パワーレーザーの新パラダイム創成を目指した時空間分割受動コヒーレント結合法の確立

• Project/Area Number: 21K18149
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 桐山 博光 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, グループリーダー (40354972)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 戸田 裕之 同志社大学, 理工学部, 教授 (00202200) ; 宮坂 泰弘 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, 主任研究員 (20761464) ; 鈴木 将之 同志社大学, 理工学部, 教授 (60622371)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥25,480,000 (Direct Cost: ¥19,600,000、Indirect Cost: ¥5,880,000); Fiscal Year 2024: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2023: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: レーザー

Outline of Research at the Start

これまで各研究機関においてコヒーレントビーム結合が研究されてきたが、これを実現するのは簡単ではない。多数の増幅ビームを結合する手法が検討されてきたが、各ビーム光路を能動的に超精密に合わせたとしても、各ビーム波面は同じにならない。そのため、波面合成後にも時間空間強度変調の影響は残留し、ビーム結合効率の大きな低下をもたらす。この問題を解決するため、本研究では各ビームの波面、即ち位相が受動的に一致するコヒーレント結合系を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

コヒーレント光であるレーザーの最大の特徴は、パワースケーリングは原理上無限にできることである。光を電界位相まで揃えたコヒーレント結合ができるため、独立の増幅器から出たレーザーを結合できるからである。2018年ノーベル物理学賞を受賞したチャープパルス増幅（CPA）法で可能となったペタワット(PW=10の15乗W)よりも3桁高いエキサワット(EW=10の18乗W)レーザーを実現できる基盤技術を確立するため、ハイパワーレーザーのコヒーレント結合技術を開発する。最も困難な課題は空間波面の整合性であり、時間領域の周波数や位相をいくら整合させても結合はうまくいかない。本研究では、技術的に未開拓な独立の固体レーザー増幅器から出た全てのレーザーが全て同じ光路を伝搬することで受動的に波面が一致する新たなアイデアに挑む。
今年度は、2つのサニャック型干渉計を応用し、それぞれのサニャック干渉計でフェムト秒レーザーパルスを時間分割、空間分割し、合計4つのビームが受動コヒーレント結合できるか試験を実施した。結合効率を分光器によりスペクトル強度・形状とともに評価した。並行して、理論限界の結合効率を得るために、自作の光線追跡コードや3次元波面解析コードによるレーザー伝搬特性の数値解析を実施し、実験結果と比較して、実験パラメータにフィードバックした。これらによりフェムト秒極短パルスを制御することなく、位相ずれゼロで受動結合（自動空間波面整合）できる調整手法を確立し、理論限界（位相ずれゼロ）の結合効率を達成した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

時間・空間領域における分割・結合光学系での極短パルスレーザーの受動コヒーレント結合にむけて、サニャック干渉計を応用した光学系の試作・試験を行うとともに、高効率・高安定結合ビーム実現のための設計・調整技術を確立することができた。また、本光学系において各光学素子が理想的な配置からずれた場合に結合効率に及ぼす影響、及びその配置ずれの補償法を自作の計算コードにより確立した。また、3次元波面解析コードによるビーム伝搬特性の数値解析を実施し、実験調整時の目安となる結合効率の理論限界値の評価方法を確立した。これらにより、フェムト秒極短パルスを制御することなく、位相ずれゼロで受動結合（自動空間波面整合）できる調整手法を確立し、理論限界（位相ずれゼロ）の結合効率を達成できた。

Strategy for Future Research Activity

パワーレーザーのパラダイム創成を目指した時間空間分割受動コヒーレント結合法の確立を目指して、時間空間分割極短パルスレーザーの増幅とそれらの受動コヒーレント結合に関するキーテクノロジーを開発する。時間・空間領域における分割・結合光学系に極短パルスレーザー増幅を可能とするチタンサファイアレーザー増幅器を開発し付加する。同様に、自作で増幅数値計算コードも開発し、本励起光学系で理論限界の高利得・高エネルギー増幅を達成する。これらにより、極短パルスレーザー増幅光を受動結合できることを世界に先駆け実証する。

Research Products

• [Journal Article] Fundamentals of High-Power Lasers (2023)
  • Author(s): 桐山博光
  • Journal Title: Journal of the Particle Accelerator Society of Japan Volume: 19 Issue: 4 Pages: 177-186
  • DOI: 10.50868/pasj.19.4_177
  • ISSN: 1349-3833, 2436-1488
  • Year and Date: 2023-01-31
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Precise pointing control of high-energy electron beam from laser wakefield acceleration using an aperture (2023)
  • Author(s): Nakanii Nobuhiko、Huang Kai、Kondo Kotaro、Kiriyama Hiromitsu、Kando Masaki
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 2 Pages: 026001-026001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acb892
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities (2023)
  • Author(s): N. P. Dover, T. Ziegler, S. Assenbaum, C. Bernert, F. Brack, S. Bock, T. E. Cowan, E. J. Ditter, M. Garten, L. Gaus, I. Goethel, G. S. Hicks, H. Kiriyama, M. Nishiuchi, et al.
  • Journal Title: Light: Science & Applications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 71-71
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhanced diagnostics of radiating relativistic singularities and BISER by nonlinear post-compression of optical probe pulse (2022)
  • Author(s): A. V. Kotov, T. Zh. Esirkepov, A. A. Soloviev, Sagisaka, K. Ogura, A. Bierwage, M. Kando, H. Kiriyama, M. V. Starodubtsev, A. Khazanov, Yu. Mironov, and A. S. Pirozhkov
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 17 Issue: 07 Pages: P07035-P07035
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/07/p07035
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of the plasma mirror system at the J-KAREN-P facility (2022)
  • Author(s): A. Kon, M. Nishiuchi, Y. Fukuda, K. Kondo, K. Ogura, A. Sagisaka, Y. Miyasaka, N. P. Dover, M. Kando, A. S. Pirozhkov, I. Daito, L. Chang, Il W. Choi, C. Hee Nam, T. Ziegler, H.-P. Schlenvoigt, K. Zeil, U. Schramm, and H. Kiriyam
  • Journal Title: High Power Laser Science and Engineering Volume: 10 Pages: 25-25
  • DOI: 10.1017/hpl.2022.15
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser-driven multi-MeV high-purity proton acceleration via anisotropic ambipolar expansion of micron-scale hydrogen clusters (2022)
  • Author(s): S. Jinno, M. Kanasaki, T. Asai, R. Matsui, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, A. Sagisaka, Y. Miyasaka, N. Nakanii, M. Kando, N. Kitagawa, K. Morishima, S. Kodaira, Y. Kishimoto, T. Yamauchi, M. Uesaka, H. Kiriyama, and Y. Fukuda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 16753-16753
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18710-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] J-KAREN-P ペタワットレーザーシステムとその利用研究のリモート化と自動化への取り組み (2022)
  • Author(s): 桐山 博光，眞柴 雄司，宮坂 泰弘，中新 信彦，近藤 康太郎，今 亮，福田 祐仁，西内 満美子
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 50 Pages: 678-682
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 超高強度レーザーによる量子ビーム科学 (2022)
  • Author(s): 桐山 博光，宮坂 泰弘，眞柴 雄司，中新 信彦，近藤 康太郎，今 亮，福田 祐仁，西内 満美子，ピロジコフ アレキサンダー，匂坂 明人，小倉 浩一，神門 正城
  • Journal Title: フォトニクスニュース Volume: 8 Pages: 4-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Robustness of large‐area suspended graphene under interaction with intense laser (2022)
  • Author(s): Y. Kuramitsu, T. Minami, T. Hihara, K. Sakai, T. Nishimoto, S. Isayama, Y.T. Liao, K.T. Wu, W.Y. Woon, S.H. Chen, Y.L. Liu, S.M. He, C Y. Su, M. Ota, S. Egashira, A. Morace, Y. Sakawa, H. Habara, R. Kodama, L.N.K. Dohl, N. Woolsey, M. Koenig, M. Kanasaki, T. Asai, T. Yamauchi, K. Oda, Ko. Kondo, H. Kiriyama, Y. Fukuda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 2346-2346
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06055-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhancement of pre-pulse and picosecond pedestal contrast of the petawatt J-KAREN-P laser (2021)
  • Author(s): Hiromitsu Kiriyama; Yasuhiro Miyasaka; Akira Kon; Mamiko Nishiuchi; Akito Sagisaka; Hajime Sasao; Alexander S. Pirozhkov; Yuji Fukuda; Koichi Ogura; Kotaro Kondo; Nicholas P. Dover; and Masaki Kando
  • Journal Title: High Power Laser Science and Engineering Volume: 9
  • DOI: 10.1017/hpl.2021.51
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Highly stable sub-nanosecond Nd:YAG pump laser for optically synchronized optical parametric chirped-pulse amplification (2021)
  • Author(s): Y. Miyasaka, K. Kondo, M. Kishimoto, M. Mori, M. Kando and H. Kiriyama
  • Journal Title: Optics Express Volume: 29 Issue: 20 Pages: 32404-32411
  • DOI: 10.1364/oe.430953
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Investigation and Enhancement of Temporal Contrast of the Petawatt J-KAREN-P Laser (2023)
  • Author(s): H. Kiriyama, Y. Miyasaka, A. Kon, M. Nishiuchi, Y. Fukuda, A. Sagisaka, H. Sasao, A. S. Pirozhkov, K. Ogura, Ko. Kondo, N. P. Dover, L. Chang, N. Nakanii, Y. Mashiba, M. Kando, S. Bock, T. Ziegler, T. Puschel, H.-P. Schlenvoigt, K. Zeil, U. Schramm, I. W. Choi, and C. H. Nam
  • Organizer: IMPULSE workshop: standardization of metrology procedures for lasers and secondary sources (STAMPLASS 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improvement in the temporal contrast of the petawatt J-KAREN-P laser (2022)
  • Author(s): H. Kiriyama, Y. Miyasaka, A. Kon, M. Nishiuchi, A. Sagisaka, H. Sasao, A. S. Pirohzkov, K. Ogura, K. Kondo, N. P. Dover, L. Chang, N. Nakanii, Y. Mashiba and M. Kando
  • Organizer: The 11th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement in fs pre-pulse and ps pedestal in the J-KAREN-P laser facility (2022)
  • Author(s): H. Kiriyama, Y. Miyasaka, A. Kon, M. Nishiuchi, A. Sagisaka, H. Sasao, A. S. Pirozhkov, Y. Fukuda, K. Ogura, Ko. Kondo, N. P. Dover, and M. Kando
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) Laser Science to Photonic Applications 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Demonstration of pulse temporal quality improvement in femtosecond pre-pulse and picosecond pedestal in the J-KAREN-P laser (2022)
  • Author(s): H. Kiriyama, Y. Miyasaka, A. Kon, M. Nishiuchi, A. Sagisaka, H. Sasao, A. S. Pirozhkov, Y. Fukuda, K. Ogura, Ko. Kondo, N. P. Dover, L. Chang, N. Nakanii, Y. Mashiba, and M. Kando
  • Organizer: The 9th International Conference on Ultrahigh Intensity Lasers (ICUIL 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] "J-KAREN-P” 高ビーム品質・超高ピークパワーレーザー (2022)
  • Author(s): 桐山博光
  • Organizer: 5th RIKEN-RAP and QST-KPSI Joint Seminar
  • Invited
• [Presentation] Status of the J-KAREN-P laser performance (2021)
  • Author(s): H. Kiriyama, A. S. Pirozhkov, M. Nishiuchi, Y. Fukuda, K. Ogura, A. Sagisaka, Y. Miyasaka, N. P. Dover, Ko. Kondo, H. F. Lowe, A. Kon, H. Sakaki, J. K. Koga, T. Zh. Esirkepov, K. Huang, M. Kando, and K. Kondo
  • Organizer: The 4th International Symposium on High Power Laser Science and Engineering (HPLSE 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improvement of the temporal contrast of pre-pulses by post-pulses in a petawatt J-KAREN-P laser facility (2021)
  • Author(s): H. Kiriyama, Y. Miyasaka, A. Sagisaka, K. Ogura, M. Nishiuchi, A. Kon, A. S. Pirozhkov, Y. Fukuda, N. P. Dover, Ko. Kondo, M. Kando, K. Kondo, S. Bock, T. Ziegler, T. Puschel, K. Zeil, and U. Schramm
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) Laser Science to Photonic Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高強度レーザーの現状と今後 (2021)
  • Author(s): 桐山博光
  • Organizer: 第6回フォトニクスワークショップ「光が拓く科学技術の未来」
  • Invited