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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

Instrumentation for diagnostics and control of laser-accelerated proton (ion) beams

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:46 パーセンタイル:13.61(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.

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

Extreme field limits in the interaction of laser light with ultrarelativistic electrons

Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 林 由紀雄; 神門 正城; 桐山 博光; Koga, J. K.; 近藤 公伯; 小瀧 秀行; Pirozhkov, A. S.; Bulanov, S. S.*; et al.

AIP Conference Proceedings 1465, p.87 - 96, 2012/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:48.82

In the experiments on the collision of laser light and high intensity electromagnetic pulses generated by relativistic flying mirrors, with electron bunches produced by a conventional accelerator and with laser wake field accelerated electrons the studying of extreme field limits in the nonlinear interaction of electromagnetic waves is proposed. The regimes of dominant radiation reaction, which completely changes the electromagnetic wave-matter interaction, will be revealed. This will result in a new powerful source of high brightness $$gamma$$-rays. A possibility of the demonstration of the electron-positron pair creation in vacuum in a multi-photon processes can be realized. This will allow modeling under terrestrial laboratory conditions neutron star magnetospheres, cosmological $$gamma$$ ray bursts and the Leptonic Era of the Universe.

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

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

Quasi-monochromatic pencil beam of laser-driven protons generated using a conical cavity target holder

西内 満美子; Pirozhkov, A. S.; 榊 泰直; 小倉 浩一; Esirkepov, T. Z.; 谷本 壮; 金崎 真聡; 余語 覚文; 堀 利彦; 匂坂 明人; et al.

Physics of Plasmas, 19(3), p.030706_1 - 030706_4, 2012/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:68.31(Physics, Fluids & Plasmas)

2J 60fsのチタンサファイアレーザー光を、コニカル形状を持ったターゲットホルダに装着したターゲットに照射することによって、7MeVのコリメートされた陽子線($$10^6$$個/spot)を生成することに成功した。ターゲットホルダ上に陽子に前駆して発生する電子によって生成される電場が陽子線の軌道を変え、エネルギー選択をも行うと考えられる。

論文

On the design of experiments for the study of extreme field limits in the interaction of laser with ultrarelativistic electron beam

Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 林 由紀雄; 神門 正城; 桐山 博光; Koga, J. K.; 近藤 公伯; 小瀧 秀行; Pirozhkov, A. S.; Bulanov, S. S.*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 660(1), p.31 - 42, 2011/12

 被引用回数:57 パーセンタイル:1.68(Instruments & Instrumentation)

We propose the experiments on the collision of laser light and high intensity electromagnetic pulses generated by relativistic flying mirrors, with electron bunches produced by a conventional accelerator and with laser wake field accelerated electrons for studying extreme field limits in the nonlinear interaction of electromagnetic waves.

論文

Extreme field science

Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 林 由紀雄; 神門 正城; 桐山 博光; Koga, J. K.; 近藤 公伯; 小瀧 秀行; Pirozhkov, A. S.; Bulanov, S. S.*; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 53(12), p.124025_1 - 124025_13, 2011/12

 被引用回数:5 パーセンタイル:72.32(Physics, Fluids & Plasmas)

We discuss the progress in the development of the extreme light sources that will open new horizons for studying a wide range of the fundamental science and astrophysics problems. The regimes of dominant radiation reaction, which completely change the electromagnetic wave-matter interaction, will be revealed, resulting in a new extremely powerful source of ultra short high brightness $$gamma$$-ray pulses. The possibility of abundant electron-positron pair creation via the multi-photon processes, and possibility of reaching the critical field of quantum electrodynamics which would lead to the vacuum polarization and breakdown, are attracting high attention.

論文

Extreme field science

Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 林 由紀雄; 神門 正城; 桐山 博光; Koga, J. K.; 近藤 公伯; 小瀧 秀行; Pirozhkov, A. S.; Bulanov, S. S.*; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 53(12), p.124025_1 - 124025_13, 2011/11

The review is devoted to discussing progress in the development of the extreme light sources that opens new horizons for studying of a wide range of the fundamental science problems and important applications.

論文

Coherent X-ray generation in relativistic laser - gas jet interactions

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$$^{18}$$ W/cm$$^{2}$$) 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.

論文

The Progress in the laser-driven proton acceleration experiment at JAEA with table-top Ti:Sappire laser system

西内 満美子; 小倉 浩一; Pirozhkov, A. S.; 谷本 壮; 余語 覚文; 榊 泰直; 堀 利彦; 福田 祐仁; 金崎 真聡; 匂坂 明人; et al.

Proceedings of SPIE Europe Optics + Optoelectronics 2011, Vol.8079, 7 Pages, 2011/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

レーザー駆動陽子線の特異な性質により、多くの応用の可能性がうたわれている。その中には、医療用の小型加速器がある。われわれの最終ゴールはここにある。そのために、レーザーを薄膜個体ターゲットに照射してイオン加速実験を行った。われわれのレーザーは、非常にコントラストが高い、短パルスの小型テーブルトップレーザーである。レーザーは800nm, 40fs, 4J, 10$$^{11}$$のコントラスト、ピーク強度$$>$$10$$^{20}$$Wcm$$^{-2}$$のパラメータを持ち、ターゲットとしては、100umからsub-umの厚みの固体ターゲットを用いた。その結果として、最高エネルギー14MeVの陽子線で、10MeV付近の個数が10Hzで10分間に、マウスの皮膚に2Gy照射するに十分なドーズ量を持つ陽子線の発生に成功した。

口頭

原子力機構における高コントラストTi:Sapレーザーによる高エネルギーイオン発生実験の現状

西内 満美子; 余語 覚文; 小倉 浩一; 森 道昭; 匂坂 明人; Pirozhkov, A. S.; 織茂 聡; 反保 元伸; 桐山 博光; 下村 拓也; et al.

no journal, , 

原子力機構においてレーザーを用いた医療用の小型加速器開発を行っている。医療用レーザー駆動陽子線加速器を実現するには、(1)レーザー、(2)陽子線源、(3)伝送・照射系の開発が必要である。本講演では、そのうち陽子線源に関する開発の現状を述べる。繰り返しの効く小型レーザーによって、80MeVのエネルギーの陽子線を治療に必要な個数だけ、安定に発生する必要があり、より高エネルギー陽子線を高効率に発生する必要がある。そのための手法として、高コントラスト(プリパルスが少ない)なレーザーをより薄いターゲットに照射するという方法が、世界的に主流となっており、プラズマミラーを導入することによって、11桁以上のコントラストを持つレーザーパルスを達成し、ナノメータレベルの厚さの薄膜と相互作用させて陽子線発生が行われている。このスキームによる世界記録は、エネルギー50J, 700fsの長いパルスを用いた場合最高エネルギー25MeV、0.7J, 45fsの短パルスを用いた場合13MeVの陽子線の確認となっている。われわれは、高コントラストTi:Sapレーザー(J-KAREN)を用いて、陽子線加速実験を行った。J-KARENレーザーはプラズマミラーを用いずに、レーザー単体で11桁以上の高コントラストを達成している。パルス幅45fs, 4Jのレーザーパルスを10$$^{20}$$Wcm$$^{-2}$$の強度で、厚さ2ミクロンのAl薄膜に集光したところ、最高エネルギー14MeVの陽子線の発生が確認できた。この値は、短パルスレーザーを用いて行われた実験の世界最高レベルと、ほぼ同等の値となっている。

口頭

相対論的強度のレーザープラズマ相互作用による高次高調波の観測

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(10$$^{18}$$W/cm$$^2$$)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。

口頭

New coherent X-ray source based on 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. A.*; 河内 哲哉; 匂坂 明人; et al.

no journal, , 

ガスジェットターゲットを利用して相対論的光強度という新たな強度領域での高次高調波発生を実現した。

口頭

High-order harmonic generation in gas jet targets in the relativistic laser-plasma interaction regime

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.

no journal, , 

本研究では、ガスジェットターゲットを用いて相対論的なレーザープラズマ相互作用による高次高調波発生の実験的研究を行った。レーザー進行方向へ、奇数次だけでなく偶数次の強い高調波が発生することを、直線偏光だけではなく円偏光パルスを用いても観測することができた。また、その際の観測された高次高調波の基本波波長はダウンシフトしていることがわかった。9TWのレーザー光を用いた場合、高調波のスペクトルは「水の窓」に届き、120TWを用いた場合は120eVの高調波の発生エネルギーが高調波1成分あたり40uJ/srに達することがわかった。さらに、本観測結果を説明するために、相対論的プラズマ現象とカタストロフィー理論を考慮した新しい高次高調波発生メカニズムについて言及する。

口頭

コニカルターゲットホルダを用いたレーザー駆動準単色ペンシル陽子ビーム生成

西内 満美子; Pirozhkov, A. S.; 榊 泰直; 小倉 浩一; Esirkepov, T. Z.; 谷本 壮; 余語 覚文; 堀 利彦; 匂坂 明人; 福田 祐仁; et al.

no journal, , 

2J, 60fsのチタンサファイアレーザーを用いて、コニカルな空洞形状を持ったターゲットフォルダに装着した薄膜ターゲットを照射することで、7MeVのコリメートされた陽子線の発生に成功した。通常広がった分布と連続なエネルギースペクトルを持って発生するレーザー駆動陽子線の、準単色化と収束のメカニズムは、レーザーをターゲットに照射することによって発生するエスケープ電子の持つポイントチャージがコニカルな空洞領域内に誘起する収束電場によって、説明される。

口頭

High-order harmonic generation in gas jet targets by relativistic irradiance lasers

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Gallegos, P.*; Ahmed, H.*; Ragozin, E. N.*; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; et al.

no journal, , 

最近、われわれは相対論的光強度($$>10^{18}$$W/cm$$^2$$)のレーザー光とガスジェットターゲットの相互作用による新しい高次高調波発生機構があることを発見した。励起レーザー光の進行方向へ向かって、奇数次だけではなく偶数次も含む高調波のコムが、直線偏光だけではなく、円偏光を使った場合にも発生することがわかった。9 TWのJ-KARENレーザーを用いた実験では、最大360eVの高調波が観測され、それは「水の窓」領域に到達している。また、Astra Geminiレーザーを用いた120TWのレーザー光による実験で、$$120pm0.5$$nmのスペクトル領域で発生光子数が$$3times10^{12}$$photons/srまで増やせることを確かめた。本講演では、放出される高次高調波の角度依存性やJ-KARENレーザーを使って得られた新たな結果、並びに発生メカニズムに関する詳細について述べる。

口頭

High-order harmonics from relativistic electron spikes

Pirozhkov, A. S.; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Faenov, A. Ya.*; Pikuz, T.; 林 由紀雄; 小瀧 秀行; Ragozin, E. N.*; Koga, J. K.; 桐山 博光; et al.

no journal, , 

照射強度が10$$^{18}$$W/cm$$^{2}$$を越す相対論的強度下でのガスジェットターゲットとの相互作用による新しい高次高調波の発生を、原子力機構のJ-KAREN、並びにラザフォード研究所CLFのAstra Geminiを用いて観測した。奇数次だけではなく偶数次を含む数百次に達する高次高調波が、直線偏光だけではなく円偏光で励起した場合にも観測できた。このような高次高調波発生は従来型の高調波発生メカニズムでは説明できないので、以下のような新たなモデルを構築した。すなわち、相対論的な自己収束を起こすプラズマ中で、船首波と航跡場キャビティーが形成され、それらが交わる点で電子スパイクが形成され、その電子スパイクのコヒーレントな振動が今回の高次高調波を発生したというモデルである。この電子スパイクの先鋭さや安定性はカタストロフ理論により説明できる。このモデルの妥当性は2次元、さらには3次元のPICシミュレーションにより確認できた。今回、最近のJ-KAREN実験で得られた、角度分布などの結果について報告する。また発生機構に関する詳細についても報告する。

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