大型放射光施設 SPring-8

公開日

2011年10月21日

2011年10月21日
独立行政法人理化学研究所
独立行政法人日本原子力研究開発機構
大学共同利用機関法人自然科学研究機構分子科学研究所
財団法人高輝度光科学研究センター

本研究成果のポイント
•従来の「蛍光」よりも30億倍の強い光強度の発光現象「超蛍光」を観測
•10億個の原子集団がいっせいに発光していることが判明
•新たな生体分子構造解析法、物質計測手法への展開が期待

1. 背景
　20世紀半ばにレーザーが出現したことによって、物質に強い光が照射されたときの応答が光の波の振幅に比例しない、いわゆる「非線形光学現象」が、紫外から赤外領域（波長数十nm～数mm）で多数発見されました。例えば、複数個の光子を同時に吸収する多光子吸収、入射した光の周波数が物質中で変化する周波数変換などです。現在では、さまざまな非線形光学現象がレーザーの発生、制御、分光計測などで重要な役割を果たしており、レーザー利用の根幹を成しています。つまり、現在のレーザー利用が物理や化学の基礎科学にとどまらず、工学、医療、環境、情報分野へと拡大の一途をたどったのは、さまざまな非線形光学現象が発見され、応用されてきたからです。
　21世紀に入ると、直線加速器を基盤とするSASE型自由電子レーザー^*9が出現し、未開拓だった短波長領域のレーザーが利用できるようになりました。現在、波長が数十nmという極端紫外領域のレーザーでは日本のSCSS試験加速器が、極端紫外～軟X線領域ではドイツのFLASH^*10が、軟X線領域～X線領域では米国のLCLS^*11が稼働し、多くの共同利用研究が行われています。2012年3月からは、日本のX線自由電子レーザー施設SACLA（軟X線領域～X線領域）も一般利用が開始されます。最近、韓国やスイスでもX線領域の自由電子レーザー施設の建設計画が開始され、諸外国でも建設プロジェクトが検討されていることから、今世紀は短波長領域のレーザー利用が大きく進展すると考えられます。
　短波長レーザー利用の黎明期から成長期への移行期間にあたる現在、従来の光学レーザーの発展に倣って、短波長領域の新しい非線形光学現象の発見と応用を探索する研究が世界的に行われています。こうした状況の下、研究グループは世界最高輝度を誇るSCSS試験加速器施設からの極端紫外レーザーを利用して、非線形光学現象の1つである超蛍光の観測に挑みました。

2. 研究手法と成果
　研究グループは、理論と実験の両面から多くの研究が行われているヘリウム原子（He）を試料として選び、高濃度のヘリウム原子ガスを用意しました。このガスに、パルス幅が数100フェムト秒^*12と非常に短く、高強度な波長53.7 nmの極端紫外レーザーを照射して、励起状態のヘリウム原子をその励起寿命よりも短い時間で多数生成しました。その後の脱励起で放出される蛍光の波長、強度、強度の時間変化、偏光性、指向性について、ガス濃度の依存性を調べた結果、高い指向性を持った波長501.6 nmの蛍光を観測しました（図1）。この光強度の時間変化を、超高速な光強度変化の観測が可能なストリークカメラ^*13を用いて計測したところ、ガス濃度に強く依存した現象を観測しました（図2）。具体的には、ガス濃度が高くなるほど最大強度を与えるまでの時間が短くなり、パルス幅も狭くなっていくことを見いだしました。理論的解析から、この発光現象は10億個のヘリウム原子がいっせいに発光する「超蛍光」という現象であることが分かりました。超蛍光は、放出する光の波長と同程度の空間に、1個以上の励起原子が存在するような特殊な条件下で起きる集団的発光現象で、その特徴は、励起寿命よりも短いパルス形状（遅延時間とパルス時間幅は励起原子数Nに反比例、最大強度はNの2乗に比例）と、レーザー光のように指向性とコヒーレント性を有していることです（図3）。光強度を精密に測定したところ、照射した極端紫外レーザーの光子数に対して、放出された超蛍光の光子数は最大で10 %程度までに達していたことも分かりました。

3. 今後の期待
　今回観測した超蛍光は可視光領域でしたが、X線のような短波長領域でも、条件さえ整えば、X線レーザーを利用した超蛍光（超蛍光X線）の発生が可能であると考えられます。超蛍光X線は、新原理に基づいた波長変換、タイミング制御、偏光方向変換といった量子光学素子の開発だけでなく、新たなコヒーレント単色X線光源の要素技術、生体分子構造解析法、物質計測手法などさまざまな応用へと発展していく可能性があります。X線レーザーは、基礎科学分野だけでなく、医学や創薬、新しい材料の開発研究にも幅広く利用されると考えられていますが、超蛍光現象を応用したX線利用技術が開発されれば、新たなブレークスルーを引き起こし、より革新的な利用研究が展開されることが期待されます。

《補足説明》
＊1　極端（きょくたん）紫外領域
可視光よりも波長が短く、X線よりも波長が長い領域で、波長が数10 nm 程度の領域。

＊2　自由電子レーザー
光速近くまで加速された電子ビームは、アンジュレーター（磁石のNとSの極性を交互に反転させた磁石列を上下に並べた装置）を通過するとき周期磁場により蛇行し、その蛇行のたびに放射光を発生する。その放射光と電子ビームの相互作用を繰り返し強めていくことにより、コヒーレントな光を発生させるレーザー。赤外から可視領域の自由電子レーザーは、アンジュレーターの両端に鏡を置くことにより光共振器を構成し、光と電子ビームの相互作用の繰返し数を増やしてレーザー発振を行う。自由電子レーザーの最大の特徴は、電子ビームのエネルギーやアンジュレーターの磁場強度を変化させることで、レーザーの波長を連続的に変えられる（連続波長可変）ことにある。

＊3　超蛍光
量子光学現象の1つで、励起原子が集団で自発放射する現象。コヒーレントなパルス光である。1954年に理論予測が発表され、その後のレーザーの発明により、マイクロ波から可視光領域において実験で確認された。現在、光増幅器、光バッファメモリ、量子テレポーテーションなどに応用研究が展開されている。

＊4　コヒーレント
複数の波の位相がそろっていること。言い換えると、波の山と山、谷と谷が重なっていること。

＊5　SCSS（エス　シー　エス　エス）試験加速器
「SPring-8 Compact SASE Source 」の略。SASEは自己増幅自発放射（Self Amplified Spontaneous Emission）を意味し、反射鏡を使わずに光を増幅してレーザー発振を得る方法を指す。2005年に日本のX線自由電子レーザー施設SACLAのプロトタイプ機として「SCSS試験加速器」をSPring-8キャンパス内に建設し、レーザーシステムの性能実証のための試験運転を行った。SACLAの32分の1の加速エネルギーを持ち、極端紫外域の自由電子レーザー光を発生する。2006年にレーザー発振に成功、現在も安定に稼働し有効な光源としてユーザーに利用されている。

＊6　nm（ナノ メートル）
10億分の1 メートル

＊7　ヘリウム原子
原子核と2つの電子からなる最も簡単な3体量子系物質である。ヘリウムは、理論と実験の両面から数多くの研究が行われている元素である。

＊8　SACLA（さくら）
日本唯一のX線自由電子レーザー施設は、第3期科学技術基本計画における5つの国家基幹技術の1つとして位置付けられ、理研の大型放射光施設SPring-8に隣接して整備を行った。2011年3月には施設が完成し、愛称をSACLA（SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser）と決定。SACLAは、これまでの放射光と比べて、輝度は10億倍、パルス幅は1,000分の1の 10フェムト秒、さらに100パーセント位相のそろったコヒ―レントなX線という性能を持つ。2011年6月に世界最短波長のX線レーザー発振に成功、目指す最短波長は0.06 nm｡ 基礎・基盤研究から、産業や応用研究開発まで、諸外国に先駆けて革新的な成果を創出することが期待されている。具体的には、がんやエイズなどの難病に対する特効薬の開発、持続的発展に必要な新エネルギーシステムの研究など、幅広い分野での活用が見込まれている。

＊9　SASE（サセ）型自由電子レーザー
紫外線より短波長領域では高い反射率を持つミラーが存在しないため、光共振器を作ることができない。光共振器の代わりに長いアンジュレーターを用いて、コヒーレントな光を発生させる自由電子レーザーの1つの方式。SASE型自由電子レーザーの発明が極端紫外からX線領域の短波長自由電子レーザーへの道を拓いた。

＊10　FLASH（フラッシュ）
ドイツ･ハンブルクのドイツ電子シンクロトロン研究施設（DESY）にて建設された極端紫外から軟X線領域の自由電子レーザー施設。

＊11　LCLS（エル　シー　エル　エス）
米国カリフォルニア州のスタンフォード国立加速器研究所にて建設されたX線自由電子レーザー施設。2009年春に世界最初のX線レーザー発振に成功し、同年秋より共同利用が行われている。

＊12　フェムト秒
10兆分の1秒。光は真空中で1秒間に約30万km（およそ地球を7周半）進むことができるが、1フェムト秒では300 nmしか進むことができない。

＊13　ストリークカメラ
極めて短時間に生じる高速な光の強度変化を計測する超高速光検出器。時間分解能は最小200フェムト秒。

《参考資料》