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

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H01882
• 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)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: レーザー

研究実績の概要

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。

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

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [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 ページ: 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: T. Hihara, M. Kanasaki, T. Asai, T. Kusumoto, S. Kodaira, H. Kiriyama, K. Oda, T. Yamauchi, W-Y. Woon, Y. Kuramitsu and Y. Fukuda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 16283
  • DOI: 10.1038/s41598-021-92300-1
  • 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 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: 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
  • 雑誌名: High Power Laser Science and Engineering 巻: 9 ページ: e62
  • DOI: 10.1017/hpl.2021.51
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Robustness of large-area suspended graphene under interaction with intense laser (2021)
  • 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, 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
  • 雑誌名: Sceientific Reports 巻: 12 ページ: 2346
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06055-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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