz, T. A.*; Inogamov, N. A.*; Zhakhovski, V.*; Khokhlov, V.*; Anisimov, S. I.*; Fortov, V. E.*; 加藤 義章*; 福田 祐仁; 田中 桃子; et al.

no journal, , 

The results of theoretical and experimental studies of ablation of LiF crystal by X-ray beam having photons with 89.3 eV and very short duration of pulse 7 ps are presented. It is found that the crater is formed for fluencies above the threshold 10 mJ/cm$$^{2}$$. Such a small threshold is one order of magnitude less than the one obtained for X-ray ablation by longer (nanoseconds) pulses. The theory explains this dramatic difference as a change-over from more energy consuming evaporative ablation to spallative ablation, when the pulse duration decreases from ns to ps time ranges.

口頭

Observation and modeling ablation threshold features of dielectrics irradiated by ultrashort pulses of soft X-ray transient collisional and free electron lasers

Inogamov, N. A.*; Faenov, A. Y.; Pikuz, T.*; Zhakhovski, V.*; Skobelev, I.*; Khokhlov, V.*; Anisimov, S. I.*; Fortov, V. E.*; 福田 祐仁; 加藤 義章*; et al.

no journal, , 

The results of theoretical and experimental studies of ablation of LiF crystal by X-ray laser and FEL beams having photons with 89.3 eV and 20 eV with very short duration of pulse 7 ps and 300 fs are presented. It is found that the crater is formed for fluencies above the threshold Fabl about 10 mJ/cm$$^{2}$$: Such a small threshold is one order of magnitude less than the one obtained for X-ray ablation by longer (nanoseconds) pulses. The theory explains this dramatic difference as a change-over from more energy consuming evaporative ablation to spallative ablation, when the pulse duration decreases from ns to ps time ranges. We demonstrate that tensile stress created in dielectrics by short X-ray pulse can produce spallative ablation of target even for drastically small X-ray fluencies, which open new opportunities for material nano processing.

口頭

Low-threshold ablation of dielectrics irradiated by ultrashort pulses of soft X-ray transient collisional and free electron lasers; Observation and modeling

Faenov, A. Y.; Pikuz, T.*; Inogamov, N. A.*; Zhakhovski, V.*; Skobelev, I.*; Khokhlov, V.*; Anisimov, S. I.*; Fortov, V. E.*; 福田 祐仁; 加藤 義章*; et al.

no journal, , 

Theoretical and experimental studies of ablation of LiF crystal by X-ray laser and FEL beams were provided. It was found a very low ablation threshold for both types of irradiation. Such a small threshold is one order of magnitude less than the one obtained for X-ray ablation by longer (nanoseconds) pulses or 2 orders smaller than arradiated by fs visible pulses. The theory explains this dramatic difference as a change-over from more energy consuming evaporative ablation to spallative ablation, when the pulse duration decreases from ns to ps time ranges.

口頭

軟X線レーザーを集光照射した金属表面の観察

石野 雅彦; Faenov, A. Y.*; 田中 桃子; 保 智己*; 河内 哲哉; Inogamov, N. A.*; Pikuz, T. A.*; 大場 俊幸; 海堀 岳史; Khokhlov, V.*; et al.

no journal, , 

軟X線レーザーによるアブレーション基礎過程の理解を目的として、アルミニウム表面の照射痕を走査型電子顕微鏡で観察したところ、照射領域にアブレーション構造とは異なる微細構造が形成されていることを確認した。この領域には200nm程度の直径を持つ円錐状の構造物が多数確認できる。これまでにレーザープラズマから発生する軟X線を連続照射した有機高分子表面に微細構造が形成されることが報告されているが、軟X線レーザーの照射においても同様の現象が金属表面に起こることが明らかとなった。軟X線レーザーによるアブレーションは、熱的な蒸発描画よりも破砕的な過程が原因と考えられているが、アルミニウム表面に形成された微細構造は、照射領域の熱的融解に起因するものと考えられる。

口頭

EUVレーザーによる固体のアブレーションしきい値の観測

河内 哲哉; Faenov, A.*; 石野 雅彦; 田中 桃子; Inogamov, N. A.*; Khokhlov, V.*; Anisimov, S. I.*; Pikuz, T.*; 長谷川 登; 錦野 将元; et al.

no journal, , 

EUVレーザーを固体に照射した場合のアブレーションしきい値を観測した。アブレーションしきい値は、従来の可視赤外領域のレーザーを用いた場合に比べて2$$sim$$3桁低かった。観測結果を説明するために分子動力学と流体コードを組合せた計算機シミュレーションを行い、実験との比較を行った。その結果、EUV領域の高輝度レーザーパルス照射を行った場合には、従来の可視赤外レーザーの場合のように試料が個々の原子として蒸発する描像ではなく、局所的に高温高圧状態になった試料内部が破断することで表面部分が破砕することが示された。

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