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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.
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：30 パーセンタイル：81.06(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
W/cm
) femtosecond (
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.
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：46.45(Physics, Applied)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.
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：0.13(Physics, Applied)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。
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：0.13(Physics, Applied)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
photons in the extreme ultra-violet region (12.8-22.0 nm).
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：69 パーセンタイル：90.73(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
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。
河内 哲哉; 長谷川 登; 錦野 将元; 石野 雅彦; 今園 孝志; 大場 俊幸; 海堀 岳史; 岸本 牧; 越智 義浩; 田中 桃子; et al.
X-Ray Lasers 2010; Springer Proceedings in Physics, Vol.136, p.15 - 24, 2011/12
本講演では、原子力機構におけるレーザー駆動X線レーザーの光源開発及び利用研究に関する最新の成果を報告する。利用研究の対象は物質科学,レーザー加工,X線イメージング,生体細胞の放射線損傷等と多岐に渡っている。物質科学への応用に関しては、強誘電体の相転移直上での格子揺らぎの時間相関を初めて観測した。レーザー加工に関しては、短パルスレーザー照射時の試料表面電子融解現象をX線レーザー干渉計で観察した。軟X線回折イメージングに関しては、静止したサンプルの微細構造の観察結果とともに、将来的なポンププローブ観察への計画を紹介する。また、X線レーザーの集光性能を利用した細胞損傷効果の基礎実験では、DNAの2本鎖切断の観察結果とKeV領域のインコヒーレントX線照射の場合との比較を議論する。
Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.; Koga, J. K.; 桐山 博光; et al.
Proceedings of SPIE, Vol.8140, p.81400A_1 - 81400A_16, 2011/10
We present experimental results, theory, and simulations demonstrating two novel sources of coherent X-ray radiation generated in the relativistic laser ( 10 W/cm
) interaction with easily accessible, repetitive, and debris-free gas jet targets. The first source, demonstrated with the 9 TW J-KAREN laser (JAEA), is based on a relativistic mirror reflecting a counter-propagating laser pulse. The second source, demonstrated with the laser power ranging from 9 to 170 TW in experiments with the J-KAREN (JAEA) and Astra Gemini (CLF, RAL) lasers, is based on high order harmonics generation by relativistic-irradiance lasers interacting with underdense plasmas.
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
http://www.springer.com/physics/atomic,+molecular,+optical+%26+plasma+physics/book/978-3-642-18326-3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
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。
田中 成岳*; 木村 仁*; Faried, A.*; 酒井 真*; 佐野 孝昭*; 猪瀬 崇徳*; 宗田 真*; 岡田 幸士*; 中島 政信*; 宮崎 達也*; et al.
Cancer Science, 101(6), p.1487 - 1492, 2010/06
被引用回数：12 パーセンタイル：31.77(Oncology)大気マイクロPIXEを用いて、食道ガン細胞株において、主要な化学療法薬であるシスプラチンの細胞内局在性を調べ、同細胞株のシスプラチンに対する感度を決定した。2種類のヒト食道扁平上皮癌(ESCC)細胞株(TE-2とTE-13)のシスプラチンに対する感受性は、MTT分析,フローサイトメトリ、及びDNA断片化分析を用いて確認した。これらの細胞試料に対して大気マイクロPIXE分析を行うとともに、リアルタイム逆転写ポリメラーゼ連鎖反応を用いて両細胞株における、「マルチ-ドラッグ」抵抗性タンパク質2(MRP2)のmRNA発現を評価した。この結果、TE-2セルはTE-13セルよりシスプラチンに敏感であることが明らかとなった。この研究結果は、大気マイクロPIXEが個別細胞のシスプラチン感受性を定量評価する方法として有効であることを示唆した。また、最終的には細胞膜の中のMRP2がESCC細胞のシスプラチン感受性を制御する重要な役割を担っているのではないかという推測に至った。
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：34.38(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.
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：99 パーセンタイル：93.62(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
10
to 210
, and from 1.310
to 0.610
for the photon number and pulse energy, respectively) is close to the theoretical estimate for the parameters of experiment.
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：162 パーセンタイル：96.67(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
)で、イオンの加速エネルギー1020MeV/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。
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：34 パーセンタイル：75.93(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
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.
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：18 パーセンタイル：64.01(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。
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.
AIP Conference Proceedings 1153, p.85 - 93, 2009/07
本研究では、ガスと固体との中間体であり、不連続媒質であるクラスターに着目し、高強度レーザーとクラスターターゲットとの高度に非線形な相互作用により生成する臨界密度近傍プラズマ中での磁場を介したイオン加速実験を行った。真空中でレーザーと相互作用するクラスターターゲットは、背景ガス(アンダーデンスプラズマを生成)とクラスター(オーバーデンスプラズマを生成)との混合体であるため、レーザーとクラスターターゲットのパラメータを適切にコントロールすることで、臨界密度近傍プラズマ"を自在に生成させることができる。われわれは、このクラスターターゲットを用いた実験により、レーザー光の"自己収束"による23mm長のレーザー光ガイディングと1020MeV/nのイオン加速を実証した。
Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; 福田 祐仁; Chen, L.-M.*; 大東 出; 小倉 浩一; 本間 隆之; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; et al.
AIP Conference Proceedings 1153, p.274 - 284, 2009/07
A strongly nonlinear breaking wake wave driven by an intense laser pulse can act as a partially reflecting relativistic mirror (the Flying Mirror). Upon reflection from such mirror, a counter-propagating optical-frequency laser pulse is directly converted into high-frequency radiation, with a frequency multiplication factor 
(the double Doppler effect). We present the results of recent experiment in which the photon number in the reflected radiation was more than 
times larger than in our proof-of-principle experiment. It is notable that the energy of laser was increased about three times. The Flying Mirror promises to generate intense coherent ultrashort XUV and X-ray pulses that inherit their temporal shape and polarization from the original optical-frequency (laser) pulses. Furthermore, the reflected radiation bears important information about the reflecting wake wave itself, which can be used for the diagnostics.
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.
Harnessing Relativistic Plasma Waves as Novel Radiation Sources from Terahertz to X-Rays and Beyond (Proceedings of SPIE Vol.7359), p.73590K_1 - 73590K_11, 2009/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.07(Optics)Electromagnetic wave generation at the extreme ultraviolet (XUV) and infrared (IR) wavelength range is described through the interaction of intense short laser pulses with underdense plasmas. XUV pulses are generated through a laser light reflection from a relativistically moving electron dense shells (flying mirrors). A proof-of-principle and an advanced experiment of flying mirrors are presented. Both of the experiments demonstrated light reflection and frequency upshift in the XUV wavelength range (14-20 nm). The advanced experiment with a head-on collision of two laser pulses exhibited the high reflected photon number. IR radiation, which is observed in the forward direction, has the wavelength of 5 m and the same polarization as the driving laser dominantly. The source of the IR radiation is attributed to emission from relativistic solitons formed in underdense plasma.
福田 祐仁; Faenov, A. Y.; Pikuz, T. A.*; 神門 正城; 小瀧 秀行; 大東 出; Ma, J.-L.; Chen, L. M.; 本間 隆之; 川瀬 啓悟; et al.
Applied Physics Letters, 92(12), p.121110_1 - 121110_3, 2008/03
被引用回数：56 パーセンタイル：86.33(Physics, Applied)HeとCO
の混合ガスから生成させたCOクラスターにフェムト秒チタンサファイアレーザーを照射することにより、軟X線の生成量が増加することを見いだした。この軟X線とLiF結晶を検出器に用いて、100nm厚のモリブデンフォイルのイメージングを行った。その結果、非常に広範囲(mmスケール)に渡り、高分解能(800nm)のイメージング像の取得に成功した。また、
3%の精度でナノメートル厚フォイル中の不純物による軟X線の吸収量の変化を計測した。
Pirozhkov, A. S.; Ma, J.-L.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; 福田 祐仁; Chen, L. M.; 大東 出; 小倉 浩一; 本間 隆之; 林 由紀雄; et al.
Physics of Plasmas, 14(12), p.123106_1 - 123106_22, 2007/12
被引用回数：92 パーセンタイル：47.37(Physics, Fluids & Plasmas)A method of coherent high-frequency electromagnetic radiation generation, proposed in [S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov, T. Tajima, PRL 91, 085001 (2003)], is experimentally demonstrated. This method is based on the radiation frequency multiplication during reflection at a mirror flying with relativistic velocity. The relativistic mirror is formed by the electron density modulations in a strongly nonlinear wake wave, excited in an underdense plasma in the wake behind an ultra-short laser pulse. In our experiments, the reflection of a counter-crossing laser pulse from the wake wave is observed. The detected frequency multiplication factor is in the range from 55 to 114, corresponding to a reflected radiation wavelength from 7 to 15 nm. This may open a way towards tunable high-intensity sources of ultra-short coherent electromagnetic pulses in the extreme ultraviolet and X-ray spectral regions. Parameters of the reflecting wake wave can be determined using the reflected radiation as a probe.