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

• 研究課題/領域番号: 20H01882
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14010:プラズマ科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 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) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2022年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2021年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2020年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: レーザー / 超高強度レーザー

研究開始時の研究の概要

超高強度ペタワットレーザーと物質との相互作用研究は、10^22 W/cm2という未踏の領域で行われようとしている。しかし、出力パルスの時間構造において、超高強度レーザー主パルスに先立って強度の低いプリパルスが存在する。このような超高強度下では、プリパルスの強度も大きいため、プリパルスがターゲットを破壊する等極めて大きな問題となっている。最近、主パルスと時間的に遅いポストパルスの相互作用で生じる非線形結合効果により、時間的に早いプリパルスが発生するという興味深いことが指摘された。本研究では、この非線形結合効果の理解・制御し、プリパルスのないスーパークリーンレーザーの実証を行う。

研究成果の概要

超高強度ペタワット（PW=10の15乗 W）レーザーと物質との相互作用研究は、1平方cmあたり10の22乗 Wという未踏の領域で行われようとしている。しかし、出力パルスの時間構造において、超高強度レーザー主パルスに先立って強度の低いプリパルスが存在する。このような超高強度下では、プリパルスの強度も大きいため、プリパルスがターゲットを破壊する等極めて大きな問題となっている。最近指摘されている、ポストパルスがプリパルスを生み出す、新奇非線形結合効果を実験的に理解・制御し、プリパルスのないスーパークリーン超高強度レーザーを世界に先駆け実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

超高強度レーザー主パルスに付随するプリパルスの発生原因を理解・解明し、制御・抑制することにより、未踏領域の超高強度、超高圧、超高密度等の極限状態の下で初めて発現する物理現象の解明が飛躍的に進展することで、学術的に大きく貢献できる。
このようなスーパークリーン超高強度レーザーが実現すれば、レーザー粒子加速研究が急激に進展する。基礎基盤技術では、ビッグサイエンスで必要とされる超大型加速器の小型化、基礎科学では、レーザーイオン加速技術を用いた宇宙の起源解明に資する原子核研究、安全検査技術では、小型加速器を用いた可搬型X線源や中性子源によるインフラ検査技術等にイノベーションをもたらすと期待される。

研究成果

• [雑誌論文] ハイパワーレーザーの基礎 (2023)
  • 著者名/発表者名: 桐山博光
  • 雑誌名: 加速器 巻: 19 号: 4 ページ: 177-186
  • DOI: 10.50868/pasj.19.4_177
  • ISSN: 1349-3833, 2436-1488
  • 年月日: 2023-01-31
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Precise pointing control of high-energy electron beam from laser wakefield acceleration using an aperture (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakanii Nobuhiko、Huang Kai、Kondo Kotaro、Kiriyama Hiromitsu、Kando Masaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 号: 2 ページ: 026001-026001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acb892
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Light: Science & Applications 巻: 12 号: 1 ページ: 71-71
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced diagnostics of radiating relativistic singularities and BISER by nonlinear post-compression of optical probe pulse (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 17 号: 07 ページ: P07035-P07035
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/07/p07035
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of the plasma mirror system at the J-KAREN-P facility (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: High Power Laser Science and Engineering 巻: 10 ページ: 25-25
  • DOI: 10.1017/hpl.2022.15
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Laser-driven multi-MeV high-purity proton acceleration via anisotropic ambipolar expansion of micron-scale hydrogen clusters (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 16753-16753
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18710-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 50 ページ: 678-682
  • 査読あり
• [雑誌論文] 超高強度レーザーによる量子ビーム科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: フォトニクスニュース 巻: 8 ページ: 4-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Robustness of large‐area suspended graphene under interaction with intense laser (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 2346-2346
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06055-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Proton beam quality enhancement by spectral phase control of a PW-class laser system (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 7338-7338
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86547-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discriminative detection of laser-accelerated multi-MeV carbon ions utilizing solid state nuclear track detectors (2021)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Hihara, Masato Kanasaki, Takafumi Asai, Tamon Kusumoto, Satoshi Kodaira, Hiromitsu Kiriyama, Keiji Oda, Tomoya Yamauchi, Wei‐Yen Woon, Yasuhiro Kuramitsu, Yuji Fukuda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 16283-16283
  • DOI: 10.1038/s41598-021-92300-1
  • NAID: 120007140167
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Highly stable sub-nanosecond Nd:YAG pump laser for optically synchronized optical parametric chirped-pulse amplification (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyasaka, K. Kondo, M. Kishimoto, M. Mori, M. Kando and H. Kiriyama
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 29 号: 20 ページ: 32404-32411
  • DOI: 10.1364/oe.430953
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancement of pre-pulse and picosecond pedestal contrast of the petawatt J-KAREN-P laser (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: High Power Laser Science and Engineering 巻: 9
  • DOI: 10.1017/hpl.2021.51
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of Lyα dielectronic satellites to characterize temporal profile of intense femtosecond laser pulses (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Crystals 巻: 11 号: 2 ページ: 130-130
  • DOI: 10.3390/cryst11020130
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Petawatt Femtosecond Laser Pulses from Titanium-Doped Sapphire Crystal (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Crystals 巻: 10 号: 9 ページ: 783-783
  • DOI: 10.3390/cryst10090783
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-Shot Measurement of Post-Pulse-Generated Pre-Pulse in High-Power Laser Systems (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Kon, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, M. Kando, S. Bock, T. Ziegler, T. Pueschel, K. Zeil, U. Schramm and K. Kondo
  • 雑誌名: Crystals 巻: 10 号: 8 ページ: 657-657
  • DOI: 10.3390/cryst10080657
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of Accumulated B-Integral of Regenerative Amplifier Based CPA Systems (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Crystals 巻: 10 号: 9 ページ: 847-847
  • DOI: 10.3390/cryst10090847
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of laser-driven heavy-ion acceleration clarified by ion charge states (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishiuchi M.、Dover N. P.、Hata M.、(略20名)、Sentoku Y.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 033081-033081
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033081
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Demonstration of repetitive energetic proton generation by ultra-intense laser interaction with a tape target (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: High Energy Density Physics 巻: 37 ページ: 100847-100847
  • DOI: 10.1016/j.hedp.2020.100847
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-thermal-conductivity SiC ceramic mirror for high-average-power laser system (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyasaka, K. Kondo and H. Kiriyama
  • 雑誌名: Crystals 巻: 10 号: 9 ページ: 831-831
  • DOI: 10.3390/cryst10090831
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-intensity laser-driven oxygen source from CW laser-heated titanium tape targets (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Crystals 巻: 10 号: 9 ページ: 837-837
  • DOI: 10.3390/cryst10090837
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Investigation and Enhancement of Temporal Contrast of the Petawatt J-KAREN-P Laser (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: IMPULSE workshop: standardization of metrology procedures for lasers and secondary sources (STAMPLASS 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Improvement in the temporal contrast of the petawatt J-KAREN-P laser (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 11th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement in fs pre-pulse and ps pedestal in the J-KAREN-P laser facility (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) Laser Science to Photonic Applications 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of pulse temporal quality improvement in femtosecond pre-pulse and picosecond pedestal in the J-KAREN-P laser (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 9th International Conference on Ultrahigh Intensity Lasers (ICUIL 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] "J-KAREN-P” 高ビーム品質・超高ピークパワーレーザー (2022)
  • 著者名/発表者名: 桐山博光
  • 学会等名: 5th RIKEN-RAP and QST-KPSI Joint Seminar
  • 招待講演
• [学会発表] Status of the J-KAREN-P laser performance (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 4th International Symposium on High Power Laser Science and Engineering (HPLSE 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Improvement of the temporal contrast of pre-pulses by post-pulses in a petawatt J-KAREN-P laser facility (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) Laser Science to Photonic Applications 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 超高強度レーザーの現状と今後 (2021)
  • 著者名/発表者名: 桐山博光
  • 学会等名: 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」
  • 招待講演
• [学会発表] 超高強度レーザーの世界 (2021)
  • 著者名/発表者名: 桐山博光
  • 学会等名: 2021 IEEE Photonics Society Kansai Chapter
  • 招待講演
• [学会発表] Suppression of pre-pulses by post-pulses at petawatt facility (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2020
• [備考] 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