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

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K18149
• 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: 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, 教授 (60622371)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2025-03-31
• キーワード: レーザー

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。
今年度は、2つのサニャック型干渉計を応用し、それぞれのサニャック干渉計でフェムト秒レーザーパルスを時間分割、空間分割し、合計4つのビームが受動コヒーレント結合できるか試験を実施した。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レーザー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。

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

時間・空間領域における分割・結合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、サニャック干渉計を応用した光学系の試作・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。

今後の研究の推進方策

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・空間領域における分割・結合光学系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し付加する。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。

次年度使用額が生じた理由

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、レーザーの偏光を回転させるための光学素子を多数用いている。来年度から増幅フェムト秒レーザーパルスの結合試験を行うために大型の素子を準備する予定であったが、部品の調達先がコロナの影響で廃業となったり、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。今年度は小口径の光学素子で研究の進捗を図ったが、次年度は大口径の部品を調達し、今年度構築したシステムにおけるノウハウ、経験、知見などを活かし、次年度の計画である時空間分割された増幅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。

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: 日本加速器学会誌 巻: 19 ページ: 177-186
  • DOI: 10.50868/pasj.19.4_177
  • 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: N. Nobuhiko, H. Kai, Ko. Kotaro, H. Kiriyama, and K. Masaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 ページ: 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 ページ: 71
  • DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 ページ: 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: e25
  • 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 ページ: 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
• [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