サブミクロンビーム(顕微観測・非線形光学)

 

 

軟X線FELを集光することにより、単位時間・単位面積あたりの光エネルギーを激増させ、他の光源では実現不可能なほど高強度な軟X線光電場を形成することが可能です。SACLA BL1ではKBミラーによる集光により、5マイクロメートル程度(半値全幅)の軟X線ビームが実験に利用されてきましが、軟X線利用実験の高度化のためには、新たな集光システムによるビームサイズのさらなる微小化が必要とされていました。

 

そこでSACLAでは、東京大学との共同研究により軟X線FELをナノ領域に集光するための集光システムの開発に取り組んでいます。

 

※この装置は、SACLA基盤開発プログラムの課題(代表者:東京大学 三村秀和准教授)として開発されています。

 

 

参考文献:
H. Motoyama et al., J. Synchrotron Rad., 26, 1406 (2019).

 

 

集光装置

 

ビームラインに設置のKBミラーの集光点を仮想光源点として設計されたウォルターミラーによる2段集光システムを採用しています。ウォルターミラーの材質はニッケルですが、非磁性体を必要とする測定には銅製の回転楕円体ミラーを使用することが可能です。

 

光子エネルギーが100 eVの時、典型的な集光サイズは半値全幅で500 nm(鉛直方向)× 550 nm(水平方向)となります。この時、軟X線の集光強度は1×1016 W/cm2以上に到達します。

 

 

軟X線500 nm集光システム

ー 軟X線500 nm集光システム
典型的な集光サイズ(ナイフエッジスキャン法による計測、100 eV)
ー 典型的な集光サイズ(ナイフエッジスキャン法による計測、100 eV)

 

試料の配置について

 

汎用チャンバーは開発中です。現時点ではプロトタイプの真空チャンバーがご利用いただけます。プロトタイプ版のサンプルホルダーはピエゾ駆動で、ホルダーおよび試料の総重量は150 gまでとなっております。
開発中のチャンバーではステッピングモーター駆動の予定です。

 

 

プロトタイプの真空チャンバー

 

運転パラメータ(EH4@BL1)

 

XFELパラメータ

 

光子エネルギー(基本波) 40-150 eV
パルスエネルギー ~80 uJ
エネルギー幅(ΔE/E) ~3%
繰り返しレート 60 Hz

 

 

参考文献:
S. Owada et al., J. Synchrotron Rad., 25, 282 (2018).

 

 

X線集光特性

 

Optical parameters (KB mirrors) Vertical Horizontal
Surface coating Carbon Carbon
Substrate size 600 × 50 × 50 mm 600 × 50 × 50 mm
Glancing angle 1.5 deg 1.5 deg
Focal length 2.00 m 2.65 m
Distance from source 85 m 85 m
Spatial acceptance 15.1 mm 15.1 mm
Typical focal size @100eV ~5 µm FWHM ~5 µm FWHM

 

 

参考文献:
S. Owada et al., J. Synchrotron Rad., 25, 282 (2018).

 

 

光学レーザー特性

 

  基本波 2倍波 3倍波 4倍波
Wavelength 800 nm 400 nm 267 nm 200 nm
Pulse Energy (Max.) ~12 mJ ~0.5 mJ ~0.2 mJ ~0.02 mJ
Pulse Duration ~40 fs ~30 fs ~50 fs  
Rep. Rate 60 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz

 

 

上記に加え、光パラメトリック増幅器(OPA: Optical Parametric Amplifier)からの光を利用可能です。使用可能な波長域は0.25-2.6 µmで、下図のようにパルスエネルギーは波長に依存します。

 

 

OPA: Optical Parametric Amplifier

 

関連成果

 

プレスリリース

 

 

 

論文発表

Submicron Beam (Microscopic Observation / Nonlinear Optics)

 

 

By focusing soft X-ray FEL, it is possible to dramatically increase the light energy per unit time and area, and a high-intensity soft X-ray photoelectric field can be formed that cannot be realized with other light sources. At SACLA BL1, a soft X-ray beam of approximately 5 micrometers (full width at half maximum) has been used for experiments by focusing with a KB mirror. In order to advance soft X-ray experiments, new focusing systems and further reductions in micro sized beams are required.

 

Therefore, SACLA is working on the development of a focusing system for soft X-ray FEL in the nano region through joint research with the University of Tokyo.

 

※This equipment is being developed as a challenge for the SACLA Basic Development Program (representative: Hidekazu Mimura, associate professor, The University of Tokyo).

 

 

References:
H. Motoyama et al., J. Synchrotron Rad., 26, 1406 (2019).

 

 

Focusing Equipment

 

A two-stage focusing system using a spheroid mirror designed by utilizing the focusing point of a KB mirror installed in the beamline as a virtual light source is used. The materials used for the spheroid mirror is nickel, but copper can be used for measurements that require non-magnetic materials.

 

When the photon energy is 100 eV, the typical focusing size is 500 nm (vertical) × 550 nm (horizontal) at full width half maximum. At this time, the light focusing intensity of soft X-rays reaches 1×1016 W/cm2or more.

 

 

Soft X-ray 500 nm focusing system

ー Soft X-ray 500 nm focusing system
Typical light focusing size (measured by the knife-edge scan method, 100 eV)
ー Typical light focusing size (measured by the knife-edge scan method, 100 eV)

 

About the Sample Arrangement

 

A general-purpose chamber is under development. A prototype vacuum chamber is available at this time. A prototype sample holder is in place which is piezo driven and has a total weight of up to 150 g.
The chamber under development will be driven by a stepper motor.

 

 

Prototype vacuum chamber

 

Operating Parameters (EH4@BL1)

 

XFEL Parameters

 

Photon energy (fundamental wave) 40-150 eV
Pulse energy ~80 uJ
Energy width(ΔE/E) ~3%
Repetition rate 60 Hz

 

 

References:
S. Owada et al., J. Synchrotron Rad., 25, 282 (2018).

 

 

X-ray focusing characteristics

 

Optical parameters (KB mirrors) Vertical Horizontal
Surface coating Carbon Carbon
Substrate size 600 × 50 × 50 mm 600 × 50 × 50 mm
Glancing angle 1.5 deg 1.5 deg
Focal length 2.00 m 2.65 m
Distance from source 85 m 85 m
Spatial acceptance 15.1 mm 15.1 mm
Typical focal size @100eV ~5 µm FWHM ~5 µm FWHM

 

 

References:
S. Owada et al., J. Synchrotron Rad., 25, 282 (2018).

 

 

Optical laser characteristics

 

  Fundamental wave 2nd Order Harmonic 3rd Order Harmonic 4th Order Harmonic
Wavelength 800 nm 400 nm 267 nm 200 nm
Pulse Energy (Max.) ~12 mJ ~0.5 mJ ~0.2 mJ ~0.02 mJ
Pulse Duration ~40 fs ~30 fs ~50 fs  
Rep. Rate 60 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz

 

 

In addition to the above, light from the Optical Parametric Amplifier (OPA) is available. The available wavelength range is 0.25-2.6 µm, and the pulse energy depends on the wavelength shown in the figure below.

 

 

OPA: Optical Parametric Amplifier

 

Related results

 

Press release

 

 

 

Papers published


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