Novel X-ray generation schemes based on electron cusps formed via intense laser plasma interaction

高強度レーザーとプラズマの相互作用により生成される電子カスプによる新しいX線発生機構

神門 正城; Pirozhkov, A. S.; Esirkepov, T. Z.; 川瀬 啓悟*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.*; 福田 祐仁; 匂坂 明人; 森 道昭; Koga, J. K.; 河内 哲哉; 小倉 浩一; 大東 出; Chen, L. M.*; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; 桐山 博光; 岡田 大; 亀島 敬*; 西森 信行; 近藤 公伯; 田島 俊樹; 大道 博行; 加藤 義章 ; Bulanov, S. V.

Kando, Masaki; Pirozhkov, A. S.; Esirkepov, T. Z.; Kawase, Keigo*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.*; Fukuda, Yuji; Sagisaka, Akito; Mori, Michiaki; Koga, J. K.; Kawachi, Tetsuya; Ogura, Koichi; Daito, Izuru; Chen, L. M.*; Hayashi, Yukio; Kotaki, Hideyuki; Kiriyama, Hiromitsu; Okada, Hajime; Kameshima, Takashi*; Nishimori, Nobuyuki; Kondo, Kiminori; Tajima, Toshiki; Daido, Hiroyuki; Kato, Yoshiaki; Bulanov, S. V.

高強度レーザーとプラズマを用いた、コヒーレントで超短パルス,波長可変X線を発生可能な新しい2つの方法について、理論と実験を報告する。第一の方法は、プラズマ中に作られた電子波が壊れようとする領域で作られる電子カスプを鏡として使い、レーザー光を反射させて作る相対論的飛翔鏡法である。この方法では、鏡はほぼ光速で進むので、ドップラー効果により反射光は短波長化され、パルス幅も圧縮される。この方式の原理検証実験には成功していたが、われわれは最近、対向入射とより強力なレーザー光を用いてこの反射効率がほぼ理論通りの光子数を得られることに成功した。第二の方法は、9TWのレーザー光を集光し、レーザーの高調波を水の窓領域まで伸びているのを確認したものである。これは従来知られている高次高調波では説明できないが、われわれは、高強度レーザーがプラズマ中に作る高密度の電子カスプによって恊働的に散乱することにより発生できることを理論的、数値的に示した。これらの手法は、これまでに知られている発生機構とは異なっているため、原理的に短波長,コヒーレント,超短パルスのX線源となりうるものである。

We present the results of two kinds of experiments and theoretical description for generating coherent, ultrashort, tunable X-ray photons. Nonlinear interaction of intense laser pulses with plasma creates stable, specific structures such as electron cusps. For example, wake waves excited in an unerdense plasma by intense, short-pulse laser becomes dense and propagate along the laser pulse. These wake waves act as relativistic flying mirrors. The flying mirror can reflect a counter-propagating laser pulse and directly convert it into high-frequency radiation, with a frequency multiplication factor 4 and a pulse shortening with the same factor. We present the results of experiments. Another mechanism of coherent X-ray generation is based on a single laser pulse irradiating gas jet target. In this case, bright high-order harmonics of both odd and even orders are emitted in the forward direction. We attribute this to the synchrotron or nonlinear Thomson scattering of a bunch of electrons in the cusp interacting with the laser.