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論文

High order harmonics from relativistic electron spikes

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Faenov, A. Y.*; Pikuz, T. A.*; 河内 哲哉; 匂坂 明人; Koga, J. K.; 森 道昭; 川瀬 啓悟*; et al.

RAL-TR-2015-025, P. 22, 2015/00

We provide a description of experiments performed with the J-KAREN and Astra Gemini lasers where we discovered a new regime of relativistic high-order harmonic generation by multi-terawatt femtosecond lasers in gas targets. The results were explained using particle-in-cell simulations and catastrophe theory. Our work paves the way towards a bright coherent X-ray source based on compact lasers and accessible, repetitive, and debris-free gas jet targets. Such a source will be crucial for fundamental research and numerous applications requiring pumping, probing, imaging of microscopic objects and for attosecond science.

論文

High order harmonics from relativistic electron spikes

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T. A.*; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.

New Journal of Physics (Internet), 16(9), p.093003_1 - 093003_30, 2014/09

 被引用回数:24 パーセンタイル:18.59(Physics, Multidisciplinary)

We present a detailed description of our discovery of a new regime of high-order harmonic generation, including experimental data, simulations, and description of new harmonic generation mechanism. The harmonics are generated by multi-terawatt relativistic-irradiance ($$>$$ 10$$^{18}$$ W/cm$$^2$$) femtosecond ($$approx$$ 30-50 fs) lasers focused to gas jet targets. According to our model, the harmonics are produced by sharp, structurally stable, oscillating electron spikes at the joint of boundaries of wake and bow waves excited by the laser pulse.

論文

Full-coherent free electron laser seeded by 13th- and 15th-order harmonics of near-infrared femtosecond laser pulses

佐藤 尭洋*; 岩崎 純史*; 大和田 成起*; 山内 薫*; 高橋 栄治*; 緑川 克美*; 青山 誠; 山川 考一; 富樫 格*; 深見 健司*; et al.

Journal of Physics B; Atomic, Molecular and Optical Physics, 46(16), p.164006_1 - 164006_6, 2013/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:77.09(Optics)

自由電子レーザー(FEL)は、自己増幅自発放射方式を用いているため、発振したレーザー光のスペクトルや時間波形がスパイク状構造になる欠点がある。この問題点を解決するために、短波長光源である高次高調波をFELにインジェクションし、スペクトルや時間波形にスパイク構造のない極端紫外領域のシード型FELの研究開発を進めている。高次高調波を発生させるドライブレーザーである高出力フェムト秒・チタンサファイアCPAレーザーシステムは、これまで原子力機構で培ったレーザー技術を設計に活かし、レーザーシステムの構築を行った。そして、このドライブレーザーをXeガス中に集光して得られる13次高調波(波長61.7nm)、15次高調波(波長53.4nm)をシード光としてFELへインジェクションし、極端紫外領域でシード型FEL(波長61.2nm)の発振に世界で初めて成功した。また、シードFEL光のコントラスト比についても検討した。この結果について発表する。

論文

Ti-6Al-4V合金の回転曲げ疲労特性に及ぼすレーザピーニング処理の影響

政木 清孝*; 亀島 洋平*; 久森 紀之*; 佐野 雄二*; 秋田 貢一; 菖蒲 敬久

材料, 62(5), p.297 - 304, 2013/05

$$alpha$$+$$beta$$型チタン合金(Ti-6Al-4V)の回転曲げ疲労特性に及ぼすレーザピーニング処理の影響を調査するため、回転曲げ疲労試験を実施した。ピーニング効果を調査したところ、表面近傍の硬さ向上と表面近傍の高い圧縮残留応力が認められた。しかし、疲労特性は改善できなかった。この理由として、表面粗さによる切欠き効果の影響が考えられたため、研磨により表面粗さを低減した試験片で疲労試験を行った。しかし、依然として疲労特性は改善されなかった。この理由は、$$beta$$$$rightarrow$$$$alpha$$'の加工誘起変態と、HCP構造に起因する引張特性と圧縮特性の大きな相違の影響と考えられ、さらなる調査が必要である。

論文

Relativistic high harmonic generation in gas jet targets

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.

AIP Conference Proceedings 1465, p.167 - 171, 2012/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:48.82

We experimentally demonstrate new regime of high-order harmonic generation by relativistic-irradiance lasers in gas jet targets. Bright harmonics with both the odd and even orders are emitted in the forward direction, while the base harmonic frequency is downshifted. The harmonics are generated by linearly as well as circularly polarized pulses. With the 9 TW laser, the harmonics reach 360 eV, within the "water window" spectral region. Using 120 TW laser producing 40 uJ/sr per harmonic at 120 eV, we demonstrate the photon number scalability. The experimentally demonstrated harmonics cannot be explained by previously known mechanisms. We introduce a novel high-order harmonics generation mechanism, which explains our experimental findings.

論文

High-order harmonics from bow wave caustics driven by a high-intensity laser

Esirkepov, T. Z.; Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A.*; Pikuz, T.; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.

AIP Conference Proceedings 1465, p.172 - 180, 2012/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

最近の実験で観測されたテラワットレーザーによるXUV領域の高次高調波の発生のメカニズムに関し、カタストロフィー理論を利用した船首波によるメカニズムを考案し、2DPIC計算と3DPIC計算によりその妥当性を確認した。これにより、この高次高調波生成メカニズムに基づいた、新しいXUV光及びX線源を提案した。

論文

X-ray emission from relativistically moving electron density cusps

神門 正城; Pirozhkov, A. S.; 中村 龍史; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; 川瀬 啓悟*; Esirkepov, T. Z.; 福田 祐仁; 桐山 博光; 岡田 大; et al.

AIP Conference Proceedings 1465, p.159 - 166, 2012/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

We report on novel method to generate ultra-short coherent X-rays using a laser-plasma interaction. Nonlinear interaction of intense laser pulses with plasma creates stable, specific structures such as electron cusps. For example wake waves excited in an underdense plasma by the laser become dense and propagate along with the laser pulse (Flying Mirror). The flying mirror can reflect a counter-propagating laser pulse and directly convert it into high-frequency radiation and compress the pulse. We have conducted experimental results using 9 TW laser with a He gas target. We observed 10$$^{10}$$ photons in the extreme ultra-violet region (12.8-22.0 nm).

論文

Soft-X-ray harmonic comb from relativistic electron spikes

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.

Physical Review Letters, 108(13), p.135004_1 - 135004_5, 2012/03

 被引用回数:61 パーセンタイル:8.12(Physics, Multidisciplinary)

マルチテラワットレーザーをガスジェットターゲットに集光照射することにより「水の窓」に達する高次高調波発生を実験で示すことに成功した。数百次に達する高次高調波の強さは$$mu$$J/srパルスと評価できる。このような高調波は、高強度レーザーパルスが低密度プラズマ中を相対論的な自己収束を伴って伝搬する際に、パルスによって励起される尖塔波とキャビテーションの境界の交差点で発生する電子スパイクのコヒーレント振動により生じる。このときのスパイクの先鋭さと安定度はカタスロトフ理論により説明される。発生機構はPICシミュレーションによっても確認された。

論文

Effect of the laser contrast ratio within picosecond timescales on generating a high-quality electron beam by laser-plasma interaction

小瀧 秀行; 神門 正城; 大東 出; 亀島 敬*; 川瀬 啓悟*; Chen, L. M.*; 福田 祐仁; Koga, J. K.; 桐山 博光; 近藤 修司; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 50(6), p.066401_1 - 066401_3, 2011/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:94.32(Physics, Applied)

The laser contrast ratio within picosecond timescales is one of the important parameters for laser acceleration. For a high laser contrast ratio, a 140 MeV monoenergetic electron beam with a charge of 44 pC is obtained by using a 20 TW Ti:sapphire laser. For a low laser contrast ratio, a low quality electron beam or no electron beam is generated, because the pre-pulse blows out plasma electrons and puts the plasma into disorder before the main pulse interacts with the plasma. The laser contrast ratio should be high enough in order to generate a high quality electron beam with a large amount of charge.

論文

Development of a sub-MeV X-ray source via Compton backscattering

川瀬 啓悟; 神門 正城; 早川 岳人; 大東 出; 近藤 修司; 本間 隆之; 亀島 敬*; 小瀧 秀行; Chen, L. M.*; 福田 祐仁; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 637(1, Suppl.), p.S141 - S144, 2011/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:44.16(Instruments & Instrumentation)

関西光科学研究所において実施しているマイクロトロン加速器で加速された150MeVの電子ビームとNd:YAGレーザーとを用いた逆コンプトン散乱によるsub-MeV領域のX線発生についての研究の現状を報告する。特にこれまでに実施したX線発生実験と発生X線の高強度化のためのNd:YAGレーザーのパルス圧縮について報告する。

論文

Ion acceleration in subcritical density plasma via interaction of intense laser pulse with cluster-gas target

福田 祐仁; Faenov, A.*; 反保 元伸; Pikuz, T.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 余語 覚文; 榊 泰直; 亀島 敬*; et al.

Progress in Ultrafast Intense Laser Science VII, p.225 - 240, 2011/05

本研究では、サブ臨界密度プラズマを生成させるために、世界に先駆けて、クラスターを含むガスターゲットをイオン加速研究に導入し、核子あたりの最大エネルギーが10$$sim$$20MeV/nという、従来の同規模クラスのレーザー装置を用いた場合の約10倍の加速エネルギーを得ることに成功した。クラスターターゲットは、連続供給が可能であるうえに、この手法により生成したイオンの発散角は、従来手法よりも小さく、医療利用へ向けたビーム伝送・照射系の設計にも適していることが明らかとなった。

論文

Extreme ultraviolet free electron laser seeded with high-order harmonic of Ti:sapphore laser

富樫 格*; 高橋 栄治*; 緑川 克美*; 青山 誠; 山川 考一; 佐藤 尭洋*; 岩崎 純史*; 大和田 成起*; 沖野 友哉*; 山内 薫*; et al.

Optics Express (Internet), 19(1), p.317 - 324, 2011/01

 被引用回数:82 パーセンタイル:3.02(Optics)

自由電子レーザー(FEL)は、共振器を使用しない自己増幅自発放射(SASE)方式を用いている。この方式では、自然放射光を種光としてレーザー発振・増幅するため、発振したレーザー光のスペクトルや時間波形がスパイク状構造になる欠点がある。この問題点を解決するために、短波長光源である高次高調波をFELにインジェクションし、スペクトルや時間波形にスパイク構造のないフルコヒーレント化された極端紫外領域のシード型自由電子レーザーの研究開発を進めている。高次高調波を発生させるドライブレーザーである高出力フェムト秒・チタンサファイアCPAレーザーシステムは、これまで原子力機構で培ったレーザー技術を設計に活かし、レーザーシステムの構築を行った。そして、このドライブレーザーをXeガス中に集光して得られる13次高調波(波長61.2nm)をシード光としてFELへインジェクションし、極端紫外領域でシード型FEL(波長61.2nm)の発振に世界で初めて成功した。高次高調波のシーディングによりSASE方式特有のスパイク構造がなくなり、スムーズなスペクトルが得られた。

論文

Improvement of SBS laser pulse compression system for the Compton backscattered X-ray source

川瀬 啓悟; 神門 正城; 早川 岳人; 大東 出; 近藤 修司; 本間 隆之; 亀島 敬*; 小瀧 秀行; Chen, L. M.*; 福田 祐仁; et al.

JAEA-Conf 2010-002, p.95 - 98, 2010/06

前回の光量子シンポジウムにおいて発表したように、逆コンプトン散乱X線のフラックスを増大させるために、誘導ブリルアン散乱(SBS)によるレーザーパルスの圧縮を提案し、実際に試験を行った。その後、イメージリレーを導入することでSBSパルス圧縮システムの改善を実施した。結果、パルスエネルギー0.84Jで2.1nsの安定した圧縮パルスの発生を達成した。関西光科学研究所における逆コンプトン散乱X線源にこのシステムを導入することで、これまでの3.2倍の強度のX線フラックスの発生が期待できる。

論文

Method of observing the spot where full-power counter-propagating laser pulses collide in plasma media

川瀬 啓悟; 神門 正城; Pirozhkov, A. S.; 本間 隆之; 亀島 敬*; 大東 出; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; 福田 祐仁; Esirkepov, T. Z.; et al.

Applied Physics Express, 3, p.016101_1 - 016101_3, 2010/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:88.12(Physics, Applied)

対向入射レーザーパルスの衝突をフルパワーで観測する新しい方法を提案し、その方法を実証した。この方法は、レーザー衝突点上部からのイメージング,側面シャドウグラフィ,極端紫外光分光器、そして戻り光観測の組合せである。この方法を用いることによって、現実の実験条件下(プラズマ中でのフルパワーレーザー)において、衝突点における対向入射レーザーパルスのアライメントを実現することができる。ここで得られた戻り光観測系のプラズマ中での空間分解能は1.35$$mu{rm m}$$であり、アライメント精度はプラズマが存在していても15$$mu{rm m}$$以下である。

論文

Enhancement of photon number reflected by the relativistic flying mirror

神門 正城; Pirozhkov, A. S.; 川瀬 啓悟; Esirkepov, T. Z.; 福田 祐仁; 桐山 博光; 岡田 大; 大東 出; 亀島 敬; 林 由紀雄; et al.

Physical Review Letters, 103(23), p.235003_1 - 235003_4, 2009/12

 被引用回数:79 パーセンタイル:6.71(Physics, Multidisciplinary)

Laser light reflection by a relativistically moving electron density modulation (flying mirror) in a wake wave generated in a plasma by a high intense laser pulse is investigated experimentally. A counter-propagating laser pulse is reflected and up shifted in frequency with a multiplication factor of 37-66, corresponding to the extreme ultraviolet wavelength. The demonstrated flying mirror reflectivity (from 3$$times$$10$$^{-6}$$ to 2$$times$$10$$^{-5}$$, and from 1.3$$times$$10$$^{-4}$$ to 0.6$$times$$10$$^{-3},$$ for the photon number and pulse energy, respectively) is close to the theoretical estimate for the parameters of experiment.

論文

Electron optical injection with head-on and countercrossing colliding laser pulses

小瀧 秀行; 大東 出; 神門 正城; 林 由紀雄; 川瀬 啓悟; 亀島 敬*; 福田 祐仁; 本間 隆之; Ma, J.*; Chen, L. M.*; et al.

Physical Review Letters, 103(19), p.194803_1 - 194803_4, 2009/11

 被引用回数:50 パーセンタイル:11.28(Physics, Multidisciplinary)

A high stability electron bunch is generated by laser wakefield acceleration with the help of a colliding laser pulse. The wakefield is generated by a laser pulse; the second laser pulse collides with the first pulse at 180$$^{circ}$$ and at 135$$^{circ}$$ realizing optical injection of an electron bunch. The electron bunch has high stability and high reproducibility compared with single pulse electron generation. In the case of 180$$^{circ}$$ collision, special measures have been taken to prevent damage. In the case of 135$$^{circ}$$ collision, since the second pulse is counter-crossing, it can not damage the laser system.

論文

High energy negative ion generation by Coulomb implosion mechanism

中村 龍史; 福田 祐仁; 余語 覚文; 反保 元伸; 神門 正城; 林 由紀雄; 亀島 敬*; Pirozhkov, A. S.; Esirkepov, T. Z.; Pikuz, T. A.*; et al.

Physics of Plasmas, 16(11), p.113106_1 - 113106_8, 2009/11

 被引用回数:16 パーセンタイル:43.55(Physics, Fluids & Plasmas)

クーロン爆縮による高エネルギー負イオン発生について研究を行った。クラスターターゲットやガスプラズマターゲットに高強度レーザーを照射した場合、クーロン爆発により正イオンが高エネルギーまで加速される。同じ電界により負イオンは反対方向に加速され、その結果正イオンの最大エネルギーの数分の一程度まで加速される。本論文では、負イオンの加速を説明するクーロン理論モデルの詳細とそれに関する粒子シミュレーションの結果を示す。またわれわれの研究所で行われた高エネルギー負イオン加速の実験結果についても示す。

論文

Energy increase in multi-MeV ion acceleration in the interaction of a short pulse laser with a cluster-gas target

福田 祐仁; Faenov, A. Y.; 反保 元伸; Pikuz, T. A.*; 中村 龍史; 神門 正城; 林 由紀雄; 余語 覚文; 榊 泰直; 亀島 敬*; et al.

Physical Review Letters, 103(16), p.165002_1 - 165002_4, 2009/10

 被引用回数:137 パーセンタイル:3.12(Physics, Multidisciplinary)

小型極短パルスレーザーとクラスターターゲットを用いた新しいイオン加速手法を提案する。この手法では、従来手法よりも小さな発散角(3.4$$^{circ}$$)で、イオンの加速エネルギー10$$sim$$20MeV/uを達成した。この加速エネルギーは、固体ターゲットを用いた従来手法の約10倍増に相当する。粒子コードによるシミュレーションにより、クラスターターゲット裏面の臨界密度プラズマ中で成長する強力な電磁場構造が、高エネルギーイオン発生に重要な役割を果たしていることが示唆されている。

論文

Submicron ionography of nanostructures using a femtosecond- laser-driven-cluster-based source

Faenov, A. Y.; Pikuz, T. A.*; 福田 祐仁; 神門 正城; 小瀧 秀行; 本間 隆之; 川瀬 啓悟; 亀島 敬*; Pirozhkov, A. S.; 余語 覚文; et al.

Applied Physics Letters, 95(10), p.101107_1 - 101107_3, 2009/09

 被引用回数:25 パーセンタイル:28.23(Physics, Applied)

An intense isotropic source of multicharged carbon and oxygen ions with energy above 300 keV and high quantity per shot was obtained by femtosecond Ti:Sa laser irradiation of clusters, produced by expansion of the mixed He and CO$$_{2}$$ gases in a supersonic nozzle. The source was employed for high contrast ionography images with 600 nm spatial resolution. A difference in object thickness of 100 nm was well resolved for both Zr and polymer foils.

論文

Experimental studies of the high and low frequency electromagnetic radiation produced from nonlinear laser-plasma interactions

神門 正城; Pirozhkov, A. S.; 福田 祐仁; Esirkepov, T. Z.; 大東 出; 川瀬 啓悟; Ma, J. L.*; Chen, L. M.*; 林 由紀雄; 森 道昭; et al.

European Physical Journal D, 55(2), p.465 - 474, 2009/09

 被引用回数:17 パーセンタイル:33.56(Optics)

高強度レーザーとプラズマの非線型な相互作用により、高エネルギーの粒子やX線からTHz領域までの光子が生成される。われわれの高周波電磁放射生成方法は、高強度超短パルスレーザーにより作られる航跡波に近赤外のレーザー光を相互作用させるものである。この飛翔鏡の原理検証実験についてレビューを行う。また、われわれの実験では同時に、低周波の電磁波生成も観測している。これはプラズマ中に生成されるソリトンからの電磁放射であると認識している。ソリトンは、不足密度プラズマ中で生成され、レーザー光のエネルギーの一部をレーザーと同一の偏光の低周波電磁波として閉じこめ、プラズマと真空の境界で電磁放射を行うものである。このソリトンからの低周波電磁波を偏光分解計測した結果を報告する。

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