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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

Temporal contrast enhancement of petawatt-class laser pulses

桐山 博光; 下村 拓也; 笹尾 一; 中井 善基*; 田上 学; 近藤 修司; 金沢 修平; Pirozhkov, A. S.; 森 道昭; 福田 祐仁; et al.

Optics Letters, 37(16), p.3363 - 3365, 2012/08

 被引用回数:34 パーセンタイル:12.63(Optics)

原子力機構で開発を進めているペタワット(PW)級チタンサファイアチャープパルス増幅レーザーシステム(J-KARENレーザーシステム)の高度化として、時間コントラストの向上を行った。J-KARENレーザーの前置増幅器である光パラメトリックチャープパルス増幅器(OPCPA)を低利得で動作させ、かつOPCPAの直後に可飽和吸収体を用いることにより、70テラワット(TW)の出力レベルにおいて、サブナノ秒の時間領域で1.4$$times$$10$$^{12}$$の高いコントラストを実証した。また、メインパルス近傍のピコ秒領域のコントラストを向上するため、音響光学分散フィルターでスペクトルノイズを除去することにより、約2桁の改善を実証した。この高品質のレーザー光をさらに増幅し、圧縮前で28Jまでの増幅を実現した。本システムにより、再圧縮することにより、約600TWの高いピーク強度のレーザーパルスがポテンシャルとして生成可能であることを確認した。

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

Development of a compact high-spatiotemporal-quality Yb:YAG thin-disk laser system using an optical parametric preamplifier

桐山 博光; 鈴木 将之*; 大東 出; 岡田 大; 越智 義浩; 佐藤 方俊*; 玉置 善紀*; 吉井 健裕*; 前田 純也*; 松岡 伸一*; et al.

レーザー研究, 40(2), p.143 - 145, 2012/02

光パラメトリックチャープパルス増幅(OPCPA)をベースにした非線形前置増幅器を用いた小型,高時間空間品質,高強度半導体レーザー励起Yb:YAG薄型ディスクチャープパルス増幅器の開発を行った。ストレッチャーでパルス幅を伸張されたチャープパルスは、OPCPA前置増幅器、及びYb:YAG主増幅器において、10Hzの繰り返し動作で100mJにまで増幅される。集光性能は、横方向では回折限界の1.1倍、縦方向では1.4と高い空間特性を有していることがわかった。また、470fsにまでパルス圧縮に成功するとともに、10$$^{-8}$$の高いコントラストを得ており、時間特性も優れた特性を示すことがわかった。

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

Feeling the texture of vacuum; Laser acceleration toward PeV

田島 俊樹*; 神門 正城; 手嶋 政廣*

Progress of Theoretical Physics, 125(3), p.617 - 631, 2011/03

 被引用回数:11 パーセンタイル:37.54(Physics, Multidisciplinary)

We discuss parameters for laser, plasma, and accelerator technologies that are defined for accelerated electron energies reaching as high as PeV. Although the ambition of luminosity is not pursued, such energies by themselves may allow us to begin to feel and study the physics of the "texture of vacuum". This is an example of fundamental physics exploration without the need of luminosity paradigm. By converting accelerated electrons to $$gamma$$ photons, and let them propagate through vacuum over a sufficient distance, these extremely high energy photons experience smallest vacuum structures and fluctuations. If we can measure the arrival time differential and thus the $$gamma$$ photon speed as a function of different energies such as 0.1 PeV vs 1 PeV, we can collect valuable data if and how $$gamma$$ photons still obeys the premise of relativity or the vacuum texture begins to alter such fundamentals.

論文

高コントラスト・高ビーム品質・高強度レーザーの開発

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基*; 下村 拓也; 笹尾 一*; 田中 桃子; 越智 義浩; 田上 学*; 近藤 修司; 金沢 修平; et al.

レーザー研究, 38(9), p.669 - 675, 2010/09

高強度レーザーの時間・空間制御技術に関するレビューである。時間制御技術は主パルスと背景光の強度比を向上させる高コントラスト化であり、先駆けて開発した高エネルギーシード型低利得光パラメトリックチャープパルス増幅手法について紹介する。空間制御技術は高エネルギービームの空間強度均質化であり、回折光学素子を用いた手法について紹介する。これらの手法の特徴を詳細に紹介するとともに、これらの制御技術を用いて得られた時間・空間特性についても報告する。

論文

High contrast femtosecond laser-driven intense hard X-ray source for imaging application

Chen, L. M.*; Wang, W. M.*; 神門 正城; Hudson, L. T.*; Liu, F.*; Lin, X. X.*; Ma, J. L.*; Li, Y. T.*; Bulanov, S. V.; 田島 俊樹*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 619, p.128 - 132, 2010/07

 被引用回数:7 パーセンタイル:48.54(Instruments & Instrumentation)

イメージング応用、特にX線変換効率が飽和する領域での画像品質に与える影響についてレーザー駆動の硬X線源についてレビューを行う。高コントラストのレーザーを用いることで固体薄膜から発生するX線への変換効率は改善し、また、イメージングの応用によってX線スペクトルの形状は最適化できる。さらにArガスを用いることで、不要なバックグラウンドを低減でき、高品質の画像をとることができる。これらの方法はシングルショットでの高速X線イメージングを可能にする技術である。

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

Metrology of wide field of view nano-thickness foils' homogeneity by conventional and phase contrast soft X-ray imaging

Faenov, A. Y.; Pikuz, T.*; 福田 祐仁; 神門 正城; 小瀧 秀行; 本間 隆之; 川瀬 啓悟; Skobelev, I.*; Gasilov, S.*; 河内 哲哉; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 49(6), p.06GK03_1 - 06GK03_5, 2010/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:61.74(Physics, Applied)

New approach for phase-contrast imaging of nanostructures using compact femtosecond laser-produced cluster plasma devices. Novel ultrafast soft X-ray diagnostics and metrology of full areas of free standing or mesh supported nano- thickness foils or other nanostructures is demonstrated.

論文

High temporal and spatial quality petawatt-class Ti:sapphire chirped-pulse amplification laser system

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基; 下村 拓也; 笹尾 一; 田上 学*; 金沢 修平; 若井 大介*; 笹尾 文崇*; 岡田 大; et al.

Optics Letters, 35(10), p.1497 - 1499, 2010/05

 被引用回数:81 パーセンタイル:3.68(Optics)

高強度チタンサファイアCPA(チャープパルス増幅)レーザーにおいて、30$$mu$$Jの高エネルギーシーダーを用いることにより光パラメトリックチャープパルス増幅器(OPCPA)を低利得で動作させることで、5$$times$$10$$^{-11}$$の高いコントラスト(主パルスに対する背景光び強度比)を達成した。また、大口径チタンサファイアレーザー増幅器に対して液体のクラッディングを初めて導入して寄生発振を抑制するとともに回折光学素子を用いた空間ビーム均質化を行いフィリングファクター(空間的なビームのピーク強度に対する平均強度)を80%程度にまで向上させることで、理論限界に近い増幅効率で30J以上の大出力を得た。

論文

Intense high-contrast femtosecond $$K$$-shell X-ray source from laser-driven Ar clusters

Chen, L. M.*; Liu, F.*; Wang, W. M.*; 神門 正城; Mao, J. Y.*; Zhang, L.*; Ma, J.*; Li, Y. T.*; Bulanov, S. V.; 田島 俊樹; et al.

Physical Review Letters, 104(21), p.215004_1 - 215004_4, 2010/05

 被引用回数:59 パーセンタイル:9.56(Physics, Multidisciplinary)

Bright Ar quasimonochromatic $$K$$-shell X-ray with very little background has been generated using an Ar clustering gas jet target irradiated with a 30 fs ultrahigh-contrast laser, with a measured flux of 2.2$$times$$10$$^{11}$$ photons/J into 4$$pi$$. This intense X-ray source critically depends on the laser contrast and intensity. The optimization of source output with interaction length is addressed. Simulations point to a nonlinear resonant mechanism of electron heating during the early stage of laser interaction, resulting in enhanced X-ray emission. The X-ray pulse duration is expected to be only 10 fs, opening the possibility for single- shot ultrafast keV X-ray imaging applications.

論文

High spatiotemporal-quality petawatt-class laser system

桐山 博光; 森 道昭; 中井 善基; 下村 拓也; 笹尾 一; 田中 桃子; 越智 義浩; 田上 学*; 岡田 大; 近藤 修司; et al.

Applied Optics, 49(11), p.2105 - 2115, 2010/04

 被引用回数:37 パーセンタイル:13.53(Optics)

近年の高強度レーザー発生技術の急速な進展により、ペタワット(PW)級のピーク出力を有するレーザー装置が開発され、粒子加速,高エネルギー物理等多くの研究に利用されようとしている。このようにレーザー装置の高強度化が進むとともに、実際の応用に向けての研究開発として、時間構造や空間構造の向上に移行しつつある。本論文では、高強度レーザーの時間制御技術として背景光抑制、及び空間制御技術としてビーム均質化を原子力機構で開発されたJ-KARENレーザーに適用した実験結果について報告する。

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

A Parameter study of pencil beam proton dose distributions for the treatment of ocular melanoma utilizing spot scanning

Sutherland, K.*; 宮島 悟史*; 伊達 広行*; 白土 博樹*; 石川 正純*; 村上 昌雄*; 山極 満; Bolton, P.; 田島 俊樹

Radiological Physics and Technology, 3(1), p.16 - 22, 2010/01

Results of Monte Carlo calculated dose distributions of proton treatment of ocular melanoma are presented. An efficient spot-scanning method utilizing active energy modulation which also minimizes the number of target spots was developed. We simulated various parameter values for the particle energy spread and the pencil-beam diameter in order to determine values suitable for medical treatment. We found that a 2.5-mm-diameter proton beam with a 5% Gaussian energy spread is suitable for treatment of ocular melanoma while preserving vision for the typical case that we simulated. The energy spectra and required proton current were also calculated and are reported. The results are intended to serve as a guideline for a new class of low-cost, compact accelerators.

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