電子の運動をリアルタイムに計測可能 - 理研がX線レーザー用新技術を提案

理化学研究所(理研)は2月13日、X線自由電子レーザー(XFEL)施設が発振するX線レーザーのパルス幅を圧縮する新たな手法を考案し、同研究所の所有するXFEL施設「SACLA」に適用してシミュレーションした結果、波長1.24Å、パルス幅53as、ピークパワー46.6TWという超短パルス・超高強度のX線レーザー発振が可能であることを確認したと発表した。

成果は、理研 放射光科学総合研究センター 光源物理チームの田中隆次チームリーダーらの研究グループによるもの。研究の詳細な内容は、近日中に米科学雑誌「Physical Review Letters」オンライン版に掲載される予定だ。

光を用いて高速に変化する現象を観察する場合、光の照射時間の短さと明るさが重要で、特に化学反応の過程で生ずる原子や分子の運動の場合、数十fsから数百fsと極短時間であるため、詳細な情報を得るためには光の照射時間はそれよりも短い必要がある。また、観察を実現する明るさを達成するためには高いピークパワーが必要であり、近年、可視光や赤外線の領域では、回折格子などの光学機器を応用したパルス圧縮技術が実用化され、フェムト秒程度の照射時間と高いピークパワーを持った光(超短パルスレーザー)を利用することで超高速現象の解明が進められるようになってきた。

超短パルスレーザーにおけるパルス幅の理論的な限界値は、「その波長に相当する距離だけ光が進むのに要する時間」と同程度だという。例えば、一般に利用される波長8000Åの赤外線レーザーでは約2.7fsになり、この考え方にしたがうと波長1Å程度のX線領域のレーザーの場合、利用可能なパルス幅の限界値は、赤外線レーザーよりも4桁小さい約0.3as(0.0003fs)になるという。

しかし、現在稼働しているXFEL施設で発振しているX線レーザーのパルス幅は、X線領域ではパルス圧縮に応用可能な光学機器が存在しないため赤外線レーザーのパルス幅と同程度の数fsに留まっており、可視光や赤外線領域のパルス圧縮とは異なる新たな手法の開発が求められていたという。

こうしたニーズから研究チームは今回、レーザー発振後に光学機器を用いてパルス圧縮を行うのではなく、レーザー、光学、そして加速器の既存技術を組み合わせ、レーザー発振の過程でパルス圧縮する手法を考案し、SACLAに適用した場合のシミュレーションを実施したとする。

実験では、最初にXFELでレーザー発振するときの媒体である高エネルギー電子ビームに、8000Å程度の赤外線レーザーを照射し、電流ピークがくし状に分布した電子ビームを作製した後、電子ビームを通常のXFELと同様に特殊な磁場を発生する装置「アンジュレーター」に入射。これにより、電流ピークに相当する位置だけでレーザー発振が起こり、X線パルスがくし状に分布したX線レーザーと電子ビームが発生。電子ビームの進行方向を4個の磁石で曲げることでシケインと呼ばれる軌道に誘導する一方、磁石の影響を受けずに直進するX線レーザーを、複数のX線ミラーで迂回させ、次のアンジュレーターに入射するタイミングを電子ビームよりもわずかに遅らせた。

これにより、先頭に位置するX線レーザーのターゲットパルスと、最後尾の電流ピークである「テイルピーク」とが一致することとなり、テイルピークがターゲットパルスだけに作用してレーザー発振を増強することを確認したという。

また、2つ目のアンジュレーター内をある程度進むと、テイルピークはターゲットパルスを増幅する代償として自身のエネルギーの一様性を失い、それ以降増幅を継続できなくなるため、次段のアンジュレーターに入射する際に、ターゲットパルスの位置をテイルピークの1つ前方(8000Å前方)に位置する電流ピークと一致させることで、新しいテイルピークを得るように工夫。

この新たなテイルピークは、最初の増幅にほとんど利用されていないため、引き続きターゲットパルスを増幅することができ、この過程を繰り返すことで、ターゲットパルスは1つずつ前方に位置する電流ピークと一致するように移動し、パルス増幅を継続することが可能となるという。

この過程を、アンジュレーター24個と2カ所のX線ミラーを用いた場合でシミュレーションを実施したところ、波長1.24ÅのX線レーザーが、パルス幅53as、ピークパワー6.6TWで発振することが確認されたほか、同手法を適用しない場合のシミュレーションでは、パルス幅が約20fs、ピークパワーが0.02TWであり、約300倍の効率でパルス圧縮が可能であることが確認されたという。

今回確認された数十asのパルス幅は、原子の周りを周回する電子の周回運動の典型的な周期よりも短いため、電子運動のリアルタイム計測を実現することが可能になると研究グループでは説明するほか、数TWクラスのピークパワーにより、化学反応過程などの超高速現象の観測精度を向上させることが可能となることから、これらの現象の本質に迫ることが期待できるようになると説明している。

なお今後は、X線領域におけるパルス幅の理論限界値である0.3asまでパルス圧縮を実現するために圧縮率の増強に向けた研究を進め、「究極のX線レーザー」の実現を目指すとしている。