2015 Fiscal Year Annual Research Report
準オクターブレーザーとプラズマの相互作用（プラズマブラッググレーティングの応用）
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25247096
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
宮永 憲明 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (80135756)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 匡且 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センタ, 教授 (80192772)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 広帯域レーザー / 光パラメトリック増幅 / 位相変調 / イオン加速 / ブラックグレーティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来のチャープパルス方式に代わる広帯域レーザーの増幅技術として、時間・空間分散光パラメトリック増幅（OPA）を実証した。この手法は、回折格子対とレンズや凹面鏡などの集光光学系を4f構成で配置し、フーリエ面においてOPAを行うものである。入射パルスがフーリエ面で分光されると同時にピコ秒の時間拡がりを持たせることができ、これをピコ秒の励起パルスで増幅するものであり、パルス伸長器と圧縮器を必要としないため増幅器のコンパクト化が可能となる。２段OPA増幅と出力回折格子のレーザー損傷を回避するための4f構成内ビーム拡大を実証した。
ブラッググレーティングのアナロジーとして、周波数が異なる２つの超短パルスの干渉ビートが引き起こす位相変調が準静的な電場成分を誘起できることを着想した。誘電体媒質中で数10～100THzの高速位相変調を起こせば、近赤外～中赤外の波長範囲で周期的な波長変化が容易に生じ、２つのパルスの周波数差を最適化することによって準静的な電場成分を強められることを見出した。この電場を用いて、真空中で荷電粒子をビート周期ごとに多段加速できる可能性を示した。
10の20乗W/平方cmを超えるレーザー照射強度では、高速電子の振る舞いにおいて相対論効果が顕著になってくる。相対論領域では見かけ上の電子質量が重くなるためプラズマ振動数が抑制され、結果としてレーザーがカットオフ密度よりも高い電子密度にまで侵入するいわゆる相対論的透過現象が見られる。この透過現象は電子だけでなく最終的にはイオン加速のパフォーマンスにも重要な寄与をすることが予想される。これまで行なってきた球や円筒幾何形状における比較的弱いレーザー照射強度を適用した場合のイオン加速研究に対し、2015年度は相対論効果の高い領域での電子挙動を取り入れたイオンの加速機構の基礎的ダイナミクスの研究を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
レーザーの高出力化に関しては、本研究で新たに開発した時間・空間分散光パラメトリック増幅は、回折格子対とレンズや凹面鏡からなる4f光学系を用いた超短パルス広帯域レーザー光の周波数領域での増幅手法である。先ずフーリエ面での光パルスの諸特性を初めて実験的に明らかにし、増幅実験のための装置を完成させて２段増幅を実証し、また、分散に影響を与えない4f光学系内ビーム拡大の手法を考案・実証するなど、従来の手法に変わる新しい広帯域光パルス増幅の手法と高出力化の可能性を示した。
イオン加速の理論に関しては、超高強度レーザーをナノサイズのターゲットに照射したときの加速イオンの性能指標（単色性、指向性、エネルギー変換効率）について、レーザー強度、偏向、さらに２原子混合材料における混合比などのパラメータに対する依存性を理論モデルならびに粒子シミュレーションにより定量的に明らかにした。
当初計画では、希ガス中を対向伝搬する２つのレーザーパルスによって誘起されるプラズマブラッググレーティングを２パルスの瞬時周波数の差に応じて光軸方向に伝搬させることを目指し、パルス圧縮やイオン加速の将来技術としての可能性を探るものであった。しかしながら、現時点でのレーザー強度は、このようなプラズマ実験ができるまで高出力化が達成できていない。
そこで、低出力レーザーでも原理実証の可能性が高いものとして、準静的な電場生成を着想した。そのために考案した方法は、誘電体媒質中での数10～100THzの高速位相変調であり、特定の周波数比をもつ２つの超短パルスの干渉ビートによる強度変調を介して非線形光学効果によって高速位相変調と超広帯域化を行うものである。このように、手法の変更によって研究の進展がやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
広帯域レーザーパルスの高出力化とプラズマ相互作用実験を次のように進める。(1) 昨年度までに整備した中心波長1053nmの広帯域種光を用い、Nd:ガラス増幅器にてチャープパルス増幅を行い、1J級の高出力ピコ秒レーザーを構築する。(2) 上記ピコ秒レーザーパルスの希ガスプラズマ中での伝搬の様子を観察する。(3) 上記ピコ秒レーザーの２倍高調波を励起源として、中心波長800nmの準オクターブレーザーを光パラメトリック増幅し高出力化を図る。
２波長ビートによる周期的位相変調と超広帯域化は次のように進める。(1) 中心波長1053nmと842nmの２つのレーザーを同期し、２つの出力パルスを低分散、高非線形屈折率媒質中を同軸伝搬させ、位相変調による帯域拡大の試験を行う。(2) 上記の光パラメトリック増幅の手法を用いて２波長レーザー光を増幅し、非線形効果による位相変調を飛躍的に増大させて超広帯域化を図る。
超短パルスレーザーとプラズマの相互作用に関する理論・シミュレーションは次のように進める。(1) 球クラスターやナノチューブといった特殊形状ターゲットにおけるイオン加速の知見に基づき、10の20～22乗W/平方cmの相対論効果が顕著に現れるレーザー強度領域におけるナノスケールターゲットとの相互作用を考慮しつつ、将来の応用展開を視野に入れた理論シミュレーション研究展開を図る。(2) その実験的検証については、韓国の光州科学技術院との国際共同研究を発展させる。
上記の成果をもって本研究をまとめる。
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