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論文

Development of high-repetition-rate LD pumped Nd:YAG laser and its application

桐山 博光; 山川 考一

Laser Physics, 16(4), p.666 - 672, 2006/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:74.82(Optics)

高繰り返し,高平均出力チタンサファイアレーザーシステムの小型化,高効率化を目的としてLD励起Nd:YAGジグザグスラブレーザーMOPAシステムの開発を行った。本増幅器は、合理的な6パス構成による多重パス増幅方式を採用し、低い入力エネルギーで高いエネルギー抽出効率を達成している。また、増幅光を高ビーム品質に保つため、ファラデーローテーター及びSBS位相共役鏡により、それぞれ熱複屈折効果と熱レンズ効果を補償する構成である。また、高い変換効率で第二高調波を発生させるために、非線形光学定数の大きいKTP結晶を採用した。平均LD励起パワーに対する増幅器平均出力特性を取得した。1-kHzの高繰り返し動作時において、平均LD励起パワー2.6-kWに対し、362-Wの増幅器平均出力が得られた。また、222-Wの増幅器平均出力に対して132-Wの高平均第二高調波出力を60%の高い変換効率で得た。応用への展開として、1繰り返し数-kHz,ピーク出力1-TWで動作するチタンサファイアレーザーシステムの実現に向けて、再生増幅器の開発を行った。平均グリーン励起パワー20-Wに対し、出力パワー4-Wが1-kHzの繰り返しで得られた。また、OPCPAの基礎的な実験を行い、出力エネルギー24-mJ,増幅利得6$$times$$106,増幅スペクトル帯域85-nm(FWHM)を達成した。

論文

Quasi-monoenergetic electron beam generation during laser pulse interaction with very low density plasmas

山崎 淳; 小瀧 秀行; 大東 出; 神門 正城; Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; 近藤 修司; 金沢 修平; 本間 隆之*; 中島 一久; et al.

Physics of Plasmas, 12(9), p.093101_1 - 093101_5, 2005/09

 被引用回数:69 パーセンタイル:8.57(Physics, Fluids & Plasmas)

レーザープラズマ相互作用による単色エネルギー電子ビーム発生が世界中で研究されており、最近、幾つかの実験データーが出始めているが、発生機構についてはわかっておらず、安定な電子ビーム発生はできていない。われわれは、シングルレーザーパルスにおける単色エネルギー電子ビーム発生についての、理論的研究及び粒子シミュレーションによる研究,実験研究を行い、非常によく一致した。実験については、レーザーパワーが5.5TW,パルス幅70fs,中心波長800nmのチタンサファイアレーザーをガスジェット中に集光して行った。単色エネルギー電子ビームは、電子ビームが加速位相から減速位相に移るときに得られ、その位置で真空中に電子ビームを取り出してやれば、単色エネルギー電子ビーム発生が可能となる。電子ビームが加速位相から減速位相に移る距離はプラズマ密度によって決定されるため、プラズマ密度によって加速距離のコントロールが必要となる。この研究によって、1パルスでの単色エネルギー電子ビーム発生には電子ビームの加速距離とプラズマ密度のコントロールが必要であること見いだした。

論文

高強度テーブルトップレーザーが拓く科学と未来

山川 考一

電気学会光・量子デバイス研究会資料OQD-04-46, p.27 - 35, 2004/11

30兆分の一秒(33フェムト秒)の間に、百万キロワットの発電設備85万基分の、850兆ワット(0.85ペタワット)の光を放つテーブル・トップレーザーが完成した。このようなレーザーは、瞬間的にエネルギーを微小領域に集中することができるため、超高強度,超高圧,超高密度等の極限状態の下で初めて発現する現象の研究が飛躍的に進展し、荷電粒子の加速からガン治療まで幅広い応用が期待される。本講演では、相対論的レーザー場の生成を可能にする高強度レーザー光の発生方法について紹介するとともに、このような強電磁場が原子にどのような影響を与えるかについて最近の実験結果をもとに議論する。また、このような高強度レーザーによって生成される高エネルギー粒子や光子の特性とこれらの線源を用いた応用研究の可能性について紹介する。

論文

High-pressure apparatus for magnetic neutron diffraction beyond 3 GPa at low temperature

長壁 豊隆; 神木 正史*; 川名 大地*; Hannan, A.*; 曽山 和彦; 北澤 英明*

Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 272-276, p.2157 - 2158, 2004/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:78.57(Materials Science, Multidisciplinary)

3dや4f, 5f電子の磁性において、低温,10GPa程度の加圧により超伝導や金属-絶縁体転移などの非常に興味深い現象が現れる。したがって、低温,10GPa程度までの圧力下での中性子散乱実験は、磁性研究に極めて重要な貢献をする。ところが、これまでの中性子散乱実験ではピストンシリンダー型圧力セルを使用した最高3GPaまでの実験に留まっていた。われわれはこれを克服するために、サファイアやモアサナイトを対向アンビルとした高圧発生装置の開発を行った。これまでに最適な加圧条件を模索しながら、オフベンチで約6GPa圧力を発生させた。また実際の実験では4.6GPaまでの実験に成功し、Ceモノプンクタイドの圧力-温度磁気相図と磁気構造を明らかにした。さらにわれわれは、高圧実験で不可避な微小試料からの弱いシグナルを補う目的で、中性子スーパーミラーを用いた集光デバイスの開発を行った。

論文

超高出力を生み出すテーブルトップレーザー

山川 考一

応用物理, 73(2), p.186 - 193, 2004/02

30兆分の1秒(33フェムト秒)の間に、百万キロワットの発電設備85万基分の、850兆ワット(0.85ペタワット)の光を放つテーブルトップレーザーが完成した。このようなレーザーは、瞬間的にエネルギーを微小領域に集中することができるため、超高強度,超高圧,超高密度等の極限状態の下で初めて発現する現象の研究が飛躍的に進展し、荷電粒子の加速からガン治療まで幅広い応用が期待される。本稿では、最近開発に成功したペタワットチタンサファイアレーザー装置を中心に、これらのレーザー開発において最も重要となる極短パルスレーザー光の発生とその増幅過程におけるレーザー制御技術及びこれらのレーザーを用いた応用研究の現状について紹介する。

論文

Two-color chirped-pulse amplification in an ultrabroadband Ti:sapphire ring regenerative amplifier

山川 考一; Barty, C. P. J.*

Optics Letters, 28(23), p.2402 - 2404, 2003/12

 被引用回数:30 パーセンタイル:22.93(Optics)

われわれは、繰り返し数10Hz,出力エネルギー20mJ以上を発生する広帯域リング型チタンサファイア再生増幅器を開発した。チャープパルス増幅法と再生パルス整形技術により、出力エネルギー10mJ以上の2波長フェムト秒レーザー光(波長間隔120nm)の発生に成功した。また、発生した2波長フェムト秒レーザー光の差周波混合を行い、波長6ミクロンから11ミクロンまでの中赤外光発生に成功した。

論文

High power pulsed green lasers

桐山 博光

Recent Research Developments in Optics, Vol.3, p.155 - 171, 2003/12

チタンサファイアチャープパルス増幅(CPA)レーザーシステムの励起光源として2つのグリーンレーザーシステムの開発を行った。一つは高エネルギーグリーン光発生を目指したものであり、ペタワットクラスのチタンサファイアレーザーシステム構築のための要素技術開発として、CLBO結晶を用いた高エネルギーグリーンレーザーシステムの開発を行った。25-Jの高エネルギーグリーン光が74%の高い変換効率で得られた。もう一方は高繰り返しテラワットクラスのチタンサファイアレーザーシステムを実現するため半導体レーザー励起方式を用いたレーザーシステムであり、0.13-Jのグリーン光が1-kHzの高繰り返し動作で得られた。これらのレーザーシステムの実験結果の詳細について紹介するとともに、設計,スケール則などについて議論する。

報告書

Development of a high-energy, ultrabroadband Ti:sapphire ring regenerative amplifier

山川 考一

JAERI-Research 2003-017, 9 Pages, 2003/09

JAERI-Research-2003-017.pdf:0.93MB

われわれは、繰り返し数10Hz,出力エネルギー20mJ以上を発生する広帯域リング型チタンサファイア再生増幅器を開発した。チャープパルス増幅法と再生パルス整形技術により、出力エネルギー10mJ以上の2波長フェムト秒レーザー光(波長間隔120nm)の発生に成功した。

論文

360-W average power operation with a single-stage diode-pumped Nd:YAG amplifier at a 1-kHz repetition rate

桐山 博光; 山川 考一; 永井 亨; 影山 進人*; 宮島 博文*; 菅 博文*; 吉田 英次*; 中塚 正大*

Optics Letters, 28(18), p.1671 - 1673, 2003/09

 被引用回数:28 パーセンタイル:24.62(Optics)

高平均出力・高繰り返しチタンサファイアレーザーの小型化,高効率化を目的として半導体レーザー(LD)励起Nd:YAGレーザーMOPA(Master-Oscillator-Power-Amplifier)システムの開発を行った。本システムは、低い入力エネルギーで高いエネルギー抽出効率を達成するため、レーザービームが励起領域を6回通過できる多重パス増幅方式を採用している。高ビーム品質の増幅を行うためにジグザグスラブ型増幅器で、さらにファラデーローテーター及びSBS位相共役鏡を用いて、それぞれ熱複屈折効果と熱レンズ効果を補償できる構成としている。また、高い変換効率で第二高調波光を発生させるために、非線形光学定数の大きいKTP結晶を採用した。本システムの動作試験を1kHzの高繰り返し率で行った。平均のLD入力パワー2.6kWにおいて362Wの高平均出力(1064-nm)を達成した。$$sim$$1500の増幅度並びに14%の光-光変換効率を得た。また、波長変換試験において222Wの入力パワーに対して132Wの高平均第二高調波出力光(532-nm)が60%の高い変換効率で得られた。

論文

0.85-PW, 33-fs Ti:sapphire laser

青山 誠; 山川 考一; 赤羽 温; Ma, J.; 井上 典洋*; 上田 英樹; 桐山 博光

Optics Letters, 28(17), p.1594 - 1596, 2003/09

 被引用回数:241 パーセンタイル:0.64(Optics)

チャープパルス増幅法(CPA法)の進展により、近年、極短パルス・超高ピーク出力レーザーの性能は飛躍的に向上しており、10$$^{20}$$W/cm$$^{2}$$を超えるレーザー集光強度が達成されている。実験室サイズのレーザーシステムで、より高いピーク強度を達成するために、われわれはペタワット(PW)チタンサファイアレーザーシステムの開発を行っている。この達成のためには大口径チタンサファイア増幅器における寄生発振の抑制と理論限界での高効率増幅、そして30fsまでパルス幅を再圧縮する技術の開発が不可欠となる。本PWチタンサファイアレーザーシステムは、これまでに開発された100TWチタンサファイアレーザーシステムから得られるレーザー光を直径8cmのチタンサファイアブースター増幅器によりPWレベルまで増幅するよう構成されている。このような大口径増幅器で高効率増幅を達成するには、寄生発振の制御が不可欠となり、このためチタンサファイアと同等の高屈折率(n=1.7)を有する熱可塑性プラッスチックを結晶の周囲にクラッディングとして用いる技術を開発した。その結果増幅実験では、励起エネルギー65Jに対して37.4Jを達成した。ここで得られた増幅効率はグリーン光で励起されるチタンサファイア増幅器の理論限界に及ぶ。また、パルス圧縮後に30fsのパルス幅を得るため、溝本数が異なる回折格子をそれぞれパルス伸張器と圧縮器に用いて、レーザーシステムの高次分散補償を行った。実験で得られたレーザー光のパルス幅は32.9fsであり、これによりピーク出力0.85PWを達成した。このピーク出力,エネルギーはチタンサファイア結晶を用いたレーザーシステムでは世界最高性能である。本システムの詳細な報告を論文に発表する。

論文

高出力パルスグリーンレーザーの開発

桐山 博光; 山川 考一

レーザー学会第313回研究会報告; 高機能固体レーザーとその応用, p.1 - 6, 2003/09

極端パルス・超ピーク出力チタンサファイアレーザーの励起を目的として、2種類のグリーンレーザーの開発を行った。1つは高エネルギーのグリーン光の発生を目的として、大出力Nd:ガラスレーザーシステムからの出力光を大型結晶の育成が容易で非線形光学定数の大きいCLBO結晶を用いて波長変換しグリーン光の発生を行った。34-Jの入射レーザーエネルギーに対して25-Jの高いグリーンエネルギーが得られた。370MW/cm$$^{2}$$の入射レーザー光強度に対して74%の高い変換効率を得た。2つ目は高繰り返しのグリーン光の発生を目的として、半導体レーザー(LD)励起Nd:YAGレーザーMOPAシステムの開発を行い、その出力光を非線形光学定数の大きいKTP結晶を用いて波長変換しグリーン光の発生を行った。1kHzの高繰り返し動作時において、平均LD励起パワー2.6kWに対し、362Wの増幅器平均出力が得られた。また、222Wの増幅器平均出力に対して132Wの高平均第二高調波出力を60%の高い変換効率で得た。

論文

25J green beam generation using large aperture CsLiB$$_{6}$$O$$_{10}$$ frequency doubler

桐山 博光; 井上 典洋*; 山川 考一

レーザー研究, 31(4), p.282 - 285, 2003/04

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より高出力化を目的として高エネルギーグリーン光発生のための波長変換器の開発を行った。本波長変換器は高エネルギーでかつ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、大型結晶の育成が容易で非線形光学定数の大きいCLBO結晶を採用した。本実験では入射レーザー光にNd:ガラスレーザー光を用い、非線形光学結晶にはタイプII位相整合の30mm$$times$$30mmと大形CLBO結晶を2つ用い、直列に配置した。34-JのNd:ガラスレーザー光に対して25-Jの高エネルギーグリーンエネルギーが得られた。370MW/cm$$^{2}$$と低い入射レーザー光強度に対して74%の高い変換効率を達成した。また、空間プロファイルはほぼフラットトップであり、チタンサファイア結晶の励起に適していることがわかった。

論文

Effect of a laser prepulse on a narrow-cone ejection of MeV electrons from a gas jet irradiated by an ultrashort laser pulse

細貝 知直*; 木下 健一*; Zhidkov, A.*; 中村 啓*; 渡部 貴宏*; 上田 徹*; 小瀧 秀行; 神門 正城; 中島 一久; 上坂 充*

Physical Review E, 67(3), p.036407_1 - 036407_8, 2003/03

 被引用回数:79 パーセンタイル:5.51(Physics, Fluids & Plasmas)

12TW,50fsのチタンサファイアレーザーを短焦点でガスジェット中に集光し、電子発生実験を行った。発生する電子は、レーザーのプリパルスの比率及び形に強く依存した。ガスジェットのショックウェーブ先端での、プリパルスでのプラズマ波の破砕が、細い電子のコーン(0.1$$mu$$mm mrad)をつくることを発見した。この電子は、レーザーパルスによって生成されるウェーク場によって数十MeVまで加速され、マックスウェル分布の分布する。単調でないプリパルスの場合、ショックフロントでの流体的な不安定性が大きなスポットを形成する。2次元流体を基礎とした数値解析と2次元粒子シミュレーションが電子加速の根拠を示した。この粒子シミュレーションによって、電子のエネルギーは10~40MeVであり、電子のパルス幅は40fs程度であることが予測できる。

論文

Generation of a 0.55-PW, 33-fs laser pulse from a Ti:sapphire laser system

山川 考一; 青山 誠; 赤羽 温; Ma, J.; 井上 典洋*; 上田 英樹; 桐山 博光

レーザー研究, 30(12), p.747 - 748, 2002/12

われわれは、高強度場科学と呼ばれる新しい光量子科学分野におけるさまざまな基礎・応用研究を目的に、極短パルス・超高ピーク出力Tキューブレーザーの開発を進めている。本論文では新たに開発に成功したピーク出力550TW,パルス幅33fsのチタンサファイアレーザーシステムを中心に、Tキューブレーザー開発において最も重要となる極短パルス(パルス幅$$sim$$10fs)レーザー光の増幅過程におけるレーザー制御技術及び大口径チタンサファイア増幅器における寄生発振制御,高効率増幅技術について述べる。

論文

Large-aperture CsLiB$$_{6}$$O$$_{10}$$ frequency doubler for high-energy Nd:Glass laser

桐山 博光; 井上 典洋*; 山川 考一

High-Power Lasers and Applications II (Proceedings of Photonics Asia 2002 Volume 4914), p.6 - 13, 2002/10

チタンサファイアレーザーの高効率化・高出力化に向けて、大口径CsLiB$$_{6}$$O$$_{10}$$(CLBO)結晶を用いて高エネルギー・高効率第二高調波発生を初めて行った。本実験では入射レーザー光にNd:ガラスレーザー光を用い、非線形光学結晶にはタイプII位相整合の30mm$$times$$30mm CLBO結晶を2つ用い、直列に配置した。入射レーザーエネルギーに対するグリーン光エネルギー特性を取得した。34-Jの入射レーザーエネルギーに対して25-Jのグリーンエネルギーが得られた。370MW/cm$$^{2}$$の入射レーザー光強度に対して74%の変換効率を得た。この第二高調波光のエネルギーはCLBO結晶を用いて報告されている中で世界最高値である。

論文

High energy second-harmonic generation of Nd:glass laser radiation with large aperture CsLiB$$_{6}$$O$$_{10}$$ crystals

桐山 博光; 井上 典洋*; 山川 考一

Optics Express (Internet), 10(19), p.1028 - 1032, 2002/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:79.14(Optics)

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より高出力化を目的として高エネルギー・大口径Nd:ガラスレーザー光の波長変換器の開発を行った。本波長変換器は高エネルギーでかつ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、大型結晶の育成が容易で非線形光学定数の大きいCLBO結晶を採用した。本実験ではタイプII位相整合の30mm$$times$$30mmと大型CLBO結晶を2つ用い、直列に配置した。34-JのNd:ガラスレーザー光に対して25-Jの高グリーンエネルギーが得られた。370MW/cm$$^{2}$$と低い入射レーザー光強度に対して74%の高い変換効率を得た。また、空間プロファイルはほぼフラットトップであり、チタンサファイア結晶の励起に適していることがわかった。

論文

超高出力レーザー

山川 考一

光学, 31(4), p.287 - 289, 2002/04

われわれは、高強度場科学と呼ばれる新しい光量子科学分野におけるさまざまな基礎・応用研究を目的に、極短パルス・超高ピーク出力Tキューブレーザーの開発を進めている。今回新たに開発に成功したピーク出力850TW,パルス幅33fsのチタンサファイアレーザーシステムを中心に、世界におけるTキューブレーザー開発の進展,現状について紹介する。また、さらなるピーク出力の向上による超ペタワット級レーザー開発研究の将来について述べる。

論文

Status and future developments of ultrahigh intensity lasers at JAERI

山川 考一; 赤羽 温; 青山 誠; 福田 祐仁; 井上 典洋*; Ma, J.; 上田 英樹

AIP Conference Proceedings 611, p.385 - 396, 2002/00

近年、小型で繰り返し動作が可能な極短パルス・超高強度レーザーが注目されている。これらのレーザーは出力エネルギーは小さいが、ピーク出力がテラワット級にも達する。テーブル・トップ(Table-top)サイズのレーザーでテラワット(Terawatt)級の出力が得られるため、これらのレーザーは一般にT$$_{3}$$(Tキューブ)レーザーと総称される。われわれ原研光量子科学研究センターでは、高強度光科学と呼ばれる新しい光量子科学分野におけるさまざまな基礎・応用研究を目的に、極短パルス・超高強度T$$_{3}$$レーザーの開発を進めている。ここでは、既に開発に成功したピーク出力100TW,パルス幅19fs,繰り返し数10Hzのチタンサファイアレーザーシステムを中心に、本T$$_{3}$$レーザー開発において最も重要となる極短パルス(パルス幅~10fs)レーザー光の発生とその増幅過程におけるレーザー制御技術及び位相,コントラスト,波面等のレーザー特性を計測する技術について紹介する。また、現在進めている高強度レーザーを用いた希ガス原子の光イオン化研究の現状とレーザーイオン加速を初めとするさまざまな応用研究について簡単に紹介するとともに、さらなるピーク出力の向上によるペタワット級レーザー開発研究の将来について述べる。

論文

RBS/channeling analysis of epitaxial films with Nb buffer layer on sapphire substrate

山本 春也; 楢本 洋

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 190(1), p.657 - 660, 2002/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:79.68

混合膜の蒸着用に金属単結晶基板を利用するため、各種金属の単結晶薄膜をサファイア上に成長させる実験を行なった。Cu, Al, Scはサファイア単結晶上には直接エピタキシャル成長させることはできないが、Nb単結晶膜をバッファー層として挿入することにより、これらのエピタキシャル膜が得られることを見出した。超高真空下の電子ビーム蒸着法によりNbをバッファー層とし、Cu, Al, Scの成膜を行った。作製した薄膜試料は、ラザフォード後方散乱/チャネリング法とX線回折法により膜の結晶性、基板との結晶方位関係を調べた。その結果、Cu(111), Al(111)がNb(110)上に双晶構造で成長することがわかった。また、Cu(111)の場合、厚さ2nm以上のNb(110)バッファー層で結晶性の高いCu(111)膜が成長することがわかった。

論文

Second-harmonic generation of ultra-high intensity femtosecond pulse with a KDP crystal

青山 誠; 張本 鉄雄*; Ma, J.; 赤羽 温; 山川 考一

Optics Express (Internet), 9(11), p.579 - 585, 2001/11

 被引用回数:18 パーセンタイル:32.62(Optics)

チャープパルス増幅法により、超高出力フェムト秒レーザー光発生が可能となり高強度光電場と物質との相互作用の研究やX線発生等に関する研究が盛んに行われている。レーザーとプラズマとの相互作用研究においては、高効率にレーザーエネルギーを輸送できるなどの利点によりレーザー光の短波長化が求められている。さらに非線形結晶を用いた波長変換により、プラズマ実験で重要になるレーザー光のコントラスト比の向上が期待できる。今回、高強度レーザー光高効率波長変換を目指し第2高調波発生実験を行った。実験には厚さ1mmのKDP結晶(typeI)を用いた。また基本波レーザー光はチタンサファイアCPAレーザーシステムの前段増幅部を用い、中心波長とスペクトル帯域は再生増幅器中のスペクトルフィルターにより制御され、中心波長800nm,パルス幅134fsである。実験では強度が192GW/cm$$^{2}$$のときにエネルギー変換効率約80%が得られた。本結晶厚では、分散による第2高調波のパルス幅伸張はほとんど無視できる。本波長変換では複雑なレーザー制御を必要とせず、簡便なセットアップで高効率に波長変換を行うことができる。

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