Influence of Initial Gas Pressure on the Spatial Intensity Distribution of Double-Pass Amplified 69.8 nm and 72.6 nm Lasers

人間の目には見えず、波長の紫端のすぐ先に位置する光は、現代科学において独自の地位を占めています。これは極端紫外線（EUV）と呼ばれる領域であり、原子の世界の極めて微細な詳細をも明らかにできるほど、非常に高いエネルギーを持つ放射線の一種です。この光を作り出すために、科学者たちは伝統的な電球やレーザーを使用しません。代わりに、ガスがプラズマ、つまり電子が原子から剥ぎ取られた状態である、激しく沸き立つ高温のスープとなるまでガスを過熱させることで生成します。この環境下では、特定のイオンを誘導して、非常に正確な色での光の放出を促すことができます。この光は高度な製造技術や顕微鏡技術において非常に有用ですが、それを捉え、増幅させることは極めて困難であることで知られています。これらの光線を導き、強化するために必要な鏡自体が、それらを生み出すプラズマの激しい熱と衝突によって損傷したり、破壊されたりすることが多いのです。この脆弱性により、研究者たちは長らく、光をプラズマの中に一度だけ通過させてから回収するという「使い捨て」のアプローチを余儀なくされており、それが抽出できる総エネルギーを制限してきました。

研究チームは、このデリケートなプロセスからより多くの成果を得る方法として、光をプラスマの中へと再び往復させ、装置を破壊することなく実質的に増幅を倍増させることに成功しました。彼らは、ネオン様アルゴンイオンから生成される、69.8ナノメートルと72.6ナノメートルの2つの特定の極端紫外線の色に焦点を当てました。成功の鍵となったのは、他の鏡が失敗してしまうような過酷なプラズマ環境にも耐えうるほど硬い素材である、炭化ケイ素製の鏡でした。アルゴンガスで満たされた細い管の末端にこの鏡を配置することで、彼らは光をプラズマの中へと再び反射させ、光が強まるための二度目のチャンスを与えることができました。このシンプルかつ堅牢なセットアップにより、ガスの初期条件を調整した際に、光のビームの形状や広がりがどのように変化するかを研究することができ、管内のガスの圧力に対する驚くべき感受性が明らかになりました。

実験は、キャピラリーとして知られる細長いセラミック製の管を用い、その中にアルゴンガスを満たすことから始まりました。研究者たちは強力な電気放電を使用して、まず少量のプラズマを生成し、次にそこへ大量の電流を送り込みました。この電流は磁気的な絞りとして機能し、プラズマを緻密で高温の柱へと圧縮しました。プラズマがピーク密度に達すると、内部の原子が励起され、チームが追い求めていた特定の紫外線を放出し始めました。何が起きているのかを確認するために、彼らは特殊なカメラと、異なる色の光を分離できる回折格子を使用し、光がビーム全体にどのように分布しているかを正確にマッピングしました。彼らは、光がプラズマを一度だけ通過する場合と、炭化ケイ素の鏡によって二度目の走行が行われる場合という、2つのシナリオを比較しました。結果は即座に、かつ劇的でした。往復走行を行った際、69.8ナノメートルのビームは7倍以上の明るさになり、72.6ナノメートルのビームは3倍以上の明るさになりました。これにより、鏡が損傷することなく完璧に機能して光を反射していること、そしてプラズマが戻ってきたビームを増幅する準備ができていることが確認されました。

しかし、最も興味深い発見は、研究者が管内のアルゴンガスの圧力を変え始めた時に訪れました。彼らは、レーザービームの形状は固定されたものではなく、ガスの量に応じて劇的に変化することを発見しました。14パスカルという低い圧力では、増幅された光はビームの中央付近に集中し、比較的狭い広がりを持つ明るいスポットを作り出しました。圧力を16パスカルに上げると、ビームは広がり始め、光はより均一に拡散し始めました。しかし、圧力を18パスカルまで押し上げると、ビームは完全な変容を遂げました。明るい中心部は消え去り、光は環状、すなわちアニュラス（ドーナツ型）へと再構成され、強度は中心ではなく縁の部分に位置するようになりました。この変化は両方の色で見られ、光がプラズマ内をどのように伝わっているかについての根本的な変化を示していました。

この変容の理由は、プラズマ自体の目に見えない構造にあります。ガス圧が増加すると、磁場によってプラズマが絞られる方法が変化し、ビームの中心から端にかけての電子密度の差がより急峻になります。この密度勾配がレンズのように機能し、光が通過する際に光を屈折させます。圧力が低いとき、勾配は緩やかであり、光はほとんど屈折せずに中心付近を通過します。圧力が高いとき、勾配は急峻になり、強力なレンズとして機能して光線を外側へと曲げます。鏡によって反射された光は、この高密度で勾配の強い環境を通過し、鋭く屈折させられるため、中心から押しやられ、ビームの周辺部へと強制的に追いやられます。これが、高圧時にビームがリング状になる理由です。つまり、プラズマが光を中央から屈折させて外側へと追いやり、周辺部に集中させているのです。

研究者たちは、ガスの圧力をわずか数パスカル変えるだけで、ビームの形状にこれほど大きな変化が生じることを観察しました。この感受性は、69.8および72.6ナノメートルのレーザーが、生成時におけるプラズマの正確な条件に対して非常に敏感であることを示唆しています。チームは、69.8ナノメートルの光が飽和点、つまりプラズマが放出できる最大限のエネルギーを出す段階にまで増幅された一方で、72.6ナノメートルの光にはまだ成長の余地があることを指摘しました。彼らが72.6ナノメートルの波長において、初めてこのダブルパス増幅を実現できたことは、重要な前進です。ガス圧力が屈折を通じてビームの形状を制御する方法を理解したことで、科学者たちは今、これらのレーザーを最適化するための明確な道筋を得ました。この知識は、光を何度も往復させるフル光学共振器のような、より複雑なシステムを構築しようとする将来の試みにおいて不可欠なものです。