高次高調波発生（HHG）超広帯域コヒーレント XUV光源：NEPAL

高安定のHHGを実現するターンキーシステム

UltraFast Innovations社の「NEPAL」は、極端紫外（XUV）および軟X線パルスを発生させるための高次高調波発生（HHG）ターンキーシステムです。1〜50 kHzの標準的なフェムト秒レーザーを希ガスターゲットに集光することで、シリコンの2p吸収端（約100 eV）を超える広帯域なパルス光を取得することができます。ビームラインの構築やシステムの調整などの手間を省き、高安定のHHG実験環境を提供します。

超広帯域コヒーレント XUV光源「NEPAL」の優れた特長と導入のメリット

高次高調波発生（HHG）に必要なコンポーネントが備わった「ターンキーシステム」

NEPALの基本システムには、高品質なKF規格真空チャンバー、オイルフリーのターボ分子ポンプシステム、完全電動式のXYZガスジェットターゲットなど、HHGに必要なコンポーネントが備っています。

お手持ちの標準的なフェムト秒レーザーをNEPALのガスターゲットに集光することで、安定したXUV/軟X線光が得られます。複雑なHHG実験環境構築の手間を削減し、即座にVUV/X線分光の研究を開始することが可能です。

極めて高い安定性・優れた操作性

外部の環境振動から隔離した、チャンバー内部のブレッドボード
- NEPALチャンバー内部のブレッドボードは、外部の環境振動から隔離されるよう設計されています。
ガスターゲット本体をチャンバーから機械的に分離

これにより、極めて高い「時間的安定性」と「ビームポインティング安定性」を実現します。

電動XYZガスジェット
- ターゲットとなるガスジェットは電動XYZステージにマウントされており、アライメントの最適化が可能です。

シームレスな拡張性

NEPALは強力なXUV/軟X線パルス光源として機能するだけでなく、追加のアクセサリーや同社のHCFと接続することにより、目的に応じたシステム構成が可能です。XUV/軟Ｘ線分光、アト秒科学の研究用途に応じた実用的な構成をご提供いたします。

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カタログ

製品の特徴

高品質な真空チャンバー（KFテクノロジー採用）
最大360 µW（@ 3 kHz）の高次高調波出力
オイルフリーのターボ分子ポンプシステム搭載
環境振動から隔離されたブレッドボード構造（時間的・空間的な安定性の向上）
1〜50 kHz のドライバレーザーに互換
ISOおよびKF規格のアクセスポートとビューポート
薄いブリュースター窓（パルスの時間的歪み[チャープ]を最小限に抑え、偏光クリーニングを実施）
HHG用ガスジェットセットアップ：ガスターゲットの交換が迅速かつ容易。交換用ターゲットの追加注文も可能
電動XYZ並進ステージ上にガスジェットを搭載
ロッキングバルブによるガス流量制御
セラミックターゲットの採用（性能と耐久性の向上）
ガスのリサイクル利用が可能

製品情報

仕様アプリケーション技術情報 PDF資料
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仕様

発生エネルギー	XUV ～軟X線
最大到達エネルギー	150 eV (波長 8.3 nm) ネオンガス中、4〜5 fs (800 nm)パルス集光時
高次高調波出力	最大 360 µW @ 3 kHz
レーザー互換性	1 ～ 50 kHz のフェムト秒ドライバーレーザーに対応
真空システム	オイルフリー・ターボ分子ポンプシステム搭載
動作圧力（typical）	数 mbar から 10^-3 mbar以下ベース圧力は 10^-7 mbar以下
ターゲットの背圧	数百 mbar ～数 bar
設置面積（フットプリント）	45 x 45 cm²
アクセスポート、ビューポート	ISO規格及びKF規格
光学窓	薄いブリュースター窓（時間的歪み（チャープ）の最小化、偏光クリーニング用）

NEPALには、目的とするスペクトル帯域のHHGを発生させるため、アルゴン、ネオン、ヘリウムなどの希ガスを供給するガス導入用フィードスルーが備わっています。
最終的に生成される高次高調波のスペクトルは、位相整合条件、集光されるレーザーパルスのパラメータ、使用する希ガスの種類によって決まります。
例えば、ネオンガス中で数サイクル（4〜5 fs）の800 nmレーザーパルスを用いた場合、最大150 eV（波長 8.3 nm）の高次高調波を発生させることができます。

NEPALの基本構成

高品質真空チャンバー：KFテクノロジー採用、ビューポート付き
ガスジェットセットアップ：電動XYZ並進ステージ付き
振動隔離型内部ブレッドボード
オイルフリー排気システム

電動XYZ並進ステージとHHG用ガスジェットのセットアップを示すNEPALのチャンバーの内部です。電気接続と希ガス供給には真空フィードスルーが使用されます。2つのビューポートにより、ガスターゲット内およびチャンバー内部のプラズマチャネルを観察できます。ガスジェットターゲットをチャンバーから機械的に分離することで、HHGの安定性が向上しています。

NEPALのチャンバー内部

差動排気ステージ（追加アクセサリー）

「NEPAL」で発生させた高次高調波を、光電子イメージング分光器などの超高真空（UHV）実験チャンバーへ導入するための差動排気ステージを追加のアクセサリーとして用意しています。

2段式差動排気ステージ
CFテクノロジー（CF規格）を採用した真空チャンバー
ターボポンプとプレポンプを搭載
冷陰極圧力計
真空出口バルブとビューポートが取り付け可能
アライメントおよび強度制御用の電動ビームアイリス
設置面積（フットプリント）：60 x 60 cm²

セットアップ例実験目的に応じた最適なビームライン構成

NEPALは、お客様の実験目的や測定装置に合わせて、柔軟にシステムを構築・拡張することが可能です。

高次高調波（HHG）の出力

構成例：【フェムト秒レーザー】 →【NEPAL（HHG）】

基本のターンキーシステム構成で、標準的なフェムト秒レーザーをNEPAL内の希ガスターゲット（アルゴン、ネオン、ヘリウムなど）に集光することで、高次高調波（XUV/軟X線パルス）を発生させることが可能です。

単一の孤立アト秒パルスを生成・抽出

構成例：【フェムト秒レーザー】 → 【HCF「SAVANNA」（パルス圧縮）】→ 【NEPAL（HHG）】→ 【多層膜ミラー（抽出）】
- UFI社製の中空コアファイバコンプレッサー「SAVANNA」によりレーザーを数サイクルに極限圧縮。
- XUV/軟X線多層膜ミラーで、HHGのカットオフ領域のみを分離・反射させ、単一の孤立したアト秒パルスを抽出。

UFI社製の中空コアファイバーコンプレッサー「SAVANNA」、およびXUV/軟X線多層膜ミラーと組み合わせた構成にすることで、振幅ゲーティングによるアト秒パルスの抽出が可能です。
アト秒時間分解分光など、高い時間分解能が求められる研究用途にも対応します。

※UFI製の中空コアファイバコンプレッサーへのレーザー入力条件、対応仕様詳細については、「SAVANNA」,「SAVANNA-HP」の仕様をご確認ください。
「SAVANNA」の製品ページは、こちら
「SAVANNA-HP（高出力対応）」の製品ページは、こちら

超高真空での実験（VUV/XUV分光器などを接続）

構成例：【フェムト秒レーザー】→【 NEPAL（HHG）】 →【差動排気ステージ】→ 【VUV/XUV分光器（超高真空実験チャンバー）】

光電子イメージング分光器などの「超高真空（UHV）」が求められる実験装置に光を導入する場合にガスが充満するNEPALとの間に必要となる「差動排気ステージ」を追加アクセサリーとして用意しています。チャンバー間の極端な圧力差を保ちながら、光だけを後段へ通すための最適な構成です。

※分光器との接続：用途に応じた構成に対応
- 超高真空での実験・測定が目的の分光器を接続する場合：差動排気ステージを含む構成
- HHGプロセスの最適化・モニターが目的で分光器を使用する場合： NEPALにVUV分光器を直接接続する構成も可能

製品に関するご注意

※ 製品改良のため、仕様・外観・構成等は、予告なく変更となる場合がございます。あらかじめご了承ください。

アプリケーション

極端紫外を用いた超高速電子ダイナミクス計測・研究
高次高調波（XUV / 軟X線）分光・イメージング
アト秒時間分解分光（中空コアファイバコンプレッサー「SAVANNA」および多層膜ミラーとの組み合わせ時）
原子・分子の光電子イメージング分光
材料科学：半導体・固体材料の吸収端の観測（シリコン 2p吸収端など）

技術情報

NEPALによる高次高調波発生（HHG）

レーザービームは、凹面鏡によって希ガスが充填されたガスセル内に非分散的に集光され、約10¹³〜10¹⁴ W/cm²（一般的な最先端のテーブルトップ型レーザーシステムの場合）の強度に達します。ここで、10^-5〜 10^-8 の変換効率で高次高調波発生（HHG）プロセスが起こります。
NEPALは、非常に短い焦点距離（f ≈ 6 cm）を含む、長短さまざまな焦点距離に対応しています。HHGプロセスを最適化するために、XUV分光器を直接取り付けることも可能です。

（※ネオンガスの場合は、最大 0.1 µW @ 3 kHz の高次高調波出力が得られます。）

孤立アト秒パルス

NEPALは、孤立アト秒パルスの発生に使用できます。UltraFast Innovations(UFI）社の中空コアファイバーコンプレッサー「SAVANNA」とXUV/軟X線多層膜ミラーを組み合わせることで、アルゴン、ネオン、またはヘリウムガスから孤立アト秒パルスを発生させることが可能です。

「SAVANNA」を通過した圧縮パルスが振幅ゲーティングを可能にし、多層膜ミラーがHHGのカットオフ領域を分離することによって、単一の孤立したアト秒パルスが生成されます。

参考文献 (References)

[1] XUV-beamline for photoelectron imaging spectroscopy with shaped pulses
（整形パルスを用いた光電子イメージング分光用XUVビームライン）
XUV-beamline for photoelectron imaging spectroscopy with shaped pulses M. Behrens, L. Englert, T. Bayer, and M. Wollenhaupt
Review of Scientific Instruments 95, 093101 (2024)