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論文

Development of prototype YAG laser amplifier for the edge Thomson scattering system in ITER

波多江 仰紀; 林 利光; 谷塚 英一; 梶田 信*; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 矢作 鎌一*; 信夫 克也*; 小野 武博; et al.

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.9, p.253 - 258, 2010/08

An edge Thomson scattering system for ITER is a diagnostic system which measures electron temperature and density at the peripheral region in the plasma (r/a $$>$$ 0.85). Required measurement ranges for the electron temperature and density are 50 eV $$<$$ T$$_{e}$$ $$<$$ 10 keV and 5$$times$$10$$^{18}$$ $$<$$ n$$_{e}$$ $$<$$ 3$$times$$10$$^{20}$$ m$$^{-3}$$, respectively. The spatial and the temporal resolutions are 5 mm and 10 ms, respectively. A high-energy (5 J) and high repetition-rate (100 Hz) Q-switch Nd:YAG laser system is necessary to satisfy measurement requirements above. We have been developing the YAG laser system for ITER. We have developed a prototype high-power laser amplifier. Since the laser efficiency of solid-state laser is low in generally ($$sim$$ 2%), heat removal from the amplifier is crucial. In the amplifier design, we carried out heat analysis to optimize the cooling design. To realize 5 J of output energy, more than 1.6 J of energy needs to be extracted from one laser rod. In the initial laser amplification test, the extracted energy was limited $$sim$$1.4 J by a lateral depumping effect. We have changed a cooling flow tube for the laser rod made by borosilicate glass to samarium-doped glass in order to deplete an infrared light emission. The Sm-doped flow tube was successfully suppressed the lateral depumping, and consequently the extracted energy reached up to 1.76 J. We have obtained a prospect of the real laser amplifier production from the results.

論文

Progress in development of the advanced Thomson scattering diagnostics

波多江 仰紀; Howard, J.*; 海老塚 昇*; 吉田 英次*; 中塚 正大*; 藤田 尚徳*; 成原 一途*; 山田 一博*; 舟場 久芳*; 平野 洋一*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 227, p.012002_1 - 012002_6, 2010/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:24.85

We have developed new technologies for an advanced Thomson scattering diagnostics to meet various requirements for understanding physical phenomena in fusion plasmas. These technologies for the advanced Thomson scattering diagnostics may contribute future Thomson scattering diagnostics. For example, a polarization interferometer is applicable for T$$_{e}$$ measurement with wide range and imaging measurement. A multipass Thomson scattering and high average power laser employing SBS-PCM may improve the S/N ratio and repetition rate for the measurement, and allows measurement with high spatial resolution. An SBS-PC is a promising technology for LIDAR to generate short laser pulse. A Cr, Nd:YAG will be used for high-efficiency and high average power laser system. Fully relativistic formulae will contribute to the spectrum analysis with wide Te range. A guideline to optimize wavelength channels will be useful for a design of spectrometer.

論文

Trends in stimulated Brillouin scattering and optical phase conjugation

Ostermeyer, M.*; Kong, H.-J.*; Kovalev, V. I.*; Harrison, R. G.*; Fotiadi, A. A.*; M$'e$gret, P.*; Kalal, M.*; Slezak, O.*; Yoon, J. W.*; Shin, J. S.*; et al.

Laser and Particle Beams, 26(3), p.297 - 362, 2008/09

An overview on current trends in stimulated Brillouin scattering and optical phase conjugation is given. This report is based on the results of the "Second International Workshop on stimulated Brillouin scattering and phase conjugation" held in Potsdam/Germany in September 2007. The properties of stimulated Brillouin scattering are presented for the compensation of phase distortions in combination with novel laser technology like ceramics materials but also for e.g., phase stabilization, beam combination, and slow light. Photorefractive nonlinear mirrors and resonant refractive index gratings are addressed as phase conjugating mirrors in addition.

論文

負の屈折率温度特性を持つ固体材料によるNd:YAGレーザーの熱レンズ補償

吉田 英次*; 竹内 徳洋*; 岡田 大; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*

レーザー研究, 36(9), p.573 - 578, 2008/09

We have successfully demonstrated the compensation of thermal lens effect in Nd:YAG laser rods regardless of pumping condition by inserting a solid-state self-adaptive CE (Compensation Element), having negative dn/dT property between two Nd:YAG rods. Several organic resins and a LiF crystal of higher negative dn/dT which have high damage threshold and low absorbance are very useful to compensate thermal effects in the amplifier. The results revealed that the use of several organic resins resulted in the complete reduction of the thermal lens effect by an order of magnitude. This compensation scheme is an ultimate method because of its dynamic compensation feature of the pumping power level.

論文

フレオン系化合物の誘導ブリルアン散乱特性

吉田 英次*; 長沢 宗幸*; 岡田 大; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; Park, H.*

レーザー研究, 36(9), p.566 - 572, 2008/09

Heavy fluorocarbons and perfluoropolyether liquids are ideal media for high power stimulated Brillouin scattering experiments from ultraviolet to infrared laser. Stimulated Brillouin scattering (SBS) reflectivity and threshold of new SBS liquids were measured systematically at four wavelengths (1064, 532, 355 and 266 nm). Fluorinert FC-72, -75, -77 and Galden HT-70, -135 exhibits high reflectivity of over 90 percents and excellent fidelity in phase conjugation for over 100 mJ, 10 ns optical pulse at 1064, 532 and 355 nm. Among them, FC-77 and HT-70 were found to be good candidates to replace FC-72, -75 liquids which previously were known to be a good SBS media up to now. Heavy fluorocarbons and perfluoropolyether liquids are most promising as a phase conjugate SBS mirror for all solid-state high-energy lasers because of its high damage threshold and low absorbance.

論文

EUV light source by high power laser

井澤 靖和*; 西原 功修*; 田沼 肇*; 佐々木 明; 村上 匡且*; 砂原 淳*; 西村 博明*; 藤岡 慎介*; 青田 達也*; 島田 義則*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 112, p.042047_1 - 042047_4, 2008/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:10.48

高出力EUV光源システムの開発のために、レーザー生成Snプラズマの理論的,実験的なデータベースの構築を行った。プラズマの基礎過程の理解のもとに、デブリ粒子の発生を抑止しつつ、高効率で高出力の発光を得るための、最適なレーザー及びプラズマの条件が明らかになった。先進的なターゲット製造技術や、高出力レーザーの技術の開発についても併せて報告する。

口頭

JT-60におけるトムソン散乱計測用YAGレーザーの増幅特性

北村 繁; 波多江 仰紀; 中塚 正大*; 藤田 尚徳*; 吉田 英次*

no journal, , 

JT-60のトムソン散乱計測用レーザーは、近年、位相共役鏡や像転送光学系の導入などにより出力エネルギー7.46J,繰り返し50Hz,平均出力373Wを達成した。本研究では、JT-60の高出力レーザー増幅器の特性を明らかにし、誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を用いた熱的光学効果の補正、及び総合性能について報告する。また、さらなる性能向上の試みとして、高利得媒質Cr, Nd:YAGセラミックスの試験結果についても報告する。増幅試験の結果、5台の増幅器の蓄積エネルギーの総和は約7.7Jと見積もられる。一方、出力エネルギーは7.46Jであるため、位相共役鏡によるダブルパス増幅で効率よくエネルギーが引き出せていることがわかった。また、高繰り返し,強励起における増幅特性の改善の実証を目的として0.05%Cr, 0.8%Ndを共添加した口径$$phi$$8のYAGセラミックスロッドを試作し、その増幅特性を測定した。その結果、励起エネルギー100J,50Hzの繰り返しで、従来のNd:YAG単結晶と比較して約1.5倍以上利得が向上することがわかった。

口頭

JT-60トムソン散乱計測用YAGレーザーを用いたSBSパルス圧縮器の開発

吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 波多江 仰紀; 北村 繁

no journal, , 

ITERにおけるLIDARトムソン散乱では、10keVを超える電子温度の測定精度を向上させるために、波長1064nm,繰り返し100Hz,パルス幅300psのYAGレーザーの使用が検討されている。誘導ブリルアン散乱(SBS)パルス圧縮法は、従来の数10nsのパルス光を長い相互作用長のSBSセル内に集光するだけで、パルス幅数nsから数100psのパルス発生ができる利点があり、シンプルなレーザーシステムの構築のために有望な技術である。300ps程度のパルス発生を目的として、FC-75より緩和時間の速いFC-40(約400ps)を用いたSBSパルス圧縮法を検討した。パルス圧縮用光源には、JT-60トムソン散乱計測用単一縦モードQスイッチYAGレーザーを用いた。SBSセルは、口径4cm長さ150cmの大型セル3本を直列に配置し、セル内には高精度濾過を施したFC-40を封入した。初期結果として、入射エネルギー約0.5Jの時、入射パルス幅39nsに対し、SBSパルス圧縮後のパルス幅は約1.5nsとなり、パルス圧縮度は約1/26に達した。

口頭

ITER周辺トムソン散乱計測装置の開発の現状

波多江 仰紀; 梶田 信*; 林 利光; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 海老沢 克之*; 草間 義紀

no journal, , 

ITERの周辺トムソン散乱計測装置はプラズマ周辺部(r/a$$>$$0.9)の電子温度・密度分布を計測する装置である。目標とする測定性能は、電子温度測定範囲0.05$$sim$$10keV,電子密度測定範囲5$$times$$10$$^{18}$$$$sim$$3$$times$$10$$^{20}$$m$$^{-3}$$,測定周期10ms,空間分解能5mmである。この計測装置は日本が調達する予定であり、設計検討及び構成要素の試作試験を進めている。(1)計測用レーザーシステム: 計測用レーザーは、波長1064nm,エネルギー5J,繰り返し周波数100Hzの性能が要求される。この性能を達成するために、発振器1台(20mJ, 100Hz),増幅器4台を持つレーザーシステムの設計を行った。増幅器を試作し、初期試験を行った結果、ロッド1本あたりの正味抽出エネルギーは1.4Jとなり、目標値の9割に迫る性能であることを確認した。(2)ポリクロメーター: ポリクロメーターの設計は電子温度の測定性能に直接結び付く。アニーリング法を用い、分光に用いる干渉フィルターの数と波長分割の最適設計を行った。(3)ポートプラグ内機器配置検討: 上側ポート#11に設置するポートプラグ内機器の配置検討を行った。ポートプラグ内には、集光光学系,レーザー入射光学系,シャッター,放射線遮蔽及びそれらの支持構造と冷却系が組み込まれる。

口頭

誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を用いたマルチパストムソン散乱法の開発

波多江 仰紀; 成原 一途*; 山田 一博*; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 南 貴司*; 舟場 久芳*; 梶田 信*; 北村 繁; et al.

no journal, , 

トムソン散乱計測において、プラズマを透過したレーザー光は、プラズマによる減衰がほとんどないため、位相共役鏡で折り返して再利用し、一対の位相共役鏡間にレーザービームを閉じ込めることにより、散乱光を数倍以上に増大させるマルチパストムソン散乱法をこれまでに提案した。本研究では、この手法を発展させ、レーザービームの往路と復路の散乱光を、ディレイラインを用いて時間的に分離し、それぞれのスペクトルを独立に評価することにより、高時間分解でトムソン散乱計測を行うことを目的とする。本研究における実証試験は大型ヘリカル装置(LHD)で行う。LHDでは典型的な散乱角が167$$^{circ}$$であり、比較的大きな散乱角を有するため、前方・後方散乱配置による測定温度領域の拡大も期待できる。本研究の準備段階として、計測用のレーザーとして使うために、既存の試験用のYAGレーザー装置(既製品、2台)を用いて改造を行う。この改造では、1台目のレーザー(Continuum Precision II、レーザーエネルギー0.65J)を、発振器と初段アンプに、2台目のレーザー(Continuum Precision、レーザーエネルギー1J程度)を位相共役鏡搭載パワーアンプとして用いる。位相共役鏡を用いてダブルパス増幅を行い、エネルギー1.5J程度、繰り返し$$>$$10Hzの性能を目標として改造中である。

口頭

ITER周辺トムソン散乱計測用YAGレーザーの開発

波多江 仰紀; 林 利光; 梶田 信*; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 矢作 鎌一*; 信夫 克也*; 小野 武博; 草間 義紀

no journal, , 

ITERの周辺トムソン散乱計測装置では、プローブ光として、波長1064nm,エネルギー5J,パルス幅10ns,繰り返し率100HzのYAGレーザーが必要である。高平均出力レーザーで特に問題となるのは、レーザーロッドの熱レンズ効果による出力制限,熱複屈折効果による偏光解消によるビーム品質の低下,多段配置の高利得増幅器による寄生発振である。これらの問題を解決するために液体フレオン系化合物を媒質とする誘導ブリルアン散乱位相共役鏡を利用したレーザーシステムを設計し、構成要素の試作と試験を開始した。LD励起の単一縦モードYAGレーザー発振器のビームは、シリンドリカルレンズ構成のビーム拡大器で楕円形にし、横2連セレーテッドアパーチャーで、ビーム分割とプロファイル整形後、各ビームは2台の増幅器に入る。増幅器を通過したビームは位相共役鏡で反射され、再度増幅器を通過し、ダブルパス増幅された後、各ビームは偏光器で取り出される。それぞれのビームは50Hz, 5Jで出力され、互い違いに出力することにより100Hz, 5Jを実現する。増幅器には直径14mm,長さ100mmのNd:YAGロッドが2本搭載される。それぞれのロッドは、2本のフラッシュランプで励起する。フラッシュランプに投入する電気エネルギーは、ロッド1本あたり100Jであり、50Hzで点灯させる。このような増幅器を試作し、性能試験を行った結果、ロッド1本から1.76J程度のエネルギーを引き出せ、要求性能を達成できる見通しを得た。

口頭

誘導ブリルアン散乱位相共役鏡のトムソン散乱計測への応用

波多江 仰紀; 山田 一博*; 吉田 英次*; 成原 一途*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 舟場 久芳*; 南 貴司*; 梶田 信*; 東條 寛; et al.

no journal, , 

位相共役鏡による反射光は、能動的なアラインメントなしで往路と復路が全く同じ光路をたどることに着目し、最初の往路の光軸調整以外は完全アラインメントフリーで、迷光を著しく増大させることなく、散乱光を増大させるマルチパストムソン散乱法をこれまでに提案した。実証試験は大型ヘリカル装置(LHD)で行う予定であり、準備作業を進めている。マルチパストムソン散乱計測の鍵となる誘導ブリルアン散乱位相共役鏡(SBS-PCM)において、高い反射率を得るためには、誘導ブリルアン散乱のゲインを高くする必要がある。このゲインは使用するレーザーライン幅に反比例するので、SBS-PCMを高い反射率で動作させるためには、単一縦モードレーザーが必須となる。既存の市販レーザー2台を用い、1台目のレーザー(Continuum Precision II 8050,レーザーエネルギー0.55J,繰り返し50Hz)を、発振器と初段アンプとして、2台目のレーザー(Continuum Precision II 9010,レーザーエネルギー2J,繰り返し10Hz)をパワーアンプとして用い、トムソン散乱のためのジュール級の単一縦モードレーザーを開発した。後者のパワーアンプには位相共役鏡を組み込み、ダブルパス増幅を行い、高繰り返し増幅時の熱的効果の補正と、効率よい増幅を図った。結果として、10Hz動作で1.86J, 25Hz動作で1.16Jのレーザーエネルギーを得た。また、25Hz動作のとき、レーザー装置に組み込んだ位相共役鏡の反射率は96.7%に達した。

口頭

LIDARトムソン散乱計測用短パルスレーザーの開発; YAGレーザーによるSBSパルス圧縮特性

吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 波多江 仰紀; 北村 繁

no journal, , 

誘導ブリルアン散乱(SBS)パルス圧縮法は、数10nsのQスイッチパルス光を長い相互作用長のSBSセル内に集光するだけで、パルス幅数nsから数100psの短パルス発生可能であり、シンプルなレーザーシステムの構築のために有望な技術である。ITERにおけるLIDARトムソン散乱では、10keVを超える電子温度の測定精度を向上させるために、波長1064nm,繰り返し100Hz,パルス幅約300psのYAGレーザーの使用が検討されており、われわれは、この技術をLIDAR計測へ応用することを検討している。今回、300ps程度のパルス発生を目的として、FC-75より緩和時間の速いFC-40(約200ps)を用いたSBSパルス圧縮法を検証した。パルス圧縮用光源には、単一縦モードQスイッチYAGレーザー(波長1064nm,パルス幅約13ns,エネルギー約1J)を用いた。SBSセルは、口径4cm長さ150cmの大型セル2本用い、セル内には高精度濾過を施したFC-40を封入した。結果として、入射エネルギー約0.6J以上のとき、SBSパルス圧縮によりパルス幅200ps以下を達成し、本方式がLIDARトムソン散乱へ応用可能な見通しを得た。

口頭

ITER周辺トムソン散乱計測装置のための高出力レーザーの開発

波多江 仰紀; 谷塚 英一; 林 利光; 梶田 信*; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 信夫 克也*; 矢作 鎌一*; 竹松 浩之*; et al.

no journal, , 

国際熱核融合実験炉ITERの周辺トムソン散乱計測装置の主要構成機器である高出力YAGレーザーの開発の現状について報告する。5mmの空間分解能と10msの時間分解能を達成するためには、高い出力エネルギー(5J)かつ高繰り返し(100Hz)のQスイッチNd:YAGレーザーが必要となる。この条件の下、レーザー装置の各光学機器の設計・製作を行い、原型レーザーの組み立てを完了した。組み立て後の初期性能試験では、100Hzの繰り返しで2Jのレーザーエネルギーを得た。しかし、寄生発振によりレーザーの高出力化が制限されることがわかった。増幅列に透過率約40%の減光フィルターを挿入したところ、寄生発振が抑制できることを確認した。そこで、寄生発振対策として高光強度で透明になる可飽和吸収体(Cr$$^{4+}$$:YAGセラミックス)を増幅列に設置して、寄生発振を抑制し、高出力化調整を行う予定である。

口頭

Application of SBS phase conjugate mirror to fusion plasma diagnostics

波多江 仰紀; 北村 繁; 佐久間 猛; 濱野 隆; 東條 寛; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 成原 一途*; 山田 一博*; et al.

no journal, , 

Two applications using the SBS phase conjugate mirror (SBS-PCM) have been developed to increase the intensity of scattered light for Thomson scattering diagnostics. For the first application, we have developed a new optical design to provide a double-pass scattering method with the SBS-PCM. The SBS-PCM reflects a laser beam passing through the plasma, then the reflected beam passes the plasma again via the same path by means of the phase conjugation. In JT-60U, the double-pass Thomson scattering method using the SBS-PCM has been demonstrated an increase of the scattered light by a factor of 1.6, compared with the single-pass scattering method. A multi-pass Thomson scattering method in which the laser beam can be confined between a pair of SBS-PCMs is also proposed. It is estimated that the multi-pass scattering method generates the scattered light more than five times compared to the single-pass scattering method. We prepare the multi-pass Thomson scattering system for the proof-of-principle tests in Large Helical Device (LHD). For the second application, a high average-power YAG laser system has been developed using the SBS-PCM. The SBS-PCM effectively compensated thermal degradation at two amplifier lines, and the average power was increased by $$>$$ 8 times from 45 W (1.5 J, 30Hz) to 373 W (7.46 J, 50Hz).

口頭

ITER周辺トムソン散乱計測装置のための高出力レーザーの開発の進展

波多江 仰紀; 谷塚 英一; 林 利光; 吉田 英次*; 竹松 浩之*; 小野 武博; 草間 義紀; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*

no journal, , 

(50eV $$<$$ ${it T$_{e}$}$ $$<$$10keV)と電子密度(5$$times$$10$$^{18}$$ m$$^{-3}$$ $$<$$ ${it n$_{e}$}$ $$<$$ 3$$times$$10$$^{20}$$ m$$^{-3}$$)の分布を測定することが要求されている。この要求を満たすために、周辺トムソン散乱計測装置の設計と構成要素の試作開発を進めている。本発表では、周辺トムソン散乱計測装置の主要構成機器である高出力YAGレーザーの開発状況について報告する。当該計測装置では、高い出力エネルギー(5J)かつ高い繰り返し(100Hz)のQスイッチNd:YAGレーザーが必要となる。このレーザー装置の開発のため、構成機器の設計・製作を行い、組み立てを完了した。組み立て後の初期調整では、100Hzの繰り返しで、エネルギー2Jを得た。初期調整でわかった課題は、寄生発振によりレーザーの高出力化が制限されることである。増幅列に透過率約40%のNDフィルターを挿入したところ、最大励起でも寄生発振が確認されなかったため、可飽和吸収体を利用し寄生発振を抑制する計画である。また、寄生発振抑制の補助対策として、イメージリレー用真空セル内へのアパーチャーの設置、1064nmの光を吸収するフラッシュランプ用Sm添加フローチューブの設置、さらに、イメージリレー光学系の最適化によるビームプロファイルの改善も行い、これらの対策により、最終目標である5Jの出力を目指して高出力化調整を進めている。

口頭

Development of a prototype YAG laser amplifier for the edge Thomson scattering system in ITER

波多江 仰紀; 林 利光; 谷塚 英一; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 中塚 正大*; 小野 武博; 草間 義紀

no journal, , 

Design of a high average power Nd:YAG laser system and a prototype laser amplifier for the edge Thomson scattering system in ITER was conducted. The target performance is 5 J of output energy and a repetition rate of 100 Hz for the laser system, and 1.6 J of extracted energy for the prototype amplifier. A prototype amplifier was produced, after which the small signal gain and extracted energy reached up to 12.6 and 1.76 J, respectively.

口頭

トムソン散乱計測のための先端レーザーの開発研究

波多江 仰紀; 谷塚 英一; 吉田 英次*; 藤田 尚徳*; 椿本 孝治*; 中塚 正大*; 安原 亮*; 東條 寛; 佐久間 猛

no journal, , 

大阪大学レーザーエネルギー学研究センターとの共同研究成果として、ITERの周辺トムソン散乱計測装置で用いるYAGレーザー装置の開発の進展について発表する。ITERの要求を満たすためには、繰り返し100Hzで出力エネルギー5JのYAGレーザー装置が必要である。これを実現するために、レーザー発振器から出力されるビームを2分岐し、それぞれのビームを口径14mmのレーザーロッド4本で増幅するレーザーシステムを設計し、レーザー増幅器をはじめとする主要機器の製作と、組立てを行った。レーザー増幅器では、フラッシュランプによる強い励起によって、レーザー結晶内で発生するASEやフラッシュランプ光中のレーザー波長と同じ波長の光が増幅率を低下させる原因となるが、サマリウムを添加したガラスを用いたフローチューブで増幅器内のそれらの光を選択的に吸収させることによって、小信号利得が最大2.8倍向上することを明らかにした。結果として、2つのビームラインを同時運転することにより、ITERの要求性能を越える、100Hz, 最大7.66Jのレーザー光を発射できるレーザー装置の開発に成功した。

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