Demonstration of Laser-Frequency Upshift
by Electron Density Modulation in a Plasma
Wakefield
Electron Density Modulation=相対論的飛翔鏡 (Relativistic Flying Mirror)

Masaki Kando
日本原子力研究開発機構
光量子ビーム利用研究ユニット
神門 正城

第６3回日本物理学会年次大会

共同研究者
福田 祐仁
大東 出
小倉 浩一 Alexander Pirozhkov
陳 黎明
本間 隆之 


小瀧 秀行 James Koga
木村 豊秋

匂坂 明人
大道 博行 加藤 義章



馬 景龍
Timur Esirkepov
林 由紀雄
森 道昭
 Sergei Bulanov
田島 俊樹

2

内容
目的〜高強度場科学の探求〜

理論・シミュレーション
原理検証実験
まとめと今後の展望

3

目的：超高強度場科学の探究
レーザーの集光強度の進展
超高強度場科学ES=1.3x1018 V/m
IS=2.3x1029 W/cm2• 真空の崩壊• Unruh放射• 超高エネルギー電子~PeV
電子・イオンの加速高調波の発生

課題:どうやって高強度を達成するか？
Tajima & Mourou, Phys. Rev. ST 5,031301(2002)
Mourou, Tajima & Bulanov, Rev. Mod. Phys. 78, 309 (2006)4

１つの解決方法：相対論的飛翔鏡
S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov, and T. Tajima, Phys. Rev. Lett. 91, 085001 (2003)

1D model電子密度43ne2

速度v ph = v g = c 1− (ω p /ω 0 ) 2vph
ドライバーレーザーavg

ϕ1€0Ex−20−10010kpX

レーザー強度が上がると、密度分布がカスプ状になる[A.I.Akhiezer & R.V.Polovin, Sov. Phys. JETP 3, 696 (1956)]

密度が高いため、光を一部反射可能

5相対論的飛翔鏡
２D model航跡波

S. V. Bulanov, T. Zh. Esirkepov, and T. Tajima, Phys. Rev. Lett. 91, 085001 (2003)

プラズマ

反射光

ドライバー
光

反射
• 圧縮（短パルス化）• 周波数向上• 集光

ソース光

 ω d  2  Ds  2 3′′ ≈ 8    γ phImax
 ω s   λs  6

ドライバー光: a=1.7
size=3λx6λx6λ, Gaussian
Ipeak =4⋅1018 W/cm2×(1µm/λ)23D PIC

Edkd

反射された光

ソース光: a=0.05
size=6λx6λx6λ,Gaussian, λs = 2λIpeak =3.4⋅1015 W/cm2×(1µm/λ)2ks
Ez

ExXZ,color: Ey

XY,contour: Ez

XY,color: Ex at z = 0Es

飛翔鏡の特徴
 周波数:

ω x ≈ 4γ ω s パルス幅:τsτx ≈ 24γ
1R≈
2γ

 反射率:
 集光強度:2€€€入射光の性質を継承：€Ix ∝ γ 3
コヒーレンス、チャープ、パルス波形, etc.
8

原理検証実験• 対向入射ではなく、45度入射•対向入射ではレーザーシステムに損傷を与える恐れ

θx

θ

τ01
ω x ≈ 3.4γ ω 0 ; τ x ≈2 ; θx ≈3.4γ
4.8γ 22€•小型レーザー使用 (~3TW, 76fs)• 準単色電子発生（航跡波の励起、破壊の証拠の１つ）• 自己導波+自己変調による航跡波励起
9実験体系図（簡略図）

XUV
斜入射分光器ドライバー光
180 mJ, 76 fs, 1.8 TW,
Ø30 µm (1/e2),
5×1017 W/cm2
He ガスジェットNe,max ≈ 3-6×1019 cm-3

θ = 45°ソース光
11 mJ, Ø17 µm (1/e2),
9×1016 W/cm2 → 1015 - 1016 W/cm2

10実験体系図CCD

反射光

電子運動量分析器

干渉フィルター

Grating

紫外-可視分光器

B-CCD
I-CCD

Filters
Toroidalmirror

干渉計
影絵器

光Slit
60°
ソース光モニタ分
射入Magnet

45°

射

ソース光
11 mJ, 17 µm(1/e2)
9×1016 W/cm2 → 1015-1016 W/cm2

Heガスジェット
プローブ光19-3Ne,max ≈ 3-6×10 cm

ドライバー光
180 mJ, 76 fs, 1.8 TW, 5×1017 W/cm2, Ø30 µm (1/e2)

実験チェンバー内の様子
射入射分光器紫外-可視分光器
透過ソース光モニタへ
1m

反射光
プラズマ観測電子運動量分析器

プローブ光
45°
ソース光
12 mJ

ドライバー光
200 mJ, 76 fs
12高速電子発生：航跡波の生成と破壊
電子の空間-エネルギー分布

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0 [pC/MeV/mrad]
T. Tajima andJ. M. Dawson,
PRL 43, 267 (1979):

γ fast ≈ 2γ 2phCharge,pC/MeV
200

γ fast ≈ 39€

1000γph ≈ 4.4
101520253035 Ee, MeV 13M. Mori, M. Kando et al, Phys. Lett. 356 146 (2006); I. Daito et al. (in preparation)誘導ラマン散乱-14レーザーの自己変調による航跡波励起の証拠の１つ

3399

x, µm-600
ドライバー光ドライバーの集光点-400-200
ガスジェット中心

0S, arb. u.
1

600

700

800

9001000 λ, nm0.10.01ω = ωd ± nωp

Ne = (3.2~6.8) ×1019 cm-314γ ≈ ωd/ωp =5~7

ドライバー光とソース光の精密アライメント
横方向から計測

Vacuumfocus

630 µmJetcenterttpp == 0-050-750 fs-250-150
ドライバー光
200 mJ, 76 fs

ソース光
12 mJ

上方向から
計測

15ソース光の入射位置:2D PIC
シミュレーションから、良い位置（鏡が形成される位置）を予測
0.03
n /n0.02 e cr
0.010

プラズマ密度

nemax /ncr=0.027 (P=3.64MPa)
Simulation box

Quasistatic
magnetic fieldBest
wakeSolitons

Wake #2Laser
t=2.88ps
0200
Laser pulse

a=0.85t=0.24ps

400
Self-focusing

a=1.1
t=0.96ps

600

800

1000

Self-modulation

a=1.9
t=1.44ps

a=1.8
t=1.68ps

a=1.6
t=2.4ps16

斜入射分光器で観測された信号
p = 0.9985σ

トムソン散乱(計算）17信号とバックグラウンドの垂直方向のサイズ
信号ショット: サイズ ~ 60-80 µm (分光器の分解能）

プラズマ発光(ノイズ光):サイズ ~ 200…300 µm
18衝突点と反射信号の関係

ドライバー光2次元シミュレーションの予測とほぼ一致

衝突位置19タイミングとアライメント依存性

垂直方向の変位適切なタイミング、位置のときに24個の信号を観測

タイミング

20

タイミングとNull shots
CCD counts in the highest peak

p = 0.08~ 100 fs■ P0 = 3.44 MPa● P0 = 4.02 MPa▲ P0 = 4.33 MPa

21

飛翔鏡からの信号

24 shots

Horizontal width: ΔλFWHM, Vertical error bar: standard deviation
22議論：複数の計測結果が相対論飛翔鏡による反射を支持
相対波長幅がソース光のそれと等しい

周波数上昇
γ~4.2

散乱光子数はトムソン散乱(incoherent)より多い
ソース光OFFにて信号無し

ガス密度計測
γ~5-7
ラマン散乱
周波数シフト

相対論的飛翔鏡からの反射

高速電子観測γ~4.4
タイミング
依存性 < 100fs
垂直位置依存性 <6µm(

信号の垂直方向サイズ <60µm)<(プラズマ発光のサイズ 300µm)

青：計測
緑：アライメント/ Null shot
白：別の計測23

まとめと今後の展望
相対論的飛翔鏡によるレーザー光の反射と周波数増大を初めて観測し、原理を検証した。
24 shots （p>0.5)
周波数上昇 60~100倍、波長 7~14 nm、光子数 > 3x107 photons/sr

反射光子数の増大、再現性の向上
完全対向入射、高ピークパワーレーザー(50 TW)の使用

アト秒Ｘ線の発生

24