ミラーによる軟 X 線レーザー集光技術

本山央人＊1

Motoyama Hiroto

三村秀和＊2

Mimura Hidekazu

内側の反射面を，高精度に加工・計測する技術がな

1 はじめにかったことから，実用化には至っていなかったが，光技術の発展には光学素子の存在が欠かせない。

近年，Mimura らにより，ガラス製の回転楕円マン

可視光領域では，様々な光学現象に基づいたアイデ

ドレルの高精度製造技術，及び，ニッケルを材料とアが光学系に実装され，重力波干渉計や超解像顕微したナノ精度形状転写プロセスが確立された 2）。こ鏡等の先端光計測機器が実用化された。特に，集光れにより，形状精度 50 nm（Peak-to-valley; PV）以技術は，計測技術における空間分解能の向上や，光上の高精度な回転楕円ミラーが作製可能となり，軟子密度増強等の重要な役割を担い，その重要性は軟X 線ナノ集光技術開発がスタートした。

X 線領域でも変わらない。

作製された回転楕円ミラーは，高次高調波軟 X 線軟 X 線 は 波 長 1 〜 30 nm（ 光 子 エ ネ ル ギ ー 40〜ビームライン，大型放射光施設 SPring-8，X 線自由1,000 eV）程度の光を指す。この波長領域には，高電子レーザー施設 SACLA 等にインストールされ，い透過率と高い屈折率を有する材料が存在せず，可ナノ集光ビームが実験に供されている 3-5）。本稿で視光の集光に用いられるようなを作製すは，筆者らが SACLA において開発した，軟 X 線自ることはできない。そのため，軟 X 線領域では，レンズ由電子レーザー集光システム，及び集光ビームを利反射を利用した集光素子が広く用いられている。

用した応用実験例について紹介する。

回転楕円ミラーは色収差なく軟 X 線のナノ集光が可能な円筒状の高 NA 集光素子（開口数）として古くから知られていた（図 1）1）。軟 X 線が反射する

2 SACLA における軟 X 線レーザー集光技術開発
SACLA の軟 X 線ビームライン BL1 では，光子エネルギー50〜150 eV，パルス幅 100 fs，パルスエネ
ル ギ ー 100 μJ の 軟 X 線 レ ー ザ ー パ ル ス（SXFEL）が発振する。1 次元楕円ミラーを互いに直交するように配置した KB（Kirkpatrick-Baez）ミラーが共用集光装置として整備されており，3~10 μm の集光ビー
ムが実験に供されている 6）。

図1

回転楕円ミラーによる軟 X 線集光の模式図

軟 X 線はミラーの内面で反射する

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No.775

筆者らは，KB ミラーと回転楕円ミラーを組み合わせた集光システムを SACLA BL1 において開発し図2

SACLA BL1 において開発した軟 X 線 FEL 集光システム

KB ミラーで縮小したビームを，回転楕円ミラーで直径 500 nm の領域に集光する

た。回転楕円ミラーの焦点を，KB ミラーによる開発した集光システムを用いて，光子エネルギーSXFEL 集光点と一致させた，2 段集光の構成となっ100 eV の SXFEL 集光実験を実施した。集光点近傍ている（図 2,3）。KB ミラーの焦点距離が 2 m であに単結晶ダイヤモンドバイト製のナイフエッジを挿るのに対して，KB 集光点から回転楕円ミラーまで入することでフーコーテストを行い，フーコー像をの距離を 0.5 m とすることで，回転楕円ミラー入射手がかりとしてミラーの設置角度を調整した。集光時のビームサイズを 1/4 に縮小する。これにより，サイズはナイフエッジスキャンにより計測した。鉛回転楕円ミラーの全長は 60 mm と比較的小型であ直，水平方向それぞれに，500 × 550 nm（Full-widthるが，入射する SXFEL は取りこぼすことなく反射・at half-maximum; FWHM）の集光サイズが得られた集光される。

（図 4）。光子エネルギー120 eV の場合も同様の集光実験に使用した回転楕円ミラーは，長手方向の形状精度が 20 nm（PV）で作製されており，ナノ集サイズが得られており，波長によらないナノ集光が可能であることが示されている。

光の実現に十分な精度が確保されている。また，ミ

また，作製したミラーにフルパワーの SXFEL をラーの必要設置精度は 10 μrad 程度であるため，姿照射した場合でも反射率の低下は確認されず，目視勢制御にはピエゾステージを用いた。SACLA BL1による表面状態の劣化も見られないことから，回転で発振可能な光子エネルギー50〜150 eV の帯域に楕円ミラーの SXFEL に対する照射耐性が十分高いおいて，ミラーの反射率は 50％程度となっている。

ことも示された。フルパワーの SXFEL を照射した

図3開発した集光装置の外観写真

写真右側から SXFEL が入射し，KB ミラーで反射した後，回転楕円ミラーで集光される

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ナイフエッジスキャン法で計測した，（a）鉛直方向，（b）水平方向における集光強度プロファイル

場合，典型的な光源性能と集光サイズから計算されSXFEL の透過率を計測した。SXFEL 透過率の集光る集光点における瞬時ピーク強度は，最大で 2 ×強度依存性を計測することにより，軟 X 線可飽和10 W/cm となり，固体サンプルからの非線形応答吸収の観測を試みた。

172を誘起するのに十分な強度が得られることが示され

図 5 に Si3N4 メンブレンに対する光子エネルギーた。また，レイリー長はおよそ± 5 μm 程度であった。

120 eV の SXFEL 透過率の計測結果を示す。集光強度が 1015W/cm2 以下の領域での透過率はおよそ 8％3程度であった。集光強度が 1015W/cm2 を超える場合，集光ビーム利用実験

集光強度の大きさに応じて徐々に透過率が高くなる開発した集光装置は，既にいくつかの利用実験に傾向が見られ，8 × 1016W/cm2 付近では，透過率は供されている。筆者らは，形成した高強度集光ビー48％程度にまで上昇した。集光強度に応じた透過率ムを用いて，固体試料の軟 X 線に対する可飽和吸の急激な上昇という特徴から，可飽和吸収が観測さ収観測実験を実施した。

れたと結論づけることができる。この結果は，開発

可飽和吸収とは，固体試料に高い光子密度で光を照射した際，大量の光子により試料内の多くの原子した集光システムにより高強度軟 X 線電場が生成されていることの証拠となる。

が励起され，電子状態が緩和するよりも早く残りの筆者らが実施した実験以外にも，Magneto-optical

光子が通過することにより，光の吸収率が低下する

Kerr effect を利用した磁性分布の走査型顕微計測 10）現象のことを指す。可飽和吸収は可視光領域では古や，集光 SXFEL を利用した軟 X 線レーザー加工のくから知られていたが，軟 X 線，硬 X 線領域におい研究等に用いられている。ナノ集光された SXFELては，可飽和吸収を誘起するのに十分な光子密度を生成するほどの高強度光源が存在しなかったことから，XFEL の稼働により初めて観測が可能となった。
Nagler らによる Al に対する軟 X 線の可飽和吸収 7），
Yoneda らによる Sn に対する極端紫外光 8），Fe に対する硬 X 線の可飽和吸収 9）が報告されている。
本 研 究 で は，Si3N4 を 照 射 対 象 と し た。Si は99.8 eV に L 吸収端を有しており，光子エネルギー100~150 eV の光に対する吸収率が高い。本実験では，照射する SXFEL の光子エネルギーを 120 eV とした。入射する SXFEL の強度は Ar が封入されたガスアッテネータの圧力を調整することで制御した。試料の下流にはフォトダイオードを設置し，26

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図5

集光強度に対する Si3N4 の透過率グラフ

集光強度が高くなるほど，透過率が高くなっている

ビームを利用した応用研究は，今後ますます広がりを見せると考えている。

謝辞
本研究開発は，SACLA 大学院生研究支援プログ
ラム，SACLA 基盤開発プログラムから多大な支援

4 今後の展望を受け，また，多くの研究者の方との共同研究として推進されてきたものです。理化学研究所の，江川

本稿では，筆者らが SACLA において開発した，悟博士，大和田成起博士，登野健介博士，犬伏雄一

回転楕円ミラーを利用した SXFEL 集光システム開博士，小山貴久博士，矢橋牧名博士，大橋治彦博士，発について報告した。光子エネルギー100 eV 付近

夏目光学株式会社の久米健大博士，東京大学の山口の SXFEL をφ 500 nm 程度の領域まで集光可能で豪太氏に深く感謝申し上げます。

あることを示し，生成した高強度軟 X 線電場を利用した，固体試料の可飽和吸収観測に成功した。
SACLA における SXFEL 集光システム開発は現在でも続けられている。1 つは，Wolter ミラーを集光素子として利用する，汎用型ナノ集光システムの開発である 11）。結像条件を満たす Wolter ミラーを利用することにより，必要アライメント精度が 100 倍緩和される。アライメントフリーな集光システムを開発し，より多くの研究者の方が簡便に使用できるナノ集光システム開発を行っている。
並行して，輪帯照明型のナノ集光システムを開発している 12, 13）。本稿で紹介した回転楕円ミラーは，開口の一部分を照明した状態で使われている。これに対して，輪帯照明型ナノ集光システムでは，非球面ミラーを用いて入射ビームを輪帯状に整形し，回転楕円ミラーの全面を照明することにより，集光ビームの NA を高めることができる。理論的な最小ビームサイズは 50 nm 以下となる。空間分解能と集参 考 文 献1） J. Voss, et al., Rev. Sci. Instrum., 63, No. 1,569-573（1992）
2） H. Mimura, et al., Rev. Sci. Instrum., 89, No. 9,093104（2018）
3） H. Motoyama, et al., Appl. Phys. Lett., 114, No. 24,241102（2019）4） H. Motoyama, et al., J. Synchrotron Radiat., 26, 14061411（2019）5） Y. Takeo, et al., Appl. Phys. Lett., 116, No.12（2020）6） S. Owada et al., J. Synchrotron Radiat., 25, No.1, 282288（2018）7） B. Nagler, et al., Nat. Phys., 5, No.9, 693-696（2009）8） H. Yonda, et al., 7501, 75010H（2009）9） H. Yoneda, et al., Nat. Commun., 5, 1-5（2014）10）Y. Kubota, et al., Appl. Phys. Lett., 117, No. 4（2020）11）S. Egawa, et al., 1110804, No. September 2019,3（2019）12）H. Motoyama and H. Mimura, J. Phys. B At. Mol. Opt.
Phys., 48, No. 244002, 9（2015）13）Y. Takeo, et al., Appl. Phys. Lett., 117, No. 15（2020）

光強度の更なる向上が可能となり，
SACLA の軟 X 線
レーザーパルスを利用した新たなサイエンスが拓か（＊ 1 東京大学大学院理学系研究科，＊ 2 東京大学大れる可能性がある。

学院工学系研究科）

SACLA では軟 X 線領域の超短パルスレーザーを発振することができる。その光源性能を最大限に引き出した光学実験を行うための基盤技術として，軟X 線光学系の開発と高度化を推進していく。

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