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論文

Dynamics of spallation during femtosecond laser ablation studied by time-resolved reflectivity with double pump pulses

熊田 高之; 乙部 智仁; 錦野 将元; 長谷川 登; 林 照剛*

Applied Physics Letters, 108(1), p.011102_1 - 011102_4, 2016/01

AA2015-0725.pdf:1.07MB

 被引用回数:7 パーセンタイル:38.55(Physics, Applied)

ダブルパルスを用いた時間分解反射率測定法により、フェムト秒レーザーアブレーションにおける非熱効果によって膜状に試料が剥離するダイナミクスを調べた。アブレーション閾値以上のポンプ光照射後、剥離膜と母体試料表面におけるプローブ光反射波の干渉による振動が現れる。その振幅は、第1ポンプ光の直後に第2ポンプ光を照射すると増大するが、両光の時間間隔とともに減少し、20ps以上では消滅した。この結果は、第1ポンプ光直後の第2光が膜剥離前の母体試料表面を励起するのに対して、20ps以上離れた第2光は既に剥離した膜を励起したものと考えられる。剥離膜は試料母体との機械的接触を持たないために、膜に付与されたエネルギーは試料母体に散逸することなく、膜表面から激しい蒸発を促し、膜自体を破壊したのであろう。本結果から決定される膜剥離時間は10ps程度と決定され、この値は膜厚と音速によって決定される構造緩和時間20psと実験結果と近い値となることが見出された。

論文

軟X線レーザー照射による多層膜鏡の損傷計測

錦野 将元; 石野 雅彦; 市丸 智*; 畑山 雅俊*; 長谷川 登; 河内 哲哉

レーザー学会第483回研究会報告; 短波長量子ビーム発生と応用, p.25 - 28, 2015/12

プラズマ軟X線レーザー、レーザープラズマ軟X線源, X線自由電子レーザーの開発により、軟X線によるアブレーションが実現できるようになってきた。波長が短い光を用いることから高い解像度および高いアスペクト比の改質、加工が期待することができる。軟X線を固体に照射すると、その表面からから構成原子が爆発的に剥ぎ取られるアブレーションが起こる。どのような物質でも軟X線領域から硬X線領域に移っていくに従って、光の吸収が弱くなり光のエネルギーを高い密度で物質に伝達できなくなる。したがって、高い空間分解能で物質に光のエネルギーを伝達するためには軟X線領域の光が適している。特に波長13.5nm付近に代表される極端紫外線光は、加工技術(EUVリソグラフィ)の用途で開発が進められている。しかし、EUV多層膜鏡の高強度な光照射に対する耐久性の定量的評価はこれまでにほとんど評価が行われておらず、多層膜ミラー損傷評価や損傷メカニズムの解明は、応用利用に向けて重要な課題となっている。本報告では、軟X線による金属と多層膜構造物質に対するアブレーション実験の結果を報告する。

論文

3D visualization of XFEL beam focusing properties using LiF crystal X-ray detector

Pikuz, T.*; Faenov, A.*; 松岡 健之*; 松山 智至*; 山内 和人*; 尾崎 典雅*; Albertazzi, B.*; 犬伏 雄一*; 矢橋 牧名*; 登野 健介*; et al.

Scientific Reports (Internet), 5, p.17713_1 - 17713_10, 2015/12

 被引用回数:13 パーセンタイル:20.67(Multidisciplinary Sciences)

we report, that by means of direct irradiation of lithium fluoride a (LiF) crystal, in situ 3D visualization of the SACLA XFEL focused beam profile along the propagation direction is realized, including propagation inside photoluminescence solid matter. High sensitivity and large dynamic range of the LiF crystal detector allowed measurements of the intensity distribution of the beam at distances far from the best focus as well as near the best focus and evaluation of XFEL source size and beam quality factor M2. Our measurements also support the theoretical prediction that for X-ray photons with energies $$sim$$10 keV the radius of the generated photoelectron cloud within the LiF crystal reaches about 600 nm before thermalization. The proposed method has a spatial resolution 0.4-2.0 micron for photons with energies 6-14 keV and potentially could be used in a single shot mode for optimization of different focusing systems developed at XFEL and synchrotron facilities.

論文

Construction of a magnetic bottle spectrometer and its application to pulse duration measurement of X-ray laser using a pump-probe method

難波 愼一*; 長谷川 登; 岸本 牧; 錦野 将元; 石野 雅彦; 河内 哲哉

AIP Advances (Internet), 5(11), p.117101_1 - 117101_10, 2015/11

 パーセンタイル:100(Nanoscience & Nanotechnology)

ポンプ・プローブ手法を用いた高強度短パルスX線の時間幅の計測を行うため、磁気ボトル型電子分光器を製作した。開発した装置の性能を実験的に調べるために軟X線レーザーをXe原子に照射する実験を行った。Xe内殻電子の光電離及びオージェ電子に起因するスペクトルの時間変化からX線レーザーのパルス幅を決定した。ポンプ・プローブ実験によって得られた5.7psという時間幅は、X線ストリークカメラで得られている計測結果とよく一致した。

論文

Polarization of amplified spontaneous emission in a plasma active medium

Kim, C. M.*; Steil, H.*; Matou$v{s}$, B.*; 錦野 将元; 長谷川 登; 河内 哲哉; Tran, K. A.*; Janulewicz, K. A.*

Physical Review A, 92(4), p.043807_1 - 043807_7, 2015/10

AA2015-0690.pdf:0.77MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:68.08(Optics)

過渡利得方式のニッケル様銀レーザーの偏光を測定した。偏光選択性を予め校正した多層膜ビームスプリッターを用いて、二つの偏光成分(sおよびp偏光)のエネルギーを決定し、その結果、ショットごとにふらつきはあるものの、明確に偏光していることを見出した。強い偏光成分は、励起レーザー光を強くすることでs偏光からp偏光に代わることも見出した。実験結果をマクスウェル=ブロッホ方程式を用いた数値計算との比較により議論された。

論文

Temporal behavior of unresolved transition array emission in water window soft X-ray spectral region from multiply charged ions

Dinh, T.-H.*; 鈴木 悠平*; 荒居 剛己*; Li, B.*; Dunne, P.*; O'Sullivan, G.*; 藤岡 慎介*; 長谷川 登; 河内 哲哉; 錦野 将元; et al.

Applied Physics Letters, 107(12), p.121101_1 - 121101_5, 2015/09

 被引用回数:5 パーセンタイル:60.55(Physics, Applied)

We have characterized the spectral structure and the temporal history of the laser-produced high-Z multi-charged ion plasmas for the efficient water window soft X-ray sources. Strong unresolved transition array (UTA) emission was observed due to 4d-4f and 4f-5g transitions from Au, Pb, and Bi plasmas in the 280-700 eV photon energy region. The temporal behavior of the emission was essentially similar of that of the laser pulse with a slight delay between different transitions. These results provide feedback for accurate modeling of the atomic processes with the radiative hydrodynamic simulations.

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

 パーセンタイル:100

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:29.52

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

Output beam polarisation of X-ray lasers with transient inversion

Janulewicz, K. A.*; Kim, C. M.*; Steil, H.*; 河内 哲哉; 錦野 将元; 長谷川 登

X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources; Development and Applications XI (Proceedings of SPIE, Vol.9589), p.95890N_1 - 95890N_7, 2015/09

 パーセンタイル:100

放射光光源で偏光特性を校正した軟X線領域用の薄膜ビームスプリッターを開発し、これを用いることで、過渡利得励起方式におけるニッケル様銀プラズマ軟X線レーザーの偏光状態の精密計測を行った。軟X線レーザーの強度及びビーム広がり角から、軟X線レーザー媒質(プラズマ)の状態を求めることにより、偏光の発生するメカニズムを明らかにすることに成功した。

論文

Soft X-ray laser observation of femtosecond-laser-driven ablation of tungsten

錦野 将元; 長谷川 登; 石野 雅彦; 越智 義浩; 河内 哲哉; 山極 満; 加藤 義章*

Chinese Optics Letters, 13(7), p.070002_1 - 070002_3, 2015/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:88.05(Optics)

Ablation dynamics of tungsten irradiated with a 70-fs laser pulse is investigated with X-ray interferometry and X-ray imaging using 13.9 nm soft X-ray laser of 7 ps pulse duration. The evolution of high density ablation front of tungsten is presented. The ablation front expands to around 120 nm above the original target surface at 160 ps after fs-laser irradiation with the expansion speed of approximately 750 m/s. These results will provide important data for understanding ablation properties of W, which is a candidate material of the first wall of magnetic confinement fusion reactors.

論文

軟X線レーザープローブによるフェムト秒レーザーアブレーション機構の照射強度・物質依存性の観測

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

JAEA-Conf 2015-001, p.17 - 20, 2015/07

軟X線レーザーをプローブとした干渉計を構築することで、フェムト秒レーザーアブレーション過程におけるexpansion frontとablation frontの同時計測に成功した。これにより、フェムト秒レーザーアブレーションのダイナミクスの全体像を実験的に得ることに成功した。更に金とタングステンのexpansion frontの形状を比較することにより、アブレーション過程が局所的な照射強度と加工閾値に強く依存していることが示された。これは、照射レーザーのプロファイルの制御により、expansion frontの形状が制御可能であることを示しており、過渡的な光学素子の形成等への応用が期待される。

論文

A Laser-plasma-produced soft X-ray laser at 89 eV generates DNA double-strand breaks in human cancer cells

佐藤 克俊*; 錦野 将元; 河内 哲哉; 下川 卓志*; 今井 高志*; 手島 昭樹*; 西村 博明*; 神門 正城

Journal of Radiation Research, 56(4), p.633 - 638, 2015/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:86.34(Biology)

X線レーザーは、生物学,医学分野をはじめとする諸分野への応用研究が期待されているが、そのDNA損傷等の生物学的影響についての評価はまだ進んでいない。放射線生物学への応用研究の最初のステップとして軟X線レーザーマイクロビーム照射装置の開発を行った。軟X線レーザーによるDNA損傷生成についての研究を開始した。マイクロビーム照射装置については、軟X線集光素子を用いて培養細胞集団程度の大きさに集光を行い、マイクロメーターレベルの制御可能なステージを組み合わせてあり、大気中の培養細胞に照射可能である。本装置を用いて世界で初めて軟X線レーザーの照射によるがん細胞のDNA二本鎖切断の生成を確認した。

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:5 パーセンタイル:52.57(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

Non-thermal effects on femtosecond laser ablation of polymers extracted from the oscillation of time-resolved reflectivity

熊田 高之; 赤木 浩; 板倉 隆二; 乙部 智仁; 錦野 将元; 横山 淳

Applied Physics Letters, 106(22), p.221605_1 - 221605_5, 2015/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:74.64(Physics, Applied)

時間分解反射率測定法を用いて透明高分子のフェムト秒レーザーアブレーションダイナミクスを追ったところ、アブレーション閾値以上の強度のポンプ光入射後に反射率の振動を観測した。本振動は試料表面と、非熱効果によって試料から剥離した薄膜において反射したプローブ光の干渉によるものであると結論付けた。

論文

Density and X-ray emission profile relationships in highly ionized high-Z laser-produced plasmas

吉田 健祐*; 藤岡 慎介*; 東口 武史*; 鵜篭 照之*; 田中 のぞみ*; 川崎 将人*; 鈴木 悠平*; 鈴木 千尋*; 富田 健太郎*; 廣瀬 僚一*; et al.

Applied Physics Letters, 106(12), p.121109_1 - 121109_5, 2015/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:67.17(Physics, Applied)

We present a benchmark measurement of the electron density profile in the region where the electron density is 10$$^{19}$$ cm$$^{-3}$$ and where the bulk of extreme ultraviolet (EUV) emission occurs from isotropically expanding spherical high-Z gadolinium plasmas. It was found that, due to opacity effects, the observed EUV emission is mostly produced from an underdense region. We have analyzed time-resolved emission spectra with the aid of atomic structure calculations, and find that while the multiple ion charge states around 18+ during the laser pulse irradiation.

論文

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線レーザー反射・干渉観測

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

レーザー学会第471回研究会報告; 短波長量子ビーム発生と応用, p.9 - 12, 2014/12

フェムト秒レーザーアブレーションによるリップル形成、ナノスケールアブレーションやナノ粒子生成などに関する興味深い現象が数多く報告されているが、その基礎的なメカニズムは理解されていない。これまでの金や白金に加えて融点の高いタングステンを用いて実験を開始した。フェムト秒レーザー照射によるタングステンのアブレーション過程の解明のために、フェムト秒レーザー(波長795nm、パルス幅80fs)ポンプ・ピコ秒軟X線レーザー(波長13.9nm、パルス幅7ps)プローブを構築し、ピコからナノ秒スケールで起きる金属のフェムト秒レーザーアブレーション過程の観測を行った。レーザー照射の数ピコ秒後から数ナノ秒後の時間領域のサンプル表面でのアブレーション面の膨張過程について軟X線による反射及び干渉計測を行い、アブレーションフロントの表面状態について解析を行った。また、講演ではタングステンと他の金属のアブレーション過程の違いについて考察を行う。

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:6 パーセンタイル:58.9(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

High spatial resolution ZnO scintillator for an in situ imaging device in EUV region

有田 廉*; 中里 智治*; 清水 俊彦*; 山ノ井 航平*; Empizo, M.*; 堀 達広*; 福田 一仁*; 南 佑輝*; 猿倉 信彦*; 圓山 桃子; et al.

Optical Materials, 36(12), p.2012 - 2015, 2014/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:71.44(Materials Science, Multidisciplinary)

EUV励起によるZnO結晶の発光パターンのシングルショットイメージを計測した。EUVビームの集光点にZnOを置いたときの発光パターンのサイズは横5.0$$mu$$m、縦4.7$$mu$$mであり、これはEUVレーザーのスポットサイズ1$$mu$$m、発光観測用拡大光学系(シュワルツシルトミラーとレンズ)の分解能4$$mu$$mよりも大きい。我々はZnOの実効的な発光寿命からエキシトンの拡散長を見積もった。発光寿命は励起密度に依存してエキシトンーエキシトン衝突による消光により短くなっている。我々の結果からは、空間分解能を改善するためにより短寿命のZnOが望ましいことが示唆された。

論文

第14回X線レーザー国際会議(ICXRL2014)

河内 哲哉; 錦野 将元; 大道 博行

プラズマ・核融合学会誌, 90(9), P. 579, 2014/09

2014年5月25日から30日に米国コロラド州フォートコリンズのコロラド州立大学において第14回X線レーザー国際会議(International Conference on X-Ray Lasers 2014: ICXRL 2014)が開催された。本国際会議は、1980年代から30年近くにわたって世界各地で隔年開催されてきた。今回の参加者は、米国を中心にヨーロッパ諸国, 日本, 韓国, 中国等より約90名であった。この国際会議では、レーザー励起プラズマを用いた軟X線レーザーだけでなく、超短パルスレーザーによる高次高調波や相対論的プラズマからの軟X線放射やX線自由電子レーザー等のコヒーレントX線源の開発とその利用技術を専門とする世界中の研究者が集まり、最新の成果報告と議論が行われた。これらの内容について報告する。

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