2021 Fiscal Year Annual Research Report
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
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20H01882
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | レーザー |
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| 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。この結果、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。
このため、ポストパルスが発生しないようにするため、ポストパルスを生み出す等価媒質の片方の面にウエッジ（微少な角度）をつける必要がある。透過媒質が平行平面であるため、媒質の表面と裏面の反射でポストパルスが発生し、主パルスと同じ方向に伝搬する。このため、非線形結合効果でプリパルスが発生する。従って、ポストパルスが同じ方向に伝搬しないように、透過媒質の片方の面に微少なウエッジを備えつけた。
ウエッジでレーザーが角度分散効果を受けることにより、レーザー集光性能が劣化する。このため、各媒質に対して、ウエッジ角によりどれくらいの角度分散が生じるかの評価を行うと共に、その角度分散を補償できるような光学配置を設計し、集光特性が劣化しないことを実験的に確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度の予定は、スーパークリーンフェムト秒超高強度レーザーの実証として、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ことである。
このため、１）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）を付加する設計の確立、２）角度分散を補償できる光学配置の設計、を予定通り実施できた。
また、光学配置の変更に伴う集光性能の劣化がないことを実験的にも確認することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの最適設計を量研関西研が保有するJ-KARENレーザーに適用する。ウエッジを備えることによる透過媒質からの主パルスのビーム伝搬方向変化を予め計算で予測することにより、診断系等のレーザーシステム内の全ての光学配置を見直して実験がスムーズに実施できるように変更しておく。また、ポストパルスは主パルスと違う方向に伝搬するので遮光は十分に行い実験を行う。レーザーシステム内のB積分値が大きくなるに従って、非線形応答が大きくなりプリパルス強度は大きくなると予測されるので、プリパルス計測はペタワットレベルにまで増強した状態で確認する。併せて計算による評価も行う。予想される問題としては、ビームパス対称構成を持つ多重パス増幅器におけるチタンサファイア結晶の表面反射で、プリパルスが生成される可能性がある。この対策として、結晶部全体を傾けることでプリパルスが生成されないように調整する。
これらにより、超高強度J-KARENレーザーを用いた実証試験として、プリパルスのないスーパークリーンレーザーを超高強度（ペタワット=PW=10の15乗 W）で検証する。
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[Journal Article] Proton beam quality enhancement by spectral phase control of a PW-class laser system2021
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
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 11
Pages: 7338
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Enhancement of pre-pulse and picosecond pedestal contrast of the petawatt J-KAREN-P laser2021
Author(s)
H. Kiriyama, Y. Miyasaka, A. Kon, M. Nishiuchi, A. Sagisaka, H. Sasao, A. S. Pirozhkov, Y. Fukuda, K. Ogura, K. Kondo, N. P. Dover, and M. Kando
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Journal Title
High Power Laser Science and Engineering
Volume: 9
Pages: e62
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Robustness of large-area suspended graphene under interaction with intense laser2021
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, Y. Abe, H. Habara, R. Kodama, L. N. K. D hl, N. Woolsey, M. Koenig, H. S. Kumar, N. Ohnishi, M. Kanasaki, T. Asai, T. Yamauchi
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Journal Title
Sceientific Reports
Volume: 12
Pages: 2346
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Status of the J-KAREN-P laser performance2021
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
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[Presentation] Improvement of the temporal contrast of pre-pulses by post-pulses in a petawatt J-KAREN-P laser facility2021
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 2021
Int'l Joint Research
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