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

• 研究課題/領域番号: 21K18149
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
• 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, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, グループリーダー (40354972)
• 研究分担者: 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, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 主任研究員 (20761464) ; 鈴木 将之 同志社大学, 理工学部, 教授 (60622371)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 25,480千円 (直接経費: 19,600千円、間接経費: 5,880千円); 2024年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2023年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2021年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: レーザー

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。
本年度(R5)は2つのサニャック干渉計をそれぞれレーザーパルスの時間及び空間的に分割・応用したコヒーレント結合光学系を用いた。サニャック干渉計を採用することにより、互いに相関を有する4つのパルスは、往路と復路で光路が入れ替わるため互いに等しく伝搬することになり、本光学系出射時に全ての分割されたパルスの位相が一致する。
本光学系により、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、すなわち、各光学素子の波長依存性を考慮した３次元波動光学解析による理論限界の結合効率を得るための調整手法を確立した。これにより、理論限界（位相ずれゼロ）の結合効率を達成した。この成果を受けて、まずは小型ではあるが固体レーザー増幅器を付加し、時間・空間分割増幅フェムト秒パルスレーザーの受動コヒーレント結合に世界で初めて成功した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度(R5)は、計画していた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として、１）小型チタンサファイアレーザー増幅器の試作・試験、２）極短パルスレーザーの増幅特性の試算と計測・診断技術の確立をすることができた。
小型ではあるが世界的に例がない極短パルスレーザー増幅を可能とする固体チタンサファイアレーザー増幅器を用いた時空間分割フェムト秒極短パルスの受動コヒーレント結合基礎試験を実施し、１）増幅利得、２）結合効率、３）出力ビーム品質の評価を行った。
増幅利得に関して、増幅パルスを重ね合わせることができるかの原理実証を目的とし、小型増幅器を試作・試験を行った。分割フェムト秒極短パルスを増幅・再結合することに成功し、理論限界の増幅利得を実現することができた。
結合効率に関して、３次元波動光学解析により、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）の結合効率を達成することができた。
出力ビームに関して、良好な再結合シングルビーム出力を確認した。
自作で増幅数値計算コードを開発し得られた計算結果と実験結果を比較・評価した。その結果、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できたことが確認できた。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ことができた。

今後の研究の推進方策

今後の研究方針として、時空間分割フェムト秒レーザーの大口径固体レーザー増幅器を付加し、高エネルギー動作時での結合試験を実施する。パルスあたり100 mJ級の高エネルギー時間分割レーザーの受動コヒーレント結合を世界に先駆け実証を行う予定である。高エネルギー動作時に発生する非線形評価を最小化する設計を行うとともに、レーザーのビーム品質を良好に保つために、像転送光学系を増幅器に組み込んだ新たなレーザー増幅器の整備を行う。次に、100 mJ級の高エネルギー増幅に必要な増幅利得を評価する。極短パルスであるため、分散によるチャープの影響を受け、パルス幅が広がる。このため、回折格子によるパルス圧縮器を準備し、数十fs以下の極短パルス化を目指す。本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ことを目指す。

研究成果

• [雑誌論文] 光同期光パラメトリックチャープパルス増幅法励起のための高安定サブナノ秒Nd:YAGレーザー (2024)
  • 著者名/発表者名: 宮坂 泰弘, 近藤 康太郎, 森 道昭，神門 正城，桐山 博光
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 52 ページ: 79-83
• [雑誌論文] In-vacuum post-compression of optical probe pulse for relativistic plasma diagnostics (2024)
  • 著者名/発表者名: S Lorenz S. Lorenz, G. Grittan, K. Kondo, A. Kon, Y.-K. Liu, A. Sagisaka, K. Ogura, N. Nakanii, K. Huang, A. Bierwage, S. Nanba, H. Ohiro, T. A. Pikuz, J. K. Koga, P. Chen, H. Kiriyama, M. Kando, T. Zh. Esirkepov, S. V. Bulanov, and A. S. Pirozhkov
  • 雑誌名: High Power Laser Science and Engineering 巻: －
  • DOI: 10.1017/hpl.2024.29
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] 飛躍的に発展を続けるレーザー (2023)
  • 著者名/発表者名: 桐山 博光, 栗田 隆史, 吉田 実, 横谷 篤至
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 51 ページ: 342-346
  • 査読あり
• [雑誌論文] Laser output performance and temporal quality enhancement at the J-KAREN-P petawatt laser facility (2023)
  • 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, K. Kondo, N. Nakanii, Y. Mashiba, N. P. Dover, L. Chang, M. Kando, S. Bock, T. Ziegler, T. Puschel, H.-P. Schlenvoigt, K. Zeil, and U. Schramm
  • 雑誌名: Photonics 巻: 10 号: 9 ページ: 997-997
  • DOI: 10.3390/photonics10090997
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of an X-ray diagnostic method for high-density plasmas for optimizing laser-driven heavy ion accelerators (2023)
  • 著者名/発表者名: C. Liu, K. Kondo, A. Kon, H. Sakaki, T. Miyatake, I. Takemoto, H. Matsumoto, H. Kiriyama, M. Kando, M. Hata, N. Xu, G. Casati, N. Dover, Z. Najmudin, T. Ziegler, M. Pinochet, V. Milenko, K. Zeil, U. Schramm, N. Iwata, Y. Sentoku, M. Nishiuchi
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 51 ページ: 590-593
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Role of Collision Ionization of K-Shell Ions in Nonequilibrium Plasmas Produced by the Action of Super Strong, Ultrashort PW-Class Laser Pulses on Micron-Scale Argon Clusters with Intensity up to 5×21 W/cm2 (2023)
  • 著者名/発表者名: I. Yu. Skobelev, Y. Fukuda, H. Kiriyama et al.
  • 雑誌名: Photonics 巻: 10 号: 11 ページ: 1250-1250
  • DOI: 10.3390/photonics10111250
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] 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] 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
• [学会発表] 超高強度・超高品質 "J-KAREN-P” ペタワットレーザー (2024)
  • 著者名/発表者名: 桐山博光
  • 学会等名: 一般社団法人 レーザー学会学術講演会 第44回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Investigation and suppression of pre-pulses in the 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, Koichi Ogura, Ko. Kondo, N. P. Dover, C. Liu, N. Nakanii, Y. Mashiba, M. Kando, S. Bock, T. Ziegler, T. Puschel, H.-P. Schlenvoigt, K. Zeil, U. Schramm, I. W. Choi, C. H. Nam
  • 学会等名: Optics & Photonics Intrnational Congress (OPIC) 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental demonstration of temporal contrast enhancement in 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, C. Liu, 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: SPIE Optics + Optoelectronics 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of high temporal contrast performance of the J-KAREN-P petawatt laser facility (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, C. Liu, 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: The 5th International Symposium on High Power Laser Sceince and Enginnering & Celebrating the 10th Anniversary of Journal HPLSE (HPLSE2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] J-KAREN-Pペタワットレーザー施設における時間コントラスト向上 (2023)
  • 著者名/発表者名: 桐山博光，宮坂泰弘, 今 亮,西内満美子, 福田祐仁, 笹尾 一, ピロジコフ・アレキサンダー, 小倉浩一, 近藤康太郎, ニコラス・ドーバー, リウ チャン, 中新信彦, 眞柴雄司, 神門正城
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2023
• [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
  • 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