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High-order harmonics from relativistic electron spikes

相対論的電子スパイクからの高次高調波発生

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; Ragozin, E. N.*; Koga, J. K.; 桐山 博光; 下村 拓也; 小倉 浩一; 福田 祐仁; 今園 孝志; 森 道昭; 河内 哲哉; 匂坂 明人; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Coury, M.*; Green, J.*; Foster, P.*; Brenner, C.*; Dromey, B.*; Symes, D. R.*; Rajeev, P.*; McKenna, P.*; Borghesi, M.*; Chen, L.-M.*; 大道 博行; Neely, D.*; 加藤 義章*; 近藤 公伯; Bulanov, S. V.

Pirozhkov, A. S.; Kando, Masaki; Esirkepov, T. Z.; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.; Hayashi, Yukio; Kotaki, Hideyuki; Ragozin, E. N.*; Koga, J. K.; Kiriyama, Hiromitsu; Shimomura, Takuya; Ogura, Koichi; Fukuda, Yuji; Imazono, Takashi; Mori, Michiaki; Kawachi, Tetsuya; Sagisaka, Akito; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Coury, M.*; Green, J.*; Foster, P.*; Brenner, C.*; Dromey, B.*; Symes, D. R.*; Rajeev, P.*; McKenna, P.*; Borghesi, M.*; Chen, L.-M.*; Daido, Hiroyuki; Neely, D.*; Kato, Yoshiaki*; Kondo, Kiminori; Bulanov, S. V.

照射強度が10$$^{18}$$W/cm$$^{2}$$を越す相対論的強度下でのガスジェットターゲットとの相互作用による新しい高次高調波の発生を、原子力機構のJ-KAREN、並びにラザフォード研究所CLFのAstra Geminiを用いて観測した。奇数次だけではなく偶数次を含む数百次に達する高次高調波が、直線偏光だけではなく円偏光で励起した場合にも観測できた。このような高次高調波発生は従来型の高調波発生メカニズムでは説明できないので、以下のような新たなモデルを構築した。すなわち、相対論的な自己収束を起こすプラズマ中で、船首波と航跡場キャビティーが形成され、それらが交わる点で電子スパイクが形成され、その電子スパイクのコヒーレントな振動が今回の高次高調波を発生したというモデルである。この電子スパイクの先鋭さや安定性はカタストロフ理論により説明できる。このモデルの妥当性は2次元、さらには3次元のPICシミュレーションにより確認できた。今回、最近のJ-KAREN実験で得られた、角度分布などの結果について報告する。また発生機構に関する詳細についても報告する。

We discovered a new high-order harmonic generation regime based on relativistic-irradiance ($$>$$ 10$$^{18}$$W/cm$$^{2}$$) femtosecond lasers interacting with gas jet targets using J-KAREN laser in JAEA and Astra Gemini laser in the CLF, RAL. The comb-like spectra, consisting of several hundred even and odd harmonic orders, are generated by either linearly or circularly polarized pulses. We introduced the new harmonic generation mechanism, where the harmonics are collectively emitted by oscillating electron spikes formed at the joint of the boundaries of a cavity and bow wave created by the relativistically self-focusing laser in underdense plasma. The spike sharpness and stability are explained by catastrophe theory. The mechanism is corroborated by 2D and 3D PIC simulations. We describe recent results including the angular distribution, new experimental data obtained with the J-KAREN laser, and the generation mechanism in more details.

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