観察システムおよび観察方法
【課題】より簡単かつ堅牢な構成で、空間的分解能の高い観測ができるようにする。
【解決手段】高次高調波発生装置４１は、パルスレーザを標的Mに照射することにより、高次高調波を発生させる。高速CCDカメラ４２は、高次高調波を検出し、デジタルの信号としてイメージング装置４３に出力する。イメージング装置４３は、高次高調波のスペクトル強度を演算し、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、標的Mの光再結合断面積スペクトルの実測値を演算する。そして、イメージング装置４３は、演算により得られた光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、標的Mを同定し、標的Mの画像をディスプレイ４４に表示させる。本発明は、例えば、原子または分子の構造を観察する観察システムに適用できる。
【解決手段】高次高調波発生装置４１は、パルスレーザを標的Mに照射することにより、高次高調波を発生させる。高速CCDカメラ４２は、高次高調波を検出し、デジタルの信号としてイメージング装置４３に出力する。イメージング装置４３は、高次高調波のスペクトル強度を演算し、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、標的Mの光再結合断面積スペクトルの実測値を演算する。そして、イメージング装置４３は、演算により得られた光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、標的Mを同定し、標的Mの画像をディスプレイ４４に表示させる。本発明は、例えば、原子または分子の構造を観察する観察システムに適用できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察システムおよび観察方法に関し、特に、より簡単かつ堅牢な構成で、空間的分解能の高い観測ができるようにする観察システムおよび観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子レベルの観測が可能な空間的分解能の高い観測方法の１つとして、走査型トンネル顕微鏡を用いた観測が知られている。走査型トンネル顕微鏡は、原子１個１個の波動関数によるトンネル電流を探針先端の原子に流すことで、電子レベルの観測を可能にしている。
【０００３】
しかし、走査型トンネル顕微鏡では、原子内部での状態遷移を観測できるほどの空間的分解能はなく、したがって、原子内部での状態遷移については観測できなかった。
【０００４】
また、空間的分解能の高いその他の観測方法として、例えば、特許文献１で開示されているような、高次高調波による干渉を用いたイメージング法がある。
【０００５】
図１は、特許文献１に開示されている高次高調波による干渉を用いたエックス線干渉計測装置の構成を示している。
【０００６】
図１のエックス線干渉計測装置は、高次高調波エックス線を発生する高次高調波エックス線発生器１１、高次高調波エックス線を２つにわける針孔回折干渉計板１２、エックス線フィルタ１３、およびエックス線検出器１４により構成される。
【０００７】
高次高調波エックス線発生器１１は、レーザ発生器２１、集束強度調節器２２、チャンバ２３、および圧力調節器２４により構成される。
【０００８】
レーザ発生器２１は、高出力フェムト秒レーザを発生させ、出力する。集束強度調節器２２は、高出力フェムト秒レーザの集束強度を適切に調節する。チャンバ２３内にはアルゴン等の気体が充填され、圧力調節器２４によって気体の圧力が適切に調節される。
【０００９】
レーザ発生器２１により発生された高出力フェムト秒レーザがチャンバ２３内の気体（例えば、アルゴン）に集束する。強いレーザの電場に置かれた気体の原子内の電子がトンネルイオン化して移動することにより、高次高調波が発生する。
【００１０】
針孔回折干渉計板１２は、微細孔が開いた薄膜でなり、高次高調波エックス線発生器１１から発生された高次高調波から、基準ビームと回折ビームを生成する。
【００１１】
エックス線フィルタ１３は、アルミニウムフィルタにより構成され、所定の波長のみを通過させる。エックス線検出器１４は、干渉縞を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許４２１３５３６号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１に示したような従来の干渉を使ったイメージング法では、位相の揃った高次高調波の光源が必要であり、そのための調整が必要不可欠で、装置の構成も複雑となってしまうという問題があった。
【００１４】
具体的には、高次高調波エックス線発生器１１は、位相の揃った高次高調波を発生させるため、針孔回折干渉計板１２が必要であるとともに、集束強度調節器２２を設け、高出力フェムト秒レーザの集束条件を適切に調整する必要があった。
【００１５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高次高調波の位相を揃える必要がなく、より簡単かつ堅牢な構成で、空間的分解能の高い観測ができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一側面の観察システムは、標的を画像化して観察する観察システムであって、パルスレーザを標的に照射することにより、高次高調波を発生させる高次高調波発生手段と、発生された高次高調波のスペクトル強度を演算する高次高調波スペクトル強度演算手段と、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値を演算する光再結合断面積演算手段と、前記光再結合断面積演算手段の演算により得られた前記光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、前記標的を同定する標的同定手段と、同定された前記標的の画像を生成し、所定の画面に表示させる表示制御手段とを備える。
【００１７】
本発明の一側面の観察方法は、標的を画像化して観察する観察方法であって、パルスレーザを標的に照射することにより、高次高調波を発生させ、発生された高次高調波のスペクトル強度を演算し、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値を演算し、演算により得られた光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、前記標的を同定し、同定された前記標的の画像を生成し、所定の画面に表示させる。
【００１８】
本発明の一側面においては、パルスレーザを標的に照射することにより発生された高次高調波のスペクトル強度が演算され、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、標的の光再結合断面積スペクトルの実測値が演算され、演算により得られた光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、標的が同定され、同定された標的の画像が生成され、所定の画面に表示される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、より簡単かつ堅牢な構成で、空間的分解能の高い観測ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来のエックス線干渉計測装置の一例を示す図である。
【図２】本発明を適用した標的イメージングシステムの第１の実施の形態の構成例を示す図である。
【図３】図２の標的イメージングシステムが行う処理の概念図である。
【図４】高次高調波の発生原理について説明する図である。
【図５】高速CCDカメラとイメージング装置の詳細構成例を示すブロック図である。
【図６】高次高調波スペクトル強度の例を示す図である。
【図７】光再結合断面積スペクトルの例を示す図である。
【図８】標的イメージ生成処理について説明するフローチャートである。
【図９】本発明を適用した標的イメージングシステムの第２の実施の形態の構成例を示す図である。
【図１０】第２の実施の形態におけるソースチャンバ内の標的の斜視図である。
【図１１】第２の実施の形態における標的のその他の例を示す図である。
【図１２】本発明を適用したコンピュータの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜１．第１の実施の形態＞
［標的イメージングシステムの構成例］
図２は、本発明を適用した標的イメージングシステムの第１の実施の形態の構成例を示している。
【００２２】
図２の標的イメージングシステム３１は、標的を高分解能にイメージング化（画像化）して観察するシステム（観察システム）である。なお、本実施の形態において、標的としては、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）の希ガスを採用した例を説明するが、後述するように、標的が気体のみに限定されるわけではない。
【００２３】
標的イメージングシステム３１は、高次高調波発生装置４１、高速CCD(Charge Coupled Device)カメラ４２、イメージング装置４３、およびディスプレイ４４から構成される。
【００２４】
高次高調波発生装置４１は、パルスレーザ（レーザ光）を標的Mに照射することにより高次高調波を発生させ、その発生された高次高調波を高速CCDカメラ４２に受光させる。ここで、高次高調波とは、強度が１０１３乃至１０１４［W/cm２］程度以上の超短パルスレーザを基本波として原子や分子に照射したときに発生する、基本波のｎ分の１の波長の短波長光である。ｎは、反転対称性のある媒質の場合は奇数となり、容易に数十となることから、ｎ次（高次）の高調波と呼ばれる。また、高次高調波の波長は、レーザ強度に対して反比例的に短くなる。
【００２５】
高次高調波発生装置４１は、パルスレーザ発振器５１、集光レンズ５２、ソースチャンバ５３、およびマイクロチャネルプレート５４を少なくとも有する。
【００２６】
パルスレーザ発振器５１は、レーザ源５１ａを有し、レーザ源５１ａが発生させた所定波長のレーザ光を所定のパルス幅にパルス化したパルスレーザを出力する。本実施の形態においては、レーザ源５１ａは、800［nm］または1300［nm］の波長のレーザ光を出力する。
【００２７】
集光レンズ５２は、パルスレーザ発振器５１が出力したパルスレーザを、ソースチャンバ５３内の標的Mの位置に集光させる。集光レンズ５２の焦点距離ｆは、例えば、４００［mm］とすることができる。
【００２８】
ソースチャンバ５３は、内部を真空状態に保持する装置であり、その内部に、標的（希ガス）発生装置６１、Alフィルタ（アルミニウムフィルタ）６２、スリット６３、および分光器（回折格子）６４を有する。
【００２９】
標的発生装置６１は、パルスレーザの光路上に標的Mを噴射する。本実施の形態において、標的Mは、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれかであるとする。パルスレーザと標的Mが衝突することにより、高次高調波が発生する。図２では、パルスレーザを点線で、高次高調波を実線で示している。
【００３０】
Alフィルタ６２は、800［nm］程度以上の光を遮断するハイパスフィルタである。即ち、Alフィルタ６２は、パルスレーザの基本波成分を遮断し、高次高調波成分のみを通過させる。
【００３１】
分光器６４は、フラットフィールド型の回折格子であり、高次高調波スペクトルを波長ごとにZ方向に分光して、マイクロチャネルプレート５４に照射する。なお、X方向は、パルスレーザの照射方向に垂直で、かつ、紙面に垂直な方向を表し、Y方向は、パルスレーザの照射方向と同方向であり、Z方向は、XY平面に垂直な方向を表す。
【００３２】
マイクロチャネルプレート５４は、波長ごとにZ方向に配列された光を受光し、発生する光電子を増幅する。増幅された光電子は、図示せぬフォスファースクリーン（蛍光面）により可視光に変換されて、高速CCDカメラ４２に入射する。
【００３３】
高速CCDカメラ４２は、例えば、数キロヘルツの撮像データが取得可能なカメラである。高速CCDカメラ４２は、可視光に変換された高次高調波スペクトルを受光し、受光して得られた信号をデジタル信号に変換してイメージング装置４３に出力する。なお、高速CCDカメラ４２はXZ平面に２次元の撮像領域を有しているが、Z軸方向は波長ごとに分光されたエネルギー軸となる。
【００３４】
イメージング装置４３は、高速CCDカメラ４２から供給される高次高調波スペクトルのデジタル信号から、標的Mを同定（特定）する。そして、イメージング装置４３は、同定した標的Mの原子または分子の構造を表す実空間イメージ（画像）を生成し、その画像信号をディスプレイ４４に供給する。
【００３５】
ディスプレイ４４は、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)やPDP(Plasma Display Panel)ディスプレイなどからなり、供給された画像信号に基づいて、標的Mの実空間イメージを表示する。
【００３６】
標的イメージングシステム３１は、以上のように構成される。
【００３７】
［標的イメージングシステムの概念図］
図３は、標的イメージングシステム３１が行う処理を概念的に示した図である。
【００３８】
最初に、高次高調波発生装置４１において、パルスレーザを標的Mに照射することにより高次高調波を発生させる高次高調波の発生処理が行われる。
【００３９】
次に、標的Mを同定する標的の同定処理が行われる。より具体的には、高速CCDカメラ４２において、高次高調波発生装置４１で発生された高次高調波が検出される。そして、イメージング装置４３が、高次高調波から、標的に固有の特徴量である光再結合断面積スペクトルを演算により求める。光再結合断面積スペクトルとは、図４を参照して後述するように、標的から光イオン化（電子トンネルイオン化）した電子が標的に再結合する際の断面積のスペクトルである。そして、イメージング装置４３は、光再結合断面積スペクトルが標的に固有の特徴量であることから、演算により求められた光再結合断面積スペクトル（以下、光再結合断面積スペクトルの実測値ともいう。）に基づいて、標的Mを同定する。
【００４０】
最後に、イメージング装置４３は、同定した標的Mを実空間イメージとして生成（復元）する標的のイメージ生成処理を実行する。図３は、標的が２原子分子である場合の実空間イメージの表示例を示している。
【００４１】
［高次高調波の発生原理の説明］
図４を参照して、高次高調波の発生原理について説明する。
【００４２】
図４Aは、パルスレーザ発振器５１から出力されるパルスレーザと、そのパルスレーザにより生じる電場を示している。図４Bは、高次高調波発生メカニズムを模式的に示した図である。
【００４３】
高次高調波は、以下の３ステップにより発生する。
【００４４】
第１ステップとして、標的Mに高強度の超短パルスレーザが照射されると、そのレーザ電場により電子が光イオン化（トンネルイオン化）する（ａ点）。光イオン化とは、高次高調波の光子としてのエネルギーを<h>ω［eV］とした場合、<h>ωの光子の吸収によって光の偏光と並行方向に<h>ω＝E＋Iｐを満たすエネルギーの電子を放出することであり、Iｐ［eV］はイオン化ポテンシャル、ω［au：原子単位系、８００nmの波長でω＝０．０５７ａｕ、１３００nmの波長でω＝０．０３５au］はその角周波数、E［eV］は再結合電子の運動エネルギー、<h>はプランク定数（<h>＝ｈ／２π）を表す。
【００４５】
ａ点におけるレーザ電場は、図４Ａに示されるように負の最大値となっている。光イオン化した電子は、負のレーザ電場により図４Bにおいて右方向に移動する。
【００４６】
第２ステップとして、ｂ点において、右方向へ移動していた電子が停止し、ｂ点における正の最大値のレーザ電場に従って、図４Ｂ左方向へ移動を開始する。そして、正方向のレーザ電場によって、電子は加速される。
【００４７】
第３ステップとして、高い運動エネルギーを得た電子は、標的Mと再衝突し、再結合する。電子が標的Mに再結合するときの電場は、図４Ａのｃ点に相当し、ちょうど０となる。
【００４８】
電子が標的Mと再結合する際、高い運動エネルギーと、イオン化した電子自体の持つエネルギー（イオン化ポテンシャル）との和が、高調波を発生させるエネルギーとなって、高次高調波が発生する。この光再結合は、光イオン化の逆過程であり、光イオン化断面積スペクトルと再結合断面積スペクトルはコンプリメンタルの関係にあるということができる。
【００４９】
以上の現象が、高次高調波発生装置４１のソースチャンバ５３内で起きている。この高次高調波を検出することにより、レーザ電場が０の時点（ｃ点）のときの標的Mの情報を、実時間（アト秒（１０−１８秒）領域）の分解能で得ることができる。
【００５０】
［高速CCDカメラ４２とイメージング装置４３の構成例］
図５は、高速CCDカメラ４２とイメージング装置４３の詳細構成例を示すブロック図である。
【００５１】
高速CCDカメラ４２は、撮像レンズ７１、CCD７２、駆動回路７３、A/Dコンバータ７４、および信号処理回路７５により構成される。
【００５２】
イメージング装置４３は、高次高調波スペクトル強度演算部８１、光再結合断面積演算部８２、標的同定部８３、標的パラメータ記憶部８４、および標的イメージ生成部８５により構成される。
【００５３】
高速CCDカメラ４２の撮像レンズ７１は、高次高調波発生装置４１が出力した光をCCD７２に結像させる。CCD７２は、駆動回路７３の制御にしたがい、検出した光を電気信号に変換（光電変換）し、アナログの信号をA/Dコンバータ７４に出力する。駆動回路７３は、CCD７２のXZ平面に２次元配置された画素の駆動を制御する。
【００５４】
A/Dコンバータ７４は、CCD７２から供給されるアナログの信号をデジタルの信号に変換（A/D変換）し、信号処理回路７５に供給する。
【００５５】
信号処理回路７５は、供給されるデジタルの信号に対して、例えば、AGC(Auto Gain Control)処理、ガンマ補正処理、YC変換処理、ホワイトバランス処理、ノイズ除去処理などの信号処理を必要に応じて実行する。信号処理回路７５は、A/Dコンバータ７４から供給されたそのままの信号または信号処理後の信号をイメージング装置４３に出力する。
【００５６】
イメージング装置４３の高次高調波スペクトル強度演算部８１は、高速CCDカメラ４２から供給される時間発展（時系列）の高次高調波スペクトルの信号をフーリエ変換することにより、周波数ごとの高次高調波スペクトル強度を演算する。即ち、高次高調波スペクトル強度演算部８１は、時間軸上の高次高調波スペクトル強度を、周波数軸上の高次高調波スペクトル強度に変換する。高次高調波スペクトル強度演算部８１は、演算により得られた高次高調波スペクトル強度を光再結合断面積演算部８２に供給する。
【００５７】
図６は、標的Mをアルゴン、クリプトン、およびキセノンとした場合に高次高調波スペクトル強度演算部８１で得られる高次高調波スペクトル強度の例を示している。
【００５８】
図６において、横軸は高次高調波の次数（Harmonic order）および光子エネルギー（Photon energy）を表し、縦軸は高次高調波スペクトル強度を表す。
【００５９】
図５に戻り、光再結合断面積演算部８２は、高次高調波スペクトル強度演算部８１から供給される高次高調波スペクトル強度から、標的Mの光再結合断面積スペクトルを演算する。
【００６０】
高次高調波の発生は、図４を参照して説明したように標的イオンと再衝突電子との光再結合による非弾性散乱の１つである。そして、高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）、標的イオンによる電子の光再結合断面積スペクトルσ（E）、および再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)には、次式（１）の関係があることが、非特許文献１（" Accurate Retrieval of Structural Information from Laser-Induced Photoelectron and High-Order Harmonic Spectra by Few-Cycle Laser Pulses" Toru Morishita, Anh-Thu Le, Zhangjin Chen, and C. D. Lin, PHYSICAL REVIEW LETTERS VOLUME 100, 013903 (2008)）により確認されている。
【数１】
【００６１】
式（１）は、次式（２）のように変形することができる。
【数２】
【００６２】
式（２）の高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）は、高次高調波スペクトル強度演算部８１から供給される。したがって、再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)がわかれば、高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）と再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)の比として、光再結合断面積スペクトルσ（E）を求めることができる。
【００６３】
ここで、再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)は、レーザのパラメータのみに依存し、標的Mの種類には依存しない量である。すなわち、任意の標的Cについて、式（３）が成り立つ。
【数３】
【００６４】
そこで、イオン化ポテンシャルを標的Cと同じIｐ［eV］にスケールした水素様原子H（scaled H）について、再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を求めることができる。即ち、式（４）に示すように、標的C＝scaled Hとしたときの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を求めることができる。
【数４】
【００６５】
ここで、高次高調波スペクトル強度Y scaled H（<h>ω）は、水素様原子scaled Hについて時間依存シュレディンガー方程式を解いて得られる高次高調波スペクトル強度であり、光再結合断面積スペクトルσscaled H（E）は、水素様原子scaled Hについて、散乱理論に基づいて時間依存しないシュレディンガー方程式によって得られる光再結合断面積スペクトルである。
【００６６】
時間依存しないシュレディンガー方程式は、次式（５）で表される。
【００６７】
【数５】
式（５）左辺のHハットは、ハミルトン演算子であり、次式（６）に示されるとおり、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和として表すことができる。
【数６】
また、式（５）右辺の関数Ψ（ｒ）は、波動関数ψ（r,t）を用いて次式（７）で表すことができる。
【数７】
式（６）におけるｍは電子の質量であり、Eは電子のエネルギーである。
【００６８】
従って、式（４）で得られた再結合電子波束のエネルギー分布W (<h>ω)を、式（２）のW (<h>ω)に代入することにより、標的Mの光再結合断面積スペクトルσ（E）を求めることができる。
【００６９】
光再結合断面積演算部８２には、ソースチャンバ５３内の標的Mの高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）が、高次高調波スペクトル強度演算部８１から供給され、標的Mと同じイオン化ポテンシャルIｐ［eV］にスケールした水素様原子scaled Hの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)が、標的パラメータ記憶部８４から供給される。光再結合断面積演算部８２は、供給された高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）と再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を用いて、式（２）により、ソースチャンバ５３内の標的Mの光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を演算する。演算により得られた光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値は、標的同定部８３に供給される。
【００７０】
なお、標的Mは不明であるため、光再結合断面積演算部８２は、所定の原子または分子を標的Mとして仮定し、その仮定した標的Mと同一のイオン化ポテンシャルIｐの水素様原子scaled Hの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を標的パラメータ記憶部８４から取得し、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を演算する。
【００７１】
ところで、各原子固有の光イオン化断面積スペクトルａ（<h>ω）については、長年に亘り調べられ、知られている。例えば、アルゴンの光イオン化断面積スペクトルａ（<h>ω）には、光子エネルギーが４０乃至５０［eV］付近で極小点（クーパー極小）が存在し、その極小点において基底状態（３ｐ）からイオン化状態（ｄ波成分）への遷移に関する双極子モーメントが符号反転することが知られている。このことは、例えば、非特許文献２（Photoionization from Outer Atomic Subshells. A Model Study" John W. COOPER, PHYSICAL REVIEW VOLUME 128, NUMBER 2, p.p. 681-693 (1962)）に記載されている。
【００７２】
また、光再結合は光イオン化の逆過程であって、アルゴンの光再結合断面積スペクトルσ（E）も同様の極小点を有し、その極小点においてイオン化状態（ｄ波成分）から基底状態（３ｐ）への遷移に関する双極子モーメントが符号反転することが、非特許文献３（" Retrieving photorecombination cross sections of atoms from high-order harmonic spectra" Shinichirou Minemoto, Toshihito Umegaki, Yuichiro Oguchi, Toru Morishita, Anh-Thu Le, Shinichi Watanabe, and Hirofumi Sakai, PHYSICAL REVIEW A VOLUME 78, 061402(R)(2008)）で確認されている。
【００７３】
そして、非特許文献３では、アルゴンの光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が、散乱理論に基づいて時間に依存しないシュレディンガー方程式によって得られる光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と一致することも確認されている。クリプトンおよびキセノンについても同様の確認がされている。
【００７４】
従って、アルゴン、クリプトン、およびキセノンについて予め演算して記憶しておいた、散乱理論に基づいて時間に依存しないシュレディンガー方程式によって得られる光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と、光再結合断面積演算部８２から供給される光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を比較することにより、標的Mを同定（特定）することができる。
【００７５】
標的同定部８３は、光再結合断面積演算部８２で求められて供給される光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を、標的パラメータ記憶部８４に記憶されている各原子または分子の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較することにより、標的Mを同定（特定）する。
【００７６】
標的パラメータ記憶部８４は、標的Mとして想定される各原子または分子の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値をパラメータとして記憶し、必要に応じて標的同定部８３に供給する。本実施の形態では、標的パラメータ記憶部８４は、アルゴン、クリプトン、およびキセノンの光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値を少なくとも記憶している。
【００７７】
また、標的パラメータ記憶部８４は、標的Mとして想定される各原子または分子について、イオン化ポテンシャルをIｐ［eV］にスケールした水素様原子scaled Hの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を記憶し、必要に応じて標的同定部８３に供給する。本実施の形態では、標的パラメータ記憶部８４は、アルゴン、クリプトン、およびキセノンの水素様原子scaled Hの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を少なくとも記憶している。
【００７８】
標的イメージ生成部８５は、標的同定部８３が同定した標的Mの原子または分子の構造を表す実空間イメージ（画像）を生成する。例えば、標的イメージ生成部８５は、標的Mの原子または分子の構造を３次元画像化した画像、標的Mの電子密度を２次元化した画像などを実空間イメージとして生成する。
【００７９】
なお、標的イメージ生成部８５は、標的Mが同定された場合、図示せぬ内部メモリに予め記憶しておいた標的Mの実空間イメージデータ（例えば、イメージファイル）を取得することにより、標的Mの実空間イメージを生成してもよいし、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値に基づいて実空間イメージを生成するアルゴリズム（プログラム）を実行することにより、標的Mの実空間イメージを生成してもよい。
【００８０】
標的イメージ生成部８５は、生成した標的Mの実空間イメージの画像信号を、必要に応じてディスプレイ４４（図２）に適したフォーマットに変換して、ディスプレイ４４に供給することにより、ディスプレイ４４に標的Mの実空間イメージを表示させる。
【００８１】
［アルゴン、クリプトン、およびキセノンの光再結合断面積スペクトルσ（E）］
図７は、標的Mをアルゴン、クリプトン、およびキセノンとして、イメージング装置４３の光再結合断面積演算部８２により得られた光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を示している。
【００８２】
図７Aは標的Mがアルゴン（Ar）である場合、図７Bは標的Mがクリプトン（Kr）である場合、図７Cは標的Mがキセノン（Xe）である場合の、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を示している。
【００８３】
図７A乃至図７Cの各グラフの横軸は次数（Harmonic order）を表し、縦軸は光再結合断面積（PRCS）σ（E）の実測値を表す。また、図７A乃至図７Cにおいて、丸（○）のプロットはレーザ波長が８００nmである場合の光再結合断面積（PRCS）σ（E）の実測値であり、正方形（■）のプロットはレーザ波長が１３００nmである場合の光再結合断面積（PRCS）σ（E）の実測値である。
【００８４】
一方、図７D乃至図７Fは、図７A乃至図７Cに示した光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較した結果を示している。
【００８５】
図７Dは標的Mがアルゴン（Ar）である場合、図７Eは標的Mがクリプトン（Kr）である場合、図７Fは標的Mがキセノン（Xe）である場合の光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値と理論値を示している。
【００８６】
図７D乃至図７Fにおいて、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値は、実線で示されている。光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値は、図７A乃至図７Cと同様に、丸または正方形で示されている。
【００８７】
ただし、図７D乃至図７Fにおいては、図７A乃至図７Cに示した光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を、横軸を光子エネルギー［eV］に変換した上で、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較している。これは、従来、上述した非特許文献２などにおいて、各原子固有の光イオン化断面積スペクトルａ（<h>ω）は、光子エネルギー［eV］を横軸として検証されていることから、それに対応させるためである。
【００８８】
なお、光子エネルギー［eV］は、レーザ波長が８００nmである場合には１order＝1.55［eV］で、レーザ波長が１３００nmである場合には１order＝0.952［eV］で換算している。
【００８９】
例えば、標的Mがアルゴン（Ar）である場合、図７Dに示されるように、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値では、光子エネルギーが４０乃至５０［eV］付近のクーパー極小で、イオン化状態（ｄ波成分）から基底状態（３ｐ）への遷移に関する双極子モーメントが符号反転している。
【００９０】
これに対して、光再結合断面積演算部８２の演算結果としての光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値も、レーザの波長に拘らず、光子エネルギーがクーパー極小で双極子モーメントが符号反転することが確認できる。
【００９１】
従って、光再結合断面積演算部８２から供給される光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較することにより、標的Mを同定することができる。
【００９２】
イオン化状態（ｄ波成分）から基底状態（３ｐ）への遷移が観測できているということは、原子内部の電子状態遷移を直接観測できたことを意味しており、標的イメージングシステム３１が原子内部での状態遷移を観測できる高い空間分解能を有することを示している。
【００９３】
図７Eの標的Mがクリプトン（Kr）である場合、および図７Fの標的Mがキセノン（Xe）である場合のいずれにおいても同様に、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値は、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と同一の特性を示している。
【００９４】
なお、レーザ波長がより長い１３００nmの光再結合断面積スペクトルσ（E）では、図７A乃至図７Cでは低次側で、図７D乃至図７Fでは光子エネルギーの低域側で、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が理論値よりも低くなる傾向が見られる。これは、伝搬効果により高調波が気体で吸収されているためと考えられる。
【００９５】
［標的イメージ生成処理］
次に、図８のフローチャートを参照して、標的イメージングシステム３１による標的イメージ生成処理について説明する。
【００９６】
初めに、ステップＳ１において、高次高調波発生装置４１のパルスレーザ発振器５１は、パルスレーザを出力し、標的発生装置６１は、標的Mを噴射する。パルスレーザ発振器５１から出力されたパルスレーザは、標的Mに照射され、高次高調波が発生する。発生された高次高調波は、Alフィルタ６２を通過して、分光器６４で分光されて、マイクロチャネルプレート５４に入射される。そして、マイクロチャネルプレート５４により高次高調波の光電子が増幅され、フォスファースクリーンにより可視光に変換されて、高速CCDカメラ４２に入力される。
【００９７】
ステップＳ２において、高速CCDカメラ４２は、高次高調波発生装置４１により発生された高次高調波のスペクトル（高次高調波スペクトル）を検出し、検出された高次高調波スペクトルに対応するデジタルの信号をイメージング装置４３に出力する。
【００９８】
ステップＳ３において、高次高調波スペクトル強度演算部８１は、高速CCDカメラ４２から供給される時間発展の高次高調波スペクトルの信号をフーリエ変換することにより、周波数ごとの高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）を演算する。
【００９９】
ステップＳ４において、光再結合断面積演算部８２は、標的Mとして想定される複数の原子または分子のなかの１つを、標的Mの候補（標的候補）として選択する。光再結合断面積演算部８２が標的Mの候補として何の原子または分子を選択したかの情報は後段の標的同定部８３にも供給される。
【０１００】
ステップＳ５において、光再結合断面積演算部８２は、標的パラメータ記憶部８４に記憶されている、標的候補（例えば、アルゴン）の再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を取得する。この再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)は、上述したように、式（４）で表される、標的候補と同じイオン化ポテンシャルIｐにスケールした水素様原子scaled Hとして演算された再結合電子波束のエネルギー分布である。
【０１０１】
ステップＳ６において、標的同定部８３は、取得した再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を用いて、式（２）により光再結合断面積スペクトルσ（E）を演算する。即ち、標的同定部８３は、標的Mが標的候補であると仮定して、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を演算により求める。
【０１０２】
ステップＳ７において、標的同定部８３は、標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値を標的パラメータ記憶部８４から取得する。また、標的同定部８３は、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と一致するかを判定する。
【０１０３】
ステップＳ７で、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と一致しないと判定された場合、標的候補が標的Mではないことを意味する。この場合、処理はステップＳ４に戻り、上述したステップＳ４乃至Ｓ７の処理が繰り返し実行される。即ち、新たな原子または分子が標的候補として再び選択され、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が演算され、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値と標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値が一致するかが判定される。
【０１０４】
そして、ステップＳ７で、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と一致したと判定された場合、処理はステップＳ８に進み、標的同定部８３は、標的候補が標的Mであると決定する。即ち、標的同定部８３は、標的Mを同定する。標的Mについての情報は、標的イメージ生成部８５に供給される。
【０１０５】
ステップＳ９において、標的イメージ生成部８５は、同定した標的Mの原子または分子の構造を表す実空間イメージを生成する。
【０１０６】
そして、ステップＳ１０において、標的イメージ生成部８５は、同定した標的Mの原子または分子の構造を表す実空間イメージの画像信号を、ディスプレイ４４に適したフォーマットに必要に応じて変換して出力することにより、標的Mの実空間イメージをディスプレイ４４に表示させ、処理を終了する。
【０１０７】
以上のように、標的イメージングシステム３１によれば、標的Mにパルスレーザを照射したときに発生する高次高調波を検出し、標的Mの光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を求め、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較することにより、標的Mを同定することができる。さらに、同定した標的Mの実空間イメージを生成し、ディスプレイ４４に表示させ、提示することができる。
【０１０８】
標的イメージングシステム３１がイメージ表示する場合の時間分解能は、レーザ電場によるイオン化から再結合までの時間がレーザ周期の３／４程度であるため、アト秒（１０−１８秒）程度である。また、空間分解能は、標的となる原子のHOMO軌道の電子がイオン化および再結合する際に発生する高次高調波の強度を観測するので、原子内の状態遷移を識別できるオングストローム（Å）程度である。
【０１０９】
従って、標的イメージングシステム３１が提供するイメージング法は、原子内部での状態遷移について観測可能な、時間分解能および空間分解能の非常に小さいイメージング法であると言える。
【０１１０】
また、標的イメージングシステム３１は、干渉を使ったイメージング法ではないため、位相を揃える必要がない。従って、簡単かつ堅牢な構成で、時間分解能および空間分解能の非常に小さい観測が可能である。
【０１１１】
＜１．第２の実施の形態＞
［標的イメージングシステムの構成例］
図９は、本発明を適用した標的イメージングシステムの第２の実施の形態の構成例を示している。
【０１１２】
なお、図９において、上述した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１１３】
上述した第１の実施の形態では、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）の気体を標的として観察する例について説明した。しかし、本発明を適用した標的イメージングシステムは、気体に限らず、イオン化した電子が元の位置に再結合するものであればどのような物質であっても標的とすることができる。例えば、固体物質（の表面）や、電子との衝突断面積が小さい液体ヘリウムのような液体を標的とし、観察することができる。
【０１１４】
図９に示す第２の実施の形態は、標的として固体物質を採用した場合の標的イメージングシステムの構成例を示している。
【０１１５】
図９の標的イメージングシステム１０１は、高次高調波発生装置４１’、高速CCDカメラ４２、イメージング装置４３’、ディスプレイ４４、および制御装置１１１により構成される。
【０１１６】
即ち、第２の実施の形態では、制御装置１１１が新たに設けられている点が、上述した第１の実施の形態と異なる。また、制御装置１１１に対応して第１の実施の形態における高次高調波発生装置４１およびイメージング装置４３の構成の一部が変更され、それぞれ、高次高調波発生装置４１’およびイメージング装置４３’とされている。
【０１１７】
高次高調波発生装置４１’のソースチャンバ５３内には、固体物質である標的M’が観察対象として配置されている。
【０１１８】
高次高調波発生装置４１’には、制御装置１１１の制御にしたがい、固体物質である標的M’を所定の軸Qを中心として回転させる駆動装置１１２が設けられている。また、高次高調波発生装置４１’のソースチャンバ５３内には、パルスレーザ発振器５１からのパルスレーザを反射させ、標的M’の表面に照射させるミラー１１３aと、パルスレーザと標的M’の表面で発生した高次高調波を、分光器６４に照射するように反射させるミラー１１３ｂが設けられている。
【０１１９】
制御装置１１１は、パルスレーザ発振器５１のパルスレーザの出力タイミングを制御する。また、制御装置１１１は、パルスレーザ発振器５１のパルスレーザ出力に同期させて、標的M’が軸Qを中心にXY平面を回転するように駆動装置１１２を制御する。
【０１２０】
さらに、制御装置１１１は、高速CCDカメラ４２からイメージング装置４３’に供給される高次高調波スペクトルのデジタル信号が、標的M’の表面のどの位置にパルスレーザを照射したときの信号であるかを表す位置情報をイメージング装置４３’に供給する。
【０１２１】
高速CCDカメラ４２のCCD７２（図５）は、XZ平面でなる２次元の撮像領域を有している。パルスレーザおよび高次高調波は所定の広がりを有するが、X軸方向については、その広がりに応じてCCD７２の撮像領域内で受光することができる。即ち、標的イメージングシステム１０１は、X軸方向については空間分解能を有している。
【０１２２】
一方、上述したように、Z軸方向はエネルギー軸となるため、Z軸方向の空間分解能はない。従って、CCD７２の撮像領域のうちのX軸の１軸方向のみを用いて、固体物質である標的M’の表面の２次元の情報（高次高調波スペクトル）を得る必要がある。
【０１２３】
そこで、標的イメージングシステム１０１は、標的M’をパルスレーザ出力に同期して回転させる。これにより、標的M’の表面の高次高調波スペクトルを２次元的に得ることができる。
【０１２４】
［標的M’の回転］
図１０は、ソースチャンバ５３内の標的M’の斜視図である。
【０１２５】
駆動装置１１２は、制御装置１１１の制御に応じて、図１０に示されるように、標的M’が軸Qを中心として時刻ｔに応じてφ(t)だけ回転するように制御する。このように制御することで、Y軸方向に異なる位置の標的M’の表面の高次高調波スペクトルを得ることができる。
【０１２６】
イメージング装置４３’は、高速CCDカメラ４２からの１回のデータ取得で、X方向の所定の範囲を有する高次高調波スペクトルを得ることができる。イメージング装置４３’は、そのデータ取得をY方向の位置（回転角φ(t)）をずらして所定回数繰り返し行い、得られたデータを蓄積することにより、XY平面についての２次元的な高次高調波スペクトルを得る。そして、イメージング装置４３’は、２次元的な高次高調波スペクトルに対して、標的M’の同定処理を行い、イメージ化を行うことで、固体物質である標的M’の表面の観察が可能となる。ディスプレイ４４に表示される標的M’の実空間イメージの空間分解能を向上させるためには、パルスレーザの出力間隔を短くして高速撮像する必要があるため、例えば、数キロヘルツの撮像データが取得可能な高速CCDカメラ４２が有用である。
【０１２７】
なお、本実施の形態では、固体物質である標的M’を軸Qを中心として回転させる例について説明したが、駆動装置１１２が標的M’をY方向に平行に移動制御することにより、XY平面の２次元的な高次高調波スペクトルを得るようにすることも可能である。
【０１２８】
［標的M’のその他の例］
図１１は、固体物質である標的M’のその他の例を示している。
【０１２９】
図１１は、固体物質である標的M’としてナノメートルオーダーで構成された構造体を採用した例であり、標的M’は、例えば、カーボンナノチューブ（CNT）である。
【０１３０】
図１１Aは、標的M’としてのカーボンナノチューブの概略図（斜視図）を示している。図１１Bは、高次高調波発生装置４１’のソースチャンバ５３内での、カーボンナノチューブである標的M’の配置例を示している。
【０１３１】
カーボンナノチューブである標的M’は、円筒形状の延伸方向がX軸方向となるようにソースチャンバ５３内に配置される。制御装置１１１（図９）は、パルスレーザ発振器５１のパルスレーザ出力に同期させて、標的M’がカーボンナノチューブのX軸方向の軸を中心に時刻ｔに応じてψ(t)だけ回転するように駆動装置１１２（図９）を制御する。
【０１３２】
これにより、カーボンナノチューブである標的M’の外周表面の原子または分子を同定することができ、かつ、外周表面をナノメートルオーダー（高次高調波程度）で２次元的に観察することができる。
【０１３３】
換言すれば、標的M’をカーボンナノチューブとしたときの２次元観察の表面空間分解能はナノメートルオーダー（高次高調波の波長程度）であり、伝導性物質の電子状態の時間発展を観察することができる。より具体的には、実空間イメージが表示されたディスプレイ４４では、カーボンナノチューブの外周表面上のどの位置に何の原子があるかを観察することができ、炭素原子位置の炭素欠損や不純物が存在する位置を確認することができ、また、そこでの原子種類を特定することができる。
【０１３４】
カーボンナノチューブの両端に直流電圧を加えた場合、カーボンナノチューブは、バリスティック（弾道的）な伝導性を有し、トランジスタやLSI(Large Scale Integration)電極に応用すると高移動度・高放熱性を実現するので高効率で放熱し、LSIのナノメートルスケール微細化で問題となる発熱を抑制する。カーボンナノチューブを標的M’とした場合、標的イメージングシステム１０１は、原子レベルの伝導寄与電子状態を実時間観測できるため、直流電圧だけでなく交流電圧の電気伝導特性も観測することができ、電気伝導メカニズムの解明や多様な応用に際しての電気特性評価が可能になる。
【０１３５】
標的イメージングシステム１０１は、分子軌道の周期であるアト秒(10-18sec)程度の時間分解能で標的を観察することができる。そのため、例えば、気体成分の実時間分析、物質（半導体ペレットなど）の化学反応中の電子遷移、生体分子反応、高温超電導物質の電子状態などの量子系の時間発展を撮影する“超高速量子観察装置”として活用することができる。
【０１３６】
また、例えば、標的イメージングシステム１０１のイメージング装置４３には、がん細胞に放射線を照射して行う放射線治療において、放射線（パルスレーザ）を照射することによりがん細胞を観察し、さらに、そのがん細胞と健康な細胞とを区別するための識別機能を持たせることも可能である。従来の放射線治療では、体内で動かない部位のがん細胞の治療を対象としていた。標的イメージングシステム１０１は超高速な時間分解能を持つので、放射線の照射位置を制御装置１１１が制御することで、時々刻々変化するがん細胞の位置を識別することができるため、体内の動く部位でのがん細胞の位置を分別でき、体内の動く部位でのがん細胞の放射線治療を可能にする。
【０１３７】
本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１３８】
例えば、上述した実施の形態の高速CCDカメラ４２に代えて、集光レンズ、２次元のフォトダイオード、およびマルチチャンネルA/Dコンバータの組み合わせを採用することができる。
【０１３９】
また、発生した高次高調波をマイクロチャネルプレート５４およびフォスファースクリーンによって可視光に変換せずに、高速CCDカメラ４２に代わりにX線CCDカメラによって高次高調波をそのまま受光することも可能である。
【０１４０】
イメージング装置４３による標的の同定処理および実空間イメージの表示制御処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、コンピュータにインストールされる。ここで、コンピュータには、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータや、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどが含まれる。
【０１４１】
図１２は、上述した一連の処理をプログラムにより実行するコンピュータのハードウエアの構成例を示すブロック図である。
【０１４２】
コンピュータにおいて、CPU（Central Processing Unit）２０１，ROM（Read Only Memory）２０２，RAM（Random Access Memory）２０３は、バス２０４により相互に接続されている。
【０１４３】
バス２０４には、さらに、入出力インタフェース２０５が接続されている。入出力インタフェース２０５には、入力部２０６、出力部２０７、記憶部２０８、通信部２０９、及びドライブ２１０が接続されている。
【０１４４】
入力部２０６は、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる。出力部２０７は、ディスプレイ、スピーカなどよりなる。記憶部２０８は、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる。通信部２０９は、ネットワークインタフェースなどよりなる。ドライブ２１０は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブル記録媒体２１１を駆動する。
【０１４５】
以上のように構成されるコンピュータでは、CPU２０１が、例えば、記憶部２０８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース２０５及びバス２０４を介して、RAM２０３にロードして実行することにより、上述した標的の同定処理および実空間イメージの表示制御処理が行われる。
【０１４６】
具体的には、例えば、CPU２０１は、高次高調波スペクトルのスペクトル強度の演算、標的M（M’）の光再結合断面積スペクトルσ（E）の演算、標的パラメータ記憶部８４としての記憶部２０８に記憶されている各原子または分子の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と、標的M（M’）の光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値とを比較することによる標的Mの同定などの処理を行う。
【０１４７】
標的パラメータ記憶部８４としての記憶部２０８は、標的Mとして想定される各原子または分子の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値、標的Mとして想定される各原子または分子の水素様原子scaled Hとして求められた再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)などを記憶する。
【０１４８】
コンピュータ（CPU２０１）が実行するプログラムは、例えば、パッケージメディア等としてのリムーバブル記録媒体２１１に記録して提供することができる。また、プログラムは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供することができる。
【０１４９】
コンピュータでは、プログラムは、リムーバブル記録媒体２１１をドライブ２１０に装着することにより、入出力インタフェース２０５を介して、記憶部２０８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部２０９で受信し、記憶部２０８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM２０２や記憶部２０８に、あらかじめインストールしておくことができる。
【０１５０】
なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。
【０１５１】
なお、本明細書において、フローチャートに記述されたステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる場合はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで実行されてもよい。
【０１５２】
また、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
【符号の説明】
【０１５３】
３１ 標的イメージングシステム， ４１，４１’ 高次高調波発生装置， ４３，４３’ イメージング装置， ４４ ディスプレイ， M，M’ 標的， ８１ 高次高調波スペクトル強度演算部， ８２ 光再結合断面積演算部， ８３ 標的同定部， ８４ 標的パラメータ記憶部， ８５ 標的イメージ生成部， １０１ 標的イメージングシステム， １１２ 駆動装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察システムおよび観察方法に関し、特に、より簡単かつ堅牢な構成で、空間的分解能の高い観測ができるようにする観察システムおよび観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子レベルの観測が可能な空間的分解能の高い観測方法の１つとして、走査型トンネル顕微鏡を用いた観測が知られている。走査型トンネル顕微鏡は、原子１個１個の波動関数によるトンネル電流を探針先端の原子に流すことで、電子レベルの観測を可能にしている。
【０００３】
しかし、走査型トンネル顕微鏡では、原子内部での状態遷移を観測できるほどの空間的分解能はなく、したがって、原子内部での状態遷移については観測できなかった。
【０００４】
また、空間的分解能の高いその他の観測方法として、例えば、特許文献１で開示されているような、高次高調波による干渉を用いたイメージング法がある。
【０００５】
図１は、特許文献１に開示されている高次高調波による干渉を用いたエックス線干渉計測装置の構成を示している。
【０００６】
図１のエックス線干渉計測装置は、高次高調波エックス線を発生する高次高調波エックス線発生器１１、高次高調波エックス線を２つにわける針孔回折干渉計板１２、エックス線フィルタ１３、およびエックス線検出器１４により構成される。
【０００７】
高次高調波エックス線発生器１１は、レーザ発生器２１、集束強度調節器２２、チャンバ２３、および圧力調節器２４により構成される。
【０００８】
レーザ発生器２１は、高出力フェムト秒レーザを発生させ、出力する。集束強度調節器２２は、高出力フェムト秒レーザの集束強度を適切に調節する。チャンバ２３内にはアルゴン等の気体が充填され、圧力調節器２４によって気体の圧力が適切に調節される。
【０００９】
レーザ発生器２１により発生された高出力フェムト秒レーザがチャンバ２３内の気体（例えば、アルゴン）に集束する。強いレーザの電場に置かれた気体の原子内の電子がトンネルイオン化して移動することにより、高次高調波が発生する。
【００１０】
針孔回折干渉計板１２は、微細孔が開いた薄膜でなり、高次高調波エックス線発生器１１から発生された高次高調波から、基準ビームと回折ビームを生成する。
【００１１】
エックス線フィルタ１３は、アルミニウムフィルタにより構成され、所定の波長のみを通過させる。エックス線検出器１４は、干渉縞を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許４２１３５３６号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１に示したような従来の干渉を使ったイメージング法では、位相の揃った高次高調波の光源が必要であり、そのための調整が必要不可欠で、装置の構成も複雑となってしまうという問題があった。
【００１４】
具体的には、高次高調波エックス線発生器１１は、位相の揃った高次高調波を発生させるため、針孔回折干渉計板１２が必要であるとともに、集束強度調節器２２を設け、高出力フェムト秒レーザの集束条件を適切に調整する必要があった。
【００１５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、高次高調波の位相を揃える必要がなく、より簡単かつ堅牢な構成で、空間的分解能の高い観測ができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一側面の観察システムは、標的を画像化して観察する観察システムであって、パルスレーザを標的に照射することにより、高次高調波を発生させる高次高調波発生手段と、発生された高次高調波のスペクトル強度を演算する高次高調波スペクトル強度演算手段と、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値を演算する光再結合断面積演算手段と、前記光再結合断面積演算手段の演算により得られた前記光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、前記標的を同定する標的同定手段と、同定された前記標的の画像を生成し、所定の画面に表示させる表示制御手段とを備える。
【００１７】
本発明の一側面の観察方法は、標的を画像化して観察する観察方法であって、パルスレーザを標的に照射することにより、高次高調波を発生させ、発生された高次高調波のスペクトル強度を演算し、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値を演算し、演算により得られた光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、前記標的を同定し、同定された前記標的の画像を生成し、所定の画面に表示させる。
【００１８】
本発明の一側面においては、パルスレーザを標的に照射することにより発生された高次高調波のスペクトル強度が演算され、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、標的の光再結合断面積スペクトルの実測値が演算され、演算により得られた光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、標的が同定され、同定された標的の画像が生成され、所定の画面に表示される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、より簡単かつ堅牢な構成で、空間的分解能の高い観測ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来のエックス線干渉計測装置の一例を示す図である。
【図２】本発明を適用した標的イメージングシステムの第１の実施の形態の構成例を示す図である。
【図３】図２の標的イメージングシステムが行う処理の概念図である。
【図４】高次高調波の発生原理について説明する図である。
【図５】高速CCDカメラとイメージング装置の詳細構成例を示すブロック図である。
【図６】高次高調波スペクトル強度の例を示す図である。
【図７】光再結合断面積スペクトルの例を示す図である。
【図８】標的イメージ生成処理について説明するフローチャートである。
【図９】本発明を適用した標的イメージングシステムの第２の実施の形態の構成例を示す図である。
【図１０】第２の実施の形態におけるソースチャンバ内の標的の斜視図である。
【図１１】第２の実施の形態における標的のその他の例を示す図である。
【図１２】本発明を適用したコンピュータの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜１．第１の実施の形態＞
［標的イメージングシステムの構成例］
図２は、本発明を適用した標的イメージングシステムの第１の実施の形態の構成例を示している。
【００２２】
図２の標的イメージングシステム３１は、標的を高分解能にイメージング化（画像化）して観察するシステム（観察システム）である。なお、本実施の形態において、標的としては、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）の希ガスを採用した例を説明するが、後述するように、標的が気体のみに限定されるわけではない。
【００２３】
標的イメージングシステム３１は、高次高調波発生装置４１、高速CCD(Charge Coupled Device)カメラ４２、イメージング装置４３、およびディスプレイ４４から構成される。
【００２４】
高次高調波発生装置４１は、パルスレーザ（レーザ光）を標的Mに照射することにより高次高調波を発生させ、その発生された高次高調波を高速CCDカメラ４２に受光させる。ここで、高次高調波とは、強度が１０１３乃至１０１４［W/cm２］程度以上の超短パルスレーザを基本波として原子や分子に照射したときに発生する、基本波のｎ分の１の波長の短波長光である。ｎは、反転対称性のある媒質の場合は奇数となり、容易に数十となることから、ｎ次（高次）の高調波と呼ばれる。また、高次高調波の波長は、レーザ強度に対して反比例的に短くなる。
【００２５】
高次高調波発生装置４１は、パルスレーザ発振器５１、集光レンズ５２、ソースチャンバ５３、およびマイクロチャネルプレート５４を少なくとも有する。
【００２６】
パルスレーザ発振器５１は、レーザ源５１ａを有し、レーザ源５１ａが発生させた所定波長のレーザ光を所定のパルス幅にパルス化したパルスレーザを出力する。本実施の形態においては、レーザ源５１ａは、800［nm］または1300［nm］の波長のレーザ光を出力する。
【００２７】
集光レンズ５２は、パルスレーザ発振器５１が出力したパルスレーザを、ソースチャンバ５３内の標的Mの位置に集光させる。集光レンズ５２の焦点距離ｆは、例えば、４００［mm］とすることができる。
【００２８】
ソースチャンバ５３は、内部を真空状態に保持する装置であり、その内部に、標的（希ガス）発生装置６１、Alフィルタ（アルミニウムフィルタ）６２、スリット６３、および分光器（回折格子）６４を有する。
【００２９】
標的発生装置６１は、パルスレーザの光路上に標的Mを噴射する。本実施の形態において、標的Mは、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれかであるとする。パルスレーザと標的Mが衝突することにより、高次高調波が発生する。図２では、パルスレーザを点線で、高次高調波を実線で示している。
【００３０】
Alフィルタ６２は、800［nm］程度以上の光を遮断するハイパスフィルタである。即ち、Alフィルタ６２は、パルスレーザの基本波成分を遮断し、高次高調波成分のみを通過させる。
【００３１】
分光器６４は、フラットフィールド型の回折格子であり、高次高調波スペクトルを波長ごとにZ方向に分光して、マイクロチャネルプレート５４に照射する。なお、X方向は、パルスレーザの照射方向に垂直で、かつ、紙面に垂直な方向を表し、Y方向は、パルスレーザの照射方向と同方向であり、Z方向は、XY平面に垂直な方向を表す。
【００３２】
マイクロチャネルプレート５４は、波長ごとにZ方向に配列された光を受光し、発生する光電子を増幅する。増幅された光電子は、図示せぬフォスファースクリーン（蛍光面）により可視光に変換されて、高速CCDカメラ４２に入射する。
【００３３】
高速CCDカメラ４２は、例えば、数キロヘルツの撮像データが取得可能なカメラである。高速CCDカメラ４２は、可視光に変換された高次高調波スペクトルを受光し、受光して得られた信号をデジタル信号に変換してイメージング装置４３に出力する。なお、高速CCDカメラ４２はXZ平面に２次元の撮像領域を有しているが、Z軸方向は波長ごとに分光されたエネルギー軸となる。
【００３４】
イメージング装置４３は、高速CCDカメラ４２から供給される高次高調波スペクトルのデジタル信号から、標的Mを同定（特定）する。そして、イメージング装置４３は、同定した標的Mの原子または分子の構造を表す実空間イメージ（画像）を生成し、その画像信号をディスプレイ４４に供給する。
【００３５】
ディスプレイ４４は、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)やPDP(Plasma Display Panel)ディスプレイなどからなり、供給された画像信号に基づいて、標的Mの実空間イメージを表示する。
【００３６】
標的イメージングシステム３１は、以上のように構成される。
【００３７】
［標的イメージングシステムの概念図］
図３は、標的イメージングシステム３１が行う処理を概念的に示した図である。
【００３８】
最初に、高次高調波発生装置４１において、パルスレーザを標的Mに照射することにより高次高調波を発生させる高次高調波の発生処理が行われる。
【００３９】
次に、標的Mを同定する標的の同定処理が行われる。より具体的には、高速CCDカメラ４２において、高次高調波発生装置４１で発生された高次高調波が検出される。そして、イメージング装置４３が、高次高調波から、標的に固有の特徴量である光再結合断面積スペクトルを演算により求める。光再結合断面積スペクトルとは、図４を参照して後述するように、標的から光イオン化（電子トンネルイオン化）した電子が標的に再結合する際の断面積のスペクトルである。そして、イメージング装置４３は、光再結合断面積スペクトルが標的に固有の特徴量であることから、演算により求められた光再結合断面積スペクトル（以下、光再結合断面積スペクトルの実測値ともいう。）に基づいて、標的Mを同定する。
【００４０】
最後に、イメージング装置４３は、同定した標的Mを実空間イメージとして生成（復元）する標的のイメージ生成処理を実行する。図３は、標的が２原子分子である場合の実空間イメージの表示例を示している。
【００４１】
［高次高調波の発生原理の説明］
図４を参照して、高次高調波の発生原理について説明する。
【００４２】
図４Aは、パルスレーザ発振器５１から出力されるパルスレーザと、そのパルスレーザにより生じる電場を示している。図４Bは、高次高調波発生メカニズムを模式的に示した図である。
【００４３】
高次高調波は、以下の３ステップにより発生する。
【００４４】
第１ステップとして、標的Mに高強度の超短パルスレーザが照射されると、そのレーザ電場により電子が光イオン化（トンネルイオン化）する（ａ点）。光イオン化とは、高次高調波の光子としてのエネルギーを<h>ω［eV］とした場合、<h>ωの光子の吸収によって光の偏光と並行方向に<h>ω＝E＋Iｐを満たすエネルギーの電子を放出することであり、Iｐ［eV］はイオン化ポテンシャル、ω［au：原子単位系、８００nmの波長でω＝０．０５７ａｕ、１３００nmの波長でω＝０．０３５au］はその角周波数、E［eV］は再結合電子の運動エネルギー、<h>はプランク定数（<h>＝ｈ／２π）を表す。
【００４５】
ａ点におけるレーザ電場は、図４Ａに示されるように負の最大値となっている。光イオン化した電子は、負のレーザ電場により図４Bにおいて右方向に移動する。
【００４６】
第２ステップとして、ｂ点において、右方向へ移動していた電子が停止し、ｂ点における正の最大値のレーザ電場に従って、図４Ｂ左方向へ移動を開始する。そして、正方向のレーザ電場によって、電子は加速される。
【００４７】
第３ステップとして、高い運動エネルギーを得た電子は、標的Mと再衝突し、再結合する。電子が標的Mに再結合するときの電場は、図４Ａのｃ点に相当し、ちょうど０となる。
【００４８】
電子が標的Mと再結合する際、高い運動エネルギーと、イオン化した電子自体の持つエネルギー（イオン化ポテンシャル）との和が、高調波を発生させるエネルギーとなって、高次高調波が発生する。この光再結合は、光イオン化の逆過程であり、光イオン化断面積スペクトルと再結合断面積スペクトルはコンプリメンタルの関係にあるということができる。
【００４９】
以上の現象が、高次高調波発生装置４１のソースチャンバ５３内で起きている。この高次高調波を検出することにより、レーザ電場が０の時点（ｃ点）のときの標的Mの情報を、実時間（アト秒（１０−１８秒）領域）の分解能で得ることができる。
【００５０】
［高速CCDカメラ４２とイメージング装置４３の構成例］
図５は、高速CCDカメラ４２とイメージング装置４３の詳細構成例を示すブロック図である。
【００５１】
高速CCDカメラ４２は、撮像レンズ７１、CCD７２、駆動回路７３、A/Dコンバータ７４、および信号処理回路７５により構成される。
【００５２】
イメージング装置４３は、高次高調波スペクトル強度演算部８１、光再結合断面積演算部８２、標的同定部８３、標的パラメータ記憶部８４、および標的イメージ生成部８５により構成される。
【００５３】
高速CCDカメラ４２の撮像レンズ７１は、高次高調波発生装置４１が出力した光をCCD７２に結像させる。CCD７２は、駆動回路７３の制御にしたがい、検出した光を電気信号に変換（光電変換）し、アナログの信号をA/Dコンバータ７４に出力する。駆動回路７３は、CCD７２のXZ平面に２次元配置された画素の駆動を制御する。
【００５４】
A/Dコンバータ７４は、CCD７２から供給されるアナログの信号をデジタルの信号に変換（A/D変換）し、信号処理回路７５に供給する。
【００５５】
信号処理回路７５は、供給されるデジタルの信号に対して、例えば、AGC(Auto Gain Control)処理、ガンマ補正処理、YC変換処理、ホワイトバランス処理、ノイズ除去処理などの信号処理を必要に応じて実行する。信号処理回路７５は、A/Dコンバータ７４から供給されたそのままの信号または信号処理後の信号をイメージング装置４３に出力する。
【００５６】
イメージング装置４３の高次高調波スペクトル強度演算部８１は、高速CCDカメラ４２から供給される時間発展（時系列）の高次高調波スペクトルの信号をフーリエ変換することにより、周波数ごとの高次高調波スペクトル強度を演算する。即ち、高次高調波スペクトル強度演算部８１は、時間軸上の高次高調波スペクトル強度を、周波数軸上の高次高調波スペクトル強度に変換する。高次高調波スペクトル強度演算部８１は、演算により得られた高次高調波スペクトル強度を光再結合断面積演算部８２に供給する。
【００５７】
図６は、標的Mをアルゴン、クリプトン、およびキセノンとした場合に高次高調波スペクトル強度演算部８１で得られる高次高調波スペクトル強度の例を示している。
【００５８】
図６において、横軸は高次高調波の次数（Harmonic order）および光子エネルギー（Photon energy）を表し、縦軸は高次高調波スペクトル強度を表す。
【００５９】
図５に戻り、光再結合断面積演算部８２は、高次高調波スペクトル強度演算部８１から供給される高次高調波スペクトル強度から、標的Mの光再結合断面積スペクトルを演算する。
【００６０】
高次高調波の発生は、図４を参照して説明したように標的イオンと再衝突電子との光再結合による非弾性散乱の１つである。そして、高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）、標的イオンによる電子の光再結合断面積スペクトルσ（E）、および再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)には、次式（１）の関係があることが、非特許文献１（" Accurate Retrieval of Structural Information from Laser-Induced Photoelectron and High-Order Harmonic Spectra by Few-Cycle Laser Pulses" Toru Morishita, Anh-Thu Le, Zhangjin Chen, and C. D. Lin, PHYSICAL REVIEW LETTERS VOLUME 100, 013903 (2008)）により確認されている。
【数１】
【００６１】
式（１）は、次式（２）のように変形することができる。
【数２】
【００６２】
式（２）の高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）は、高次高調波スペクトル強度演算部８１から供給される。したがって、再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)がわかれば、高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）と再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)の比として、光再結合断面積スペクトルσ（E）を求めることができる。
【００６３】
ここで、再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)は、レーザのパラメータのみに依存し、標的Mの種類には依存しない量である。すなわち、任意の標的Cについて、式（３）が成り立つ。
【数３】
【００６４】
そこで、イオン化ポテンシャルを標的Cと同じIｐ［eV］にスケールした水素様原子H（scaled H）について、再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を求めることができる。即ち、式（４）に示すように、標的C＝scaled Hとしたときの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を求めることができる。
【数４】
【００６５】
ここで、高次高調波スペクトル強度Y scaled H（<h>ω）は、水素様原子scaled Hについて時間依存シュレディンガー方程式を解いて得られる高次高調波スペクトル強度であり、光再結合断面積スペクトルσscaled H（E）は、水素様原子scaled Hについて、散乱理論に基づいて時間依存しないシュレディンガー方程式によって得られる光再結合断面積スペクトルである。
【００６６】
時間依存しないシュレディンガー方程式は、次式（５）で表される。
【００６７】
【数５】
式（５）左辺のHハットは、ハミルトン演算子であり、次式（６）に示されるとおり、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和として表すことができる。
【数６】
また、式（５）右辺の関数Ψ（ｒ）は、波動関数ψ（r,t）を用いて次式（７）で表すことができる。
【数７】
式（６）におけるｍは電子の質量であり、Eは電子のエネルギーである。
【００６８】
従って、式（４）で得られた再結合電子波束のエネルギー分布W (<h>ω)を、式（２）のW (<h>ω)に代入することにより、標的Mの光再結合断面積スペクトルσ（E）を求めることができる。
【００６９】
光再結合断面積演算部８２には、ソースチャンバ５３内の標的Mの高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）が、高次高調波スペクトル強度演算部８１から供給され、標的Mと同じイオン化ポテンシャルIｐ［eV］にスケールした水素様原子scaled Hの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)が、標的パラメータ記憶部８４から供給される。光再結合断面積演算部８２は、供給された高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）と再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を用いて、式（２）により、ソースチャンバ５３内の標的Mの光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を演算する。演算により得られた光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値は、標的同定部８３に供給される。
【００７０】
なお、標的Mは不明であるため、光再結合断面積演算部８２は、所定の原子または分子を標的Mとして仮定し、その仮定した標的Mと同一のイオン化ポテンシャルIｐの水素様原子scaled Hの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を標的パラメータ記憶部８４から取得し、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を演算する。
【００７１】
ところで、各原子固有の光イオン化断面積スペクトルａ（<h>ω）については、長年に亘り調べられ、知られている。例えば、アルゴンの光イオン化断面積スペクトルａ（<h>ω）には、光子エネルギーが４０乃至５０［eV］付近で極小点（クーパー極小）が存在し、その極小点において基底状態（３ｐ）からイオン化状態（ｄ波成分）への遷移に関する双極子モーメントが符号反転することが知られている。このことは、例えば、非特許文献２（Photoionization from Outer Atomic Subshells. A Model Study" John W. COOPER, PHYSICAL REVIEW VOLUME 128, NUMBER 2, p.p. 681-693 (1962)）に記載されている。
【００７２】
また、光再結合は光イオン化の逆過程であって、アルゴンの光再結合断面積スペクトルσ（E）も同様の極小点を有し、その極小点においてイオン化状態（ｄ波成分）から基底状態（３ｐ）への遷移に関する双極子モーメントが符号反転することが、非特許文献３（" Retrieving photorecombination cross sections of atoms from high-order harmonic spectra" Shinichirou Minemoto, Toshihito Umegaki, Yuichiro Oguchi, Toru Morishita, Anh-Thu Le, Shinichi Watanabe, and Hirofumi Sakai, PHYSICAL REVIEW A VOLUME 78, 061402(R)(2008)）で確認されている。
【００７３】
そして、非特許文献３では、アルゴンの光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が、散乱理論に基づいて時間に依存しないシュレディンガー方程式によって得られる光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と一致することも確認されている。クリプトンおよびキセノンについても同様の確認がされている。
【００７４】
従って、アルゴン、クリプトン、およびキセノンについて予め演算して記憶しておいた、散乱理論に基づいて時間に依存しないシュレディンガー方程式によって得られる光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と、光再結合断面積演算部８２から供給される光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を比較することにより、標的Mを同定（特定）することができる。
【００７５】
標的同定部８３は、光再結合断面積演算部８２で求められて供給される光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を、標的パラメータ記憶部８４に記憶されている各原子または分子の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較することにより、標的Mを同定（特定）する。
【００７６】
標的パラメータ記憶部８４は、標的Mとして想定される各原子または分子の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値をパラメータとして記憶し、必要に応じて標的同定部８３に供給する。本実施の形態では、標的パラメータ記憶部８４は、アルゴン、クリプトン、およびキセノンの光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値を少なくとも記憶している。
【００７７】
また、標的パラメータ記憶部８４は、標的Mとして想定される各原子または分子について、イオン化ポテンシャルをIｐ［eV］にスケールした水素様原子scaled Hの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を記憶し、必要に応じて標的同定部８３に供給する。本実施の形態では、標的パラメータ記憶部８４は、アルゴン、クリプトン、およびキセノンの水素様原子scaled Hの再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を少なくとも記憶している。
【００７８】
標的イメージ生成部８５は、標的同定部８３が同定した標的Mの原子または分子の構造を表す実空間イメージ（画像）を生成する。例えば、標的イメージ生成部８５は、標的Mの原子または分子の構造を３次元画像化した画像、標的Mの電子密度を２次元化した画像などを実空間イメージとして生成する。
【００７９】
なお、標的イメージ生成部８５は、標的Mが同定された場合、図示せぬ内部メモリに予め記憶しておいた標的Mの実空間イメージデータ（例えば、イメージファイル）を取得することにより、標的Mの実空間イメージを生成してもよいし、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値に基づいて実空間イメージを生成するアルゴリズム（プログラム）を実行することにより、標的Mの実空間イメージを生成してもよい。
【００８０】
標的イメージ生成部８５は、生成した標的Mの実空間イメージの画像信号を、必要に応じてディスプレイ４４（図２）に適したフォーマットに変換して、ディスプレイ４４に供給することにより、ディスプレイ４４に標的Mの実空間イメージを表示させる。
【００８１】
［アルゴン、クリプトン、およびキセノンの光再結合断面積スペクトルσ（E）］
図７は、標的Mをアルゴン、クリプトン、およびキセノンとして、イメージング装置４３の光再結合断面積演算部８２により得られた光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を示している。
【００８２】
図７Aは標的Mがアルゴン（Ar）である場合、図７Bは標的Mがクリプトン（Kr）である場合、図７Cは標的Mがキセノン（Xe）である場合の、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を示している。
【００８３】
図７A乃至図７Cの各グラフの横軸は次数（Harmonic order）を表し、縦軸は光再結合断面積（PRCS）σ（E）の実測値を表す。また、図７A乃至図７Cにおいて、丸（○）のプロットはレーザ波長が８００nmである場合の光再結合断面積（PRCS）σ（E）の実測値であり、正方形（■）のプロットはレーザ波長が１３００nmである場合の光再結合断面積（PRCS）σ（E）の実測値である。
【００８４】
一方、図７D乃至図７Fは、図７A乃至図７Cに示した光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較した結果を示している。
【００８５】
図７Dは標的Mがアルゴン（Ar）である場合、図７Eは標的Mがクリプトン（Kr）である場合、図７Fは標的Mがキセノン（Xe）である場合の光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値と理論値を示している。
【００８６】
図７D乃至図７Fにおいて、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値は、実線で示されている。光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値は、図７A乃至図７Cと同様に、丸または正方形で示されている。
【００８７】
ただし、図７D乃至図７Fにおいては、図７A乃至図７Cに示した光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を、横軸を光子エネルギー［eV］に変換した上で、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較している。これは、従来、上述した非特許文献２などにおいて、各原子固有の光イオン化断面積スペクトルａ（<h>ω）は、光子エネルギー［eV］を横軸として検証されていることから、それに対応させるためである。
【００８８】
なお、光子エネルギー［eV］は、レーザ波長が８００nmである場合には１order＝1.55［eV］で、レーザ波長が１３００nmである場合には１order＝0.952［eV］で換算している。
【００８９】
例えば、標的Mがアルゴン（Ar）である場合、図７Dに示されるように、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値では、光子エネルギーが４０乃至５０［eV］付近のクーパー極小で、イオン化状態（ｄ波成分）から基底状態（３ｐ）への遷移に関する双極子モーメントが符号反転している。
【００９０】
これに対して、光再結合断面積演算部８２の演算結果としての光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値も、レーザの波長に拘らず、光子エネルギーがクーパー極小で双極子モーメントが符号反転することが確認できる。
【００９１】
従って、光再結合断面積演算部８２から供給される光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較することにより、標的Mを同定することができる。
【００９２】
イオン化状態（ｄ波成分）から基底状態（３ｐ）への遷移が観測できているということは、原子内部の電子状態遷移を直接観測できたことを意味しており、標的イメージングシステム３１が原子内部での状態遷移を観測できる高い空間分解能を有することを示している。
【００９３】
図７Eの標的Mがクリプトン（Kr）である場合、および図７Fの標的Mがキセノン（Xe）である場合のいずれにおいても同様に、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値は、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と同一の特性を示している。
【００９４】
なお、レーザ波長がより長い１３００nmの光再結合断面積スペクトルσ（E）では、図７A乃至図７Cでは低次側で、図７D乃至図７Fでは光子エネルギーの低域側で、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が理論値よりも低くなる傾向が見られる。これは、伝搬効果により高調波が気体で吸収されているためと考えられる。
【００９５】
［標的イメージ生成処理］
次に、図８のフローチャートを参照して、標的イメージングシステム３１による標的イメージ生成処理について説明する。
【００９６】
初めに、ステップＳ１において、高次高調波発生装置４１のパルスレーザ発振器５１は、パルスレーザを出力し、標的発生装置６１は、標的Mを噴射する。パルスレーザ発振器５１から出力されたパルスレーザは、標的Mに照射され、高次高調波が発生する。発生された高次高調波は、Alフィルタ６２を通過して、分光器６４で分光されて、マイクロチャネルプレート５４に入射される。そして、マイクロチャネルプレート５４により高次高調波の光電子が増幅され、フォスファースクリーンにより可視光に変換されて、高速CCDカメラ４２に入力される。
【００９７】
ステップＳ２において、高速CCDカメラ４２は、高次高調波発生装置４１により発生された高次高調波のスペクトル（高次高調波スペクトル）を検出し、検出された高次高調波スペクトルに対応するデジタルの信号をイメージング装置４３に出力する。
【００９８】
ステップＳ３において、高次高調波スペクトル強度演算部８１は、高速CCDカメラ４２から供給される時間発展の高次高調波スペクトルの信号をフーリエ変換することにより、周波数ごとの高次高調波スペクトル強度Y（<h>ω）を演算する。
【００９９】
ステップＳ４において、光再結合断面積演算部８２は、標的Mとして想定される複数の原子または分子のなかの１つを、標的Mの候補（標的候補）として選択する。光再結合断面積演算部８２が標的Mの候補として何の原子または分子を選択したかの情報は後段の標的同定部８３にも供給される。
【０１００】
ステップＳ５において、光再結合断面積演算部８２は、標的パラメータ記憶部８４に記憶されている、標的候補（例えば、アルゴン）の再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を取得する。この再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)は、上述したように、式（４）で表される、標的候補と同じイオン化ポテンシャルIｐにスケールした水素様原子scaled Hとして演算された再結合電子波束のエネルギー分布である。
【０１０１】
ステップＳ６において、標的同定部８３は、取得した再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)を用いて、式（２）により光再結合断面積スペクトルσ（E）を演算する。即ち、標的同定部８３は、標的Mが標的候補であると仮定して、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を演算により求める。
【０１０２】
ステップＳ７において、標的同定部８３は、標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値を標的パラメータ記憶部８４から取得する。また、標的同定部８３は、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と一致するかを判定する。
【０１０３】
ステップＳ７で、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と一致しないと判定された場合、標的候補が標的Mではないことを意味する。この場合、処理はステップＳ４に戻り、上述したステップＳ４乃至Ｓ７の処理が繰り返し実行される。即ち、新たな原子または分子が標的候補として再び選択され、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が演算され、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値と標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値が一致するかが判定される。
【０１０４】
そして、ステップＳ７で、光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値が標的候補の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と一致したと判定された場合、処理はステップＳ８に進み、標的同定部８３は、標的候補が標的Mであると決定する。即ち、標的同定部８３は、標的Mを同定する。標的Mについての情報は、標的イメージ生成部８５に供給される。
【０１０５】
ステップＳ９において、標的イメージ生成部８５は、同定した標的Mの原子または分子の構造を表す実空間イメージを生成する。
【０１０６】
そして、ステップＳ１０において、標的イメージ生成部８５は、同定した標的Mの原子または分子の構造を表す実空間イメージの画像信号を、ディスプレイ４４に適したフォーマットに必要に応じて変換して出力することにより、標的Mの実空間イメージをディスプレイ４４に表示させ、処理を終了する。
【０１０７】
以上のように、標的イメージングシステム３１によれば、標的Mにパルスレーザを照射したときに発生する高次高調波を検出し、標的Mの光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値を求め、光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と比較することにより、標的Mを同定することができる。さらに、同定した標的Mの実空間イメージを生成し、ディスプレイ４４に表示させ、提示することができる。
【０１０８】
標的イメージングシステム３１がイメージ表示する場合の時間分解能は、レーザ電場によるイオン化から再結合までの時間がレーザ周期の３／４程度であるため、アト秒（１０−１８秒）程度である。また、空間分解能は、標的となる原子のHOMO軌道の電子がイオン化および再結合する際に発生する高次高調波の強度を観測するので、原子内の状態遷移を識別できるオングストローム（Å）程度である。
【０１０９】
従って、標的イメージングシステム３１が提供するイメージング法は、原子内部での状態遷移について観測可能な、時間分解能および空間分解能の非常に小さいイメージング法であると言える。
【０１１０】
また、標的イメージングシステム３１は、干渉を使ったイメージング法ではないため、位相を揃える必要がない。従って、簡単かつ堅牢な構成で、時間分解能および空間分解能の非常に小さい観測が可能である。
【０１１１】
＜１．第２の実施の形態＞
［標的イメージングシステムの構成例］
図９は、本発明を適用した標的イメージングシステムの第２の実施の形態の構成例を示している。
【０１１２】
なお、図９において、上述した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１１３】
上述した第１の実施の形態では、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）の気体を標的として観察する例について説明した。しかし、本発明を適用した標的イメージングシステムは、気体に限らず、イオン化した電子が元の位置に再結合するものであればどのような物質であっても標的とすることができる。例えば、固体物質（の表面）や、電子との衝突断面積が小さい液体ヘリウムのような液体を標的とし、観察することができる。
【０１１４】
図９に示す第２の実施の形態は、標的として固体物質を採用した場合の標的イメージングシステムの構成例を示している。
【０１１５】
図９の標的イメージングシステム１０１は、高次高調波発生装置４１’、高速CCDカメラ４２、イメージング装置４３’、ディスプレイ４４、および制御装置１１１により構成される。
【０１１６】
即ち、第２の実施の形態では、制御装置１１１が新たに設けられている点が、上述した第１の実施の形態と異なる。また、制御装置１１１に対応して第１の実施の形態における高次高調波発生装置４１およびイメージング装置４３の構成の一部が変更され、それぞれ、高次高調波発生装置４１’およびイメージング装置４３’とされている。
【０１１７】
高次高調波発生装置４１’のソースチャンバ５３内には、固体物質である標的M’が観察対象として配置されている。
【０１１８】
高次高調波発生装置４１’には、制御装置１１１の制御にしたがい、固体物質である標的M’を所定の軸Qを中心として回転させる駆動装置１１２が設けられている。また、高次高調波発生装置４１’のソースチャンバ５３内には、パルスレーザ発振器５１からのパルスレーザを反射させ、標的M’の表面に照射させるミラー１１３aと、パルスレーザと標的M’の表面で発生した高次高調波を、分光器６４に照射するように反射させるミラー１１３ｂが設けられている。
【０１１９】
制御装置１１１は、パルスレーザ発振器５１のパルスレーザの出力タイミングを制御する。また、制御装置１１１は、パルスレーザ発振器５１のパルスレーザ出力に同期させて、標的M’が軸Qを中心にXY平面を回転するように駆動装置１１２を制御する。
【０１２０】
さらに、制御装置１１１は、高速CCDカメラ４２からイメージング装置４３’に供給される高次高調波スペクトルのデジタル信号が、標的M’の表面のどの位置にパルスレーザを照射したときの信号であるかを表す位置情報をイメージング装置４３’に供給する。
【０１２１】
高速CCDカメラ４２のCCD７２（図５）は、XZ平面でなる２次元の撮像領域を有している。パルスレーザおよび高次高調波は所定の広がりを有するが、X軸方向については、その広がりに応じてCCD７２の撮像領域内で受光することができる。即ち、標的イメージングシステム１０１は、X軸方向については空間分解能を有している。
【０１２２】
一方、上述したように、Z軸方向はエネルギー軸となるため、Z軸方向の空間分解能はない。従って、CCD７２の撮像領域のうちのX軸の１軸方向のみを用いて、固体物質である標的M’の表面の２次元の情報（高次高調波スペクトル）を得る必要がある。
【０１２３】
そこで、標的イメージングシステム１０１は、標的M’をパルスレーザ出力に同期して回転させる。これにより、標的M’の表面の高次高調波スペクトルを２次元的に得ることができる。
【０１２４】
［標的M’の回転］
図１０は、ソースチャンバ５３内の標的M’の斜視図である。
【０１２５】
駆動装置１１２は、制御装置１１１の制御に応じて、図１０に示されるように、標的M’が軸Qを中心として時刻ｔに応じてφ(t)だけ回転するように制御する。このように制御することで、Y軸方向に異なる位置の標的M’の表面の高次高調波スペクトルを得ることができる。
【０１２６】
イメージング装置４３’は、高速CCDカメラ４２からの１回のデータ取得で、X方向の所定の範囲を有する高次高調波スペクトルを得ることができる。イメージング装置４３’は、そのデータ取得をY方向の位置（回転角φ(t)）をずらして所定回数繰り返し行い、得られたデータを蓄積することにより、XY平面についての２次元的な高次高調波スペクトルを得る。そして、イメージング装置４３’は、２次元的な高次高調波スペクトルに対して、標的M’の同定処理を行い、イメージ化を行うことで、固体物質である標的M’の表面の観察が可能となる。ディスプレイ４４に表示される標的M’の実空間イメージの空間分解能を向上させるためには、パルスレーザの出力間隔を短くして高速撮像する必要があるため、例えば、数キロヘルツの撮像データが取得可能な高速CCDカメラ４２が有用である。
【０１２７】
なお、本実施の形態では、固体物質である標的M’を軸Qを中心として回転させる例について説明したが、駆動装置１１２が標的M’をY方向に平行に移動制御することにより、XY平面の２次元的な高次高調波スペクトルを得るようにすることも可能である。
【０１２８】
［標的M’のその他の例］
図１１は、固体物質である標的M’のその他の例を示している。
【０１２９】
図１１は、固体物質である標的M’としてナノメートルオーダーで構成された構造体を採用した例であり、標的M’は、例えば、カーボンナノチューブ（CNT）である。
【０１３０】
図１１Aは、標的M’としてのカーボンナノチューブの概略図（斜視図）を示している。図１１Bは、高次高調波発生装置４１’のソースチャンバ５３内での、カーボンナノチューブである標的M’の配置例を示している。
【０１３１】
カーボンナノチューブである標的M’は、円筒形状の延伸方向がX軸方向となるようにソースチャンバ５３内に配置される。制御装置１１１（図９）は、パルスレーザ発振器５１のパルスレーザ出力に同期させて、標的M’がカーボンナノチューブのX軸方向の軸を中心に時刻ｔに応じてψ(t)だけ回転するように駆動装置１１２（図９）を制御する。
【０１３２】
これにより、カーボンナノチューブである標的M’の外周表面の原子または分子を同定することができ、かつ、外周表面をナノメートルオーダー（高次高調波程度）で２次元的に観察することができる。
【０１３３】
換言すれば、標的M’をカーボンナノチューブとしたときの２次元観察の表面空間分解能はナノメートルオーダー（高次高調波の波長程度）であり、伝導性物質の電子状態の時間発展を観察することができる。より具体的には、実空間イメージが表示されたディスプレイ４４では、カーボンナノチューブの外周表面上のどの位置に何の原子があるかを観察することができ、炭素原子位置の炭素欠損や不純物が存在する位置を確認することができ、また、そこでの原子種類を特定することができる。
【０１３４】
カーボンナノチューブの両端に直流電圧を加えた場合、カーボンナノチューブは、バリスティック（弾道的）な伝導性を有し、トランジスタやLSI(Large Scale Integration)電極に応用すると高移動度・高放熱性を実現するので高効率で放熱し、LSIのナノメートルスケール微細化で問題となる発熱を抑制する。カーボンナノチューブを標的M’とした場合、標的イメージングシステム１０１は、原子レベルの伝導寄与電子状態を実時間観測できるため、直流電圧だけでなく交流電圧の電気伝導特性も観測することができ、電気伝導メカニズムの解明や多様な応用に際しての電気特性評価が可能になる。
【０１３５】
標的イメージングシステム１０１は、分子軌道の周期であるアト秒(10-18sec)程度の時間分解能で標的を観察することができる。そのため、例えば、気体成分の実時間分析、物質（半導体ペレットなど）の化学反応中の電子遷移、生体分子反応、高温超電導物質の電子状態などの量子系の時間発展を撮影する“超高速量子観察装置”として活用することができる。
【０１３６】
また、例えば、標的イメージングシステム１０１のイメージング装置４３には、がん細胞に放射線を照射して行う放射線治療において、放射線（パルスレーザ）を照射することによりがん細胞を観察し、さらに、そのがん細胞と健康な細胞とを区別するための識別機能を持たせることも可能である。従来の放射線治療では、体内で動かない部位のがん細胞の治療を対象としていた。標的イメージングシステム１０１は超高速な時間分解能を持つので、放射線の照射位置を制御装置１１１が制御することで、時々刻々変化するがん細胞の位置を識別することができるため、体内の動く部位でのがん細胞の位置を分別でき、体内の動く部位でのがん細胞の放射線治療を可能にする。
【０１３７】
本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０１３８】
例えば、上述した実施の形態の高速CCDカメラ４２に代えて、集光レンズ、２次元のフォトダイオード、およびマルチチャンネルA/Dコンバータの組み合わせを採用することができる。
【０１３９】
また、発生した高次高調波をマイクロチャネルプレート５４およびフォスファースクリーンによって可視光に変換せずに、高速CCDカメラ４２に代わりにX線CCDカメラによって高次高調波をそのまま受光することも可能である。
【０１４０】
イメージング装置４３による標的の同定処理および実空間イメージの表示制御処理は、ハードウエアにより実行することもできるし、ソフトウエアにより実行することもできる。一連の処理をソフトウエアにより実行する場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、コンピュータにインストールされる。ここで、コンピュータには、専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータや、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータなどが含まれる。
【０１４１】
図１２は、上述した一連の処理をプログラムにより実行するコンピュータのハードウエアの構成例を示すブロック図である。
【０１４２】
コンピュータにおいて、CPU（Central Processing Unit）２０１，ROM（Read Only Memory）２０２，RAM（Random Access Memory）２０３は、バス２０４により相互に接続されている。
【０１４３】
バス２０４には、さらに、入出力インタフェース２０５が接続されている。入出力インタフェース２０５には、入力部２０６、出力部２０７、記憶部２０８、通信部２０９、及びドライブ２１０が接続されている。
【０１４４】
入力部２０６は、キーボード、マウス、マイクロホンなどよりなる。出力部２０７は、ディスプレイ、スピーカなどよりなる。記憶部２０８は、ハードディスクや不揮発性のメモリなどよりなる。通信部２０９は、ネットワークインタフェースなどよりなる。ドライブ２１０は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブル記録媒体２１１を駆動する。
【０１４５】
以上のように構成されるコンピュータでは、CPU２０１が、例えば、記憶部２０８に記憶されているプログラムを、入出力インタフェース２０５及びバス２０４を介して、RAM２０３にロードして実行することにより、上述した標的の同定処理および実空間イメージの表示制御処理が行われる。
【０１４６】
具体的には、例えば、CPU２０１は、高次高調波スペクトルのスペクトル強度の演算、標的M（M’）の光再結合断面積スペクトルσ（E）の演算、標的パラメータ記憶部８４としての記憶部２０８に記憶されている各原子または分子の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値と、標的M（M’）の光再結合断面積スペクトルσ（E）の実測値とを比較することによる標的Mの同定などの処理を行う。
【０１４７】
標的パラメータ記憶部８４としての記憶部２０８は、標的Mとして想定される各原子または分子の光再結合断面積スペクトルσ（E）の理論値、標的Mとして想定される各原子または分子の水素様原子scaled Hとして求められた再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)などを記憶する。
【０１４８】
コンピュータ（CPU２０１）が実行するプログラムは、例えば、パッケージメディア等としてのリムーバブル記録媒体２１１に記録して提供することができる。また、プログラムは、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供することができる。
【０１４９】
コンピュータでは、プログラムは、リムーバブル記録媒体２１１をドライブ２１０に装着することにより、入出力インタフェース２０５を介して、記憶部２０８にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部２０９で受信し、記憶部２０８にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM２０２や記憶部２０８に、あらかじめインストールしておくことができる。
【０１５０】
なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであっても良いし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであっても良い。
【０１５１】
なお、本明細書において、フローチャートに記述されたステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる場合はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで実行されてもよい。
【０１５２】
また、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
【符号の説明】
【０１５３】
３１ 標的イメージングシステム， ４１，４１’ 高次高調波発生装置， ４３，４３’ イメージング装置， ４４ ディスプレイ， M，M’ 標的， ８１ 高次高調波スペクトル強度演算部， ８２ 光再結合断面積演算部， ８３ 標的同定部， ８４ 標的パラメータ記憶部， ８５ 標的イメージ生成部， １０１ 標的イメージングシステム， １１２ 駆動装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的を画像化して観察する観察システムであって、
パルスレーザを標的に照射することにより、高次高調波を発生させる高次高調波発生手段と、
発生された高次高調波のスペクトル強度を演算する高次高調波スペクトル強度演算手段と、
演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値を演算する光再結合断面積演算手段と、
前記光再結合断面積演算手段の演算により得られた前記光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、前記標的を同定する標的同定手段と、
同定された前記標的の画像を生成し、所定の画面に表示させる表示制御手段と
を備える観察システム。
【請求項２】
前記光再結合断面積演算手段は、前記再結合電子波束のエネルギー分布として、標的と等価な水素様原子の再結合電子波束のエネルギー分布を使用して、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算する
請求項１に記載の観察システム。
【請求項３】
前記光再結合断面積演算手段は、前記高次高調波スペクトル強度演算手段により演算された前記高次高調波のスペクトル強度をY（<h>ω）、前記標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布をW(<h>ω)、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値をσ（E）とした場合、
【数８】
により、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値σ（E）を演算し、
前記標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)には、
前記標的と同じイオン化ポテンシャルIｐにスケールした水素様原子scaled Hについて時間依存シュレディンガー方程式を解いて得られる高次高調波スペクトル強度Y scaled H（<h>ω）と、前記水素様原子scaled Hについて、散乱理論に基づいて時間依存しないシュレディンガー方程式によって得られる光再結合断面積スペクトルσscaled H（E）の比
【数９】
により求められた値を使用する
請求項２に記載の観察システム。
【請求項４】
各原子または分子の光再結合断面積スペクトルの理論値を記憶する記憶手段を備え、
前記標的同定手段は、前記光再結合断面積演算手段の演算により得られた前記光再結合断面積スペクトルの実測値と、前記記憶手段の各原子または分子の光再結合断面積スペクトルの理論値とを比較することにより、前記標的を同定する
請求項３に記載の観察システム。
【請求項５】
前記記憶手段の各原子または分子の光再結合断面積スペクトルの理論値は、散乱理論に基づいて時間に依存しないシュレディンガー方程式によって得られる
請求項４に記載の観察システム。
【請求項６】
前記標的は固体であり、
前記パルスレーザの出力に同期して、前記標的を駆動させる駆動制御手段をさらに備え、
前記表示制御手段は、同定された前記標的の表面の２次元の画像を生成し、表示させる
請求項５に記載の観察システム。
【請求項７】
標的を画像化して観察する観察方法であって、
パルスレーザを標的に照射することにより、高次高調波を発生させ、
発生された高次高調波のスペクトル強度を演算し、
演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値を演算し、
演算により得られた光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、前記標的を同定し、
同定された前記標的の画像を生成し、所定の画面に表示させる
観察方法。
【請求項１】
標的を画像化して観察する観察システムであって、
パルスレーザを標的に照射することにより、高次高調波を発生させる高次高調波発生手段と、
発生された高次高調波のスペクトル強度を演算する高次高調波スペクトル強度演算手段と、
演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値を演算する光再結合断面積演算手段と、
前記光再結合断面積演算手段の演算により得られた前記光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、前記標的を同定する標的同定手段と、
同定された前記標的の画像を生成し、所定の画面に表示させる表示制御手段と
を備える観察システム。
【請求項２】
前記光再結合断面積演算手段は、前記再結合電子波束のエネルギー分布として、標的と等価な水素様原子の再結合電子波束のエネルギー分布を使用して、演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算する
請求項１に記載の観察システム。
【請求項３】
前記光再結合断面積演算手段は、前記高次高調波スペクトル強度演算手段により演算された前記高次高調波のスペクトル強度をY（<h>ω）、前記標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布をW(<h>ω)、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値をσ（E）とした場合、
【数８】
により、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値σ（E）を演算し、
前記標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布W(<h>ω)には、
前記標的と同じイオン化ポテンシャルIｐにスケールした水素様原子scaled Hについて時間依存シュレディンガー方程式を解いて得られる高次高調波スペクトル強度Y scaled H（<h>ω）と、前記水素様原子scaled Hについて、散乱理論に基づいて時間依存しないシュレディンガー方程式によって得られる光再結合断面積スペクトルσscaled H（E）の比
【数９】
により求められた値を使用する
請求項２に記載の観察システム。
【請求項４】
各原子または分子の光再結合断面積スペクトルの理論値を記憶する記憶手段を備え、
前記標的同定手段は、前記光再結合断面積演算手段の演算により得られた前記光再結合断面積スペクトルの実測値と、前記記憶手段の各原子または分子の光再結合断面積スペクトルの理論値とを比較することにより、前記標的を同定する
請求項３に記載の観察システム。
【請求項５】
前記記憶手段の各原子または分子の光再結合断面積スペクトルの理論値は、散乱理論に基づいて時間に依存しないシュレディンガー方程式によって得られる
請求項４に記載の観察システム。
【請求項６】
前記標的は固体であり、
前記パルスレーザの出力に同期して、前記標的を駆動させる駆動制御手段をさらに備え、
前記表示制御手段は、同定された前記標的の表面の２次元の画像を生成し、表示させる
請求項５に記載の観察システム。
【請求項７】
標的を画像化して観察する観察方法であって、
パルスレーザを標的に照射することにより、高次高調波を発生させ、
発生された高次高調波のスペクトル強度を演算し、
演算により得られた高次高調波のスペクトル強度と、標的に依存しない再結合電子波束のエネルギー分布との比を演算することにより、前記標的の光再結合断面積スペクトルの実測値を演算し、
演算により得られた光再結合断面積スペクトルの実測値に基づいて、前記標的を同定し、
同定された前記標的の画像を生成し、所定の画面に表示させる
観察方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２２０２６（Ｐ２０１１−２２０２６Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６７８２２（Ｐ２００９−１６７８２２）
【出願日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【出願人】（５０４１３３１１０）国立大学法人電気通信大学 (383)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【出願人】（５０４１３３１１０）国立大学法人電気通信大学 (383)
【Ｆターム（参考）】
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