X 線自由電子レーザー実験での広帯域プローブ光学系の開発
発表者 : 0912140

1山崎 晃誠序論

指導教員 : 米田 仁紀 教授

2.2

1µm の空間分解能

観測系に要求される条件として、1µm の空間X 線自由電子レーザー (XFEL) は keVX 線領分解能が求められる。内殻電子励起過程を観測域でフェムト秒の超短波パルス性を有する高強度な光を放射できる。[1] この光源の出現により する場合、より多くの内殻電子を励起すること様々な新しい物理研究が行われることが期待さ ができれば観測が容易になる。すなわち、ポンプれている。固体との相互作用では、高密度な内殻 光である XFEL 光の単位面積当たりの強度は大電子励起状態の研究がある。従来までと違い、固 きければ大きいほど望ましいと考えられる。そ体内のほとんどの原子の内殻電子を励起された のため、発生させた XFEL 光を集光し、それをような物質状態は初めて達成させるもので、そ 利用することが必要とされる。X 線領域の光学素の詳細な物理は解明されていない。これを調べ 子形成の技術の進歩により、現在では図 2 のようるためにはその寿命にて広帯域の光学特性を評 な装置を駆使して、約 1µm 四方の領域に XFEL価することで、電子状態を決定できるが、広帯 光を集光することができる。この集光ビームを域かつ高い空間・時間分解能を持った観測シス 使用すると考えると、観測系に求められる空間テムが必要になってくる。そこで、本研究では、 分解能は 1µm 以下となる。これは、これ以上の現在の X 線自由電子レーザー施設で行われてい 空間分解能であると、集光領域外のデータも含る 1µm の集光実験 [2] で使用可能なプローブ計 まれてしまうからである。
測の光学システムを構築することを目的とした。

2

観測に求められる条件

2.1数 fs の時間分解能

内殻電子励起過程は、物質に電磁波を照射した際に光子エネルギーを吸収した内殻の電子が励起され、その空軌道に上位軌道の電子が遷移してくるまでの間を指す。このとき図 1 に示したように遷移にかかる時間は多く考えても数 fsの時間間隔で起きる。そのため、この現象を観測するためには、同程度の時間分解能が光学系に要求される。
外殻軌道
L殻

K殻

K殻

図 1: 遷移にかかる時間

図 2: XFEL 用集光ミラー

3

プローブ光学系

金属を固体試料とした場合、その伝導帯の電子と内殻の電子では光学応答が異なる。前者はω=0 に極を持つ特性を持つが、後者は紫外からX 線に至るその共鳴エネルギーで極をもつスペクトル特性になる。そのため、光学周波数でも、可視域から真空紫外光に対応でき XFEL の集光径である 1µm 以下の空間分解能が必要になる。

ターゲットレンズ

最大値の90%

最大値の10%距離

図 4: 分解能の導出

5波長依存性の確認

製作した観測系の波長依存性を確認するためにプローブ光の位置に、テスト光として 410nm、532nm、632nm の光源を使用してピンホールのPSF 観測した。そのときの結果を図 5 に示す。

対物レンズ

光源

△x強度変化

一般に、透過型の対物レンズ系では、深紫外以下の波長で色消しレンズを構成できず、それ以上の波長でも 1µm 集光が可能な NA の大きなレンズではパルス幅が増加してしまう。このため
本研究のシステムでは反射型のレンズを使用する。また、ターゲッ上に存在する物質の内殻電子を同時に励起させる必要があるため、ポンプ光はターゲットに対して垂直に入射する必要がある。そのため、XFEL ポンプ用の光路として中心に空孔の空いているものを製作し使用することにした。一方、このような観測系では、複数のビームスポットや XFEL 透過用の薄い鏡の表面精度などのために、波面収差が生じることが多い。そのため、ここでは、デフォーマブル光学系を導入し、分解能を理論限界値まで高めるシステムとした。観測システムの概要は図 3 に示してある。

ミラー

形状可変ミラー1.5ビームスプリッタ

Resolution
分解能 [um]

1.4PC
波面センサ

CCD

図 3: ポンプ・プローブ観測系

4評価

4.1

評価方法

measureddata
測定データ
理想値 f(x)

1.3
1.2
1.1
10.90.8400450500550600650

Wavelength
波長 [nm]

開発した光学系の性能評価のために紫外〜可図 5: 分解能に対する波長依存性の確認
視の波長範囲でピンホールの点像分布関数 (PSF)を観測した。PSF による評価は、光学系の収差
図 5 より製作した観測系ではテスト光としてと回折を合わせた統合的な結像性能を表すこと使用した波長帯域においては、1µm の空間分解ができる。
能を達成できないことが判明した。テスト光をさらに短波長の物を使用すれば目標とする分解4.2 分解能の導出能に届くと考えられるが、そのような方法をとCCD 上で得られたピンホールの PSF のデー ると時間分解能の面に問題が生じてしまう。本タから分解能の導出について示す。図 4 のよう 観測系では数 fs の時間分解能が要求されている。に PSF の強度が 10%から 90%をとる距離間隔を これを達成するために式 (2) で示されるようなパ∆x とし、それを倍率 M で割ることで PSF の分 ルス幅 τ は周波数帯域幅 ∆B の逆数で示されるパルス圧縮という方法を考えている。
解能と定めた。

δ = ∆x/M(1)

τ = 1/∆B(2)この方法を使用することを考えると 350nm から500nm の帯域が限界となる。したがって、500nm付近で目標の空間分解能を下回ることが求められる。
結果より考えると、対物レンズに存在する空孔や XFEL を入射するために使用する薄膜ミラーの面精度による散乱が分解能を頭打ちにしている原因であると考える。これらの散乱要素に対応するために観測系に導入しておいた補償光学系を利用し、再び分解能に対する波長依存性の確認を行った。その結果を図 6 に示す。
1.4

Resolution [um]1.3

図 7: 対物レンズの内部構造
測定データ
measureddata
理想値f(x)

この影響を確認するため対物レンズとターゲッ
トの間に針を挿入し、スポークの本数を意図的に増やした状態をつくり、その時に起こる像の変化を確認した。その結果を図 8、9 に示した。

1.21.110.90.82000.7
350400450 500 550
Wavelength [nm]180600160650

図 6: 分解能に対する波長依存性の確認

140
Gray Scale

0.63003fs

1201008060

図 6 を見てみると、補償光学系を利用し波面補40正を行った場合それぞれの波長での分解能の向20上が認められる。この結果、1µm の空間分解能を0020406080
100 120 140 160 180 200達成した。また、時間分解能についても 350nm
Distance [pixel]から 500nm の紫外領域のコンティニューム光をプローブ光として使用すれば約 3fs の時間分解能 図 8: イメージの強度変化 (ナイフエッジなしのを確保できることが確認できた。
場合)

対物レンズによる像への影響製作した観測系では図 7 に示すような反射型の対物レンズを使用している。レンズ内部には凸面鏡を支えるために 3 本のスポークが設置されている。このような内部構造は回折波を生んでしまう。その結果、得られる像の質が低下し正しい分解能が得られなくなる懸念が存在する。

200180160140Gray Scale

6120100806040200020406080100 120
Distance [pixel]

140160180200

図 9: イメージの強度変化 (ナイフエッジ挿入時の場合)

図 8、9 よりスポークの本数の増加で像の質の低下が確認できた。これは、図 7 に示すようなスポークの存在する反射型対物レンズを使用することで、さけることのできない回折波が存在してしまうことを示している。

7結論

XFEL を利用した 1µm 以下の空間分解能をもつポンプ・プローブ観測系を作成、評価を行った。観測系にはレンズ中心に穴のあいた反射型対物レンズを用いていて新しい形の観測系である。内殻電子励起過程を観測するための条件である 1) 数 fs の時間分解能、2)1µm の空間分解能に関しては 350nm から 500nm の紫外領域のコンティニューム光をプローブ光に利用することで達成できることが確認できた。また、レンズ中心の空孔や薄膜ミラーの影響は存在するが補償光学系による波面補償を行うことで補填できることを確認した。
しかし、波面補償後の分解能の波長依存性は、ほぼ同一でこれが補償光学系でとりきれない収差成分なのか、軸外しなどのアライメントのミスによるものか、調べる必要がある。

参考文献[1]Hitoshi Tanaka and Makina Yabashi,”A compact X-ray free-electron laser emitting in thesub-angstrom region”NATURE PHOTONICS
10,1038(2012)[2]Hirokatsu
YumotoandHidekazu
Mimura,”Focusing of X-ray free-electron
laser pulses with reﬂective optics,”NATURE
PHOTONICS 10,1038(2012)