Controlling the temporal and spatial electric sheath field by the shaping of temporal and spatial phase of the laser pulse

• Project/Area Number: 16K05506
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Atomic/Molecular/Quantum electronics
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: Nishiuchi Mamiko 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員(定常) (70391315)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 榊 泰直 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 上席研究員(定常) (00354746)
• Project Period (FY): 2016-10-21 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2016: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 超高強度レーザー / 位相制御 / レーザー駆動イオン加速 / 時間位相 / 波面 / ビーム物理 / レーザー加速イオンビーム

Outline of Final Research Achievements

By controlling the temporal phase and spectra of ultra-high intensity short pulse high contrast laser pulses from J-KAREN laser system by AOPDF, we experimentally investigated how the interaction changes. We measured electron energy spectra, ion energy spectra depending on charge states, transmitted and reflected light after interaction with target. The experimental results show that with the optimum amount of rising edge of the laser pulse is necessary for generation of the highly charged high energy ion because the optimum rising edge of the pulse heats the target bulk to make the highly charged heavy ions which are accelerated.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

既存の加速器からのイオンビームとは違う特徴を持つレーザー駆動重イオンビームは、いろいろな応用先が提案されているものの、研究は軽イオンについては進んでいるが重イオンに関してはほぼ進んでない状況である。その様な中、この研究では、その難しさ故に誰も挑戦してこなかった、超高強度レーザーの時間波形、位相を積極的に制御することで、どうすれば、重イオンを効率的に加速することができるか、という条件を明らかにするとともに、2GeV以上の高エネルギーに加速することに成功した。本研究結果により、レーザー駆動重イオンビームの他分野への応用への道がさらに近づいたといえる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
• [Int'l Joint Research] Joint Institute for High Temperatures(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] Helmholtz Zentrum Dresden Russendorf(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Imperial College London(英国)
• [Int'l Joint Research] Joint Institute for High Temperatures(ロシア連邦)
• [Journal Article] Effect of small Focus on Electron Heating and Proton Acceleration in Ultrarelativistic Laser-Solid Interactions (2020)
  • Author(s): N.P. Dover, M. Nishiuchi, H. Sakaki, M. Alkhimova, A. FaenovA,M.Hata , M. Hata, N. Iwata, H. Kiriyama, J.K. Koga, T. Miyahara, T.Pikuz, A. Pirozhkov, A. Sagisaka, Y. Sentoku, Y. Watanabe, M. Kando, K. Kondo
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 124 Issue: 8 Pages: 084802-084802
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.084802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental investigation on the temporal contrast of pre-pulses by post-pulses in a petawatt laser facility (2020)
  • Author(s): Hiromitsu Kiriyama, Yasuhiro Miyasaka, Akito Sagisaka, Koichi Ogura, Mamiko Nishiuchi, Alexander S. Pirozhkov, Yuji Fukuda, Masaki Kando, and Kiminori Kondo
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 45 Issue: 5 Pages: 1100-1103
  • DOI: 10.1364/ol.384759
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-contrast high-intensity repetitive petawatt laser (2018)
  • Author(s): 桐山 博光, ピロジコフ アレキサンダー, 西内 満美子, 福田 祐仁, 小倉 浩一, 匂坂 明人, 宮坂 泰弘, 森 道昭, 榊 泰直, ドーバー ニコラス ピーター, 近藤 康太郎, コーガ ジェームズ, エシロケポフ ティムル, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 43 Issue: 11 Pages: 2595-2598
  • DOI: 10.1364/ol.43.002595
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The J-KAREN-P Facility Laser Performance Status (2018)
  • Author(s): Hiromitsu KIRIYAMA, Mamiko NISHIUCHI, Alexander S. PIROZHKOV, Yuji FUKUDA, Hironao SAKAKI, Akito SAGISAKA, Nicholas P. DOVER, Kotaro KONDO, Koichi OGURA, Michiaki MORI, Yasuhiro MIYASAKA, Nobuhiko NAKANII, Kai HUANG, James K. KOGA, Timur Zh. ESIRKEPOV, Masaki KANDO, and Kiminori KONDO
  • Journal Title: The review of Laser Engineering Volume: 46 Pages: 134-137
  • NAID: 130007957821
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ion Acceleration Experiment with the High Intensity, High Contrast J-KAREN-P Laser System (2018)
  • Author(s): Mamiko NISHIUCHI, Hiromitsu KIRIYAMA, Hironao SAKAKI, Nicholas P. DOVER, Kotaro KONDO, Takumi MIYAHARA, James K. KOGA, Alexander S. PIROZHKOV, Akito AGISAKA, Yuji FUKUDA, Koichi OGURA, Yukinobu WATANABE, Masaki KANDO, and Kiminori KONDO
  • Journal Title: The review of Laser Engineering Volume: 46 Pages: 145-147
  • NAID: 130007957819
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of Carbon-Ion Radiotherapy Facilities at NIRS (2018)
  • Author(s): Yoshiyuki Iwata, Takashi Fujita, Tetsuya Fujimoto, Takuji Furukawa, Yousuke Hara, Kiminori Kondo,Kota Mizushima, Takeshi Murakami, Masayuki Muramatsu, Mamiko Nishiuchi, Estuo Noda, Koji Noda,Hironao Sakaki, Naoya Saotome, Yuichi Saraya, Shinji Sato, Toshiyuki Shirai, and Ryohei Tansho
  • Journal Title: IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY Volume: 28
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High resolution X-ray spectra of stainless steel foils irradiated by femtosecond laser pulses with ultra-relativistic intensities (2017)
  • Author(s): Alkhimova M. A.、Faenov A. Ya.、Skobelev I. Yu.、Pikuz T. A.、Nishiuchi M.、Sakaki H.、Pirozhkov A. S.、Sagisaka A.、Dover N. P.、Kondo Ko.、Ogura K.、Fukuda Y.、Kiriyama H.、Nishitani K.、Miyahara T.、Watanabe Y.、Pikuz S. A.、Kando M.、Kodama R.、Kondo K.
  • Journal Title: Optics Express Volume: 25 Issue: 23 Pages: 29501-29511
  • DOI: 10.1364/oe.25.029501
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High contrast high intensity petawatt J-KAREN-P laser facility at QST (2017)
  • Author(s): M. Nishiuchi, H. Kiriyama, H. Sakaki, N. P. Dover, K. Kondo, A. S. Pirozhkov, A. Sagisaka, Y. Fukuda, K. Nishitani, T. Miyahara, K. Ogura, M. A. Alkhimova, T. A. Pikuz, A. Y. Faenov, Y. Watanabe, J. Koga, S. V. Bulanov, M. Kando, K. Kondo
  • Journal Title: SPIE proceedings Volume: 102410N-1 Pages: 102410N-102410N
  • DOI: 10.1117/12.2271172
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scintillator-based transverse proton beam profiler for laser-plasma ion sources (2017)
  • Author(s): N. P. Dover, M. Nishiuchi, H. Sakaki, M. A. Alkhimova, A. Ya. Faenov, Y. Fukuda, H. Kiriyama, A. Kon, K. Kondo, K. Nishitani, K. Ogura, T. A. Pikuz, A. S. Pirozhkov, A. Sagisaka, M. Kando, and K. Kondo
  • Journal Title: Review of Scientific instruments Volume: 88
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 加速されたイオンの価数で探る超高強度レーザーによる重イオン加速メカニズム (2019)
  • Author(s): M. Nishiuchi, N.P. Dover, M. Hata, etal.
  • Organizer: 第三回理研QST研究会 2020/02/13-14 伊勢・三重
  • Invited
• [Presentation] 加速されたイオンの価数で探る超高強度レーザーによる重イオン加速メカニズム (2019)
  • Author(s): M. Nishiuchi, N.P. Dover, M. Hata, etal.
  • Organizer: ELPH symposium 2020 2020/03/06 東北大学
  • Invited
• [Presentation] イオン価数による超高強度短パルスレーザー生成高温度高密度プラズマ中ダイナミクスの研究 (2019)
  • Author(s): M. Nishiuchi, N.P. Dover, M. Hata, etal.
  • Organizer: 2020/JPS meeting 2020/03/16-19 名古屋大学
• [Presentation] Highly charged heavy ion acceleration from a high temperature solid heated by J-KAREN laser system (2019)
  • Author(s): 西内 満美子, NicholasPeter Dover, 畑昌育, Hironao Sakaki, Kotaro Kondo, 宮原巧, Hiromitsu Kiriyama, James Kevin Koga, 岩田夏弥, MARIYA, Alkhimova, Alexander Pirozhkov, FAENOV, Anatory, PIKUZ, Tatiana, Akito Sagisaka, Yukinobu Watanabe, Masaki Kando, Kiminori Kondo, Sentoku Yasuhiko
  • Organizer: laser-Plasma Accelerator Workshop 2019, Lpaw community & HZDR, 2019-05-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ion acceleration and recent results with the J-KAREN-P (>5x1021 W/cm2) (2019)
  • Author(s): M. Nishiuchi, N.P. Dover, M. Hata, H. Sakaki, Ko. Kondo, T. Miyahara, 7, H. Kiriyama, J. K. Koga, N. Iwata, M. A. Alkhimova, A. S. Pirozhkov, A. Ya. Faenov, T. A.Pikuz, A. Sagisaka, Y. Watanabe, M. Kando, K. Kondo, Y. Sentoku
  • Organizer: Optics + Optoelectronics 2019 SPIE conference 1-4th Apr. (2019) Prague Chez Republic.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Extreme electric fields extracting highly charged heavy ions by PW-class short pulse high intensity laser (2019)
  • Author(s): M.Nishiuchi N.P. Dover, M. Hata, H. Sakaki, Ko. Kondo, T. Miyahara, 7, H. Kiriyama, J. K. Koga, N. Iwata, M. A. Alkhimova, A. S. Pirozhkov, A. Ya. Faenov, T. A.Pikuz, A. Sagisaka, Y. Watanabe, M. Kando, K. Kondo, Y. Sentoku
  • Organizer: International Confernece on Matter and Radiation Extreme 29th May--2nd June (2019) Hefei, China.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Investigation of the energy transfer in the extreme high density high electron temperature plasma, energy transport, radiation and atomic-processes: laser-driven ion source (2019)
  • Author(s): 西内 満美子
  • Organizer: Japan-US Symposium on “Perspective of High Energy Density Science and Technology by High Power Lasers”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超高強度短パルスレーザーで生成する極端環境 ：極高強度場におけるプラズマ・核物理研究の可能性 (2019)
  • Author(s): 西内 満美子
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
  • Invited
• [Presentation] Extreme plasma as an ion source produced by high intensity laser pulses interaction with solid density targets (2019)
  • Author(s): 西内 満美子, 榊 泰直, 桐山 博光, ドーバー ニコラス ピーター, コーガ ジェームズ, 近藤 康太郎, 渡辺 幸信, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦
  • Organizer: 54th ASRC International Workshop Sakura-2019 "Nuclear Fission and Structure of Exotic Nuclei "
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Experimental investigation of sheath-driven proton beam parameters in the ultra-short pulse, ultra-high intensity regime (2019)
  • Author(s): ドーバー ニコラス ピーター, Mamiko Nishiuchi, James Kevin Koga, Hironao Sakaki, Kotaro Kondo, Hiromitsu Kiriyama, Koichi Ogura, Alexander Pirozhkov, Akito Sagisaka, Masaki Kando, Kiminori Kondo
  • Organizer: 第74回日本物理学会年次大会
• [Presentation] レーザー駆動イオン加速実験における CW レーザーによる標的表面の洗浄効果 (2019)
  • Author(s): 近藤 康太郎, 西内 満美子, 榊 泰直, ドーバー ニコラス ピーター, ロウ ヘーゼル フランシス, 宮原 巧, 渡辺 幸信, ティグラー ティム, ツアイル カール, シュラム ウーリ, ディータ エマ, ヒッグス ジョージ, エッティンガー オリバー, ナジュムディン ゾフカ, 桐山 博光, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] 輝尽性蛍光体検出器によるレーザー駆動イオン弁別手法の精度向上 (2019)
  • Author(s): 榊 泰直, 榊, 宮原 巧, 塩川 桂一郎, 岩田 佳之, 近藤 康太郎, 真鍋 征也, 渡辺 幸信, 西内 満美子, ドーバー ニコラス ピーター, ロウ ヘーゼル フランシス, 神門 正城, 近藤 公伯
  • Organizer: 第74回 日本物理学会年会
• [Presentation] 超高強度・高コントラストPW級レーザーJ-KAREN-Pシステムによる重イオン加速メカニズム (2019)
  • Author(s): 西内 満美子, 榊 泰直, 桐山 博光, ドーバー ニコラス ピーター, コーガ ジェームズ, 近藤 康太郎, 渡辺 幸信, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦, HazelFrances Lowe, Akira Kon, Tim Ziegler, Karl Zeil, Ulrich Schramm, Emma Ditter, Geroge Hicks, Oliver Ettlinger, Z. Njumudin
  • Organizer: 第74回 日本物理学会年会
• [Presentation] 超高強度光電磁場と物質との相互作用 (2018)
  • Author(s): 西内 満美子, 榊 泰直
  • Organizer: 第15回ＡＭＯ討論会
  • Invited
• [Presentation] Measurement of the sheath field strength by the charge state of heavy ions as a probe (2018)
  • Author(s): 西内 満美子, ドーバー ニコラス ピーター, 榊 泰直, 近藤 康太郎, 桐山 博光, 渡辺 幸信, コーガ ジェームズ, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田なつみ, 千徳 靖彦
  • Organizer: OPIC2018(HEDS)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ion acceleration experiments with high contrast high intensity laser system “J-KAREN-P” -- Extremely strong quasi-static electric field--- (2018)
  • Author(s): 西内 満美子, 榊 泰直, 桐山 博光, ドーバー ニコラス ピーター, コーガ ジェームズ, 近藤 康太郎, 渡辺 幸信, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦
  • Organizer: AAPPS-DPP
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Laser Driven Ion Acceleration Research for the Heavy Ion Accelerator Development (2018)
  • Author(s): 西内 満美子, 榊 泰直, 桐山 博光, ドーバー ニコラス ピーター, コーガ ジェームズ, 近藤 康太郎, 渡辺 幸信, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 夏弥, 千徳 靖彦
  • Organizer: 第2回QST国際シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Experimental investigation of electron heating and proton acceleration scaling to ultra-high intensity pulses (2018)
  • Author(s): ドーバー ニコラス ピーター, James Kevin Koga, Mamiko Nishiuchi, Hironao Sakaki, Kotaro Kondo, Yuuji Fukuda, Hiromitsu Kiriyama, Takumi Miyahara, Keita Nishitani, Koichi Ogura, Alexander Pirozhkov, Akito Sagisaka, Masaki Kando, Kiminori Kondo
  • Organizer: OPIC HEDS 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of the sheath field strength by the charge state of heavy ions as a probe (2018)
  • Author(s): 西内 満美子, 榊 泰直, ドーバー ニコラス ピーター, 近藤 康太郎, 桐山 博光, コーガ ジェームズ, 神門 正城, 近藤 公伯, 畑 昌育, 岩田 なつみ, 千徳 靖彦
  • Organizer: Nuclear Photonics 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高強度高コントラストレーザーJ-KAREN-Pシステムによるレーザープラズマ相互作用およびイオン加速 (2017)
  • Author(s): 西内満美子, 桐山博光, ピロジコフアレキサンダー, 榊泰直, ドーバーニコラス, 匂坂明人, 近藤康太郎, 福田祐仁, 小倉浩一, 西谷勁太, 宮原 巧, 渡辺幸信, マリアアルキモバ, ファエノフアナトリー, ピクツタチアナ, 神門正城, 近藤 公伯
  • Organizer: 第72回 日本物理学年次大会 2017年
  • Place of Presentation: 大阪大学 (大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2017-03-18
• [Presentation] Present status of the laser-driven particle acceleration experiments by the high intensity (1022 Wcm-2) high contrast (10-11) laser system J-KAREN-P (2017)
  • Author(s): M. Nishiuchi, H. Kiriyama, H. Sakaki, A.Pirozhkov, Y. Fukuda, N.P. Dover, K. Kondo, K. Nishitani, T. Miyahara, Sagisaka, M. A. Alkhimova, T. Pikuz, Ya.Faenov,K.Ogura, T.Zh,Esirkepov, Y. Watanabe, J.K.Koga, S.V.Bulanov, M. Kando, and K. Kondo
  • Organizer: High Energy Density Science 2017 Yokohama
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High Contrast High Intensity Petawatt J-KAREN-P Laser facility at QST (2017)
  • Author(s): M. Nishiuchi, H. Kiriyama, H. Sakaki, A.Pirozhkov, Y. Fukuda, N.P. Dover, K. Kondo, K. Nishitani, T. Miyahara, Sagisaka, M. A. Alkhimova, T. Pikuz, Ya.Faenov,K.Ogura, T.Zh,Esirkepov, Y. Watanabe, J.K.Koga, S.V.Bulanov, M. Kando, and K. Kondo
  • Organizer: SPIE Optics + Optoelectronics 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Particle Acceleration by the High intensity (～10^22W/cm2), High Contrast (<10-11), Repetitive (0.1 Hz) J-KAREN-P Laser (2017)
  • Author(s): M. Nishiuchi, H. Kiriyama, H. Sakaki, A.Pirozhkov, Y. Fukuda, N.P. Dover, K. Kondo, K. Nishitani, T. Miyahara, Sagisaka, M. A. Alkhimova, T. Pikuz, Ya.Faenov,K.Ogura, T.Zh,Esirkepov, Y. Watanabe, J.K.Koga, S.V.Bulanov, M. Kando, and K. Kondo
  • Organizer: The 25th International Conference on Advanced Laser Technologies ALT’17
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Laser-driven Heavy Ion Acceleration Research at KPSI @QST (2017)
  • Author(s): M. Nishiuchi, H. Sakaki, N.P. Dover, Ko. Kondo, T. Miyahara, H.Kiriyama, A.S.Pirozhkov , A.Sagisaka, M. A. Alkhimova, T.Pikuz, A.Ya.Faenov, Y. Fukuda, K.Ogura, Y. Watanabe, J.K.Koga, N. Iwata, Y. Sentoku, M. Kando, and K. Kondo
  • Organizer: Laser Congress 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超高強度短パルスレーザー駆動型イオン源 (2017)
  • Author(s): M. Nishiuchi, H. Sakaki, N.P. Dover, Ko. Kondo, T. Miyahara, H.Kiriyama, A.S.Pirozhkov , A.Sagisaka, M. A. Alkhimova, T.Pikuz, A.Ya.Faenov, Y. Fukuda, K.Ogura, Y. Watanabe, J.K.Koga, N. Iwata, Y. Sentoku, M. Kando, and K. Kondo
  • Organizer: Plasma Conference 2017
  • Invited