J. Plasma Fusion Res. Vol.98, No.3 (2022)１
１１‐１１８

解説

ジッターフリーなレーザー駆動電子パルスを用いた
超高速電磁場イメージング
Ultrafast Electromagnetic Field Imaging
with Jitter-Free Laser-Driven Electron Pulses
井 上 峻 介，橋 田 昌 樹
INOUE Shunsuke and HASHIDA Masaki
京都大学 化学研究所（原稿受付：２
０
２
１年１
２月１
９日）

エネルギーが数 10 keV から数 100 keV の高輝度短パルス電子は，超高速現象を観察するためのプローブパルスとして注目されている．より高速な現象を捉えるべく，パルス幅の短い電子パルスの開発が精力的に行われており，近年ではそのパルス幅が 100 fs に迫りつつある．本解説では，近年の短パルス電子の発展を概説するとともに，筆者らが開発しているジッターフリーな短パルス電子発生装置を中心に解説する．また，これを用いた最新の成果である，超高速に変化する電磁場のイメージングについて紹介する．
Keywords:
electron pulse, ultrafast imaging, intense laser

１．はじめにションプラズマ等の比較的弱い電磁場を観察したい場合に

１５９０年に可視光による顕微鏡が発明されてから今日に至は，軽い（エネルギーの低い）電子が必要となる．超高速

るまで，より小さいものを，より多くの情報を可視化すべ現象のうち，非可逆な相転移［２，３］やレーザーアブレー

く，X 線や電子，中性子やレーザーなど，様々な量子ビーション［４，
５］といった現象を観察するためには，観察のたムを用いた顕微法が発展してきた．近年では，より小さなびにサンプルを換装する必要がある．このため，短いパル

ものの可視化に加えて，より短い時間に起こる現象をとらス幅だけでなく１パルスあたりの電子数も多い高輝度短パえるための研究，すなわち，時間的な変化をとらえるため

ルス電子が求められている．一般にシングルショットでのの研究が盛んになっている．あるのう

超高速現象観察においては，電子の数が１０５個以上，良質なちに起こる現象（超高速現象）をとらえるためには， そ像を得るためには１０６個以上は必要とされている［６］．例えれと同等の時間だけ観察対象を照らすことのできる短パ

ば，Meng Gao らは，有機塩結晶（EDO-TTF）
2PF6 が相転移

ルスな量子ビームを用いる必要がある．そのため，超高速する様子を電子回折でとらえるため，2.5×105 個/pulse の現象観察のための研究とともに，短パルスな量子ビームの電子パルスを２５００回繰り返し照射し，430 fs の時間分解能

開発が精力的に行われている．短パルス量子ビームの中でで観察した結果を報告している［７］．より高速な現象を鮮も，特にエネルギーが数 10 keV から数 100 keV の電子パル

明にとらえるべく，短いパルス幅を持ち，さらに電子数のスは，溶解や凝固，化学結合の切断・結合といったピコ秒

多い電子ビームの開発が２０００年頃から急速に発展してきたからフェムト秒の間に変化する内部構造変化や超高速に変（図１）．

とても短い時間化する電磁場など，様々な超高速現象を観測する研究へのパルス幅がナノ秒を下回る，高速現象観察のための短パ応用が期待されている［１］．例えば結晶化学分野への応用

ルス電子は Mourou と Williamson によって１９８２年に報告さを考えた場合は，試料へのダメージや散乱断面積減少の問れたフォトカソード電子銃を用いた研究に端を発している題があるため，一般的には数百 keV 以下の低エネルギーで［８］．彼らはパルス幅が 100 ps 秒のレーザーを金属カソーあることが望ましいと考えられている．また，電磁場測定

ドに照射し，そこから発生した電子パルスを 20 kV の電極のためのプローブとして用いる場合，測定対象となる電磁で引き出すことで，パルス幅がレーザーパルス幅と同程度

場の強さ，すなわち系の持つポテンシャルによって，プのパルス電子を発生させ電子回折像を取得することに成功

ローブとなる電子の最適なエネルギーが異なってくる．強した．その後，ストリーク電場を組み合わせ，約 20 ps の電い場を測定したい場合は重い（エネルギーの高い）電子が子パルスを用いた時間分解測定を報告している［９］．その必要となり，レーザー加工分野などに見られるアブレー

後１９９０年代までは，ピコ秒レーザーを使った電子源の開発

Institute for Chemical Research, Kyoto University, KYOTO 611-0011, Japancorresponding author’s e-mail: inoue.shunsuke.o68@kyoto-u.jp

１１１!2022 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.3 March 2022のパルスのタイミングの同期精度も同じように重要となる．例えば，F.B. Kiewiet らの開発したタイミング同期装置
は，3 GHz の発振器による RF 電場の電場振幅と，75 MHzのレーザーパルス発振器のタイミングを18 fs rmsの精度で同期させることに成功しているが［７９］，電子パルスの速度が遅いため，この精度でタイミング同期を図ったとしてもRF 電場により圧縮された電子パルスとレーザーパルスのタイミング同期精度は 400 fs 程度にまで悪化してしまう［４８］．電子パルスのパルス幅を短くすることができてもタイミング同期が得られなければ高い時間分解能を得ることができないため，同期精度を高めるための様々な手法が開発されてきたが［６４，８０，８１］，パルス圧縮のために RF 電場という時間的に変動する場を用いる限り本質的な解決が難
しく，超高速に時間変化する様々な現象の可視化へ向けた
大きな障害となっていた．我々はこれらの問題を解決すべ
く，時間変動する電磁場を排除した静磁場型のパルス圧縮
図１

高輝度短パルス電子開発の変遷．エネルギーが MeV 未
満，１パルスあたりの電子数が１００個以上の短パルス電子
を年代ごとに掲載（１
９
８
４年［９］
，１
９
９
０
‐
１
９
９
９年［１
０
‐
１
８］
，２
０
０
０
‐
２
０
０
４年［２］
，［１
９
‐
２
６］
，２
０
０
５
‐
２
０
０
９年［３，
２
７
‐
４
０，
４
１
‐
４
７］
，２
０
１
０
‐
２
０
１
４年［４
‐
６］
，［４
８
‐
６
３］
，２
０
１
５年以降［６４‐
７
７］，我々の結果［７８］）．

装置を用いることで，ジッターフリーな超短パルス電子の開発に取り組んでおり，本稿ではその研究の概要を報告す
る［７８，
８
２］．

２．高強度短パルスレーザーを用いた短パルス電子発生装置が行われていた．２０００年代になると，レーザー技術の発展

これまで開発されてきた短パルス電子発生装置においてに伴うパルス幅の劇的な向上に伴い，電子パルス幅の大幅タイミングジッターを発生させる大きな要因は，電子パル

な短パルス化が達成される．フェムト秒レーザーとフォトスを圧縮するために印加される RF 電場が振動するタイミ

カソード，DC 電場を組み合わせた DC 電子銃によって，電ングと，レーザーパルスが照射されるタイミングの同期精子のパルス幅が飛躍的に向上し，１パルス当たりの電子数度に起因している．これを排除するために，我々は時間変

４が１０ 個程度，パルス幅が数百フェムト秒の電子パルスが動する電磁場の一切を排除した電子パルスの圧縮装置を開得られるようになったが，図１に示すように，１パルスあ発した．本章ではこの短パルス電子発生装置について紹介たりの電子数が１０４個程度で頭打ちとなっていた．この原する［７８，
８２］．

因は，電子の持つ電場によって１パルスに含まれる電子同２．
１ 短パルス電子発生装置の原理

士が反発しあう空間電荷効果にある．空間電荷効果のため

電子パルス圧縮装置の模式図を図２に示す．高強度短パに DC 電子銃は短パルス化と高輝度化の同時達成が難しい

ル ス レ ー ザ ー（中 心 波 長：810 nm，エ ネ ル ギ ー：という欠点を抱えていた．２０１０年代に入ると，電子パルス

100 mJ，パルス幅：40 fs（FWHM））をアルミニウム薄膜に対するパルス圧縮法が開発され，１パルスあたりの電子（厚さ 11 μm）に照射することで，電子パルスが駆動され数が飛躍的に向上する．DC 電子銃によって引き出されたる．レーザーの電場によって微小な領域に瞬間的に高エネ

電子パルスは自由空間を飛行する間に，エネルギー分散に

ルギー密度状態のプラズマが生成され，高エネルギーの電よって縦方向に伸長する．この電子パルスに RF 電場を与子が加速される［８３‐８５］．この時発生する電子パルスのパ

えて位相回転させることで，空間電荷効果によるパルス幅

ルス幅は，レーザーのパルス幅とほぼ同等であることが実伸長を回避しつつ，パルス幅を再圧縮することが可能と

験やシミュレーションから確認されている［８６］．発生したなった．本手法によって，１パルスあたりの電子数が１０６電子パルスは，後段の電子光学系によって圧縮点（com-個，半値全幅が数 100 fs の電子パルスが得られるように

pression point）まで輸送される．それぞれの位置での電子なった．

の粒子の時間プロファイルを荷電粒子軌道の計算コード

しかしながら，RF 電場を用いたパルス圧縮法では，RF（GENERAL PARTICLE TRACER，GPT［http://www.pul-

電場の位相とポンプとなるレーザーパルスの間に存在する

sar.nl/gpt/］）によってシミュレートした結果を図２（b）‐

タイミングジッターを低減することが難しく，時間分解能（f）に示している．図２（b）はレーザーによって加速された向上に向けた大きな障壁となって立ちはだかっている．超直後の電子パルスの縦方向の位相空間分布で，初期値とし高速現象を観察する際には，高速に変化する現象を誘起すて 40 fs のパルス幅を与えた電子パルスを発生させた様子

るためのポンプパルスと現象を観察するためのプローブパを表している．レーザーを固体に照射した際に発生する電ルスを用いたポンプ・プローブ法によって測定が行われ子パルスは照射点を中心に全天方向へ放射される．このたる．時間分解能はポンプパルス（レーザーパルス）とプめ，そのままでは急速に電子数が減少してしまうので，電ローブパルス（電子パルス）のパルス幅だけでなく，二つ子レンズを用いて平行ビームへと整形し静磁場型の位相回
１１２

Commentary

Ultrafast Electromagnetic Field Imaging with Jitter-Free Laser-Driven Electron Pulses

S. Inoue and M. Hashida

図２ （a）
短パルス電子発生装置の模式図．（b-f）
GPT コードにより計算された縦方向の位相空間での分布とヒストグラム．（b-f）の各図は（a）に示された場所での分布を表している．

転器へと転送する．電子パルスは位相回転器へ飛行する過$程で速度の速い電子と遅い電子の速度差によってパルス幅

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磁石から構成されており，磁石を一周することで速度の早い電子と遅い電子の前後関係が逆転する．二つの偏向磁石!

の間には幅 1 mm のエネルギー分別スリットが挿入されて

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#$+)#!!
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"$ （１）%'!#($$

おり，375 keV±5 keVのエネルギーを持った電子のみが選択される．位相回転器によって前後の位置関係が反転した電子の位相空間分布で表した図が図２（e）である．位相回と表される［７８］．ここで，"は光速，$はアパーチャーの転した電子は四重極磁石によって横方向の形状を成形され直径，!は二つのパルスの交差角，#&はレーザーのパルス

た後，圧縮点において電子が圧縮される（図２（f））．数値'平面における集光径，$は電子の速度，
幅，%'はレーザー &計算によると，40 fs のパルス幅を持つ電子が本装置に入射#$は電子のパルス幅をそれぞれ表している．また，レー

した場合，圧縮点においては 69 fs まで圧縮されると予想さザーパルスと電子パルスの時間分布はそれぞれガウス分布れる．元のパルス幅よりも大きくなる理由は，電子レンズを仮定している．上式より，散乱された電子の分布 !&#'および位相回転磁石の収差が原因である．本実験装置は，を実験的に求めることで，電子パルスのパルス幅 #$を，評

電子パルスの加速から圧縮までにおいて，DC 電場や RF価することができる．

電場などの電場駆動装置を一切用いず，安定な永久磁石の実際に!&#'を測定した結果を図３に示す．実験では圧縮みを使用しているため，原理的にタイミングジッターを発

点 で 直 径 が 約 500 μm の 電 子 パ ル ス の 中 心 部 分 を 直 径生させる要素が存在しない，非常に頑強な構造となってい"），50 μm アパーチャーで切り取り， 直径 12×6 μm（at !

る．ただし，永久磁石を用いている性質上，磁場強度を自在にコントロールすることが難しく，短パルス電子のエネ
ルギーを調整することが難しいという欠点も持つ．
２．
２ 電子パルスのパルス幅測定
圧縮点における電子のパルス幅を，高強度短パルスレー
ザーを用いた散乱によって測定した［３８，８２，８７］．レーザーと電子パルスは５５度で交差させており，このときレーザー
パルスのポンデラモーティブ力によって電子パルスが y
軸方向へ散乱される．散乱された電子の数と距離の積を積分した形で表される関数 !は，二つのパルスの遅延時間を
#として，
図３

１１３

S（#
）
の測定結果．実線と式（１）より，高強度レーザーで散乱された部分の電子パルス幅は 75 fs と求められる．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.3 March 2022

パルス幅 40 fs のレーザーパルスと交差させている．図中のザーパルスが交差するタイミングが変化すると，変化した

実線 は 式（１）で 表 され る 関 数 で あ り，こ れ よ り ア パ ー

量に応じてスクリーン上に映し出されたレーザーパルスのチャーで切り取られた部分の電子パ ル ス の パ ル ス幅は影の位置がx方向に変化する．この変化量の時間依存から，

FWHM で 75 fs と求められた．GPT による予想では初期の装置全体のタイミングジッターを測定することができる．

電子パルスが 40 fs であった場合，圧縮点では 69 fs と計算

図４（c）に４時間にわたり電子パルスとレーザーパルス

されており，予想より少し大きな値となっている．この原のタイミングを測定した結果を示す．破線に示す通り，電因は電子発生部分にあると考えており，40 fs ではなく 49 fs

子パルスとレーザーパルスのタイミングが１時間あたりのパルス幅を持った電子が放出された場合，実験結果を再

200 fs 程度の割合でドリフトすることがわかった．このド現する．この原因は，電子光学系の完全には再現されていリフトは真空槽や室温の温度変化，真空槽内の電動ステー

ない磁場分布による分散やミスアライメント，また，高強ジの発熱などに起因しており，環境温度安定性の向上や真度レーザーにより生成されるレーザープラズマから電子が

空槽内の熱除去を実施することで実線のようにタイミング

放出される際の電磁相互作用が原因でパルス幅が 9 fs ほど

ドリフトを抑えることに成功した．タイミングジッターは伸長した，といったことが考えられるが，原因の同定には４時間を通して14 fs rmsであり極めて安定な電子パルスの至っていない．また，実験では直径 50 μm という限られた発生に成功した．現在残っているタイミングジッターの由

領域でのパルス幅測定となっており，実際には横方向に一来は蛍光スクリーンおよびこれを撮像する光学系の空間分様ではないことが予想される．これらをすべて測定するこ解能に起因している．今後はこの分解能を向上させることと は 困 難 で あ る の で GPT コ ー ド で 評 価 す る と，直 径

でさらに高い同期精度の実証が可能と考えている．

500 μm の電子パルス全体としてのパルス幅は 89 fs と評価

３．超高速に変化する電磁場のイメージング

された．
２．
３ 電子パルスとレーザーパルスのタイミングジッター

本章では，我々の開発した短パルス電子発生装置を用い電子パルスとレーザーパルスのクロスコリレーションにた応用として，超高速に変化する電磁場を観察した例を紹より，二つのパルスのタイミングジッターを測定した．

介する．

図４（a）の圧縮点において，レーザーパルスと電 子 パル

３．
１ 真空中を飛行する光パルスのイメージング

スを交差させ る．交 差 さ せ る レ ー ザ ー パ ル ス の 強度はパルス幅が 100 fs を下回り，ジッターも十分に抑制され1019 W/cm2 となるように集光されており，そのポンデラ

た電子パルスの開発に成功した．その実力を評価するためモーティブ力によって電子パルスが y 軸方向へ散乱されのデモンストレーションとして，パルス幅が 40 fs の光パル

る．その結果，電子パルスの空間分布を観察するとレースが真空中を飛行する様子を撮像した．実験のセットアッザーにより排斥された場所が影となる．図４（b）はレー

プはタイミングドリフトを測定した時のものと同様で，ザーパルスによって電子パルスの一部が排斥され，スク

レーザーパルスと電子パルスのタイミングを電動ステージ

リーン上に映された様子を示している．電子パルスとレーによって任意の値に調整している．図５は蛍光スクリーンでの電子パルスによる発光を CCD カメラで撮像した結果を示している．楕円形に見える像が電子パルスのビームパ
ターンを表しており，カラースケールは線形である．図５（a）‐（e）が，電子パルスとレーザーパルスの交差するタイ
ミングを 100 fs ステップでずらして撮影した写真である．
レーザーパルスの強度はタイミングジッター測定の時と同様に1019 W/cm2 であり，レーザーパルスと電子パルスが交差するとレーザーのポンデラモーティブ力によって電子パルスが散乱され，レーザーパルスが存在する空間の電子パルスが散乱される．この散乱した部分が影となって電子パ

図４ （a）
タイミングジッター測定の概念図．レーザーと交差した電子が y 軸方向へ散乱される．（b）
蛍光スクリーンに結像された電子パルスのビームパターン．［x, y］＝［0.8 mm,−0.2 mm］の部分にレーザーパルスによる影が映っている．
（c）
タイミングジッターの測定結果．

図５ （a）‐（i）
電子パルスでバックライトした光パルス．（a）‐（e）
では撮影するタイミングを 100 fs ステップでずらしており，光パルスが光速で左から右へ飛行している様子を表し
ている．

１１４

Commentary

Ultrafast Electromagnetic Field Imaging with Jitter-Free Laser-Driven Electron Pulses

S. Inoue and M. Hashida

ルスのビームパターンに現れる．タイミングを 100 fs ス

レーザー照射試料となるターゲットを設置し，その表面にテップでずらしていくと，レーザーパルスの影が図中でポンプパルスとしてフェムト秒レーザーを照射する．ター

徐々に右側にずれていく，つまり，レーザーが進行していゲットにはタングステンのワイヤー（直径 0.3 mm）を用いる様子がわかる．このように，光パルスの影絵を，電磁場た．タングステンワイヤーに照射するレーザーは短パルスとの相互作用によってダイレクトに，100 fs ごとに可視化

電子の加速に用いるレーザーから一部を分岐したもので，することに成功した．また，図５（f）‐（i）はタイミングを大集光径 78 μm，フルーエンスが 1.5 J/cm2 となるように調整きく変えた時の様子を表している．−600 fs では左端からした．タングステンのアブレーション閾値は 0.2 J/cm2 程度

光が集光し始めている様子がわかり，600 fs では光が通りであり，本実験でのレーザーフルーエンスにおいてアブ過ぎている．このとき，レーザーが最も集光された場所にレーション率は 30 nm/shot 程 度 で あ る［８８］．ア ブ レ ー

は明るい線が見える．レーザーが真空中の残留ガスと相互ションプラズマの作り出す電磁場を測定するために，ポン作用することで残留ガスをプラズマ化し，そのプラズマがプパルスを照射した場所にプローブとなる短パルス電子を作る電磁場によって電子パルスの軌道が曲げられ，スク

横切らせ，パルス電子は圧縮点から 40 mm 後方に設置されリーン上で集束することによって明るく見えている．このている電子レンズによって蛍光スクリーンへ結像される．

ガスプラズマは 5 ps 後にはより強い電磁場を発生させておこの電子レンズは圧縮点より 15 mm 後方に形成される短り，図５（i）に示すように輝線の強度が強くなる．このようパルス電子の像を転送している．短パルス電子がアブレーに真空中に形成されるプラズマダイナミクスが観察されてションプラズマ生成電磁場によって進行方向を曲げられる

おり，その強さや空間分布などを 100 fs の時間分解能で詳と，その影響によってワイヤー後方に形成される短パルス

細に調べることが可能となった．

電子の像が変化する．変化した像は電子レンズによって蛍

３．
２ レーザーアブレーションプラズマのイメージング

光スクリーン上に結像され，CCD カメラによって二次元画

短パルスレーザーによるアブレーションで加工が施され像として取得される．この像の変化からワイヤー表面に形る過程は，フェムト秒からマイクロ秒を超える広範な時間成される電磁場の大きさや方向などを測定することができスケールで特徴づけられる物理現象が入り乱れる極めて複る．また，短パルス電子がタングステンワイヤーを横切る雑な現象であり，その物理機構はいまだ明らかではない．

直前には金属メッシュを挿入することが可能になっていレーザーを照射した瞬間にそのエネルギーが物質中への電る．金属メッシュによって短パルス電子をマルチアレイ化

子へと移行することがトリガーとなり，その後のアブレーすることで，電磁場の向きや強度をより詳細にマッピング

ションの進展へとつながっていく．このため，アブレー

することができる．本実験では＃４
００の正方格子の銅メッション機構に対する明快な物理的描像を与えるためには，

シュ（ピッチ 62 μm，バーの太さ 8 μm）を用いた．

レーザー照射中から照射直後にかけての電子の挙動を，極図７に実験結果の一例を示す．図７（a）がフェムト秒

めて高い時間分解能で観測し理解することが必須である．

レーザーを照射せず，タングステンワイヤーのみを短パル

そこで本装置を用いて，短パルスレーザーによるアブレー

ス電子によって撮像したラジオグラフ（影絵）になる．

ションが発生した直後の電磁場分布を直接可視化し，アブ

図７（b）にフェムト秒レーザーを照射した 1 ps 後の短パル

レーションプラズマの時間発展を測定することをめざし

ス電子の影絵を示す．これらの画像は１０ショットを積算したものである．以下図７〜図１０の影絵において，図９（b）

た．

の画像以外はすべて１０ショットを積算した画像となってい

本実験配置の模式図を図６に示す．本実験はポンプ・プ
ローブ実験となっており，短パルスレーザーによるポンプ
でアブレーションプラズマを生成し，短パルス電子によるプローブでプラズマが作り出す電磁場の空間分布を測定する，という実験セットアップになっている．これら装置のすべては真空チャンバー内に設置されており，アブレー
ションプラズマの生成とプローブは真空中で実施している．短パルス電子発生装置の圧縮点（図２（f）の位置）に

図７

図６

アブレーションプラズマの作る電磁場分布の短パルス電子による時間分解測定実験の模式図．

１１５

アブレーションプラズマ生成電磁場分布の時間分解測定結果の例．（a）
フェムト秒レーザー未照射時のタングステン
ワイヤーの影絵．（b）
フェムト秒レーザーを照射し 1 ps 経
過した後の影絵．（c）
ワイヤー表面から噴き出した電子によって短パルス電子の軌道が曲げられ，半球状の影が見える仕組みを表した模式図．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.3 March 2022

る．図７（b）の画像中央に見られる半球状の影が電場にが膨張していた．その速度は 1.1×107 m/s 程度で，エネルよって形成された短パルス電子像の変調である．フェムトギーに換算すると 360 eV 程度であった．発生する電子の速秒レーザー照射によってタングステンワイヤーから電子が度分布の中心が 360 eV 程度のエネルギーを持った電子が真空中へと放出され，これによって形成される電場によっワイヤーから噴き出しているものと考えている．また，ワて短パルス電子が排斥され，半球状の影として観察されてイヤーのエッジが作る影の部分は，次第にワイヤー側へといる（図７（c））．また，半球状の影のワイヤー近傍部分

移動しており，10 ps の像を見るとおわん型に歪んでいる（上下の部分）に着目すると，ワイヤーの影が直線ではなくことがわかる．この歪みは，実際にワイヤーがこのような左側に曲がって見える．タングステンワイヤーから電子が形状をしているというわけではなく，電子が上空に放出さ放出された際，電子とワイヤー表面の間にキャビティのよれ，これとワイヤー表面の残留電荷によって作り出される

うな電場が形成されることで，ワイヤーの表面付近を横電場によってワイヤー表面方向へ引き寄せられたために見切った短パルス電子がワイヤーの方へ引き付けられる力をられる形状である．

受け，ワイヤー表面の形状がへこんだ形に見えている．

上述のような実験結果をより詳細に調べるため，短パル

さらに詳細な遅延時間でアブレーションプラズマの作る

ス電子を金属メッシュによってマルチアレイ化し，電場の電磁場の空間分布を観察した結果を図８に示す．図８の各向きや強度をより詳細に調べた．図９にその結果を示す．

画像は，フェムト秒レーザーを照射したのち右上に記載さこのメッシュの線の変位から，短パルスレーザー照射にれている時間だけ遅延を付けて短パルス電子を横切らせた

よって生成されたレーザープラズマによる電場の大きさを時のプロファイルになっている．フェムト秒レーザー照射

計算することができる．図９（b）の画像は，SN を上げて見を照射した 0.1 ps 後から半球状の影が形成され始め，そのやすくするために 8 ps から 8.9 ps までの画像を積算したも大きさが次第に大きくなっている様子がわかる．100 fs ののであり，１００ショットの積算となっている．図９（b）のA

時間分解能でアブレーションプラズマが進展していく様子

点と B 点はそれぞれワイヤー表面から 62 μm，124 μm 上空をとらえることに成功している．電場によって形成されたの金属メッシュにより作られた線の交点の位置である．

影は 0.1 ps の時にはフェムト秒レーザーの集光径と同程度

図９（a）は，A点とB点がそれぞれ元の位置より変位した量になっており，レーザー照射領域から電子が飛び出していから電場の大きさを求め，これの遅延時間依存性を表した

ることがわかる．さらに時間が経過すると，0.5 ps程度までものである．A の位置では 4 ps 程度までは交点が見えなくは急激に影の大きさが大きくなり，それ以降の大きさの変なっており，プローブとなる短パルス電子が遠くへ飛ばさ化は緩やかになる．この影の大きさの膨張する速度はほぼ光速と同程度の速度になっており，真空中へと飛び出した電子により形成される電場のフロントが光速で真空中へ伝搬し広がっている様子や，電子が短パルスレーザー照射後，短パルスレーザーが存在しなくても継続してワイヤーから噴き出している様子を表していると考えているが，現状のセットアップでは短パルス電子ビームプロファイルの拡大倍率が小さく，上記のどちらが支配的な要因として撮像されているのか判別ができない．詳細を理解するためにはより高い倍率，高い空間分解能で観察する必要があり，

図９ （a）
アブレーションプラズマ生成電場の時間分解測定結果．A と B はそれぞれ（b）の画像に示された A 点と B 点に対応している．（b）
8−8.9 ps までの１０
０回分の測定結果を積 算 し た 画 像．A 点 と B 点 は そ れ ぞ れ ワ イ ヤ ー 表 面 か62 μm，124 μm 離れた場所である．

今後の課題となっている．
遅延時間が 0.5 ps になると，影の膨張速度はそれまでに比べて緩やかになり，5 ps 程度までほぼ一様に影のエッジ

図８

アブレーションプラズマ生成電磁場分布の時間分解測定結果．各画像の右上にフェムト秒レーザーを照射してから短パルス電子が横切るまでの遅延時間を示している．

１１６

Commentary

Ultrafast Electromagnetic Field Imaging with Jitter-Free Laser-Driven Electron Pulses

S. Inoue and M. Hashida

れるほど電場が強いことを示している．B の位置では電場

間スケールで時々刻々と飛行する光パルスをダイレクトに（斥力）を感じた後，10 ps 程度後で観察可能な電場がなく撮影することに成功した．現在の装置は高強度レーザーをなっている．6-9 ps にかけて，A の位置と B の位置で電場

電子パルスに変換する媒質として固体薄膜を用い，レーの向きが逆転しており，フェムト秒レーザー照射によってザー電場によって電子をダイレクトに加速している．この

ワイヤー表面から噴き出した電子群が，A 点を横切っていため，電子のパルス幅はレーザーのパルス幅以下にするこる様子を表している．この時，電子群が通過する速度を計とが難しく，時間分解能はレーザーパルス幅によって制約算すると，1.1×107 m/s となり，金属メッシュを用いずにを受ける．しかし，ターゲットに気体を用い，レーザーの評価していた放出電子の速度と同様の値となった．

偏向を制御することで，電子パルス幅がレーザーパルス幅

最後に実験で観察された短パルス電子による電場の空間を下回る，1 fs の電子源の実現が可能であることがシミュ

分布の影絵から，どの程度の電子が真空中へと放出されてレーションにより予言されており，今後の発展に期待できいたのかを評価するために，数値計算との比較を行った結ると考えている［８９］．このように，今回実現した短パルス

果を示す（図１０）．シミュレーションは GPT コードを使っ電子のさらなる高品位化をめざすとともに，まだ見ぬ超高た．GPT ではフェムト秒の時間スケールで電子が金属表面速現象の観察を実施していく予定である．

から放出される様子を詳細に計算することが難しいため，
ここではワイヤーを模擬した金属と，その表面より 10 μm

謝辞

上空に総電荷量が 10 pC の電子を配置し，時間変動のない

本研究の一部は，公益財団法人 天田財団（２０１９年度 奨

静電場分布を構成した．この電場分布の中を，金属メッ

励研究助成（若手研究者枠）AF-2019236-C2）ならびに科学

シュによってマルチアレイ化された短パルス電子を横切ら

研究費助成（基盤研究（C）18K11918，H30-R3 年度文部科

せてできるビームプロファイルを図１０（b）に示している．

学省光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）

図１０（a）に示す，遅延時間が 3 ps の時の実験結果をよく再JPMXS0118070187 の研究助成により行われました．

現することに成功している．実験結果を再現するためには電子の総電荷量とその空間分布が重要なパラメータであ

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布を決定している．電場の空間分布を一枚のシャドウグラ
フ画像から求める問題は不良設定問題であり，実験結果を再現するための解は一意には決まらない，という問題がある．影の大きさやメッシュの歪みといった特徴量を再現するにあたり，電荷量やその分布に対してどのような変化をするかといったパラメータ依存性の調査をより体系的に実(2010).
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施する必要がある．また，軸対称な場の仮定が許されれば，メッシュ歪みの空間分布から Abel inversion によって電場の空間分布を再構築することが可能である．今後は以上のような解析を発展させていきたい．

４．まとめよりパルス幅の短い超短パルス電子の発生をめざし，
レーザープラズマ相互作用により発生する電子パルスを応用する研究を行っている．新たに提案している静磁場型の位相回転器を用いたパルス圧縮装置を用いることで，極めてパルス幅の短くジッターフリーな短パルス電子を発生させることに成功した．本電子パルスを用いて，100 fs の時

図１
０ （a）
遅延時間が 3 ps の実験結果．（b）
GTP によって再現さ
れた影絵．

１１７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.98, No.3 March 2022

うえ しゅん すけ

井 上 峻 介ソニーセミコンダクタソリューションズ株
式会社．２
０
１
３年に京都大学大学院理学研究
科・博士後期課程を修了，博士（理学）．大学では高強度レーザープラズマ物理，量子ビーム発生とその応用，及びレーザープロセッシングの基礎研究に従事していました．２
０２
１年１
０月より現職．

はし

だ

まさ

き

橋 田 昌 樹東海大学・総合科学技術研究所・特任教
授．短パルスレーザーによる微細構造形成
メカニズム解明とその応用に関する研究に従事しています．２
０２
１年１
０月１日に研究室が発足し，今は研究室の立ち上げに注力しています．新奇な機能を材料表面に付与し Society5.0 社会実現に貢献したいと考えています．趣味はソフトボール，テニス，読書．昨年月
より新車に乗り換えました．
https://sites.google.com/view/tokai-univ-hashida-lab/!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

いの!!!!!!!!!!!!!!!!!

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!!!!!!!!!!!!!

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１１８!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!