Ultra-intense, high spatio-temporal quality petawatt-class laser system and applications

桐山 博光; 下村 拓也; 森 道昭; 中井 善基*; 田上 学; 近藤 修司; 金沢 修平; Pirozhkov, A. S.; Esirkepov, T. Z.; 林 由紀雄; et al.

Applied Sciences (Internet), 3(1), p.214 - 250, 2013/03

https://doi.org/10.3390/app3010214

ペタワット級超高強度レーザーの利用研究に向けてのレーザー高度化技術開発として、原子力機構で開発を進めている高度に時間・空間制御されたペタワット(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)の紹介を、招待論文(Invited paper)として行う。また、本レーザーシステムにより創出された粒子加速、高輝度X線発生などの研究成果についても報告を行う。

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

http://ci.nii.ac.jp/naid/10030152656

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。

Multi-millijoule, nonlinear preamplifier for high intensity femtosecond Yb:YAG chirped-pulse amplification lasers at 1030 nm

鈴木 将之; 桐山 博光; 大東 出; 岡田 大; 中井 善基; 織茂 聡; 佐藤 方俊*; 玉置 善紀*; 吉井 健裕*; 前田 純也*; et al.

Applied Physics B, 97(2), p.379 - 382, 2009/10

https://doi.org/10.1007/s00340-009-3741-3

レーザー駆動粒子線照射装置用の高強度,高繰り返しレーザーシステム開発における前置増幅器の開発を行った。Yb系レーザー媒質は、波長940nmの半導体レーザー(LD)で励起が可能であり、かつ広い蛍光バンド幅を持つため、高強度,高繰り返しレーザー実現に最も近い媒質の一つである。一般に前置増幅器として再生増幅器が用いられるが、利得の狭帯域化,パルスコントラストが悪い等の問題点がある。これらを解決するために、光パラメトリック増幅(OPCPA)を用いた前置増幅器の開発を行った。波長1030nm,パルス幅200fs,出力0.47nJの発振器より発生したフェムト秒レーザーは、パルス伸長器でパルス幅1nsまで伸長される。OPCPAの励起源には、Nd:YAGレーザーの第二高調波を用いてパルス伸張されたレーザーパルスの増幅を行った。その結果、入力エネルギー325mJのとき、出力エネルギー6.5mJをスペクトル幅10.8nmで得た。このレーザーパルスを再圧縮した結果、パルス幅は230fsを得た。本研究で開発したOPCPAは、LD励起Yb:YAG CPAシステムに有用であることを示した。

リモートモニター用高繰り返しNd:YAGレーザー共振器長制御システムの開発(共同研究)

丸山 庸一郎; 久保村 浩之*; 笠松 直史*; 松岡 伸一*; 中野 文彦*; 菅 博文*

JAERI-Tech 2004-056, 14 Pages, 2004/09

JAERI-Tech-2004-056.pdf:3.49MB

リアルタイムモニター用高平均出力波長可変固体レーザーは、単一周波数で発振する高繰り返しNd:YAGレーザー(ポンプレーザー)の第二高調波によって駆動される。ポンプレーザーは単一周波数で発振する発振器とその増幅器より構成され、光の質は発振器の特性によって決定される。発振器を外部から周波数幅の狭いシーダー光を入射させて単一周波数発振させる場合、ポンプレーザー発振器の共振周波数をシーダーの発振周波数と一致させなければならない。このためポンプレーザー発振器の共振器長を長時間一定に維持するための制御システムを試作し、その制御特性を測定した。この結果、開発した制御システムは3時間以上にわたって共振器長を一定に制御でき、共振器長が変化した場合でも1ショットで単一周波数発振にフィードバックできることを確認した。発振器光のパルス時間幅は約36ns,波長1064nmの基本波を波長532nmの光に変換して測定したポンプレーザー発振器の周波数幅は116MHzであった。また、横モードはTEM00であった。さらに、制御時の発振器のパルスエネルギーは3mJで、増幅器への入力エネルギーとしては十分高い値であった。

地層処分統合解析システムの基本設計に関する研究 (1)成果報告書、(2)研究概要

石原 義尚*; 松岡 不識*; 佐川 寛*; 河原 憲一*; 片岡 伸一*; 篠原 芳紀*; 室井 正行*; 土屋 真*; 辻本 恵一*; 大橋 東洋*

JNC TJ8400 2001-011, 259 Pages, 2001/03

JNC-TJ8400-2001-011.pdf:0.99MB

本研究では、地質環境条件の調査,処分場設計および性能/安全評価に係わる3分野の解析評価手法とこれを支えるより詳細な基盤的研究を、有機的かつ階層的に統合し知識ベースとして体系化していく統合解析システムの基本設計に関する検討を実施した。(1)第2次取りまとめ報告書に基づいて各研究分野のワーク項目と情報の流れを整理し、処分場設計と性能評価の統合を重点とした相関マトリクスおよびワークフローを作成し、統合解析システムの構成要素を明らかにした。また、評価解析に使用するコードの体系とデータの階層構造をまとめた。(2)第2次取りまとめ報告書に基づき3研究分野のシステム因子と情報処理の流れを整理・検討した。次に、特定の地質環境条件が与えられた場合の地層処分事業の作業分析を行い、システム因子と情報処理の流れを作成した。地質環境条件の検討対象として亀裂性媒体/多孔質媒体,立地場所(陸地/海底下),地殻の長期安定性(隆起/沈降)を考慮して検討した。さらに、設計と性能評価,地質環境の間の情報交換内容を第2次取りまとめに基づいて整理した。整理結果を基に地質環境,設計,安全評価の3分野間の連関をとった作業の理想的形態を検討した。システム因子、及び、情報処理の整理結果に対して、知識ベースの技術基盤となる基礎的研究を検討し知識ベースの階層構造を検討した。(3)上記(1)項でまとめた相関マトリクスおよびワークフローに基づいて、統合解析システムの概念構成を検討し、システムの機能についてまとめた。(4)上記(2)項での知識ベースの検討結果に基づいて、地層処分統合解析システムの複雑で膨大な知識ベースを手順書に取りまとめるための方針を検討した。さらに、数値地層処分統合解析システムの構成要素に対して、開発の優先度、及び、技術的難易度を検討してシステムの全体像を検討し、ソフトウェア構成図を作成した。さらに、 H15年までのシステムの開発計画を検討した。

Ultrafast, ultrahigh-peak power Ti:sapphire laser system

山川 考一; 青山 誠; 松岡 伸一; 赤羽 温; 加瀬 貞二*; 中野 文彦*; 匂坂 明人

JAERI-Research 2000-051, 43 Pages, 2001/01

JAERI-Research-2000-051.pdf:3.62MB

われわれは、100TW,20fsチタンサファイアレーザーシステムをペタワットパワーレベルにするための最近の発展的開発について述べる。また、このような極短パルス高ピークパワーレーザーのコントラストや時間的、空間的な位相等のパルス特性評価技術についても述べる。レーザー光の位相とパルス波形をSHG-FROGにより評価した。その結果、パルス幅20fsにおいて高次の位相分散を含んでいることが判明した。さらに、2次と4次の分散項をバランスさせることで、位相の最適化が可能であることがわかった。またパルスコントラストを高ダイナミックレンジ相互相関法により測定した結果、コントラスト比が1:10であることが判明した。これは、増幅過程におけるASEの影響によると考えられる。

Quadrature frequency conversion scheme using CsLiBO crystals for the efficient second-harmonic generation of high power Nd:YAG laser

桐山 博光; 松岡 伸一; 中野 文彦*; 山川 考一

Optical Review, 7(4), p.281 - 283, 2000/07

https://doi.org/10.1007/s10043-000-0281-9

極短パルス・超高ピーク出力チタンサファイアレーザーの励起効率の向上を目的として高効率波長変換器の開発を行っている。本波長変換器は低い入射レーザー光強度で高い変換効率を達成するため、2つの非線形光学結晶の光軸を垂直に配置した矩象波長変換方式を採用している。本実験では、入射レーザー光に1064-nmNd:YAGレーザー光(繰り返し率: 10Hz)を用い、非線形光学結晶に大型結晶の育成が容易なタイプII位相整合のCLBO結晶を用いた。1064-nm入射レーザー光強度に対する532-nm第二高調波変換効率特性を取得した。比較のために入射レーザー光を1つの結晶に対して1回通過させた典型的な従来法を用いた変換効率も取得した。本波長変換方式を用いることにより、従来法よりも変換効率が向上し、この方式の有効性が示される結果となった。317MW/cmの入射レーザー光強度に対して70%の高い変換効率を得た。平均出力32.1Wの入射レーザー光に対して平均出力22.5Wの第二高調波光出力が得られた。

Wave-front measurements of terawatt-class ultrashort laser pulses by the Fresnel phase-retrieval method

松岡 伸一; 山川 考一

Journal of the Optical Society of America B, 17(4), p.663 - 667, 2000/04

https://doi.org/10.1364/JOSAB.17.000663

われわれは、フレネル位相回復法を用いて、パルス幅100fs高ピーク出力チタンサファイアレーザー光の波面測定を行った。本手法では付加的な光学素子を必要とせず、波面は光軸に沿って2か所で測定されたレーザービームの強度分布のみから復元される。テラワット級のピーク出力のレーザーパルスの復元された波面は、0.36 peak-to-valleyであった。また、復元された波面から計算された遠視野像とCCDカメラを用いて測定された遠視野像は、良い一致を示した。

High efficiency second-harmonic generation in four-pass quarature frequency conversion scheme

桐山 博光; 松岡 伸一; 丸山 庸一郎; 有澤 孝

Inertial Fusion Sciences and Applications 99, p.721 - 724, 2000/01

極短パルス超高ピーク出力チタンサファイアレーザーや波長可変レーザーの励起効率、高次高調波発生に不可欠となる高効率波長変換器の開発を行っている。低い入射レーザー光強度で高い変換効率を達成するため、逆変換を最小化できるように2つの非線形光学結晶の光軸を垂直に配置し、偏光の回転を利用して入射レーザー光が4回通過できる4パス構成矩象波長変換方式を新たに考案した。入射レーザー光に1064-nmNd:YAGレーザー光を用い、非線形光学結晶にタイプII位相整合のKTP結晶を用いて、1064-nm基本波入射光強度に対する532-nm第二高調波変換効率を取得した。比較のために入射レーザー光を1つの結晶に対して1回通過させた典型的な従来法を用いた変換効率も取得した。本波長変換方式を用いることにより、従来法よりも変換効率が向上しこの方式の有効性が示される結果となった。76MW/cmの低い入射レーザー光強度に対して80%の高い変換効率を得た。

Highly efficient second harmonic generation by using four pass quadrature frequency conversion

桐山 博光; 松岡 伸一; 丸山 庸一郎; 的場 徹; 有澤 孝

Advanced High-power Lasers (Proceedings of SPIE Vol.3889), p.638 - 643, 2000/00

極短パルス超高ピーク出力チタンサファイアレーザーや波長可変レーザーの励起、高次高調波発生に不可欠となる高効率波長変換器の開発を行っている。低い入射レーザー光強度で高い変換効率を達成するため、逆変換を最小化できるように2つの非線形光学結晶の光軸を垂直に配置し、偏光の回転を利用して入射レーザー光が4回通過できる4パス構成矩象波長変換方式を新たに考案した。本実験では入射レーザー光に1064-nm Nd:YAGレーザー光を用い、非線形光学結晶にタイプII位相整合のKTP結晶を用いた。1064-nm基本波入射光強度に対する532-nm第二高調波変換効率特性を実測した。比較のために入射レーザー光を1つの結晶に対して1回通過させた典型的な従来法を用いた変換効率も実測した。本波長変換方式を用いることにより、従来法よりも変換効率が向上し、この方式の有効性が示される結果となった。76MW/cmの低い入射レーザー光強度に対して80%の高い変換効率を得た。