J. Plasma Fusion Res. Vol.92, No.7 (2016)５２３‐５２９

解説

高密度プラズマによる X 線レーザーの屈折効果
X 線による蜃気楼現象の観測
Refraction Effect of X−Ray Laser Beam Caused by High−Density Plasmas−Observation of X−Ray Mirages−
FAENOV Anatoly，石 野 雅 彦１），河 内 哲 哉１）
FAENOV Anatoly, ISHINO Masahiko１）and KAWACHI Tetsuya１）
大阪大学，１）量子科学技術研究開発機構（原稿受付：２
０
１
６年４月２
２日）

本稿では，軟 X 線レーザービームをプラズマに入射する実験を実施した際に発見された軟 X 線領域での蜃気
楼（S. Mangnitskily et al., Nature Communication 2013）という魅力的で興味深い現象を紹介する．この現象は，プラズマに入射した軟 X 線レーザービームがプラズマを伝搬する際に受ける屈折効果により進行方向を曲げられ，結果としてプラズマ中に仮想的な点光源を形成しているように見えることが原因であった．また，プラズマの屈折効果が引き起こす面白い現象の一例として X 線の蜃気楼現象の観察とその発生機構の詳細を紹介するとともに，その結果から期待されるプラズマの過渡的な X 線光学素子としての可能性についても述べる．
Keywords:
Soft x-ray laser, coherent beam, plasma density, refraction, interference, mirage

１．はじめに長が短く，物質を構成する元素の共鳴周波数から外れていX 線は１８９５年にドイツのヴィルヘルム＝レントゲンによる X 線に対しては，減衰係数 "が非常に小さくなることとり発見された，というのはあまりにも有名な話である．当合致する．このような条件下では "同様に，#も非常に小時ヴュルツブルク大学にいたレントゲンは，クルックス管

さくなり，結果として通常の物質に対する X 線の屈折率はを用いて陰極線の研究をしていた最中に，黒い紙で覆った

非常に１に近い値を取る．すなわち，X 線は媒質の境界面

クルックス管から 1 m 近く離れた場所に置いた蛍光紙が光で屈折しにくいという結論に達する．実際，広く X 線の伝ることに気付いた．当時から陰極線は空気中を数 cm しか搬方向を曲げるために屈折を用いる X 線レンズや X 線プリ

伝搬しないことは知られていたので，彼は陰極線が管壁とズムの実現は困難であると認識されていた．

衝突する領域から「透過力の優れた何か＝X 線」が発生し現在，X 線は，物資科学や，創薬・医療技術，そして非ているとの結論に至った．その後，X 線は，その正体が不破壊検査などの計測技術や観察技術に広く一般に応用され明のまま７年を経て，マックス＝フォン＝ラウエによる回ており，現代の科学技術や産業において必要不可欠な存在

折現象の確認により，波長の短い電磁波であることが確証になっている．新しい X 線の利用を開拓するうえで，よりされることになる．X 線の発見以降の様々な話が SLAC

高い強度の X 線源への要望は必然であり，そのための光源

ホームページから紹介されている［１］．当代きっての著名開発とともに X 線を集光する試みが絶えず行われてきな科学者達が如何に，この未知なる線源に挑み，考察し，た．その代表的な一つは，Kirkpatrick-Baez 鏡，通常，K-B

どのように物理現象の理解に革命をもたらすに至ったかに

ミラーと呼ばれる斜入射による反射型光学系を用いた方法

ついての興味深い記事であるので一読を勧めたい．

である．近年，超精密加工された K-B ミラーが，X 線自由

X 線を含む電磁波の媒質における複素屈折率 &は，自由電子レーザー SACLA に適用され，9.9 keV の X 線レーザー

電子近似の範囲で，&#$"と表され，実部が屈折率!!#%!%を用いて 30 nm×55 nm の集光スポットを達成するなどの&を，虚部が減衰係数を表す．ここに ##"$"'
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成果も得られている［２］．また，回折現象を利用したフレ

"

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%!である．"，$，'，&，#，!は，各々，ア"#"$ '"

ネルゾーンプレートも代表的な X 線集光素子であり，放射ボガドロ数，X 線の波長，電子の古典半径，構成原子の数

光の集光実験などに広く使われている．最近ではドイツの

&
&
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と$
は，原子散乱密度，原子番号そして原子量であり，$

マックスプランク研究所で波長 1.2 keV の放射光 X 線を直因子の異常分散項である．X 線の発見者であるレントゲン

径 21 nm に集光している例が報告されている［３］．その他

は，発見当時から詳細な実験事実の結論として，未知の線の X 線集光素子としては，細管内部の全反射を用いるキャ源は透過力に優れていると結論づけているが，これは，波ピラリーチューブや，多数のレンズを直列にして X 線を集
corresponding author’s e-mail: ishino.masahiko@qst.go.jp

５２３!2016 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.92, No.7 July 2016

光するレンズアレイがある．そして，EUV 領域（軟 X 線領を媒質とする軟 X 線レーザー（以下，軟 X 線レーザーと呼域）では，Mo/Si 多層膜などの多層膜を球面基板に成膜しぶ．）の強度空間分布の計測時に偶然観察されたものであた多層膜集光鏡が挙げられる．これらの X 線光学素子にはる．この章では，蜃気楼現象の発見につながった軟 X 線

一長一短があり，K-B 鏡に関しては非常に高価なうえに，

レーザー光源について解説し，その後に蜃気楼の観察につ斜入射光学系が基本となるため，X 線の集光には大きな空いて述べることとする．

間を必要とすること，また，ゾーンプレートは高価なこと

２．
１ プラズマ軟 X 線レーザーに加えて，損傷耐力が十分に高くないこと，キャピラリー

実験で使用した軟 X 線レーザーは，量子科学技術研究開チューブやレンズアレイは比較的安価だが集光能力が高く発機構（原子力機構の一部と放医研の統合により設立，以ないこと，そして，Mo/Si 多層膜鏡に関しては，利用で下，量研機構と記述）の関西光科学研究所で開発された実きる波長範囲が限られていることなど，サイズ，効率，損験室規模のコヒーレント軟 X 線源である．レーザーの発振

傷耐力などに依然として問題点が残っていると言える．こ

媒質は，波長 1 μm 和の赤外線レーザーを固体の銀に照射のような背景のもと，コンパクトな光学配置で，高強度のすることによって生じる銀プラズマであり，銀のテープ

X 線でも損傷しない耐力に優れ，高効率で安価な新しい X

ターゲットに，時間的に間隔を開けた２発の高強度レー線の集光光学素子が求められている．

ザーパルスを線状に集光することで生成される．本プラズ

本稿で紹介する内容は，敢えて言うならば，プラズマをマ軟 X 線レーザーは，発振器と増幅器と呼ばれる２つの増用いれば X 線のレンズができるかも，という話題の提供で幅媒質プラズマから構成される．第１のプラズマ（発振器）ある．本誌の読者ならご存知の通り，電子密度 "(のプラズで発生した X 線レーザーを第２プラズマ（増幅器）で更にマ を 伝 搬 す る 電 磁 波 に 対 し て，プ ラ ズ マ の 屈 折 率 は，増幅する「発振‐増幅過程」によって，高い空間コヒーレ

"!
#

""#
"'$ であり，電子密度に空間的な勾配があれ"!"(!

ンスを実現している［６］．この方法は量研機構独自の方法

ば入射光を屈折させることができる．X 線に対するプラズであり，ダブルターゲット方式と呼ばれている
［７，
８］．X

マのカットオフ密度は可視光の場合のそれよりも桁違いに線レーザー装置の概略を図１に示す．銀のテープターゲッ

高いため，屈折効果を発揮させるためにはそれなりに急峻

トに，１発目の高強度レーザーパルスを長さ 6 mm の線状

な密度勾配が必要となるが，原理的には可能であり，しかに集光することで，銀の多価イオンプラズマを生成する．

も入射 X 線と共鳴しない元素で構成されるプラズマに用いこのプラズマは予備プラズマと呼ばれ，続く２発目のレー

れば，吸収による損失を最小限に留めたうえで，損傷閾値

ザーパルスが効果的にプラズマに吸収されるようにスケーも既存の固体素子に比べて桁違いに高くすることができ

ル長の長いプラズマを作ることと，プラズマ中の銀イオン

る．まだまだ荒削りな話ではあるが，次章以降において，を，レーザー作用を持つニッケル様イオン（束縛電子を２８プラズマの屈折効果が引き起こす面白い現象の一例として個持つ閉殻構造のイオン）近くまでイオン化させるという

X 線領域の蜃気楼現象の初めての観測［４，５］と，その結果役割がある．続く２発目のレーザーパルスが照射されるこから期待されるプラズマの過渡的な光学素子としての可能とで，プラズマの臨界密度近傍が一気に加熱される．加熱性について紹介する．

領域の大きさは 20〜30 μm 程度であり，加熱の結果，銀イオンのイオン化が進み，ニッケル様イオンが最も高い比率

２．プラズマ軟 X 線レーザーの高密度プラズマによる屈折効果で存在する時間帯が実現する．これと同時に，ニッケル様

本稿で紹介する X 線の蜃気楼現象は，レーザープラズマに起こり，励起状態ポピュレーションが増加し，$
#と
!&%

図１

イオンの基底状態（$!"!）からの電子衝突励起過程が実効的

ダブルターゲット方式によるレーザー励起プラズマ軟 X 線レーザーの発振‐増幅過程の模式図（上）．
軟 X 線レーザーを 300 μm 間隔のダブルスリットに照射することで生成したヤングの干渉縞（左下）と発散角 0.5 mrad をもつ軟 X
線レーザーの強度分布（右下）．

５２４

Commentary

Refraction Effect of X-Ray Laser Beam Caused by High-Density Plasmas

A. Faenov et al.

!#"!の励起状態間に反転分布が形成される．発振媒質の!

2,048×2,048 pixels，ピクセルサイズ 13.5 μm×13.5 μm）で一端で生じた !
"!!
!#"!間の自然放出光は，この反転!#"取得した画像の横方向に伸びた明るい部分が軟 X 線レー

分布の効果により，銀プラズマ内で指数関数的に増幅されザーの空間強度分布である．得られた強度分布から３箇所る．この方法は過渡利得方式の電子衝突励起法と呼ばれてを切り取り挿入図に示している．軟 X 線レーザービームのいる．厳密に言うと，この方法で得られる光源は，共振器

断面のほぼ全面に渡って密集した同心円状の周期的な干渉によるモード選択が行われる通常のレーザー光と異なり，縞が認められる．挿入図からわかるように，干渉縞の周期

自然放出増幅光（ASE: Amplified Spontaneous Emission）と長は，中心部から円周部に向かうに伴って短くなり，強度呼ばれる．しかし，利得係数が大きいために共振器を組むも弱くなっている．また，この干渉縞は，発振器（第１プ

ことなく高い指向性をもつ X 線ビームが得られることかラズマ）と増幅器（第２プラズマ）からの X 線レーザー

ら，軟 X 線レーザーと呼んでいる．プラズマの高温状態がビームが存在しているときは必ず出現する．すなわち，発維持され続けると，ニッケル様銀イオンの電離が進行し，振器または増幅器の片方を停止させると，干渉縞は観測さ

基底状態イオン密度が低下することで X 線の増幅が止まれない．ビーム利用の観点から見れば，レーザーの強度分る．つまり出力される軟 X 線レーザーはパルス光源とな布に出現する干渉縞は，時として不要な場合があるので，る．パルス幅数ピコ秒の励起レーザーを用いた場合，反転どのような時に干渉縞が発生するかを明らかにしておくこ

分布の生成時間は 10〜20 ps 程度となり，出力される軟 Xとは重要である．そこで，我々は，軟 X 線レーザーの発振

線レーザーの時間パルス幅（半値幅）は，それより短い 5‐増幅条件を変化させながら，注意深く強度分布と干渉縞〜7 ps になる
［９］．この辺りの発振機構については，参考を観察した．その結果，この干渉縞は，発振器と増幅器を文献［１０］に詳しく書かれている．

照射する励起用レーザーの照射時間差（相対的な遅延時

ASE によるレーザー発振では，媒質中のランダムな位相間）が 10 ps であり，かつ，第１プラズマと第２プラズマとの自然放出光が増幅されることから，空間的には部分コの相対角が 0.6 度の条件がそろったときに極めて明瞭に出ヒーレントである．この場合，ASE ビームの広がり（直径）

現することが判明した．

は，発振媒質の長さと直径の関数で表される．一方，完全干渉縞出現の高い再現性を確認したことに続き，我々な空間コヒーレンスをもつ理想ビームの広がりは，ビームは，固定した検出器で干渉縞を積算取得することで，干渉波長と光源の直径との関数となる．第１のプラズマ（発振縞出現位置の空間的な安定性がどの程度あるのかを評価し器）から発生する軟 X 線レー ザ ー の 空 間 コ ヒ ー レンス

た．仮に，軟 X 線レーザーのパルスごとに干渉縞の出現位は，両関数の比から見積もることができ［１１］，その空間コ置が異なるならば，積算の段階で検出器に記録される干渉

ヒーレンスは，完全な空間コヒーレンスをもつと仮定した

縞は平均化され，消えてしまうはずである．この実験では，場合に比べて１桁程度低い値を示す．発振器から発生した検出器として CCD ではなく，LiF（フッ化リチウム）結晶

軟 X 線レーザーは，空間的に部分コヒーレントなビームで［１２］を用い，３０発の軟 X 線レーザーの空間強度分布を積算あり，その空間コヒーレント長は 200 mm 先で 50 μm 程度記録した．LiF 結晶に軟 X 線レーザーが照射されると照射になる［８］．発振器と増幅器の距離は 200 mm なので，発部分に色中心が形成される．色中心とは，結晶中（アルカ

振器から発生した軟 X 線レーザービームの増幅器入口におリハライド結晶が典型例）の格子欠陥に電子または正孔がける空間コヒーレント長は，利得領域よりも大きくなる．

捕らえられたもので，格子欠陥に捕捉された電子（正孔）

したがって，増幅器では，軟 X 線レーザービームの空間コが原因となり，もともと透明なスペクトル領域で光吸収をヒーレンスの高い部分のみを種光として増幅することがで示すようになる．この LiF 結晶中に形成された色中心を紫き，結果として非常に高品質なビームを発生させることが（F+3 ）
外光で励起させることで，波長 530 nm（F2）と 670 nm

できる．上記のダブルターゲット方式で得られる，波長にピークを有する波長 500−800 nm の蛍光が得られる．

13.9 nm の軟 X 線レーザーのパルス当りのフォトン数はLiF 結 晶 に 色 中 心 が 形 成 さ れ る た め の 照 射 閾 値 は109−1010（約 300 nJ）であり，空間的にほぼ完全なコヒーレ

0.1 mJ/cm2 程度と小さく，サブマイクロメートルの十分なンスを持つ．

空間分解能を有していることに加え，この色中心は非常に

なお，第１プラズマと第２プラズマは全くの平行ではなく，安定かつ蛍光発光強度が照射された軟 X 線レーザーの強度

軟 X 線レーザーが実験ビームライン方向に伝播するようにに比例する．LiF結晶は，X線全般に対する高感度で高空間ある程度の相対角（１度未満）をもって設置されている．

分解能の２次元検出器としてたいへん都合が良い特性を備

２．
２ X 線レーザーの波面計測と干渉縞の観察えている．図２中の上段に，実験配置と LiF 検出器で取得

ダブルターゲット方式による波長 13.9 nm の軟 X 線レー

した積算強度の画像を示す．３
０発にもおよぶ軟 X 線レー

ザーパルスの空間強度分布を増幅器の出口から 1,300−

ザーパルスの積算にも関わらず，明瞭な干渉縞が記録され6,300 mm の各位置で計測した実験配置と取得画像を図２ている．この結果は干渉縞の出現位置が高い精度で再現すに示す．空間強度分布は LiF（フッ化リチウム）結晶（図中ることを示している．

の上段），または背面照射型の X 線 CCD カメラ（中段およ以上に述べた実験事実から，軟 X 線レーザーの空間強度

び下段）を光路中に設置し，軟 X 線レーザーを直接受けて分布に現われた同心円状の干渉縞は，物理現象として基本記録した．

的な特性であり，レーザー媒質となる銀プラズマの不安定

背 面 照 射 型 X 線 CCD カ メ ラ（Princeton Inc．画 素 数

性などには依存しないと結論できる．したがって，同心円
５２５Journal of Plasma and Fusion Research Vol.92, No.7 July 2016

図２

様々な距離に置いた検出器で観察した軟 X 線レーザーの強度分布．LiF 結晶中に記録された強度分布（上）と，背面照射型 CCD カメラで観察した強度分布（中と下）．記録された全ての観察像には同心円状の干渉縞が確認できる．LiF 結晶で記録した観察像（上）は３０発のレーザーパルスを積算したものである．

状の干渉縞を出現させる物理現象が軟 X 線レーザー発振実
験のどこに存在するかが次の問題となる．
２．
３ X 線の屈折
X 線レーザー空間強度分布に現われる同心円状の干渉縞の出現は全く予想外の出来事で，当初はこのような現象を導く物理的な原因がわからなかった．光学の干渉原理によると，同心円状の干渉縞が得られるためには，同心円の中心を貫く軸上に２つの点光源が必要で，しかもその２つの光源は互いにコヒーレントである必要がある（図３）．第１の光源は明らかであり，それは軟 X 線レーザーの発振器である．軟 X 線レーザーは銀プラズマ内で ASEによって増幅され出射するので，第１の光源は発振器（第１プラズマ）の出口とするのが適当である．では，第２の光源位置はどこにあるのか？

普通に考えれば，第２の光源は増幅器の役割を果たす第２プラズマの出口にあるということになる．しかしながら，発振器と増幅器の各々から発生する X
線レーザーの位相には相関が無いために干渉縞はできない
はずである．我々は第２の光源位置を実験結果と計算結果

図３との比較から導出することを試みた．

同軸（光路上）に並んだ２つのコヒーレントな光源によって出現する干渉縞の模式図．

実験で観察した干渉縞と計算から描画した干渉縞との比れた［４］．発振器と増幅器の銀プラズマの長さは 6 mm で３．高密度プラズマによる X 線レーザーの屈折効
果の理論的考察と蜃気楼現象

あること，お互いの中心距離はおよそ 206 mm であること

３．
１ X 線蜃気楼とは較から，２つの点光源の距離は 203±2 mm であると結論さから，第２の光源は増幅器の役割を果たす第２プラズマの参考文献［４］で示したように，レーザー生成プラズマは，中にあるということになる．この状況を説明するために高密度でかつ空間的に偏った分布をしているため，可視領は，第１プラズマで発生した軟 X 線レーザーが第２プラズ

域において海面近くでよく見られるような蜃気楼現象とよ

マを透過するときに，増幅を受けるとともに屈折を受ける

く似た X 線蜃気楼 を作り出す条件を満たす可能性があことで進行方向が変化したと考えるのが自然である．

る．プラズマの場合，伝搬する電磁波に対して，密度が大きくなるにつれて屈折率が小さくなるという特徴を持つ．

次章では，このプラズマ中での軟 X 線レーザーの屈折効

つまり，局所的に密度が高くなるプラズマ密度の不均一が果の現実性を理論的に検証した．

ある場合，その密度のピークによって生成されるレンズの
５２６

Commentary

Refraction Effect of X-Ray Laser Beam Caused by High-Density Plasmas

A. Faenov et al.

表面形状は放物面と近似できるため，プラズマの中央付近

ズマの塊に入射することを仮定した．ビームの歪は一般的は理想的な無収差凹レンズとして働く．これが，X 線蜃気

な波の方程式で記述した．すなわち，振幅がゆっくりと変楼生成の原因となり得る．ここで，大きな角度拡がりを持&化するという近似において振幅 !&$'は次のように書ける．

つ軟 X 線レーザーが小さなプラズマ媒質に入射する状況を

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考える．軟 X 線レーザーの一部がこのような仮想的な光学系を通過すると，凹レンズ効果により屈折し，軟 X 線レー

&$(
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'
)
，

ザーのビーム拡がり角が大きくなるように変化する．結果（１）としてあたかも理想的な点光源が近くにあり，そこから光が拡がりながら放射されるように見える．さらに，プラズ&
ここで，$&$'はプラズマの複素誘電率の虚数項，すなわちマの中心軸付近の狭い領域に増幅利得領域があるため，こ減衰（今の場合は増幅）を表す部分である．出力場の複素の領域を通過する軟 X 線レーザーは強く増幅される．

&
振幅 !&
$
'は，元々の光源から自由空間を伝搬するレーザー

その結果，図４に見られるように，軟 X 線レーザービー

光の複素振幅とプラズマ中に現れる仮想的な光源（蜃気楼）ムは，二つのコヒーレントな成分で構成される．一つは，&&&からのレーザー光の複素振幅を用いて !&$$$'#!'(%&'"!$ &'実在の光源から真空中を伝搬し，プラズマを通過中にその&のように二つの成分の和として表される．ここで，!'(%&$'

一部分が増幅される成分，そして，もう一つは，レーザーは，真空中を伝搬するガウシアンビームの振幅であり，以が増幅されることによってプラズマ中に現れる仮想的な下の式で記述される．

ビーム成分である．その仮想的なビームの存在は，X 線の
&
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干渉縞によって我々に見える形となって現れる．このように，X 線蜃気楼という言葉は，可視領域において一般的に

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（２）

理解されている言葉と同様の意味で使うことができる．な

&
!$ &
$
'は，X 線蜃気楼からのレーザー光の複素振幅なので，

お，蜃気楼の発生には，上記，屈折率の空間分布だけでは（１）と同様に，次の式を満足することは容易にわかる．

なく媒質中の増幅率の分布や，典型的な X 線レーザーにお

&
$
'
!$ &
'
#
'
'

いては増幅係数が非常に大きいために生じる X 線レーザーの飽和増幅効果などのいくつかの条件が影響を与えること# $$"# ! $
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（３）
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"
#
#

を注意しておく必要がある．
３．
２ X 線蜃気楼の理論的考察
軟 X 線レーザーがプラズマ増幅媒質中を通過する際に起参考文献［４］のモデリング計算においては，直径 50 μm，長きる現象について，上記に述べた考察について，3D シミュ

さ 6 mm のシリンダー状のプラズマを想定し２次元ガウシ

レーションによって検証を行った．計算では，大きな広がアンの密度分布と最大 15 cm−1 のトータル利得係数を仮定りを持つガウシアンの軟 X 線レーザービームが小さなプラしている．この条件の元，式（１）を用いた数値シミュレー
ションの結果を図５に示す．この結果は，プラズマ増幅媒
質中に仮想的な X 線源が出現することを示している．計算シミュレーションが示す仮想 X 線源の位置とサイズ（図５a）は実験結果とよく一致している．また，密度勾配のみが存在し，増幅効果がない条件では，屈折によって拡

図４

軟 X 線レーザーがプラズマ中を伝播する様子を示す模式
図．（１）
第２プラズマ（増幅器）が無い時，軟 X 線レーザー
は真空中を伝播することになる．（２）
局所的な密度のピー
クをもつ第２プラズマが存在する時，プラズマ中を伝播す
る軟 X 線レーザーは，その一部分が増幅されると共に，プ
ラズマ中の密度勾配により屈折する．（３）
第２プラズマが存在する時の軟 X 線レーザーの出力（２）から第２プラズマが存在しないときの軟 X 線レーザーの出力（１）を差し引いたことを考える．この時，プラズマ中に仮想的な点光源が
出現する．

図５

５２７

計算シミュレーションが示す仮想 X 線源の位置とサイズ（a）．第２プラズマ（増幅器）が存在する場合の X 線レー
ザーの出力形状（b）とその強度分布（c）．そして，X 線蜃気
楼が出現する条件（d）．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.92, No.7 July 2016

がるビームから仮想的な点光源が得られず，プラズマに増成分との間に非常に高品質な干渉縞を形成できることか

幅利得効果がある状態でのみ，ほぼ完ぺきなガウシアンのら，プラズマが X 線の波面を崩すことなく，光学素子とし空間プロファイルを持つ点光源が生成されることも明らかての可能性を拡げる結果が得られている．

になった（図５b）．出力される軟 X 線レーザービームの強今回は，局所的な密度ピークを持つプラズマが対象で度分布の計算結果（図５c）も観察された結果と非常によくあったのでレンズとしての機能は凹レンズであったが，密一致している．これらの考察から図５d に示す４つの事象

度のディップ（窪み）を持たせたプラズマであれば，凸レがプラズマ中で X 線蜃気楼が生成される条件になると思わンズとして作用することが期待できる．急峻なプラズマのれる．すなわち，

生成法とその空間密度分布の制御法など，開発すべき技術

１）プラズマ中に局所的な密度のピークを持つこと．

のハードルがどれほどのものかはまだ見えない部分もある

２）プラズマ中の増幅利得の空間分布と局所的な電子密が，最先端の X 線源はより強力になり，通常の物質ならば，損傷を免れないような輝度の X 線源が現実となりつつあ度の空間分布が一致すること．
３）プラズマ中の増幅利得の領域の大きさが局所的な密る．そのような状況でプラズマを用いた光学素子の耐力の度のピークの大きさと同じか，それよりも小さいこ

高さは，他に類を見ない大きな特徴となるかもしれない．

と．

また，そのようなプラズマの持つ可能性は，X 線に限らず，
可視〜赤外のレーザー光の制御にも転用できる面白い技術

４）軟 X 線の伝搬方向のプラズマの均一性が十分に高いに育つ可能性を秘めている．

こと
である．

謝

条件（１）および（２）は，一般的にプラズマ中において必ず辞しも存在するわけではないということを強調しておく必要

本稿をまとめるにあたり，量研機構量子ビーム科学研究がある．これらの条件は，文献［４］でデモンストレーション

部門の加道雅孝研究企画室長代理（プラズマ・核融合学会

されたように，特殊な生成条件のもとで生成するプラズマ誌編集委員），同 X 線レーザー研究グループの錦野将元

において，過渡的に実現するものである．これは，今回のリーダーをはじめとするグループ員の皆様から多数の助言

実験においてプラズマ生成用とプラズマ増幅器用の二つのをいただきました．この場を借りて感謝いたします．なお，

励起レーザー間の時間差が 10 ps を越えた時に蜃気楼が消本稿で紹介した研究成果の一部，及び本稿の取りまとめに滅したという結果とよく一致する．同様に，二つのプラズ

必要なデータ解析等は，JSPS の科学研究費助成事業［基盤マの相対的な角度が，0.6度を越えると蜃気楼が消滅したと

研究 B（No２
５２８９２４４）および基盤研究 C（１６K０５０３０）］によいう実験結果は，入射 X 線レーザーの光軸と，第２プラズ

り実施しました．

マの軸とのずれが無視できなくなり，条件（４）が成立しな

参考文献

くなったものと考えられる．

［１］A. Assmus, "Early History of X Rays", SLAC (1995), http://www.slac.stanford.edu/pubs/beamline/25/ 2 / 25-2assmus.pdf［２］H. Mimura et al., Nat. Commun. 5, 3539 (2014).
［３］K. Keskinbora et al., Opt. Exp. 22, 18440 (2014).
［４］S. Mangnitskily et al., Nat. Commun. 4, 1936 (2013).
［５］T. Pikuz et al., High Power Laser Sci. Eng. 2, e12 (2014).
［６］M. Nishikino and T. Kawachi, Nature Photon. 8, 352 (2014).
［７］M. Tanaka et al., Opt. Lett. 28, 1680 (2003).
［８］M. Nishikino et al., Phys. Rev. A 68, 061802 (R) (2003).
［９］Y. Ochi et al., Appl. Phys. B 78, 961 (2004).
［１０］H. Daido and T. Kawachi, J. Plasma Fusion Res. 81 (suppl),
126 (2005).
［１１］緑川克美他：プラズマ・核融合学会誌 77, 372 (2001).
［１２］A. Ya. Faenov et al., Opt. Lett. 34, 941 (2009).

４．まとめ
X 線領域での蜃気楼現象の発見は，科学的な立場からは
X 線領域での新しい現象の発見であり，X 線利用応用の立場からはプラズマ計測や X 線の屈折光学素子などの新しい技術につながると期待される．レントゲンによる X 線の発見以来，X 線は透過力が強く通常の物質ではほとんど屈折
しないことが示されてきたため，X 線レンズや X 線プリズ
ムの実現は難しいと思われてきたが，レーザー生成プラズ
マは，非常にユニークな存在であり，その急峻な密度勾配を利用すれば，X 線の屈折も不可能ではない．プラズマを光学素子として用いると，入射光の波面が崩れるのではな
いかといった危惧も十分に考えられるが，本記事で紹介した例では，プラズマによる屈折を受けた後も，他のビーム

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Refraction Effect of X-Ray Laser Beam Caused by High-Density Plasmas

大阪大学未来戦略機構光量子科学研究部門
教授．ロシア科学アカデミー所属．物理・数理科学における博士号（１
９
７
７年）
．専門
は，X 線分光計測，結像光学，高密度プラズマ科学や物質と光の相互作用の研究等，多岐にわたる．現
在は自由電子レーザー SACLA での実験に取り組んでいる．
He is a professor of Division of Photon Science and Technology,
Institute for Academic Initiatives, Osaka University. Memberof the Russian Academy of Sciences. He received the Ph.D degree in 1977. His research interests x-ray spectroscopy, imaging and optics, high density plasma diagnosis, interaction withphoton and matter, and so on. Now he engages with the studyof the SACLA free-electron laser experiments.

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FAENOV Anatoly!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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かわ

ち

てつ

や

量子科学技術研究開発機構，経営企画部次長．１
９９５年京都大学大学院博士後期課程修了（工博）．理研の基礎科学特別研究員を経て，１９９
８年に日本原子力研に入所．２
０１６!!!!!!!!!!!!!!!!!

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河 内 哲 哉

いし

の

まさ

ひこ

石 野 雅 彦!!!!!!!!!!!!!!!!

フ ァ エ ノ フ ・ア ナ ト リ ー!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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A. Faenov et al.

量子科学技術研究開発機構，主幹研究員．
１９９８年東北大学大学院工学研究科（修士）．
日本原子力研究所／日本原子力研究開発機
構を経て現職．２０１０年博士（工学）．X 線光学素子開発，プラズマ X 線源開発を経て，現在は X 線レー
ザーを利用した研究に取り組んでいる．最近の興味は，ゼンマイやバネで動く機械．家族に猫（メス）が加わって，家庭内の女子率が更に上昇した．

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Commentary

年より現職．専門はプラズマ分光学と X 線レーザー．趣味は登山，写真，単車だと信じてきたが，現在どれもできてないことに気付き，焦っている．最近，電車で立ったまま熟睡するコツを掴んだ．弊害はすぐに起きないこと．家族は妻一人，子一人とカメ．

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