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XFELの光特性を非破壊で評価する手法を開発

February, 2, 2016, 和光--理化学研究所(理研)放射光科学総合研究センタービームライン開発チームの片山哲夫客員研究員(高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室 研究員)、矢橋牧名チームリーダーらの国際共同研究グループは、X線自由電子レーザ(XFEL:X-ray Free Electron Laser)の光の一部を分岐させて高度な光診断に応用する技術を開発し、理研のXFEL施設「SACLA」での実証実験に成功した。
 SACLAが生成する超高輝度X線レーザパルスは発光時間が数フェムト秒と極端に短く、高速で運動している原子や分子を、フラッシュをたいて写真を撮るように捉えることができる。そのため、超高速現象の原子レベルでの解明が期待できる。ただし、フェムト秒オーダーの高精度な時間分解計測を実現するには、パルスごとの「揺らぎ」を補正しなければならない。例えばSACLAにおける時間分解計測では、フェムト秒レーザとXFELの2種類のパルス光を使ったポンプ・プローブ法が広く用いられている。この手法では、ポンプ光(フェムト秒レーザ)を先に照射して反応を誘起し、タイミングを少しずつ変えながらプローブ光(XFEL)で観測することで超高速現象を追跡する。しかし、2つのパルス光が試料に到達する時間の差をフェムト秒レベルで制御するのは難しく、揺らぎが生じる。そのためXFELの特性である極端に短い発光時間(時間分解能)を十分に生かすことができない。また、XFELの光特性の一つであるエネルギースペクトルは、多数のスパイク構造を含んでいる上、パルスごとにスパイクの形状が変化する。このような揺らぎの影響を補正するには、実験と平行して全てのパルスの光特性を評価する必要があるため、XFELを破壊せず実験と並行しながら行える光診断法の開発が求められていた。
 国際共同研究グループは透過型回折格子を用いてXFELを分岐し、2つの回折光を光診断(タイミング計測とエネルギースペクトル計測)に利用しながら、透過光を実験に供給する手法を考案した。このアイディアに基づいてSACLAのBL3に「XFELビーム診断システム」を構築し、性能を評価した。到達タイミング計測では二乗平均平方根(RMS、0に近いほど高精度)で70fsという極めて高い精度を実証した。また、エネルギースペクトルも実験と並行して取得可能であることを確かめた。これによりSACLAが持つ数フェムト秒の時間分解能を最大限に活かすことができるようになる。開発したシステムはXFEL利用実験の計測精度を大幅に向上させるだけでなく、XFEL光源の高度化においても有用な光診断ツールとして重要な役割を果たすことが期待できる。
(詳細は、www.riken.jp)