非線形結合効果制御によるスーパークリーン超高強度ペタワットレーザーの開発

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H01882
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological 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(定常) (40354972)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 匂坂 明人 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, 主幹研究員(定常) (20354970) ; 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, 研究員(定常) (20761464)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: レーザー

Outline of Annual Research Achievements

超高強度レーザーを生み出すために用いるチャープパルス増幅法では、レーザーを波長分散路（パルス拡張器）に導入し、各波長に与えられる時間遅延を利用しパルス幅を引き延ばし、レーザーピーク強度を十分に抑えた状態で増幅する。その後、パルス拡張器と逆の波長分散路（パルス圧縮器）により、パルス幅を再び圧縮し、超高強度レーザーを得る。
レーザーシステムの中には、レーザー増幅結晶等の平行平面を有する透過媒質が存在し、レーザーがその媒質を透過すると、透過媒質の表面と裏面の反射に起因する主パルスより時間的に後から追従するポストパルスが発生する。主パルスとポストパルスが互いに干渉し、スペクトル強度や位相が変調を受ける。このため、パルス圧縮後に主パルスに対して時間的に先行するプリパルスが発生する。この発生プロセス（非線形結合効果）を理解するために、J-KAREN レーザーシステム内に人為的に透過媒質を導入し、主パルスに対するポストパルスの時間遅延やポストパルスの強度を制御し、プリパルスがどのように発生するのかを詳細に調査した。レーザー増幅率に対し、ポストパルス強度とプリパルス強度の関連性も明らかにした。
上記の知見を基に、J-KARENレーザーにおいてプリパルス発生プロセスを理解し、プリパルス発生原因である媒質の特定を行った。レーザーシステム内にある透過媒質全ての材料を調べ、どの材料からプリパルスが生成されているのかを上記の調査結果を受けて予測した。次に予測した媒質を一つずつシステム内から取り外し、プリパルスが発生しないことをその都度実測し、即ち、予測が正しいことを検証した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

プリパルス発生の理解・解明のための非線形結合効果評価として、人工的に制御・生成したポストパルスによるプリパルス発生評価を行った。超高強度J-KARENレーザーシステム内に様々な透過媒質を人為的に導入し、ポストパルスを生成することができた。
また、非線形結合効果で生成するプリパルス発生特性を調査することができた。
次に、レーザーシステム内の透過媒質で生成するポストパルスによるプリパルス発生解明を行った。J-KARENレーザーにおいて非線形結合効果で生成しているプリパルス原因媒質を特定することができた。

Strategy for Future Research Activity

スーパークリーンフェムト秒超高強度レーザーの実証に向けて、システム内の透過媒質に対してポストパルスが発生しない最適光学設計を行う。プリパルスの原因となる媒質端面にウエッジ（微少な角度）を付加する設計を確立するとともに、光学配置の改良を実施する。

Research Products

• [Journal Article] Proton beam quality enhancement by spectral phase control of a PW-class laser system (2021)
  • Author(s): T. Ziegler, D. Albach, C. Bernert, S. Bock, F.-E. Brack, T. E. Cowan, N. P. Dover, M. Garten, L. Gaus, R. Gebhardt, I. Goethel, U. Helbig, A. Irman, H. Kiriyama, T. Kluge, A. Kon, S. Kraft, F. Kroll, M. Loeser, J. Metzkes-Ng, M. Nishiuchi, L. Obst-Huebl, T. Puschel
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Pages: 7338
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86547-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of Lyα dielectronic satellites to characterize temporal profile of intense femtosecond laser pulses (2021)
  • Author(s): S. N. Ryazantsev, I. Y. Skobelev, A. S. Martynenko, M. A. Alkhimova, M. D. Mishchenko, M. V. Sedov, T. A. Pikuz, Y. Fukuda, H. Kiriyama, A. S. Pirozhkov and S. A. Pikuz
  • Journal Title: Crystals Volume: 11 Pages: 130
  • DOI: 10.3390/cryst11020130
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Petawatt Femtosecond Laser Pulses from Titanium-Doped Sapphire Crystal (2020)
  • Author(s): H. Kiriyama, A. S. Pirozhkov, M. Nishiuchi, Y. Fukuda, A. Sagisaka, A. Kon, Y. Miyasaka, K. Ogura, N. P. Dover, K. Kondo, H. Sakaki, J. K. Koga, T. Zh. Esirkepov, K. Huang, N. Nakanii, M. Kando, K. Kondo, S. Bock, T. Ziegler, T. Puschel, K. Zeil and U. Schramm
  • Journal Title: Crystals Volume: 10 Pages: 783
  • DOI: 10.3390/cryst10090783
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single-Shot Measurement of Post-Pulse-Generated Pre-Pulse in High-Power Laser Systems (2020)
  • Author(s): A. Kon, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, M. Kando, S. Bock, T. Ziegler, T. Pueschel, K. Zeil, U. Schramm and K. Kondo
  • Journal Title: Crystals Volume: 10 Pages: 657
  • DOI: 10.3390/cryst10080657
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of Accumulated B-Integral of Regenerative Amplifier Based CPA Systems (2020)
  • Author(s): S. Bock, F. M. Herrmann, T. Puschel, U. Helbig, R. Gebhardt, J. J. Lotfering, R. Pausch, K. Zeil, T. Ziegler, A. Irman, T. Oksenhendler, A. Kon, M. Nishuishi, H. Kiriyama, K. Kondo, T. Toncian and U. Schramm
  • Journal Title: Crystals Volume: 10 Pages: 847
  • DOI: 10.3390/cryst10090847
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamics of Laser-driven Heavy Ion Acceleration Clarified by Ion Charge States (2020)
  • Author(s): M. Nishiuchi, N. P. Dover, M. Hata, H. Sakaki, Ko. Kondo, T. Miyahara, 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, E. J. Ditter, O. C. Ettlinger, G. S. Hicks, Z. Najmudin, T. Ziegler, K. Zeil, U. Schramm, Y. Sentoku
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Pages: 033081
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.033081
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Demonstration of repetitive energetic proton generation by ultra-intense laser interaction with a tape target (2020)
  • Author(s): N. P. Dover, M. Nishiuchi, H. Sakaki, Ko. Kondo, M. A. Alkhimova, E. J. Ditter, O. C. Ettlinger, A. Ya. Faenov, M. Hata, G. S. Hicks, N. Iwata, H. Kiriyama, J. K. Koga, T. Miyahara, T. A. Pikuz, A. S. Pirozhkov, A. Sagisaka, U. Schramm, Y. Sentoku, Y. Watanabe, T. Ziegler, K. Zeil, and M. Kando
  • Journal Title: High Energy Density Physics Volume: 37 Pages: 100847
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100847
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-thermal-conductivity SiC ceramic mirror for high-average-power laser system (2020)
  • Author(s): Y. Miyasaka, K. Kondo and H. Kiriyama
  • Journal Title: Crystals Volume: 10 Pages: 831
  • DOI: 10.3390/cryst10090831
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-intensity laser-driven oxygen source from CW laser-heated titanium tape targets (2020)
  • Author(s): K. Kondo, M. Nishiuchi, H. Sakaki, N. P. Dover, H. F. Lowe, T. Miyahara, Y. Watanabe, T. Ziegler, K. Zeil, U. Schramm, E. J. Ditter, G. S. Hicks, O. C. Ettlinger, Z. Najmudin, H. Kiriyama, M. Kando and K. Kondo
  • Journal Title: Crystals Volume: 10 Pages: 837
  • DOI: 10.3390/cryst10090837
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高強度レーザーの世界 (2021)
  • Author(s): 桐山博光
  • Organizer: 2021 IEEE Photonics Society Kansai Chapter
  • Invited
• [Presentation] Suppression of pre-pulses by post-pulses at petawatt facility (2020)
  • Author(s): 桐山博光,宮坂泰弘,匂坂明人, 小倉浩一, 西内満美子, ピロジコフ・アレクサンダー, 福田祐仁, 今亮, 神門正城, 近藤公伯
  • Organizer: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2020
• [Remarks] 国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構 光量子科学研究部 先端レーザー技術開発Ｇ
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/kansai-dapr/2658.html