• 世界ではじめてＸ線領域で2光子イオン化という非線形光学現象の観測に成功。
• Ｘ線光学の分野に革新的な計測･解析技術や新しい粒子操作技術等へ期待。

1.

背　景

レーザー開発に携わる研究者の大きな夢の一つが、その波長※１をＸ線領域にまで拡張することです。Ｘ線領域のレーザーが実現されれば、ナノメートル以下の精度で様々な物質の加工が可能になるばかりでなく、生体物質の３次元構造解析等にも大きな力を発揮するものと期待されています。特に、非線形光学効果が起こせるようになると、その応用は飛躍的に広がるものと考えられています。 　図１に示すように1960年のルビーレーザーの発振以来、幾つかの技術開発によりレーザー出力は飛躍的に増大し、物質との相互作用において様々な新しい現象を生み出してきました。そのなかでも、もっと重要なのが非線形光学現象です。非線形光学現象は、光強度が非常に強くなると初めて起こる現象で、通常、原子や分子は、一度に一つの光子しか吸収できないのに対して、一度に多数個の光子を吸収し、１光子の場合とは全く異なる現象が現れます。これによって、レーザーの応用が画期的に広がりました。 　しかし、Ｘ線領域では、この非線形現象を起こすのに必要なレーザーパワーは、可視光のレーザーに比べるとはるかに大きくなるため、従来のＸ線源や放射光のような光源では、非線形現象を観測することは不可能でした。

2.

研究手法と成果

強力なＸ線レーザービームを発生させる一つの方法に、高次高調波があります。高調波発生とは、レーザー光を気体や結晶等に照射すると、元のレーザー光の整数倍の周波数（整数分の一の波長）をもつレーザー光が放出される現象です。しかし、通常のレーザーを用いても、せいぜい数倍の周波数（波長で数分の一）の光しか発生できません。高強度フェムト秒レーザーを原子や分子気体中に集光して得られる高次高調波では100次以上への変換が可能なため、テーブルトップサイズの軟Ｘ線レーザー光源として盛んに研究されており、その波長域は、生体物質を生きたままの状態で観測できる、いわゆる“水の窓”といわれる2〜4 nmにまで達しています。理研では、独自の発生法を工夫し、ほぼ完ぺきなビーム形状を維持したまま、この高調波強度を従来法に比べて100倍以上にすることに成功しました。図２に示すように、この軟Ｘ線レーザービームの瞬間的強度は、シンクロトロン放射光の１億倍にも達します。 　今回は、この世界最高強度の強力なＸ線レーザー光をヘリウムガスに照射して、世界ではじめて軟Ｘ線領域で２光子イオン化という非線形光学現象の観測に成功しました。図３が、その結果で、軟Ｘ線レーザー強度に対してイオン化の信号が２乗の割合で増加しています。

3.	今後の展開
	高次高調波に加えて自由電子レーザー、プラズマ軟Ｘ線レーザー等のＸ線領域における高輝度光源の急速な進展は、非線形光学の新しい扉を開くものと期待されています。今回の成果は、正しくその幕開けを告げるものです。今後は、２光子イオン化以外の様々な非線形光学効果の観測を進めるとともに、波長をさらに短くし、この高強度を生きた細胞の観測等に有効な波長4 ナノメートルで実現したいと考えています。

<補足説明>

※1	電磁波の呼称とその波長および光子エネルギーの範囲。今回、観測に成功したのは、波長29.6nm (42 eV).である。

図１　レーザーのピークパワーと集光強度の進展。黒線は、近赤外から可視域のレーザーによるもの。赤線が軟X線レーザー。

図２　理研が独自に開発した世界最強度の軟X線レーザー光源と放射光との強度の比較。挿し絵は本光源から得られたビームの空間形状。空間的にほぼ完ぺきなビームが得られたことが、今回の成果をあげる上では重要な役割を果たしている。

図３　軟X線レーザー強度に対するヘリウムイオンの生成量。グラフの傾きが２であることが、２光子過程であることを示している