J. Plasma Fusion Res. Vol.92, No.10 (2016)７
２９‐７３４

解説

原子準位 X 線レーザーの現状と展望
Development of Atomic Inner Shell Excitation X-ray Laser and Future Prospects
米田仁紀
YONEDA Hitoki
電気通信大学レーザー新世代研究センター（原稿受付：２
０
１
６年８月２
３日）

２００９年に米国で，２０１１年には日本に於いて X 線自由電子レーザーが発振し，我が国の優れた X 線光学技術によって 50 nm サイズの集光が可能になった．これによって，X 線による照射場は 1020 W/cm2 を超え，光学レー
ザーが何十年もかけて上昇させてきた強度が一気に上がったという感がある．光学レーザーの出現で非線形光学を始めとした新しいサイエンスが開拓されていったように，今，オングストロームという波長の光で新しいサイ
エンスがはじまろうとしている．本解説では，この分野の現状と近い将来の発展に対する展望を紹介する．
Keywords:
x-ray free electron laser, atomic inner shell excitation laser, x-ray nonlinear optics, x-ray quantum optics

１．はじめにAtomic physics experiments，Plasma and warm dense mat-

１９６０年にメイマンがルビーで発振を確認して以来，これter studies，Single particle and Biomolecules，Femtochem-

までに様々なレーザーが生まれ，その高性能化，高出力化

istry，Nanoscale dynamics in condensed matter physics，が行われてきた．短波長化の挑戦は，波長短縮によって計

X-ray laser が挙げられているが，非線形や量子光学といっ

測精度や観測対象が小さくなり，また，高いエネルギー状たレーザー科学の部分や，光を波として考えてコヒーレン

態を作りえることもあって，継続的な努力が続けられてきトな制御を行うことはまだ挙げられていない．最初のレーた．真空紫外光のレーザーとしては F2 レーザーなどのエキザーが SASE（Self Amplified Stimulated Emission）というシマレーザーがあり，X 線レーザーも１９８５年に CO2 レー

ノイズを種として発展した X 線レーザーであり，図１のよザーを励起源として炭素プラズマで１８２Åの X 線レーザー

うにその発振スペクトルを見ても，複雑かつショットごと利得が観測され［１］，その後，このようなプラズマをベースとした X 線レーザーが，大型のレーザー施設もしくは瞬間的にピーク強度が高く非平衡性を生みやすい超短パルスレーザーにより研究されてきた［２］．
一方，自由電子レーザー［３］は，媒質が存在しないレー
ザーとしての特徴を持ち，通常の媒質では発振できない波長領域での利用が期待されていた．しかし，発振波長が短くなると電子ビームのエネルギーやエミッタンスに対する要求が高くなり，２００９年に米国で LCLS（Linac Coherent
Light Source）が発振するまでは，X 線レーザーとしての実現可能性は１００％とはいい難い状態であった．しかし，成熟した加速器技術と多くの研究開発［４］によって，コヒーレ
ントな X 線が光子エネルギー 10 keV を超えて発生できるようになり，X 線レーザーの領域でいきなり主役となってきた．
今でこそ X 線量子光学的な研究がいわれているが，発振時や建設当時には，そのような研究展開はあまり大きな流図１

れになっていなかったと感じている．例えば，LCLS の研究立ち上げ時（２０００年）に出された"LCLS The First Experiments"という feasibility study の中には，カテゴリとして，

XFEL の SASE モードの場合のスペクトル．エネルギー幅
40 eV 程度の範囲でランダムなスパイクをもったものが観測されている．

Institute for Laser Science, The University of Electro-Communications, Chofu, TOKYO 182-8585, Japanauthor’s e-mail: yoneda@ils.uec.ac.jp

７２９!2016 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.92, No.10 October 2016に変化する構造をもったものになることが予想されたためルの狭い 850 eV の中心光子エネルギーをもつレーザーにである．このような X 線レーザーでは，パルス内に複数の変換されている．

縦モードと呼ばれる状態が存在し，波として１つの波束と以上のスペクトル制御の方法は，それぞれ特徴と利点がは見ることができず，大まかには１０程度のパルスの重ね合ある．前者の XFEL 本体を狭窄化する方法では，FEL の特わせになっている．先に述べた非線形や量子光学は，１つ性を保つためにいかなる波長にも同調させることが可能での量子状態やモードあたりの強度で決定されるので，きれある．一方，後者の原子準位を用いる方法では，物質系にいな状態を作るのが難しい．

エネルギーを移行させた後に高コヒーレント光を発生させこれらを打開する手段として，X 線自由電子レーザー

るのでパルス幅やスペクトル構造など様々な特性の光に変（X-ray Free Electron Laser: XFEL）側で狭窄化されたシー換することも可能になる．以下では後者の研究の状況や将ド光を注入し，発振スペクトルを制御することが考えら

来の展開の方向性について紹介する．

れ，実際に実験されている［５］．これは，多数のアンジュ

２．高エネルギー化への道

レータ磁石セットからなる FEL の特性を活かして，前半部で出た SASE の光を分光および狭窄化した上で後段で増幅前述した Rohringer の Ne K#レーザーは，いわゆる原子する手法であり，0.4−0.5 eV のバンド幅まで狭窄化されたの準位を用いたレーザーであり，多くのレーザーが，教科

X 線レーザー発生に成功している．もう一つの方法は，書に載っているようなこの原子・分子内の準位を用いてい

レーザー励起レーザーを作り，そこでエネルギー変換をしる．１９８０年代後半に出てきたプラズマ X 線レー ザ ー でてしまうことである．現在，可視域のレーザーの多くが半は，１００〜４０Åの領域までいったものの，このプラズマを使

導体レーザー励起になっているが，この中で，空間，時間用する方法では励起が困難になり，短波長化ができなかっコヒーレンスは理論限界まで達していないが，他のレーたという経緯がある．必要とされる励起強度が波長のザーを励起するには十分な集光性能をもつ半導体レーザー−3 乗から−4 乗の関数になっており，その励起強度をとれ

で他の媒質を励起することで，質の高い，制御された光をなかったためである．それを，波長で１５Åまで短縮したの生み出している．X 線に対しても同様な考えが可能であが Ne K#レーザーである．例えば，レーザーとして十分なる．高い光子エネルギーには原子のより深い準位を使う必

利得長をとるような条件を仮定し，必要とされる励起密度

要があり，最終的に原子核に最も近い K 殻電子が励起さを計算すると，以下のような式になる．
"$!"%&%# ,*
$
$,*
$"
%
""'
$
#
$,
$
!
*

れ，その空孔に外側の電子が落ちてくる遷移を用いることになる．図２にエネルギー遷移の概念を示す．K 殻電子の励起を行うと，放射過程だけでなく Auger 電子放出という非放射過程も大きな分岐比をもって起きてくる．特に原子

ここで，$ は励起パワー，"は励起領域の長さ，# は励起

番号が高くない限り，蛍光比率は半分以下になる（例えば，体積，!"は利得長積，&はプランク定数，%は光速度，

Cu では６０％が Auger 電子放出）．一方，下準位にあたる状$,*はレーザー波長，$!は励起波長，"$,*は発振波長幅であ態では，L 殻電子が１つ空孔状態にあって，光励起の場合，る．この式で，典型的な条件 !"""!，波長幅 5×10−4 を代

開始時にこの準位に原子がいることはない．すなわち反転

入し，$!#$,*とするとÅ単位で発振波長を記述した場合分布が起こりやすいレーザーとなっている．

の励起強度は，

この原子 準 位 レ ー ザ ー を XFEL で 行 っ た 最 初 の実験!
$" "& !"( $
" !" % ! #"
#
+
$,*&
Å' )

が，米国 LCLS での N. Rohringer らの Ne の内殻励起レーザ ー で あ る［６］．こ の レ ー ザ ー で は，970 eV 程 度 で
10−20 eV の幅をもった SASE 光によって，Ne の 1s 電子をの よ う に な る．Ne K#レ ー ザ ー で も 必 要 強 度 は，

イオン化させ，その後 2p 電子が１s に落ちてくる際に出す

3×1014 W/cm2 になる．この強度が準位の励起に有効なス

K#線のレーザー化に成功している．その結果，数 eV レベ

ペクトル幅で必要となるので，通常の熱的な励起では追いつかない．一方，XFEL では，0.1 mJ/100 fs 程度の X 線を
2 μm 程度に集光することで，3×1016 W/cm2 程度にすることができ，SASE タイプの XFEL でも内殻電子の選択励起には十分狭い（〜20 eV）光であるので，これまでと違って，容易に内殻光電離レーザーが可能になった．その意味
でも，XFEL の寄与は非常に大きく，ランプ励起レーザー
から半導体励起レーザーに代わったときのような大きなジャンプとなった．
しかし，必要とされる励起強度が波長の−４乗という依図２

存性は非常に厳しく，さらに波長短縮化を行おうとする

内殻電子励起 K#線レーザーに関連するエネルギー状態と一般的な物質状態での各遷移の分岐比．例として銅原子を仮定し，示している．KLM は K 殻，L 殻，M 殻の電子軌道を示し，肩の数字は空孔数を表している．

と，励起条件を一層厳しいものにする必要がある．例えば，
Ne K#レーザーの１５Åから 1/10 の 1.5Åまで短波長化しようとすれば，その必要励起強度は４桁も増加し，一気に７３０

Commentary

Development of Atomic Inner Shell Excitation X-ray Laser and Future Prospects

1019 W/cm2 台のものが必要になってくる（上式のスケーリ

H. Yoneda

そう考えたのだ．

ング則では 3×1018 W/cm2 となるが，十分な長さ分この強最初の実験は，前述の X 線光学グループが 50 nm 集光の度を保つためには，入射強度は数倍上になる．なぜなら一光学系を開発し，集光性能をチェックした直後のマシンタ

般的には吸収により長さ方向で励起レーザー強度は指数関イムで行った（図３（１）参照）．集光性能は参考文献［８］で数的に低下するためである）．これに加えて，短波長化に与えられているように 50 nm 前後まで，２枚凹面鏡の組み向かうと波長の逆数程度で上準位の寿命が短くなるため，合わせで構成される Kirkpartrick-Baez（K-B）光学系で集高速な励起が必要となる．例えば，1.5Åの Cu の K"線の場

光されている．実は XFEL のパルス幅は実測されていな

合，上準位寿命は１fs 程度であり 100 fs の XFEL で励起しい．エネルギーは測定できるが，強度は XFEL の計算機シたのでは実質的に１％しか利用できない．

ミュレーション，スペクトル構造から類推する方法しかな

また，波長を短くしていっても，それによって新たに特く，パルス幅が 10 fs 前後という状態であった．それでも，別なことが起きなければ，科学的なインパクトは出にく

この集光径では，たった 10 μJ の XFEL 出力でも目標とい．プラズマ X 線レーザーの場合，１つめのハードルはいな る 5×1019 W/cm2 を 達 成 で き る．SACLA の 出 力 は

わゆる 水の窓 と呼ばれる炭素と酸素の K 吸収端エネル

200−300 μJ であったので，光学系へのカップリングロス

ギーの間（３０−４０Å）の X 線レーザー発振であった．一方，（XFEL では，ビームの口径，発散角は FEL の動作条件にそれ以上の高エネルギー光子化が進んだ場合に何が起きる

よって決まり，この実験時には 5−6％ のエネルギーしか最かについて，今のところ以下の２点が考えられる．一つめ

終集光光学系には到達しなかった）を考慮しても十分可能

は，固体の格子定数に匹敵するレーザー波長になれば，結性がある．

晶などで決まった間隔をもったものが波長依存性の光学素はたして，図４に示すような K"線に対応するところに子として簡単に利用できるようになること．もう一つは，発光が観測されたのである．このスペクトル写真では，縦大気伝播の可能性である．後者は，最近になって著者らが方向は空間，横方向が分光器の分散方向になっているが，認識し始めたことであるが，多くの X 線レーザーは，実はこの測定は，ターゲットから 5 m ほど下流の地点で行って真空の中でしか存在できず，大気に出た瞬間に空気の吸収（１）で伝播しなくなってしまう．ところが10 keVに近くなると優に 10 m 程度伝播が可能になり，レーザーが真空紫外（#!180 nm）になった時から再び大気内を長尺に伝播でき（２）

るようになるわけである．通常，健康診断に用いられている X 線は大気を伝播できるので，身体の診断に簡単に用いることが可能で，これらを鑑みるに，ハード X 線領域に行くことが X 線レーザーの応用を各段に広げる上で重要となる．

図３

XFEL 励起原子準位レーザーの概念図．（１）はASE型のもの
で，高収束性をだすために，集光光学系が２段になっている．（２）では，FEL を前半後半で別々の波長で発振させ，その片方を励起光，もう片方をシード光としたもの．

図４

K"線レーザーのスペクトル．上図は分光器の２次元イメージの画像で横方向がエネルギー分散，縦方向はターゲット
からの発散角を示している．下図はこのスペクトルの強度分布を示していて，半値幅で 5 eV 程度のものが得られている．

しかし，前述したように原子準位レーザーを考えた場
合，格段に高い励起強度を必要とする．XFEL 自身としては，電子の空間電荷などの制約でピークパワーがある程度制限されるので，現状では，桁違いに大きなエネルギーをとりだすことは困難である．そうなると，残る解は集光性能を上げ，X 線集光場を上昇させることになる．筆者の印象ではあるが，レーザー光の集光径は回折限界，すなわち波長に比例した形で縮小されるものの，それを利用して集光強度を格段に上げたという話は，過去の X 線レーザーの中であまり聞こえてこなかった．もちろん，X 線レーザー
やシンクロトロン放射光で照射した物質の顕微画像を得るための優れた光学系は存在していたが，集光系となるとサブ μm止まりになっていることが多かった．一方，X線の領域では，光学波長からの延長の光学技術とは異なった技術が用いられており，シンクロトロン放射という，空間イン
コヒーレントなハード X 線を使っても数 nm の集光が可能な光学系が開発されてきた．この領域では，日本の技術がトップであり，三村，山内らによって，XFEL の集光をめざした 10 nm 以下の集光さえ可能な光学系が実現されてきた［７］．波長が 1/10 で集光径が 1/10 になれば，同じビーム
出力での集光強度は１００倍になる．この戦略を用いれば，前述の短波長化に向かうハードルを超えることができると，
７３１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.92, No.10 October 2016

お り，こ の 高 さ 方 向 の 広 が り か ら 得 ら れ る 発 散 角 はする．原子などが光を放出する過程には自然放出と誘導放4−5 mrad となっている．この値は，集光径から見積もら出があり，この２つの比は，モードあたりの光子数を nれる励起領域の断面の大きさから考えて，ほぼ回折限界にとすると，1："となる．レーザー動作で重要となる誘導放近い広がりを示しており，空間的にもモードがきれいな出を主過程とするためには，モードあたりの光子密度を増レーザーが得られたことがわかった．この K#レーザーの加させればよい．それには，空間形状を伝播方向に細長く

励 起 エ ネ ル ギ ー 依 存 性 を 図５に 示 す．強 度 に し てした励起領域を作り，その端面での自然放出光強度より十2×１０19 W/cm2 程度から急激に立ち上がっていることがわ

分強い種となる光を入れる．前者は例えばファイバーレー

かる．これはレート方程式と輻射輸送を入れた１次元の計

ザーなどで起きていることで，もとから伝播できるのが単算機シミュレーション結果と一致するものであった．

一空間モードの媒質を励起すれば，空間的には唯一の波となっているのでモードあたりの光子密度が上がりやすい．

３．高コヒーレント化

後者は多くのレーザーで行われている手法で，パルス，レーザー開発では，常に光のコヒーレンスを理論限界まCW レーザー双方で用いられる．

で高める方向に進んでいく．計測や物質制御，また，非線

さて，ここまでは通常のレーザーの知識があればわかる

形光学，量子光学的な応用を考えるとレーザーのコヒーレことだが，X 線レーザーではどうなるか．それを以下で説

ンスは最大であってほしいからだ．よく知られているよう明する．

に，コヒーレンスには時間・空間の２種類がある．空間コ（１）空間コヒーレンス

ヒーレンスでは，レーザー光が断面方向にいくつの基本

例えば，単一モードファイバーを考えてみる．通常

モードの波の重ね合わせで構成されているかが鍵となる．

は以下の式に表されるコア・クラッドの屈折率差とコ言い方を変えれば，空間モードの単一性が理論限界にな

アの半径，波長によって決まる V 定数と呼ばれる値のる．時間コヒーレンスでは，一般的にはコヒーレンス時間

大きさで単一モード性を評価する．

と呼ばれる干渉しやすさで規定されるが，これだとパルス%! " "$" " !"!
!""$

レーザーはもとからパルス幅で上限があるので，ここでは，レーザー光のスペクトル幅とパルス幅の積がフーリエ限界と呼ばれる値に比べてどのくらい小さいかで評価す

ここで，$""!
#程度で基本モードだけになる．例える．これが最小になっていないとパルス幅内にいくつものば，通 常 の 1 μm 波 長 の フ ァ イ バ ー で は コ ア 径 が波群が存在することになり，非線形光学現象などを考える

6〜7 μm，屈折率差は１０−３台になる．XFEL 照射領域とパルス全体を１つのものとみなせなくなり，エネルギー

でどのような屈折率差が存在できるかは，まだ議論のが分散され１つ１つの効率が低下する．

余地があるが，もとから屈折率の１からの差は小さいので，１０−５程度かそれ以下であろう．そうすると 1.5Å

コヒーレンスの向上は，レーザーの発振にも大きく影響のハード X 線レーザーでファイバーのような単一モード性を期待すると口径は 50 nm 以下にならないと実現できない．いささか定量性には欠けるが，集光径を小さくし励起断面積を縮小させることは，強度を上げる
だけではなく空間モードを制限する意味でも重要な役割を示すことがわかる．
また，細長い励起領域を作ろうと思っても，通常の状態では外部からの光は吸収長と呼ばれる長さまでしか浸入できない．この吸収長は，ハード X 線領域では
K 殻の電子と L 殻の電子の吸収係数のみで決まるので，元素を決めてしまうと長さが決まってしまうと思
われ，XFEL 励起 X 線レーザーでは制御できないパラ
メータと考えられていた．しかし，２０１４年，これまでの可視〜赤外と同じようにハード X 線でも可飽和吸収が起きることが示された．この研究では，SACLA（さくら，SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser）の XFEL パルスを強度を変化させながら Fe の薄膜に照射し，その透過スペクトルを観測しているが，
図５

励起エネルギー密度に対する発生した K#線の強度．下の□点はシード光を入れない場合で，レーザーのしきい値はほぼ 105 J/cm2，強度にして 2×1019 W/cm2 となっている．上の●はシード光を入れた場合で，しきい値が１桁程度下がり，引き出しエネルギーも１桁程度増えていることが確認された．

いわゆる K 吸収端より高エネルギー側では，固体内原子の K 電子が数１０％励起されることで K 殻吸収端自身が高エネルギー側にシフトし，１０倍以上透過率が増加することがわかった．この可飽和吸収が起き始める強度は 6×1019 W/cm2 程度であり，ここで考えている
７３２

Commentary

Development of Atomic Inner Shell Excitation X-ray Laser and Future Prospects

H. Yoneda

４．このレーザー媒質の状態はプラズマか？

XFEL 励起 X 線レーザーのしきい値程度であることも示された．可飽和吸収が起きれば，低温状態の原子でこの研究をしていると，多くのプラズマ研究者から，決まる吸収長よりも内部に励起レーザーは浸入し，そ「これはプラズマなの？」という質問を受ける．プラズマがれだけ細長い励起領域を作ることができる．図６でイオン化した集合体であるならば，このレーザー媒質はプ

は，このレーザーしきい値強度の付近で入射強度によ

ラズマではあるが，金属の伝導帯の構造は変化しながらもり浸入長が伸びていることがわかる．このことも原子

残り，近接原子の影響も受け，原子位置も XFEL 照射前の準位 X 線レーザーでは鍵となる機構であった．

格子定数をほぼ保ったままになっている．強結合プラズマ
はクーロン場と熱エネルギーの比で決まるが，原子の整列（２）時間コヒーレンス

状態は通常結晶状態程度に保持されている．レーザー利得

時間コヒーレンスを高めるには，スペクトルを狭窄化する．上準位寿命が長い場合には，共振器内に分散が出ている状態のイオン化率は１０−２０％であり，エネル

素子を入れ発振波長の狭窄化を行うことも可能である

ギー密度は 1−2×107 J/cm3 である．これは，圧力にしてが，ここで考えている K!線の上準位寿命は 1fs 程度で１００万気圧を超え，固体とプラズマの遷移領域にあると言あり，外部からのシード光注入か，放射する元素を量われる warm dense matter 状態よりも高い．

子井戸のような周期境界条件下に置くことが考えられこの媒質の特徴は，エネルギーを保持している形態が原る．このうち前者は，シード光をどこで求めるかが問

子の最内殻電子のイオン化（もしくは励起）エネルギーで題となる．FEL では，複数のセットのアンジュレータ

あり，非常に短い時間の間は，他の状態密度が低い整ったで２色の発振が１つの電子ビームで生成可能であり，状態で高エネルギー密度を維持していることである．このSACLA でもこのことが実証された［１０］ので，この研ユニークさが高い利得を生み，ハード X 線でありながら光

究では２色化 XFEL を用いて実験を行っている．この導波路のような構造も物質内に作る［９］ことができる．

場合，励起に使う X 線は，K 吸収端よりわずかに上のこの状態は，光学レーザーでは作りえなかった．その理

光子エネルギーに同調し，シード光には，K!線の発

由の１つは，光学レーザーでは臨界密度が存在し，固体密

振領域を含む SASE 光を利用することにした．この度のプラズマに電磁波が入ることができないことであり，SASE 光自体は図１にあるように 40 eV 程度のエネル

もう１つはエネルギーのある程度そろった光励起で固体中ギー範囲にランダムにスペクトルが現れている．この複の原子をまんべんなくイオン化できるようになったことで数のスパイクのうち１つは K!の利得内に入ることがある．

予測されたため，この SASE 光をシード光とした（図３

もちろん，早い段階で Auger 電子や L 殻電子のイオン化（２））．その結果，図７にあるような狭いスペクトルを等で高温の電子雲にさらされ，最後は通常のプラズマに持った K!線レーザーの発生に成功した．その時の励なっていく．この研究は，その前の段階でエネルギー変換

起強度依存性をとったものを図５に合わせて示していや物質パラメータの変化を使った機能を実現したことが鍵る．シード化によりレーザー発振のしきい値が下がとなっている．
ここではまた，誘導放出で生じたレーザーも物質状態にり，さらに速い段階から誘導放出が主となるために，カップルしたものとして存在していることがわかってき

引き出しエネルギーも増大していることがわかる．

た．図２で示したように，室温状態では各準位間の遷移確率が決まっているところに，１つの遷移に共鳴する光があ

図６

可飽和吸収による励起光のより深い領域への浸入状況の計算機シミュレーション結果．点線は 1×1019 W/cm2 を実線
は 5×1019 W/cm2 を示している．この 図 は パ ル ス 幅 7 fsの励起光を仮定し，その中で最も K!線の利得が高くなる時間の強度分布を示している．弱い強度では指数関数的な浸入になるが，強くなると可飽和吸収により平坦度が増した
形になる．

図７

７３３

シード化された K!レーザーのスペクトル．上図はスペクトロメータ内の２次元画像の様子で，図３同様に横軸はエネ
ルギー分散方向，縦軸は発散角方向になっている．下図はその断面強度分 布 で，半 値 幅 と し て 自 然 放 出 よ り 狭 い
1.7 eV が得られている．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.92, No.10 October 2016

る程度の強度で存在すると，誘導放出が主となり，その結果他への自然放出などの遷移が抑制される．これは，以下の実験事実から明らかとなった．
（１）通常 K!線は L 殻電子の角運動量によるエネルギー差から K!１と K!２の２本が，その統計重率の比である
２：１で発生する．しかし，K!線レーザーでは，シード光を入れない場合には K!１線のみが主に観測され

図８

る．シード光をいれない場合には，ほぼ K!２線のみしか発光しない状態も作ることができた．
（２）観測された K!線のスペクトル幅は，最狭窄されたも共鳴光と物質との相互作用で生まれたと考えられるサイドバンドをもった K!線レーザースペクトル．きれいに対称にスペクトルのサイドバンドが生じていて，中心の半値幅は
図６に比べてさらに狭窄化されていることがわかる．

ので，1.7 eV 以下と自然放出の発光寿命から決まる幅
2.2〜2.5 eV を下回っている．したがって，誘導放出には実現できていない．しかし，ここ２年くらいで欧州を始より準位の寿命さえもハード X 線の領域で変化するこめ多くの XFEL 施設が立ち上がるので，これまで以上の結とができるのがわかった．

果も出てくるだろう．せっかく秀でたスペックを誇っているのだから，日本はいまのうちにもっとイニシアティブを（３）この共鳴レーザー光を物質内に長く伝播できるような発揮した研究をしておくべきだと強く思う．

レーザー条件にすると，図８に示されたように狭窄化されたスペクトルの左右に対称のサイドバンドスペクト
ルが現れた．これは，共鳴光により原子系が準２準位

参考文献

的な振る舞いをした場合に生じているスペクトルと考［１］S. Suckewer et al., Phys. Rev. Lett. 55, 1753 (1985).
［２］例えば，プラズマ・核融合学会誌２
０
０
１年２
‐
５月号の講座「Q&A 集でみる X 線レーザー」加藤義章他著などを参
照．
［３］自由電子レーザーの基礎に関しては，例えば，三間圀興，今崎一夫：核融合研究 59, 311 (1988)を参照．
［４］米国の LCLS の開発では，
１９９０年代から様々なコンポー
ネントの R&D がなされていることが LCLS の Web ページのデータを見ると理解できる．
https://www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls/lcls̲pubs.html［５］J. Amann et al., Nature Photonics 6, 693 (2012).
［６］N. Rohringer et al., Nature 481, 488 (2012).
［７］H. Mimura et al., Nature Phys. 6, 122 (2010).
［８］H. Mimura et al., Nature Commun. 5, 3539 (2014).
［９］H. Yoneda et al., Nature Commun. 5, 5080 (2014).
［１０］T. Hara et al., ,Nature Commun. 4, 2919 (2013).
［１１］L. Young, Nature 524, 424 (2015).

えることができ，ハード X 線の領域でも光と物質のコヒーレントな相互作用が起きている可能性が示された．
このように，利得が発生しただけではなく，原子（物質）系と共鳴光が相互作用し，スペクトルや遷移分岐比が影響を受けるところまでできたことになる．実は，こういったことは，光の領域では十分理解され応用されている現象でもある．光の波長域でフォトニクスが盛んになり応用が広がったように，今後は１Åというハード X 線の領域でも同様の研究が立ち上がってくるだろうと予測している．

５．まとめ
日本の X 線自由電子レーザー施設が活動を始めて非常に特徴ある研究成果を挙げている中で，我々が中心となって行っている X 線自由電子レーザー励起 X 線レーザーの研究

最短波長の原子準位 X 線レーザー」というタイトルで紹介している［１１］．Nature digest は日本語版も出ているので興味のある方は読んでみることをおすすめする．
ここで紹介した SACLA の成果は，未だ他の国の施設で!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

のもう少し一般的な説明としては，Linda Young が「世界

よね

だ

ひと

き

米 田 仁 紀１９８８年東京工業大学総合理工学研究科博士課程修了．現在，電気通信大学レーザー新世代研究センター教授・センター長，工学博士．レーザーと物質との相互作用研究を中に，超短パルス光学レーザーから X 線に至るまでの実験研究を行っている．X 線自由電子レーザーの利用研究では，
SACLA ができる以前から SCSS と呼ばれる試験加速器を使った非線形光学実験を行い，新しい X 線光学の可能性を探ってきた．これまでに大口径エキシマレーザー開発などからダイヤモンド超高速高出力素子の開発，超高品質光学素子の精密計測，超高品質洗浄法の開発，プラズマフォトニクス
など，レーザー科学に関わる幅広い研究を行っている．教育面では学生に危機・限界を体験させるプログラムなどを開発．２
００
８年文科省科学政策研究所ナイスステップ研究者受
賞．２
０１
４年度より文部科学省科学官を併任．

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

れた物質の特性を中心に研究動向を紹介したが，この研究!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

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

を中心に述べた．今回は，高強度の X 線レーザーが照射さ７３４