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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：82.1(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.
Bolton, P.; Borghesi, M.*; Brenner, C.*; Carroll, D. C.*; De Martinis, C.*; Fiorini, F.*; Flacco, A.*; Floquet, V.*; Fuchs, J.*; Gallegos, P.*; et al.
Physica Medica; European Journal of Medical Physics, 30(3), p.255 - 270, 2014/05
被引用回数：71 パーセンタイル：88.31(Radiology, Nuclear Medicine & Medical Imaging)Suitable instrumentation for laser-accelerated proton (ion) beams is critical to the development of integrated, laser-driven ion accelerator systems. Instrumentation aimed at beam diagnostics and control must be applied to the driving laser pulse, the laser-plasma that it forms at the target and the emergent proton (ion) bunch in a correlated way to develop these novel accelerators. This report is a brief overview of established diagnostic techniques and new developments based on material presented at the first workshop on "Instrumentation for Diagnostics and Control of Laser-accelerated Proton (ion) Beams" in Abingdon, UK. It includes radiochromic film (RCF), image plate (IP), the micro-channel plate (MCP), the Thomson spectrometer, prompt inline scintillation, time and space-resolved interferometry (TASRI) and nuclear activation schemes. Repetition-rated instrumentation requirements for target metrology are also addressed.
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：47.22We 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。
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：91.22(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。
Sarri, G.*; Kar, S.*; Romagnani, L.*; Bulanov, S. V.; Cecchetti, C. A.*; Galimberti, M.*; Gizzi, L. A.*; Heathcote, R.*; Jung, R.*; Kourakis, I.*; et al.
Physics of Plasmas, 18(8), p.080704_1 - 080704_4, 2011/10
被引用回数：20 パーセンタイル：65.67(Physics, Fluids & Plasmas)The experimental evidence of the correlation between the initial electron density of the plasma and electromagnetic soliton excitation at the wake of an intense and short laser pulse is presented. The spatial distribution of the solitons, together with their late time evolution into post-solitons, is found to be dependent upon the background plasma parameters, in agreement with published analytical and numerical findings. The measured temporal evolution and electrostatic field distribution of the structures are consistent with their late time evolution and the occurrence of multiple merging of neighboring post-solitons.
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.
Romagnani, L.*; Bigongiari, A.*; Kar, S.*; Bulanov, S. V.; Cecchetti, C. A.*; Esirkepov, T. Z.; Galimberti, M.*; Jung, R.*; Liseykina, T. V.*; Osterholz, J.*; et al.
Physical Review Letters, 105(17), p.175002_1 - 175002_4, 2010/10
被引用回数：37 パーセンタイル：82.38(Physics, Multidisciplinary)Slowly evolving, regularly spaced patterns have been observed in proton projection images of plasma channels drilled by intense laser pulses propagating in an ionized gas jet. The analysis suggests the formation of rows of magnetized soliton remnants, with a quasistatic magnetic field associated with vortex like electron currents resembling those of magnetic vortices.
Ter-Avetisyan, S.*; Schn
rer, M.*; Nickles, P. V.*; Sandner, W.*; Borghesi, M.*; 中村 龍史; 三間 圀興*
Physics of Plasmas, 17(6), p.063101_1 - 063101_6, 2010/06
被引用回数：8 パーセンタイル：31.79(Physics, Fluids & Plasmas)多重チャネルトムソンスペクトロメーターを用いてレーザーにより加速されたプロトンの放射特性の解析を行った。この結果、レーザーにより加速されたプロトンビームは高エネルギー成分はよく知られているように、仮想アノードから放出されたラミナー流のように振る舞うが、低エネルギー成分は次第に集束する傾向があることがわかった。プロトンの放出角はエネルギー及びターゲット面での位置に依存することを示し、その関係を明らかにした。この結果、プロトンの運動量分布をその発生点を決められることで変えることが可能であることがわかった。
Echkina, E. Yu.*; Inovenkov, I. N.*; Esirkepov, T. Z.; Pegoraro, F.*; Borghesi, M.*; Bulanov, S. V.
Plasma Physics Reports, 36(1), p.15 - 29, 2010/01
When the laser pulse radiation pressure is dominant, the efficiency of the laser energy transformation into the energy of relativistic ions is very high. The energy and luminosity scalings in the RPDA regime are presented.
Echkina, E. Yu.*; Inovenkov, I. N.*; Esirkepov, T. Z.; Pegoraro, F.*; Borghesi, M.*; Bulanov, S. V.
Plasma Physics Reports, 36(1), p.15 - 29, 2010/01
被引用回数：14 パーセンタイル：9.68(Physics, Fluids & Plasmas)When the dominant mechanism for ion acceleration is the laser radiation pressure, the conversion efficiency of the laser energy into the energy of relativistic ions may be very high. Stability analysis of a thin plasma layer accelerated by the radiation pressure shows that Raleigh-Taylor instability may enhance plasma inhomogeneity. In the linear stage of instability, the plasma layer decays into separate bunches, which are accelerated by the radiation pressure similarly to clusters accelerated under the action of an electromagnetic wave. The energy and luminosity of an ion beam accelerated in the radiation pressure dominated regime a calculated.
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：30 パーセンタイル：73.44(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.
Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; Pegoraro, F.*; Borghesi, M.*
Comptes Rendus Physique, 10(2-3), p.216 - 226, 2009/03
被引用回数：20 パーセンタイル：71.28(Astronomy & Astrophysics)The paper presents theoretical analysis and computer simulations of the laser ion acceleration with thin targets.
中村 浩隆*; Chrisman, B.*; 谷本 壮*; Borghesi, M.*; 近藤 公伯; 中堤 基彰*; 乗松 孝好*; 反保 元伸; 田中 和夫*; 薮内 俊毅*; et al.
Physical Review Letters, 102(4), p.045009_1 - 045009_4, 2009/01
被引用回数：22 パーセンタイル：73.2(Physics, Multidisciplinary)コーンターゲットと超高強度レーザーの相互作用に関し、コーン中のフォーカス位置を変えて観測した。コーン先端に集光した場合は発生電子の温度は高々1MeV程度だったが、コーン先端からわずかにずらして集光することで10MeV以上の高温電子の発生が認められた。効率の良い加熱はコーン先端に設けたプラスチックワイヤーからの中性子発生によっても確かめられた。
Borghesi, M.*; Bigongiari, A.*; Kar, S.*; Macchi, A.*; Romagnani, L.*; Audebert, P.*; Fuchs, A.*; Toncian, T.*; Willi, O.*; Bulanov, S. V.; et al.
Plasma Physics and Controlled Fusion, 50(12), p.124040_1 - 124040_10, 2008/12
被引用回数：60 パーセンタイル：90.98(Physics, Fluids & Plasmas)The paper corresponds to the plenary lecture presented at the EPS-2008 meeting. It contains a review of recent results obtained in the experiments and theory on the laser ion acceleration. The applications of the laser accelerated ions are also discussed.
Romagnani, L.*; Bulanov, S. V.; Borghesi, M.*; Audebert, P.*; Gauthier, J. C.*; L
wenbrck, K.*; Mackinnon, A. J.*; Patel, P.*; Pretzler, G.*; Toncian, T.*; et al.
Physical Review Letters, 101(2), p.025004_1 - 025004_4, 2008/07
被引用回数：135 パーセンタイル：95.73(Physics, Multidisciplinary)The propagation in a rarefied plasma of collisionless shock-waves and ion-acoustic solitons, excited following the interaction of a long and intense laser pulse with solid targets, has been investigated via proton probing techniques. The shocks structures and related electric field distributions were reconstructed with high spatial and temporal resolution. The experimental results were interpreted within the framework of the nonlinear wave description based on the Korteweg-de Vries-Burgers (KdV-B) equation.
Esirkepov, T. Z.; Borghesi, M.*; Bulanov, S. V.; Mourou, G.*; 田島 俊樹
Physical Review Letters, 92(17), p.175003_1 - 175003_4, 2004/04
被引用回数：865 パーセンタイル：99.77(Physics, Multidisciplinary)超高強度レーザー(10
W/cm)と薄膜(
m)との相互作用による相対論的高密度イオンビーム生成について、理論的検討並びに3次元PIC(Particle-In-Cell)シミュレーションによる検証を行い、光圧によるイオン加速が効率的に生じる結果、イオンエネルギーはGeV領域に達することを示す。
反保 元伸; Fuchs, J.*; 兒玉 了祐*; Borghesi, M.*; 乗松 孝好*
no journal, ,
集光強度が10
W/cmである集光領域(約数10ミクロン)とターゲットサイズがほぼ同じである場合、超高強度レーザーとの相互作用によって生成する高速電子の拡散は、今までのミリオーダーサイズのターゲットに比べると著しく抑制される。その結果、高エネルギー密度状態を維持した高密度高速電子によって誘起されるイオンの高エネルギー加速が期待できる。本講演では、その実験結果を報告する。
神門 正城; Pirozhkov, A. S.; Esirkepov, T. Z.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A.*; Pikuz, T.*; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.
no journal, ,
相対論的強度のレーザー強度(10W/cm)にて、ヘリウムガス中に相互作用させる実験を行い、レーザー前方方向に変調のかかった紫外領域(80-300eV)のスペクトルを計測した。このスペクトルは、レーザーの周波数に近い基本波の高次の偶数次を含む高調波のようなスペクトルや、連続スペクトル,変調を含んだものなどの形状があった。高出力レーザー(50-170TW, 50fs)を用いた場合、これらのスペクトルはほぼ100%の再現性で観測された。また、レーザー光を直線偏光から円偏光に変えた場合にも同様のスペクトルを観測した。この放射機構は、相対論的強度で観測されたこと、偶数次と奇数次の高調波が観測されたこと、円偏光でも観測されたことなどから、通常のガスからの高次高調波やベータトロン放射,非線形トムソン散乱などの発生機構とは異なると考えられる。われわれは、高強度レーザーが作る密度カスプに着目した理論モデルを考案し、シミュレーションによって確かめた。
