16・4 過渡電子衝突励起X線レーザーと利用研究

16・4・1 過渡電子衝突励起X線レーザーの背景と発生原理

電子衝突励起X線レーザーは，1985年の最初の実証実験⁵⁰⁾以来，米国・ローレンスリバモア(Lawrence Livermore)研究所，英国・ラザフォードアップルトン(Rutherford Appleton)研究所，仏・エコールポリテクニック(Ecole Polytechnique)，そして大阪大学レーザー核融合研究センター(現・レーザーエネルギー学研究センター)などの主導で核融合研究用の励起レーザーを用いて精力的におこなわれてきた．

X線増幅時の媒質イオンの励起状態占有密度(ポピュレーション)が，ほぼ準定常状態に達していることから，このタイプのX線レーザーは準定常状態(quesi-steady state : QSS)型の電子衝突励起 X線レーザーと呼び，現在では過渡電子衝突励起X線レーザーとは区別している．光源として見た場合，準定常状態型の電子衝突励起X線レーザーは励起光源自体が巨大であり，広く一般に用いられる光源開発の観点から，電子衝突励起レーザーを小型化することが重要なテーマであった．

1980年代終わり頃より，レベデフ(Lebedev)研究所(ロシア)を中心に，超短パルスレーザーを用いた小型X線レーザーの可能性が指摘された⁵¹⁾．レーザー媒質である多価イオンプラズマのパラメータ(たとえば電子温度)を急激に変化させると，その励起状態占有密度(ポピュレーション)が準定常状態に至るまでに過渡的に大きな反転分布が生じ，X線レーザーの高効率化が可能になるというアイデアであった．波長20 nm程度の軟X線の増幅に必要な媒質(プラズマ)の電子密度，電子温度から準定常状態に到達する時間を推定したところ10 ps程度であり，既存のガラスレーザーで実現することはむずかしく，そこでチャープパルス増幅(CPA)技術を用いたNd:ガラスレーザーをX線レーザーの励起光源として用いることが提案された．マックスボルン(Max-Born)研究所(ドイツ)がいちはやくX線レーザー専用CPA励起レーザーを整備し，1997年にNe様Tiイオンの3p→3s(J=0→1)遊移(32.6 nm)の増幅に成功した⁵²⁾．その後，この方法を過渡電子衝突励起X線レーザーと呼んでいる．

ここで，過渡電子衝突励起X線レーザーとして最も高効率な発振に成功しているNi様イオンを例にとり，その発生方法について説明する．Ni様イオンは原子核の周りに28個の束縛電子を持ったイオンの総称で，たとえば，銀原子(原子番号47)の場合には，Ag¹⁹⁺を意味する．そしてAg¹⁹⁺の特定の励起状態間(4p-4d(J=0→1))の反転分布を高温高密度プラズマ中に生成し，エネルギー差に相当する波長(この場合，13.9 nm)の軟X線を増幅させることをNi様銀イオンレーザーと呼んでいる．実際の軟X線の増幅実験では，励起レーザー光を線集光(通常，6 mm程度)し，団体銀ターゲットに照射する．励起レーザー光は二つのパルス(プリパルスと加熱パルス)からなり，プリパルスでAg¹⁵⁺~Ag¹⁸⁺といったレーザー媒質イオンよりも低いイオン価数の生成と，加熱パルスの吸収密度領域(波長1 μmのレーザー光の臨界密度は10²⁷ m^-3)のスケール長を大きくすることで，加熱領域中の密度勾配をゆるやかにして伝搬しながら増幅する軟X線の屈折を低減させることを役目とする．続く加熱パルスで，プラズマの電子温度を急激に上げ，レーザー媒質イオンへの電離とその励起状態間に反転分布を生成する．通常，銀ターゲットの場合，プリパルス，加熱パルスの照射強度は10¹³ W/cm²，10¹⁵ W/cm²程度である．その結果，長さ6 mm程度，端面の大きさ50 μm×50 μm程度の横長の利得媒質が生成し，その一端で発生した種光が媒質中を伝搬しながら増幅し，結果として他方の端から強い単色の軟X線ビームが発生する．