2021 Fiscal Year Research-status Report
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
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21K18149
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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) |
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, 准教授 (60622371)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Keywords | レーザー |
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| 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、マイケルソン干渉計及びサニャック型干渉計を応用したビームの時間分割・結合器の試作・試験を行い、受動コヒーレント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ビーム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。
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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
時間分割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、マイケルソン干渉計型及びサニャック干渉計型における光学系の試作・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。
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| 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。時間分割・結合器に加えて空間分割・結合器を付加した光学系においても、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）の結合効率を達成する。次に、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するとともに光学系に付加する。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。
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| Causes of Carryover |
本研究で提案している光学系は、受動的に多数のビームをコヒーレント結合するために、入射と出射で90度偏光を回転するように工夫している。偏光回転用光学素子であるファラデーローテータなどを構成する部品の調達先がコロナの影響で廃業となり価格が高騰するとともに年度内の納品が困難となったため、次年度に予算使用することを余儀なくされた。今年度は別レーザーで使用している部品を一時的に充当することで研究の進捗を図ったが、これらの部品を返却した。次年度は偏光光学素子の材料や口径等を変えて最適化し、それらの部品を調達することで、今年度構築したシステムの再構築を早期に実現するとともに、次年度の計画である時空間分割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を支障なく実施する。
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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
Int'l Joint Research
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