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論文

Simultaneous measurements of superradiance at multiple wavelength from helium excited states, 2; Analysis

大饗 千彰*; Harries, J.; 岩山 洋士*; 川口 健太郎*; 久間 晋*; 宮本 祐樹*; 永園 充*; 中嶋 享*; 中野 逸夫*; 繁政 英治*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 85(3), p.034301_1 - 034301_10, 2016/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:38.58(Physics, Multidisciplinary)

Previous experimental studies of superradiance (SR) in multi-level systems have been explainable using the predictions of the well-known simple two-level SR model. However our recent study using EUV free-electron laser excitation of helium atoms, where SR was observed at wavelengths of 502 nm, 668 nm, and 728 nm, revealed behaviour which necessitates a full multi-level treatment of the SR development. In this paper, we report simulations of the initial excitation by the FEL pulses, and the subsequent development of multi-level SR. The results of the simulation reproduce the experimental findings, and reveal that competitive SR on two transitions with a common upper level plays an important role in the development of the system.

論文

Simultaneous measurements of super-radiance at multiple wavelengths from helium excited states, 1; Experiment

中嶋 享*; Harries, J.; 岩山 洋士*; 久間 晋*; 宮本 祐樹*; 永園 充*; 大饗 千彰*; 富樫 格*; 矢橋 牧名*; 繁政 英治*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 84(5), p.054301_1 - 054301_7, 2015/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:58.15(Physics, Multidisciplinary)

In this paper, we report the results of measurements of the intensities and delays of super-radiance decays from excited helium atoms at multiple wavelengths. The experiment was performed using extreme ultraviolet radiation produced by the free electron laser at the SPring-8 Compact SASE Source test accelerator facility as an excitation source. We observed superradiant transitions on the 1s3p$$rightarrow$$1s2s ($$lambda$$=502 nm), 1s3d$$rightarrow$$1s2p ($$lambda$$=668 nm), and 1s3s$$rightarrow$$1s2p ($$lambda$$=728 nm) transitions. The pulse energy of each transition and its delay time were measured as a function of the target helium gas density. Several interesting features of the data, some of which appear to contradict with the predictions of the simple two-level super-radiance theory, are pointed out.

論文

Transient charge dynamics in argon-cluster nanoplasmas created by intense extreme-ultraviolet free-electron-laser irradiation

岩山 洋士*; Harries, J.; 繁政 英治*

Physical Review A, 91(2), p.021402_1 - 021402_5, 2015/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:40.85(Optics)

We present extreme-ultraviolet (EUV) fluorescence spectra of Ar clusters irradiated by intense EUV free-electron laser (FEL) pulses focused to intensities of up to 3$$times$$10$$^{13}$$ W/cm$$^2$$ at a wavelength of 51 nm. The spectra reveal fluorescence at wavelengths shorter than that of the incident radiation, which can be assigned to EUV fluorescence lines from excited multiply-charged ions Ar$$^{z+ast}$$ with $$z$$ as high as 6. This demonstrates that charge states as high as 7+ are produced by the FEL irradiation. The cluster size and FEL power dependences of the spectral features suggest that an inhomogeneous distribution of charge within the clusters reduces ionization thresholds at the cluster surface.

論文

Photon-in, photon-out gas-phase experiments at the SPring-8 compact SASE source SCSS

Harries, J.; 岩山 洋士*; 沖原 理沙*; 永園 充*; 繁政 英治*

JPS Conference Proceedings (Internet), 1, p.013083_1 - 013083_6, 2014/03

In this article we describe four recent results from "photon-in, photon-out" fluorescence spectroscopy studies using the Spring-8 compact SASE source SCSS. Fluorescence spectroscopy avoids problems due to space charge, and is particularly suited to the highly-intense FEL pulses, since multiple excitations/ionisations occur for each laser shot.

論文

極端紫外自由電子レーザーによる超蛍光の観測

Harries, J.; 繁政 英治*

放射光, 26(6), p.327 - 334, 2013/11

極端紫外(EUV)自由電子レーザー(FEL)光と高密度ヘリウムガスセルを利用して、EUV-FEL由来の超蛍光(集合的自然放出)の観測に世界に先駆けて成功した。超蛍光は、「量子光学」現象の一つであり、新世代光源の利用によって初めて観測が可能となった。より短波長域での観測の可能性を含めて、今後の展望についても議論する。

論文

Resonance-enhanced three-photon single ionization of Ne by ultrashort extreme-ultraviolet pulses

繁政 英治*; 永園 充*; 岩山 洋士*; Harries, J.; 石川 理沙*

Journal of Physics B; Atomic, Molecular and Optical Physics, 46(16), p.164020_1 - 164020_5, 2013/08

 パーセンタイル:100(Optics)

Time-resolved extreme-ultraviolet (EUV) fluorescence spectroscopy has been applied to study the multi-photon, single ionization of Ne irradiated by intense EUV-free-electron laser (FEL) pulses at a wavelength of 51 nm. A broad, intense peak at a wavelength of around 46 nm is observed, which is shorter than the incident FEL wavelength. The time-dependence of the fluorescence reveals that the peak has two un-resolved components, which we attribute to the decay of the excited ion states Ne$$^+$$2s$$^{-1}$$($$^2$$S) and 2p$$^{-2}$$($$^3$$P$$rm ^e$$)3s($$^2$$P$$rm ^e$$) at 46.0 nm and 44.6 nm. From the observed intensity ratios and fluorescence lifetimes we conclude that the Ne$$^+$$ 2p$$^{-2}$$ ($$^3$$P$$rm ^e$$)3s($$^2$$P$$rm ^e$$) state is populated by two-photon resonance-enhancement, via a 2p$$^4$$3p$$^2$$ doubly-excited state of Ne.

論文

Towards coherent control of SASE pulses using propagation through helium gas at wavelengths corresponding to double excitation

Harries, J.; 永園 充*; 岩山 洋士*; 繁政 英治*

Journal of Physics B; Atomic, Molecular and Optical Physics, 46(16), p.164021_1 - 164021_5, 2013/08

 パーセンタイル:100(Optics)

Using the third harmonic of the FEL radiation from the SPring-8 compact SASE source SCSS we have studied the effects on SASE (self-amplified stimulated emission) pulses with central wavelengths near 20 nm due to passage through a helium gas cell. The positions of zero ionisation cross-section close to wavelengths corresponding to double-excitations allow operation as an efficient wavelength filter, with effectively 100% transmitted peak intensity until the Doppler-broadening limit is reached. We discuss how the time profile of the SASE pulses is affected, and discuss potential applications.

論文

Compact XFEL and AMO sciences; SACLA and SCSS

矢橋 牧名*; 田中 均*; 田中 隆次*; 冨澤 宏光*; 富樫 格*; 永園 充*; 石川 哲也*; Harries, J.; 彦坂 泰正*; 菱川 明栄*; et al.

Journal of Physics B; Atomic, Molecular and Optical Physics, 46(16), p.164001_1 - 164001_19, 2013/08

 被引用回数:56 パーセンタイル:3.09(Optics)

The concept, design, and performance of Japan's compact FEL facilities, the SPring-8 Compact SASE Source test accelerator (SCSS) and SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser (SACLA), and their applications are reviewed. At SCSS, intense, ultrafast FEL pulses at extreme ultraviolet (EUV) wavelengths have been utilized for investigating various multiphoton processes in atoms, molecules and clusters by means of ion and electron spectroscopy. The quantum optical effect superfluorescence has been observed with EUV excitation. A pump-probe technique combining FEL pulses with near infrared laser pulses has been realized to study the ultrafast dynamics of atoms, molecules and clusters in the sub-picosecond regime. At SACLA, deep inner-shell multiphoton ionization by intense X-ray free-electron laser pulses has been investigated. The development of seeded FEL sources for producing transversely and temporally coherent light, as well as the expected impact on advanced science are discussed.

論文

Terahertz tomography of a photo-induced carrier based on pump-probe spectroscopy using counterpropagation geometry

坪内 雅明; 永井 正也*; 大島 康裕*

Optics Letters, 37(17), p.3528 - 3530, 2012/09

 被引用回数:11 パーセンタイル:39.04(Optics)

シリコン表面への近赤外光励起により生成されるキャリアは、THz領域の光に強く影響を与えるためTHz光透過の阻害要因となる一方、THz光の光スイッチ等の疑似光学素子としての利用が提案されている。キャリアによる精密なTHz光の光学制御を行うためには、キャリアのシリコン内空間分布とダイナミクスを精査する必要がある。そこで本研究では、光学励起・THz検出時間分解測定法を用いて、シリコン内部のキャリアダイナミクスを直接測定する手法を開発した。

論文

Observation of free-electron-laser-induced collective spontaneous emission (superfluorescence)

永園 充*; Harries, J.; 岩山 洋士*; 富樫 格*; 登野 健介*; 矢橋 牧名*; 仙波 泰徳*; 大橋 治彦*; 石川 哲也*; 繁政 英治*

Physical Review Letters, 107(19), p.193603_1 - 193603_5, 2011/11

 被引用回数:25 パーセンタイル:18.69(Physics, Multidisciplinary)

We have observed and characterized 501.6 nm collective spontaneous emission (superfluorescence) following 1$$s$$$$^2rightarrow$$1$$s$$3$$p$$ excitation of helium atoms by 53.7 nm free-electron laser radiation. Emitted pulse energies of up to 100 nJ ($$sim$$10$$^{{11}}$$ photons) are observed, corresponding to a photon number conversion efficiency of up to 10%. We observe the peak intensity to scale as $$rho^2$$, and the pulse width and delay with respect to the pump pulse to scale as $$rho^{-1}$$, where $$rho$$ is the atom number density. Emitted pulses as short as 1 ps are observed, which corresponds to a rate around 75000 times faster than the spontaneous 1$$s$$3$$p$$$$rightarrow$$1$$s$$2$$s$$ decay rate. To our knowledge this is the first observation of superfluorescence following pumping in the extreme ultraviolet wavelength region, and extension of the technique to the generation of EUV and X-ray superfluorescence pulses should be straightforward by using suitable atomic systems and pump wavelengths.

口頭

XeF$$_{2}$$を用いた放射光高速エッチングビームラインの設計と製作

中井 直史*; 宇野 秀隆*; Zhang, Z.*; 手老 龍吾*; 鈴井 光一*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 牧村 哲也*; 村上 浩一*; 宇理須 恒雄*

no journal, , 

分子科学研究所のUVSOR施設では、シリコン基板にガス化したXeF$$_{2}$$を作用させながら白色放射光を照射することで高速エッチングを行うための白色放射光ビームラインを設計,製作した。既存のビームラインに差動排気装置を増設し、実験装置は新たに製作した。固体状のXeF$$_{2}$$を昇華させ、シリコン基板をガス状のXeF$$_{2}$$分子に暴露した状態をつくり、そこに白色放射光を照射してシリコンの放射光励起エッチングを行う。シリコンに吸着したフッ素がフッ化シリコンとして脱離しやすいために高速のエッチングが実現できた。

口頭

XeF$$_{2}$$を用いた放射光高速エッチングビームラインの設計と製作

中井 直史*; Chiang, T.-Y.*; 宇野 秀隆*; 手老 龍吾*; 鈴井 光一*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 牧村 哲也*; 村上 浩一*; 宇理須 恒雄*

no journal, , 

SF$$_{6}$$を反応ガスとして用いたSiO$$_{2}$$のエッチングをMEMSなどに応用する場合にはミクロンオーダー深さのエッチングを行う必要があり、従来よりもエッチレートを二桁大きくする必要がある。XeF$$_{2}$$を用いたドライエッチングはSiに対するエッチレートが600nm/minと大きく、MEMS等でしばしば用いられているが、等方性エッチングとなり、SiO$$_{2}$$がエッチングできないなど材料選択上の制約も多い。そこで、XeF$$_{2}$$と放射光を併用した光励起エッチングを行うことにより、SiO$$_{2}$$の異方性エッチングを可能とする。そのためにXeF$$_{2}$$放射光エッチング用セルを設計し、製作した。

口頭

時間分解テラヘルツ分光によるシリコン内部のキャリアダイナミクス測定

坪内 雅明; 横山 淳; 永井 正也*; 大島 康裕*

no journal, , 

シリコン表面への近赤外光励起により生成されるキャリアは、THz領域の光に強く影響を与えるためTHz光透過の阻害要因となる一方、THz光の光スイッチ等の疑似光学素子としての利用が提案されている。キャリアによる精密なTHz光の光学制御を行うためには、キャリアのシリコン内空間分布とダイナミクスを精査する必要がある。そこで本研究では、光学励起・THz検出時間分解測定法を用いて、シリコン内部のキャリアダイナミクスを直接測定する手法を開発した。

口頭

Coherent spontaneous decay following multi-atom excitationwith FEL pulses; Prospects for X-ray superradiance from clusters

Harries, J.; 永園 充*; 岩山 洋士*; 富樫 格*; 登野 健介*; 矢橋 牧名*; 仙波 泰徳*; 大橋 治彦*; 石川 哲也*; 繁政 英治*

no journal, , 

Recently we have observed superfluorescence following 1s$$^2 rightarrow$$ 1s np excitation in helium using 100 fs pulses from the SPring-8 Compact SASE Source (SCSS) test accelerator beamline. One requirement for collective decay (as opposed to the competing natural decay and amplified spontaneous emission) is that the inter-atom spacing must be less than the wavelength of the emitted radiation. For visible radiation this is easily achievable in the gas phase, but for shorter wavelengths, clusters and other nano-scale particles present an ideal opportunity for observing and exploiting this mode of decay, which competes with all other decay mechanisms, including Auger. The potential for observing X-ray superradiance from multiphoton excited clusters has been described previously, but to our knowledge never been observed experimentally. We present details of our study in atomic helium gas, and discuss prospects for the extension to clusters and other nano-sized particles.

口頭

極紫外自由電子レーザー誘起による超蛍光の観測

永園 充*; Harries, J.; 岩山 洋士*; 登野 健介*; 富樫 格*; 仙波 泰徳*; 大橋 治彦*; 矢橋 牧名*; 石川 哲也*; 繁政 英治*

no journal, , 

実験はSCSS試験加速器施設で行われた。He原子を試料とし、SCSSからの極紫外自由電子レーザー(EUV-FEL)の波長を1s$$^2$$$$rightarrow$$1s3p共鳴励起相当に合わせ、高濃度のHe原子に照射し、その1s3p$$rightarrow$$1s2s脱励起過程に伴う蛍光(波長=501nm)の時間発展をガス濃度の関数としてストリークカメラにより計測した。He原子濃度が高くなるに従い、遅延時間が短くなり、パルス幅も狭くなっている様子が明確に見いだせた。観測結果の詳細な解析により、EUV-FEL光により励起されたHe原子が、原子集団として蛍光を放出する、超蛍光現象が起きていることが確認された。なお、半導体検出器による強度測定から、入射EUV-FEL光強度に対する超蛍光の変換効率は約10%と見積もられた。超蛍光の観測は、FELの利用研究としては現時点までで唯一のものである。EUV励起による超蛍光は、今回のような可視発光のみならず、1s3p$$rightarrow$$1s2脱励起によるEUV発光においても同様の振る舞いが観測されている。超蛍光は、特殊な環境下で起こる集団的発光現象であり、条件さえ整えば、XFEL励起によるX線超蛍光の観測も可能であると考えられる。SACLAの利用により、研究が大きく進展することが期待される。

口頭

THz tomography of photo-induced carrier based on pump-probe spectroscopy in counter-propagation geometry

坪内 雅明; 永井 正也*; 大島 康裕*

no journal, , 

シリコン表面への近赤外光励起により生成されるキャリアは、THz領域の光に強く影響を与えるためTHz光透過の阻害要因となる一方、THz光の光スイッチ等の疑似光学素子としての利用が提案されている。キャリアによる精密なTHz光の光学制御を行うためには、キャリアのシリコン内空間分布とダイナミクスを精査する必要がある。そこで本研究では、光学励起・THz検出時間分解測定法を用いて、シリコン内部のキャリアダイナミクスを直接測定する手法を開発した。

口頭

光誘起キャリアの時間分解テラヘルツトモグラフィー

坪内 雅明; 永井 正也*; 大島 康裕*

no journal, , 

シリコン表面への近赤外光励起により生成されるキャリアは、THz領域の光に強く影響を与えるためTHz光透過の阻害要因となる一方、THz光の光スイッチ等の疑似光学素子としての利用が提案されている。キャリアによる精密なTHz光の光学制御を行うためには、キャリアのシリコン内空間分布とダイナミクスを精査する必要がある。そこで本研究では、光学励起・THz検出時間分解測定法を用いて、シリコン内部のキャリアダイナミクスを直接測定する手法を開発した。

口頭

ヘリウム2電子励起状態を使ったSASE光の単色化

Harries, J.; 岩山 洋士*; 永園 充*; 繁政 英治*

no journal, , 

Using an idea suggested for use in a self-seeding scheme, we have demonstrated an efficient filter for SASE pulses at wavelengths near 20 nm using a helium gas cell. In this wavelength region absorption occurs due to double-excitation. The cross-sections for absorption show Fano profiles, with a region of transparency. For the 2lnl' doubly-excited states the cross-section drops to exactly zero, and absorption only occurs due to Doppler broadening, which is around 0.4 meV at 298 K. Using a gas cell inserted in the beamline of the SPring-8 compact SASE source SCSS, we have demonstrated efficient monochromatisation of the SASE pulses at wavelengths corresponding to the 2lnl' states, using the 3rd FEL harmonic. Due to the absorption there is also a profound effect on the time profile of the SASE pulses, and this has also been investigated. Multi-colour filtering has also been demonstrated.

口頭

EUV-FEL励起He(1snp)からの超蛍光; ストリークカメラを用いた観測

Harries, J.; 岩山 洋士*; 永園 充*; 富樫 格*; 久間 晋*; 中嶋 享*; 繁政 英治*

no journal, , 

Following excitation of 1s3p atoms in a sample of pressures around 3000 Pa the dominant mode of decay was found to be superfluorescence at 501.6 nm. At higher densities superfluorescence on other transitions, 3d-2p at 667.8 nm and 3s-2p at 728.1 nm was also observed. Using filters in front of a streak camera, we have characterized this competitive process. Further, we have studied excitation at 52.2 nm, corresponding to 1s4p excitation. Emission at 667.8 nm emission was found to be dominant, indicating two-step cascade superfluorescence 4p-3d-2p.

口頭

EUV-FEL励起ヘリウム原子集団における多準位間超放射,1; 実験

中嶋 享*; Harries, J.; 岩山 洋士*; 久間 晋*; 宮本 祐樹*; 永園 充*; 大饗 千彰*; 富樫 格*; 繁政 英治*; 笹尾 登*

no journal, , 

SCSSのEUV-FELにより1s3p状態へ励起されたヘリウム原子から放出される多準位間同時超放射の測定結果について報告する。それぞれの超放射の遅延時間と強度のヘリウム原子密度依存性は複雑な振る舞いを示し、単純な二準位模型では説明ができないものである。講演では測定結果の詳細と二準位模型の予想からのずれについて報告する。

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