平成１８年度卒業研究 黄表紙「超短パルスレーザーポンププローブ計測システムの開発」
学籍番号 ０２１２００９
氏名

石田 純

第１章序論

スレーザー技術の確立に伴い生まれた超短パルス

近年、Warm Dense Matter （固体プラズマ遷

レーザー加工も一例である。 超短パルスレーザ

Warmー加工は熱変化を生じない理想的な材料加工の方

Dense Matter は固体物理学、プラズマ物理学の扱法として関心を集めているが、超短パルスレーザ

う領域の間の領域であり、そのどちらでも説明がーによって材料を切断・切削するとき、照射部は困難な未知の物体領域である。 物理モデルがな

短時間に集中されたエネルギーによって、短時間いのと同時に実験データも十分とは言えず、先進の高温高密度状態にあり、これも Warm Dense

各国の研究機関で実験・研究が進行中である。 そMatter となっている。 超短パルスレーザー加工の中で超短パルスレーザーポンププローブ計測をの 技 術 を 定 量 的 に 考 え る 際 に も Warm Dense

用いた実験はアメリカ国立ローレンスリバモア研

Matter 状態の物体の性質を知ることが重要になっ究所のチームと電気通信大学のチームが精力的にている。

行っている。 電気通信大学ではすでに超短パル

慣性核融合は Warm Dense Matter の非常に重要スレーザーポンププローブ計測のシステムを完成な応用となる。

させ、物性データを収集しているが、従来の装置度状態で閉じ込める必要があるため、そのようなの限界も呈し始めている。 水銀の Warm Dense

状態の燃料の物理モデルを得ることが必要不可欠

Matter 物性はこの数年大きな関心事になっていである。

るが、従来の装置では水銀の Warm Dense Matter

ルギーと Warm Dense Matter は広い分野に横た物性の複素誘電率を計測できない。

わる物理である。

移状態）が大きな関心を集めている。

そこで、水また、レーザー核融合に代表される、慣性核融合では燃料を高温高密

このように、天体物理学、工学、エネ物理学として Warm Dense

銀の複素誘電率を計測可能な垂直型の超短パルス

Matter を見たときの一つの興味としては Warm

レーザーポンププローブ計測システムの開発を行

Dense Matter の 状 態 方 程 式 （ Equation Ofう必要がある。

State :EOS）がある。 状態方程式と言えば理想第２章 Warm Dense Matter

気体の状態方程式 PV=nRT が有名であるがこれは２．１Warm Dense Matter とは粒子同士の電気的な相互作用を無視したもので、Warm Dense Matter とは固体とプラズマのWarm Dense Matter では高密度のためにイオン、中間の領域であり、その密度は固体と同程度から電子の相互作用が大きく、これがマクロ的にどの十分の一程度、温度は数千から数万Ｋ程度である。

ような様相を見せるのかは大きな関心がある。

固体の物性については固体物理学（Solid State

２．２超短パルスレーザーポンププローブ計測Physics）が、プラズマの物性についてはプラズマ

本研究では、Warm Dense Matter 生成と計測

物理学（Plasma Physics）が高い完成度で存在し、の手法として超短パルスレーザーポンププローブ積み上げられた研究成果から物性計算を行うこと計測を用いる。

ができる。 しかし、Warm Dense Matter はどち

超短パルスレーザーはその時間の短さから電らの物理モデルを用いても完全に説明することは子回路で信号を取り扱うことはできない。

できない。 また、Warm Dense Matter の実験デ

そこで、ゲート回路を用いて時間波形を切り出ータはまだ十分に出揃っているとは言えず、今後すという手法を取る。 フェムト秒のパルスレー

Warm

ザーをポッケルス素子でスライスして、一部だけDense Matter の代表例として木星のような大型利用し、反射光をフォトダイオードで検出して後、天体の内部が挙げられる。の実験に期待するしかない状況である。

木星はその質量のた電気信号をゲートに入力して時間積分する。 時

めに、内部は重力によってＭbar を超える圧力がか間積分した波形は元のフェムト秒パルスが観測しかり、高温高密度の Warm Dense Matter 状態にた数値と比例関係にあるので、これを電子回路でなっていると考えられている。 また、超短パル扱えば、フェムト秒での観測を電子回路のスピー1ドにあわせたことになる。

あとはディジタルア

垂直型の計測システムである。 水銀の計測を代ナログコンバータで読み取れば数値として実験デ表とする利点もあるが、垂直型の大きな利点としータを記録することが可能である。て、蒸着室を隣接して設置することによって蒸着２．３複素誘電率した試料を真空のまま計測システムに設置し、大単に「物性を計測する」と言っても、温度・気に暴露することなく計測できる。

大気の悪影密度・圧力など計測すべきパラメータは種々ある。

響を除いた計測は例がなく新しい実験結果を得ら

本研究では Warm Dense Matter 物体の光学物性、れることが期待される。

物体の複素誘電率をターゲットにする。

複素誘３．３ 実現する上での問題点

電率は振動する電場に対する物体の応答を表すパラメータである。

垂直型の超短パルスポンププローブ計測シス

電場の振幅に対する物体の分テムを開発する際に障害となる最大の問題はプロ極の位相遅れを複素数で表している。 位相遅れーブ系から、エリプソメトリック計測システムのがある場合、物体中では電場の吸収があることに最終検出部に至るまでの中途でプローブビームのなり、虚数成分の大きさは物体の導体性を表して偏光成分が回転し、計測そのものが不可能になっいる。 複素誘電率は振動する電場に対する物体てしまうことである。 水平型の場合、すべてのの応答であるので、周波数分散を持つ。

測定の反射ミラーをビームの軌跡が直角になるように組際には一つの周波数ではなく、ブロードバンドなみ、さらにミラーによる位相角の変化を相殺する計測を行って周波数依存性を調べる必要がある。

ように、系を組むことによって、最終検出部に至２．４エリプソメトリック計測システム

るまで偏光が回転しないようにすることが出来る

複素誘電率は屈折率に対応しているから実際には屈折率を測定する。

が、垂直型の場合、ポンププローブ計測の光学系屈折率を計測する手法とエリプソメトリック計測システムの光学系がとしてエリプソメトリー（偏光解析）の手法を用「ねじれ」の構造にあるために、先に述べたよういる。 市販のエリプソメトリーではＣＷレーザな方法は不可能である。

ーを試料に照射し、連続的に入射の角度を変えな

第４章 実際の実験装置

がら消光のポイントを探すが、本研究では、入射する光は超短パルスレーザーのシングルショット

４．１装置の概要

であり、実時間で多数のデータを収集する必要がある。
本研究ではすべての偏光の偏角、位相角を揃えた状態で、準備しておきショットが始まったらすべての観測作業を自動で行えなければならない。

第３章 垂直型計測システム
３．１ 水平型計測システムの問題点
Fig.4.1 実験装置の概要

水平型の場合、試料のディスクは地面に対して立てる形で設置しなければならない。 したがっWarm Dense Matter として計測する試料はて、水銀は重力で下に垂れてしまい、計測することができない。

また、試料の設置自体が難しい計測用の真空チェンバー内に設置し、外側からプため、異なる種類の金属を計測する場合はいった

ローブ光とポンプ光を導入してポンププローブ計

ん真空を解き、試料を大気に暴露したまま設置し測を行う。

なければならないため、酸化膜をはじめとする大に蒸着し、ターンテーブル上でレコードのように気の試料に対する影響を取り除くことができない。

回転しながらポンププローブ計測を行う。

また直角を基本にした構造のためプローブ光の入ーブ光は試料にポンプ光と同時に照射され、反射射角度を変更するのも困難である。

光は再びチェンバー外側に出、エリプソメトリッ

３．２ 垂直型

試料はディスク型のガラス円盤の上ク計測システムで偏光成分を解析する。

先に述べた水平型の超短パルスレーザーポン
ププローブ計測システムの問題点を補完するのが2

プロ４．２使用するレーザーの途中で偏光が変化していないことである。 試

プローブレーザーとしてフェムト秒パルスの料から反射した偏光を偏角が変化しないまま計測

Ti:Sapphire レーザー（７４５nm）を用いる。 まの系に持っていくかが考慮するべき点である。

た、ポンプレーザーとして同じくフェムト秒のKrF レーザー（２４８nm）を用いる。

４．５その他の装置

前述の全節までで述べた装置のほかに、ターンテーブ

KrF レ ー ザ ー は プ ロ ー ブ レ ー ザ ー に 用 い る

ルを回すモータの設置、表面イメージを撮影する

Ti:Sapphire レーザーを波長変換し、３倍波にしたための CCD、照明のための白色高輝度 LED、アラものを種光として、KrF 発振器を増幅器として用イメントビーム、カメラ台を調節するためのいて、得たビームである。

プローブレーザーとOPTMIKE、真空ポンプとピラニゲージ等の周辺ポンプレーザーは系に由来する定まった時間間隔機器がある。 電気系統は真空チェンバーの上部でパルスのタイミングを出しており、試料表面にに接着した電極ボードから接続してある。

照射されるまでの光学系のディレイを調節するこ

第５章研究活動とで、試料表面で同時にパルスが照射されるよう５．１エリプソメトリック計測システムの開発にすることが出来る。

まず、ミラーを反射した際の影響を調べるた
めにミラーの入射角と偏角位相角の関係をポーラリメーターを用いて調べた。

４．３試料照射部

ブロードバンドミラーでは偏角と位相角が著しく変化するので単色の誘電体多層膜ミラーによって光学系を組んだ。
また、始めに立体的に光学系を組んだが、そFig4.3 試料照射部のままだと偏光の回転を受けるため、なるべくビ試料照射部は３台のカメラから成り立っている。

ームの軌跡が一つの平面に収まるように光学系を３台のカメラはそれぞれプローブ入射、ポンプ入組みなおした。

射、プローブ反射のためのカメラであり、２本のビームを試料表面のμｍオーダーのスポットに集光する。

出力偏光はエリプソメトリック計測システム

カメラは稼動するオプティクス、の常盤上で、試料表面と同じ偏角が保たれ、位相OPTMIKE アクチュエータによって動き、アライ角の変化も少なくすることができた。

メントして２本ビームを同じ位置にアライメントできるようになっている。
４．４エリプソメトリック計測システム

Fig 4.4 エリプソメトリック計測システム
Fig 5.1 出力偏光

エリプソメトリック計測システムはグランテーラープリズムと四分の一波長板を用いて、プローブビームを分割して計測する。

４つの偏光成導き出したプローブ光をプリズムで分割しフォ分は垂直偏光、水平偏光、右回り円偏光、左回り円偏光である。

トダイオードで検出した。

開発の際に重要になるのは反射3５．２オートアライメントシステムの開発の際に振動がスポットに悪影響を及ぼすのを防ぐ

マイクロオーダーのスポットは振動、ターンテために、ゴムによる除振装置を取り付けた。 実ーブルの回転によって本来の位置からずれてしま際に動作させて、振動が極端に大きくないことをい、ポンププローブ計測が出来なくなってしまう。

確認した。 白色高輝度 LED を取り付けた際に、したがって、計測のためには位置のずれを検出し、後方への光が CCD を飽和させるために、遮光を行フィードバックによって位置のずれを修正するオい詳細な表面イメージが観測できるようにした。

ートアライメントシステムを開発する必要がある。

第６章 結論
プローブレーザー系、エリプソメトリック計

アライメントシステムの概要を述べる。

ま測システムが完成した。

ず、アライメントビームを試料スポットに照射し得られた偏光は偏向角も位相角もほぼ保たれてた後、反射ビームをレンズで集光して、２分割フいた。

ォトダイオードに入射する。 スポットが本来の

また、オートアライメントシステムを組み上げ、位置からずれるとフォトダイオードが電圧の変化必要な動作が確認された。

としてそれを出力するオペアンプで増幅した信号は４．４μm であった。 また、アライメントシ

スポットの動く範囲をターンテーブルの高さを決めている picomoter

ステムを切断すると、大きくスポットはずれておに入力し、フィードバックを掛ける。

り、アライメントシステムの必要性が確認された。

第７章 今後の課題

実際に装置を組んだ時に、アライメントシステムの性能を評価した。

今後の課題のなかでも、最優先されるのはポンプレーザー系の組み立て、プローブビームスポ
ット・アライメントビームスポット、ポンプビームスポット３者を同じ点に集光させるアライメン
ト、プローブレーザーとポンプレーザーのオシロスコープを用いたタイミング合わせである。 その作業が完結すれば、ポンププローブ計測が可能
Fig 5.2.1 +2.5V

Fig 5.2.2 -2.5Vであり、金のポンププローブ計測データを得ることができる。 計測データから改善することにより、装置の問題点を洗い出すことが出来る。 水銀の物性は本研究の重要な部分の一つであり、優先的にデータを収集することが望まれる。

そして、赤色のデータだけでは不十分であるのでブロードバンドなプローブビームによる多波長イメージングに計測の方法を転換する必要がある。 まFig 5.2.3 電圧波形

た、蒸着室の設置、蒸着室から計測用チェンバーへの直接試料搬入も本研究のねらいであり、実現電圧波形からキャリブレーションを行った結果、アライメントシステムはスポットの位置を４．４する必要がある。
参考文献「Warm Dense Matter 物性」米田仁紀

μｍの範囲に収めている。

核融合学会、Vol.81. suppl. (2005)

また、アライメントシステムを切断したところ、スポットの位置の大きなずれが確認された。
５．３その他の装置
ターンテーブルを自動的に回転し、試料をレコード上に移動するためにモータを取り付けた、そ4

プラズマ・