大型放射光施設 SPring-8

　独立行政法人理化学研究所と財団法人高輝度光科学研究センター（JASRI）が共同で組織する｢X線自由電子レーザー計画合同推進本部（XFEL推進本部）｣、及び理研基幹研究所エクストリームフォトニクス研究グループ、東京大学､ 独立行政法人日本原子力研究開発機構、慶應義塾大学、NTT物性科学基礎研究所、高エネルギー加速器研究機構、Synchrotron SOLEIL（フランス）のグループが共同で、極端紫外領域で高次高調波シード方式の自由電子レーザー（Free Electron Laser: FEL）の実現に成功しました。これまで､短波長領域 (極端紫外光^※3～X線) におけるレーザー光源として､ 二つの異なる方式が用いられてきました｡ 一つはFEL､ もう一つはレーザーの高次高調波^※4です｡ FELは､短波長領域で大強度を得ることができますが､ 従来の方式 (自己増幅自発放射型: Self-Amplified Spontaneous Emission､ SASE) ではスペクトルのばらつきを抑制できないという問題がありました｡ 一方で､ 高次高調波は､ スペクトルが完全に制御されたフルコヒーレント光を発生可能ですが､ 短波長領域の高強度化には限界がありました｡ 実は､ この2つの方式を組み合わせることにより､ 高強度のフルコヒーレント光が得られることが知られていましたが (シード型FEL)､ 非常に難度の高い技術を組み合わせる必要があり､ 短波長領域では世界で未だ実現されていませんでした｡

　今回､日本の拠点機関の技術力を結集することにより､世界で初めて､ 極端紫外領域において高強度のフルコヒーレント光の発生に成功しました｡ 具体的には､ XFEL推進本部が開発したXFELプロトタイプ (SCSS試験加速器) に対して､ エクストリームフォトニクス研究グループの高強度軟X線アト秒パルス研究チームが生成した世界最高の発生効率の高次高調波がシード光 (種光) として入射されました｡ この結果､ 高次高調波の理想的なスペクトル特性を維持したまま､ 650倍の強度の増幅が確認されました｡ 世界が待ち望む軟X線領域のフルコヒーレント･高強度光源の実現に向けて､ 日本が大きな一歩を踏み出しました｡ また､ 今回強化された加速器･レーザー技術の共同研究開発の枠組みは､ 新光源開拓にとどまらず､ 利用研究においても今後世界をリードする核となることが期待されます｡

　本研究の一部は、東京大学を中核機関とする文部科学省科学技術試験研究委託事業「XFEL光と先端レーザー光による原子・分子・クラスターのポンプ・プ ローブ計測」の研究として行われました。

　本研究成果は、米国の科学雑誌『Optics Express』（2011年 1月 3日付け）に掲載されました。

（発表者）

（論文）
"Extreme ultraviolet free electron laser seeded with high-order harmonic of Ti:sapphire laser"
Tadashi Togashi, Eiji J. Takahashi, Katsumi Midorikawa, Makoto Aoyama, Koichi Yamakawa, Takahiro Sato, Atsushi Iwasaki, Shigeki Owada, Tomoya Okino, Kaoru Yamanouchi, Fumihiko Kannari, Akira Yagishita, Hidetoshi Nakano, Marie E. Couprie, Kenji Fukami, Takaki Hatsui, Toru Hara, Takashi Kameshima, Hideo Kitamura, Noritaka Kumagai, Shinichi Matsubara, Mitsuru Nagasono, Haruhiko Ohashi, Takashi Ohshima, Yuji Otake, Tsumoru Shintake, Kenji Tamasaku, Hitoshi Tanaka, Takashi Tanaka, Kazuaki Togawa, Hiromitsu Tomizawa, Takahiro Watanabe, Makina Yabashi, and Tetsuya Ishikawa
Optics Express, 19 (1), 317-324 (2011), published online December 22, 2010