Ultrabright x-ray harmonic comb by relativistic plasma singularity

• 研究課題/領域番号: 26707031
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 研究分野: プラズマ科学
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 (2016-2017); 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 (2014-2015)
• 研究代表者: PIROZHKOV Alex 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, 上席研究員(定常) (00446410)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 22,750千円 (直接経費: 17,500千円、間接経費: 5,250千円); 2017年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2016年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2015年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円); 2014年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: コヒーレントX線放射 / 超高強度レーザー / レーザー光とプラズマの相互作用 / 相対論的レーザープラズマ / 相対論的電子スパイク / レーザー光の高次高調波 / BISER / 相対論的プラズマ / プラズマ制御・レーザー

研究成果の概要

我々が発見し、理論を構築した高強度レーザーがガスプラズマ中に作る特異点からの高輝度のコヒーレント軟X線生成に関する研究において、今回、この理論が予言する点状のX線源（特異点）を初めて計測した。また、この理論を一般化し、特異点放射のバースト的増強BISERという概念を創出した。関西研にあるレーザーの品質を大きく向上させ、この高品質化がX線の高輝度化に大きな影響を持つことを確かめた。また、プラズマ密度の調整によりX線発生点を制御した。
今後この技術を発展させていけば、小型で、高輝度・コヒーレントなアト秒X線源が実現でき、材料科学や生命科学に貢献できると考えられる。

研究成果の学術的意義や社会的意義

BISER x-ray yield enhancement and tuning open the way to a compact, ultra-bright, spatially and temporally coherent x-ray source for pumping, probing, imaging, and atto-science.
The developed diagnostics and techniques are useful for applications of high-power lasers and are adopted by the community.

研究成果

• [雑誌論文] High-contrast high-intensity repetitive petawatt laser (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Kiriyama, A. S. Pirozhkov, M. Nishiuchi, Y. Fukuda, K. Ogura, A. Sagisaka, Y. Miyasaka, M. Mori, H. Sakaki, N. P. Dover, K. Kondo, J. K. Koga, T. Zh. Esirkepov, M. Kando, K. Kondo
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: In press
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coherent, Short-Pulse X-ray Generation via Relativistic Flying Mirrors (2018)
  • 著者名/発表者名: Kando Masaki、Esirkepov Timur、Koga James、Pirozhkov Alexander、Bulanov Sergei
  • 雑誌名: Quantum Beam Science 巻: 2 号: 2 ページ: 9-9
  • DOI: 10.3390/qubs2020009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Laser Requirements for High-Order Harmonic Generation by Relativistic Plasma Singularities (2018)
  • 著者名/発表者名: Pirozhkov A.、Esirkepov T.、Pikuz T.、Faenov A.、Sagisaka A.、Ogura K.、Hayashi Y.、Kotaki H.、Ragozin E.、Neely D.、Koga J.、Fukuda Y.、Nishikino M.、Imazono T.、Hasegawa N.、Kawachi T.、Daido H.、Kato Y.、Bulanov S.、Kondo K.、Kiriyama H.、Kando M.
  • 雑誌名: Quantum Beam Science 巻: 2 号: 1 ページ: 7-7
  • DOI: 10.3390/qubs2010007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Burst intensification by singularity emitting radiation in multi-stream flows (2017)
  • 著者名/発表者名: Pirozhkov A. S.、Esirkepov T. Zh.、Pikuz T. A.、Faenov A. Ya.、Ogura K.、Hayashi Y.、Kotaki H.、Ragozin E. N.、Neely D.、Kiriyama H.、Koga J. K.、Fukuda Y.、Sagisaka A.、Nishikino M.、Imazono T.、Hasegawa N.、Kawachi T.、Bolton P. R.、Daido H.、Kato Y.、Kondo K.、Bulanov S. V.、Kando M.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 17968-17968
  • DOI: 10.1038/s41598-017-17498-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High resolution X-ray spectra of stainless steel foils irradiated by femtosecond laser pulses with ultra-relativistic intensities (2017)
  • 著者名/発表者名: Alkhimova M. A.、Faenov A. Ya.、Skobelev I. Yu.、Pikuz T. A.、Nishiuchi M.、Sakaki H.、Pirozhkov A. S.、Sagisaka A.、Dover N. P.、Kondo Ko.、Ogura K.、Fukuda Y.、Kiriyama H.、Nishitani K.、Miyahara T.、Watanabe Y.、Pikuz S. A.、Kando M.、Kodama R.、Kondo K.
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 25 号: 23 ページ: 29501-29511
  • DOI: 10.1364/oe.25.029501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Approaching the diffraction-limited, bandwidth-limited Petawatt (2017)
  • 著者名/発表者名: Pirozhkov Alexander S.、Fukuda Yuji、Nishiuchi Mamiko、Kiriyama Hiromitsu、Sagisaka Akito、Ogura Koichi、Mori Michiaki、Kishimoto Maki、Sakaki Hironao、Dover Nicholas P.、Kondo Kotaro、Nakanii Nobuhiko、Huang Kai、Kanasaki Masato、Kondo Kiminori、Kando Masaki
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 25 号: 17 ページ: 20486-20501
  • DOI: 10.1364/oe.25.020486
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Order Harmonic Generation by Relativistic Plasma Singularities: the Driving Laser Requirements (2017)
  • 著者名/発表者名: 2.A. S. Pirozhkov, T. Zh. Esirkepov, T. A. Pikuz, A. Ya. Faenov, K. Ogura, Y. Hayashi, H. Kotaki, E. N. Ragozin, D. Neely, H. Kiriyama, J. K. Koga, Y. Fukuda, A. Sagisaka, M. Nishikino, T. Imazono, N. Hasegawa, T. Kawachi, H. Daido, Y. Kato, S. V. Bulanov, K. Kondo and M. Kando
  • 雑誌名: Springer Proceedings in Physics 巻: In press
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Burst intensification by singularity emitting radiation in multi-stream flows (2016)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, T. Zh. Esirkepov, T. A. Pikuz, A. Ya. Faenov, K. Ogura, Y. Hayashi, H. Kotaki, E. N. Ragozin, D. Neely, H. Kiriyama, J. K. Koga, Y. Fukuda, A. Sagisaka, M. Nishikino, T. Imazono, N. Hasegawa, T. Kawachi, P. R. Bolton, H. Daido, Y. Kato, K. Kondo, S. V. Bulanov, M. Kando
  • 雑誌名: arXiv 巻: 1611.05547
  • オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Aperiodic multilayer structures in soft X-ray optics (2015)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov and E. N. Ragozin
  • 雑誌名: Physics - Uspekhi 巻: 58 号: 11 ページ: 1095-1105
  • DOI: 10.3367/ufne.0185.201511e.1203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High order harmonics from relativistic electron spikes (2014)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, M. Kando, T. Zh. Esirkepov, P. Gallegos, H. Ahmed et al.
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 16 号: 9 ページ: 1-30
  • DOI: 10.1088/1367-2630/16/9/093003
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-Contrast, High-Intensity Petawatt-Class Laser and Applications (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kiriyama, M. Mori, A.S. Pirozhkov, K. Ogura, A. Sagisaka, A. Kon, T.Z. Esirkepov, Y. Hayashi, H. Kotaki, M. Kanasaki, H. Sakaki, Y. Fukuda, J. Koga, M. Nishiuchi, M. Kando, S.V. Bulanov, K. Kondo, P.R. Bolton, O. Slezak, D. Vojna, M. Sawicka-Chyla, V. Jambunathan, A. Lucianetti and T. Mocek
  • 雑誌名: IEEE Sel. Topics J. Quntum Electron. 巻: 21 号: 1 ページ: 16011181-18
  • DOI: 10.1109/jstqe.2014.2336774
  • 査読あり
• [学会発表] BISER: A New Tool for Laboratory Astrophysics (2018)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, T. Zh. Esirkepov, A. Sagisaka, K. Ogura, J. K. Koga, B. Gonzalez-Izquierdo, T. A. Pikuz, E. N. Ragozin, D. Neely, H. Kiriyama, K. Kondo, T. Kawachi, S. V. Bulanov, and M. Kando
  • 学会等名: International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics (HEDLA)
  • 国際学会
• [学会発表] Burst Intensification by Singularity Emitting Radiation (BISER) in multi-stream flows (2018)
  • 著者名/発表者名: A.S. Pirozhkov, T.Zh. Esirkepov, T.A. Pikuz, A.Ya. Faenov, K. Ogura, A. Sagisaka, J. K. Koga, E.N. Ragozin, D. Neely, N. Nakanii, K. Huang, Y. Hayashi, H. Kotaki, Y. Fukuda, S. Namba, I. Daito, M. Nishikino, T. Imazono, N. Hasegawa, H. Kiriyama, P.R.Bolton, H. Daido, Y. Kato, K. Kondo, T. Kawachi, S.V.Bulanov, M. Kando
  • 学会等名: Opto-2018 Symposium on Photon and Beam Science
• [学会発表] Control of Burst Intensification by Singularity Emitting Radiation (BISER) with density jump (2018)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, T. Zh. Esirkepov, A. Sagisaka, K. Ogura, N. Nakanii, H. Kai, T. A. Pikuz, A. Ya. Faenov, S. Namba, I. Daito, Y. Fukuda, J. K. Koga, H. Kiriyama, K. Kondo, T. Kawachi, M. Kando
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress OPIC-2018, International Conference on High-Energy Density Sciences HEDS-2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Relativistic plasma singularity and its coherent x-ray emission control using density jump (2018)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, T. Zh. Esirkepov, A. Sagisaka, K. Ogura, N. Nakanii, K. Huang, T. A. Pikuz, A. Ya. Faenov, S. Namba, Y. Fukuda, J. K. Koga, H. Kiriyama, K. Kondo, T. Kawachi, and M. Kando
  • 学会等名: JPS Spring Meeting
• [学会発表] Plasma density jump for the control of coherent x-ray emission via BISER mechanism (2018)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, T. Zh. Esirkepov, A. Sagisaka, K. Ogura, N. Nakanii, K. Huang, T. A. Pikuz, A. Ya. Faenov, S. Namba, I. Daito, Y. Fukuda, J. K. Koga, H. Kiriyama, K. Kondo, T. Kawachi, and M. Kando
  • 学会等名: JSAP Spring Meeting
• [学会発表] Characterization of the J-KAREN-P laser spot at 300 TW and pulse shape at full beam diameter (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov
  • 学会等名: Opto 2017 Symposium on Photon and Beam Science
  • 発表場所: Osaka University, Suita, Osaka, Japan
  • 年月日: 2017-05-09
• [学会発表] J-KAREN-P Laser Wavefront, Spot, and Pulse Shape (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress OPIC-2017, The 6th Advanced Lasers and Photon Sources Conference ALPS-2017
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Kanagawa, Japan
  • 年月日: 2017-04-18
  • 国際学会
• [学会発表] BISER: Burst Intensification by Singularity Emitting Radiation (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress OPIC-2017, International Conference on High-Energy Density Sciences HEDS-2017
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Kanagawa, Japan.
  • 年月日: 2017-04-18
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of spectra of high-order harmonics from relativistic singularities (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov
  • 学会等名: JPS Spring Meeting
  • 発表場所: Osaka University, Toyonaka, Osaka, Japan
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Point-like x-ray sources (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov
  • 学会等名: XXI International Symposium "Nanophysics and Nanoelectronics"
  • 発表場所: Nizhny Novgorod, Russia
  • 年月日: 2017-03-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Point-like coherent soft x-ray sources and challenges for optics (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, T. Zh. Esirkepov, A. Sagisaka, K. Ogura, T. A. Pikuz, A. Ya. Faenov, J. K. Koga, H. Kiriyama, E. N. Ragozin, D. Neely, H. Daido, Y. Kato, S. V. Bulanov, K. Kondo, T. Kawachi, and M. Kando
  • 学会等名: The 14th Symposium on X-ray Imaging Optics
  • 招待講演
• [学会発表] J-KAREN-P Laser: Approaching the diffraction-limited, bandwidth-limited Petawatt (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, Y. Fukuda, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, A. Sagisaka, K. Ogura, M. Mori, M. Kishimoto, H. Sakaki, N. P. Dover, K. Kondo, N. Nakanii, K. Huang, M. Kanasaki, K. Kondo, and M. Kando
  • 学会等名: Japan-US Technical Meeting on High Energy Density Sciences
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrahigh-Resolution Imaging of Bio-Samples with Modern and Future Ultrabright X-Ray Sources: the Source and Method Requirements (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov
  • 学会等名: The 1st QST International Symposium "Quantum Life Science"
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of the J-KAREN-P laser spot at 300 TW and pulse shape at full beam diameter (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov, Y. Fukuda, M. Nishiuchi, H. Kiriyama, A. Sagisaka, K. Ogura, M. Mori, M. Kishimoto, H. Sakaki, N. P. Dover, K. Kondo, N. Nakanii, K. Huang, M. Kanasaki, K. Kondo, and M. Kando
  • 学会等名: Opto 2017 Symposium on Photon and Beam Science
• [学会発表] J-KAREN-P wavefront, spot, and pulse shape (2016)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov
  • 学会等名: Opto 2016 Symposium on Photon and Beam Science
  • 発表場所: Senri Life Science Center, Toyonaka, Osaka, Japan
  • 年月日: 2016-11-24
• [学会発表] High-order harmonic generation by relativistic plasma singularities (2016)
  • 著者名/発表者名: A. S. Pirozhkov
  • 学会等名: The 15th International Conference on X-Ray Lasers (ICXRL2016)
  • 発表場所: Nara Kasugano International Forum, Nara, Japan
  • 年月日: 2016-05-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-order harmonic generation by relativistic plasma singularities (2016)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: The 15th International Conference on X-Ray Lasers (ICXRL2016)
  • 発表場所: Nara Kasugano International Forum, Nara, Nara, Japan
  • 年月日: 2016-05-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Required Laser Properties for Efficient High-Order Harmonic Generation from Relativistic Electron Spikes (2016)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress OPIC-2016, International Conference on High-Energy Density Sciences HEDS-2016
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Kanagawa, Japan
  • 年月日: 2016-05-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-Order Harmonics from Relativistic Electron Spikes: Statistical Analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: JSAP Spring Meeting
  • 発表場所: Tokyo Institute of Technology, Meguro-ku, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] High order harmonics from relativistic electron spikes: Scalings and laser requirements (2016)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: Apollon FIRE User’s Meeting
  • 発表場所: SOLEIL Amphitheatre, France
  • 年月日: 2016-02-11
  • 国際学会
• [学会発表] Coherent emission from plasma singularities (2015)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: JPS Autumn Meeting
  • 発表場所: Kansai University, Suita, Osaka, Japan
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Laser Requirements for Efficient X-Ray Generation by Relativistic Electron Spikes (2015)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: JSAP Autumn Meeting
  • 発表場所: Nagoya Congress Center, Nagoya, Aichi, Japan
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Scalings of High-Order Harmonics from Relativistic Electron Cusps (2015)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: SPIE Optics+Photonics Symposium, International Conference on X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources: Development and Applications XI
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2015-08-09
  • 国際学会
• [学会発表] High-Order Harmonics from Relativistic Electron Spikes: Dependence on Parameters (2015)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress OPIC-2014, International Conference on High-Energy Density Sciences HEDS 2015
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan
  • 年月日: 2015-04-22 – 2015-04-24
• [学会発表] High-Order Harmonics from Relativistic Electron Spikes: Dependence on Parameters (2015)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress OPIC-2015, International Conference on High-Energy Density Sciences HEDS-2015
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Kanagawa, Japan
  • 年月日: 2015-04-22
  • 国際学会
• [学会発表] Scalings of High-Order Harmonics from Relativistic Electron Spikes (2015)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: JSAP Spring Meeting
  • 発表場所: Tokai University, Kanagawa, Japan
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] High-order harmonics from singularities of relativistic plasma (2014)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: The International Symposium "Topical Problems Of Nonlinear Wave Physics" NWP 2014
  • 発表場所: Nizhny Novgorod - Saratov - Nizhny Novgorod, Russia
  • 年月日: 2014-07-17 – 2014-07-23
  • 招待講演
• [学会発表] High-Resolution XUV Imaging of Catastrophes in Relativistic Plasma (2014)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Pirozhkov
  • 学会等名: The Optics & Photonics International Congress OPIC-2014, International Conference on High-Energy Density Science HEDS 2014
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan
  • 年月日: 2014-04-22 – 2014-04-25
• [備考] プラズマの特異点からの強力な軟X線バーストを発見 －宇宙でも起こり得る普遍的な新しい放射機構の提案－
  • URL: http://www.qst.go.jp/information/itemid034-003332.html
• [備考] APS-TV film about KPSI
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=UBK86zX_LCk
• [備考] Video Abstract of the paper NJP 16, 093003 (2014)
  • URL: http://iopscience.iop.org/1367-2630/16/9/093003/video/abstract