Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 WEP050

低出力レーザーによるレーザー航跡場加速実験

LASER WAKEFIELD ACCELERATION BY LOW PEAK-POWER LASER
大塚 崇光#, A), 郡司 貴大 A), 飯田 紘一 A), 高橋 瑠伊 A), 西田 大紀 A),
五十嵐 崚 B), 片谷 光祐 B), ペレラ ドゥティカ B), 湯上 登 A)
Takamitsu Otsuka#, A), Takahiro GunjiA), Koichi IidaA), Rui TakahashiA), Daiki NishidaA),
Ryo IgarashiB), Kosuke KatayaB), Duthika PereraB), Noboru YugamiA)
A)
Graduate School of Regional Development and Creativity, Utsunomiya UniversityB)
School of Engineering, Utsunomiya UniversityAbstract

Laser wakefield acceleration (LWFA) driven by low peak power laser system has been investigated. In this case,relatively longer laser pulse is employed for creating plasma compared to standard LWFA. The pulse length of laser is
not equal to the plasma wavelength, thus, wakefield does not grow up resonantly. To develop compact electron accelerator,
we are studying self-modulated laser wakefield acceleration driven by 1 TW Ti:Sapphire laser with laser energy of 120mJ and pulse width of 120 fs (full width at half maximum). Simulation results by 2-dimensional particle in cell code (2DPIC) predicted that self-modulation occurs with electron density over 1020 cm-3 and laser spot diameter less than 10 µm.
In the experiment, self-focusing have been observed, however, electron beam has not been observed. This is because theelectron density (initial gas density of gas-jet target) is not high enough for relativistic self-focusing.

1.

はじめにFigure 1 はレーザー航跡場加速の概念図である．
高強度レーザーパルスがガス中を伝搬するとプラズマが励起され，レーザーパルスの後方には航跡場(Wakefield) と呼ばれる電子の疎密波が生じる．航跡場中にはレーザー進行方向の縦電場と径方向の横電場が発生しており，これらの伝場を適切に利用することでプラズマ中の電子を加減速，収束，発散させることができる．この航跡場を利用した粒子加速を
レーザー航跡場加速 (Laser Wakefield Acceleration:LWFA) と 呼 び ， そ の 物 理 機 構 は 1979 年 に T.
Tajima 及び J. M. Dawson によって報告された[1]．

幅が比較的短く，集光強度が 1018 W/cm2 を超える条件下で行われるが，これを満たすためには数十TW を超えるレーザーシステムが必要となり，小規模実験室で運用することは難しい．
近年，低ピーク出力レーザーを用いる研究がいく
つか報告されており，レーザー航跡場加速研究黎明期に行われた，相対論的自己収束とそれに伴い生じるレーザーパルスの包絡線の変調を利用する自己変調レーザー航跡場加速が研究されている[2, 3]．本研
究ではレーザーパルス幅が比較的長い低ピーク出力レーザーシステムを用いてレーザー航跡場電子加速を行うため，自己変調レーザー航跡場加速について調査している．

2.

PIC シミュレーション

低ピーク出力レーザーシステムによる自己変調レーザー航跡場加速について二次元粒子シミュレー
ションコード[4] を用いてシミュレーションを行

Figure 1: Schematicacceleration.

diagramoflaser

wakefield

一般にレーザー航跡場加速研究はレーザーのパルス____________________________________________

takamitsu@cc.utsunomiya-u.ac.jp#

Figure 2: Schematic diagram of two-dimensional particlein-cell simulation.

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Figure 3: Initial laser field (blue line) and laser field in theplasma (Red line).

Figure 5: Experimental setup.

Figure 4: Kinetic energy distribution in the wakefield.
なった．Figure 2 は設定した計算空間の概念図であり，縦横 80 µm × 240 µm の計算空間を設定し，初期電離した電子密度 1019 cm-3，幅 200 µm のプラズマを設定した．設定した空間に波長 800 nm，レーザーエネルギー 120 mJ ，レーザーパルス幅120 fs (半値全幅) のレーザーパルスを入射させ，レーザープラズマ相互作用の計算を行なった．集光径は 3.6 µm であり集光強度は 1019 W/cm2 である．
Figure 6: Results of plasma density measurement.
Figure 3 のようにガウス型の入射レーザーの電場がプラズマ中で変調され，それにともない生じた航跡場によって Fig. 4 のように電子が加速されている 4. 今後の展望
2D-PIC シミュレーションを行い，1 TW 級のレーことがわかる．
ザーによってレーザー航跡場加速研究が行える条件を示したが，実験的に電子ビームを観測するに至っていない．シミュレーションにおける集光径 3.6 µm
3. 実験結果
を実験で達成することは難しく，レーザー強度が相Figure 5 は構築した実験装置である．1 TW レー対論的強度に達していない．相対論的自己収束が生
ザーシステム (波長 800 nm，最大レーザーエネルじているかを確認し，ターゲット開発にも取り組む．
ギー 120 mJ，半値全幅パルス幅 120 fs) から射出されたレーザーを真空容器に導き，焦点距離 f =175 mm の非軸放物面鏡を用いて超音速ノズルから 謝辞
本 研 究 は 科 学 研 究 費 助 成 事 業 JP19K20597,噴出するガスジェットに集光照射しプラズマを生成した．ガス種は比較的電離しやすい Ar ガスを用い， JP22K03565，JP22H01197 の支援のもと行われまし
ガス配管に掛ける圧力は最大で 0.95 MPa とした． た．深く感謝します．
レーザーの一部からプローブレーザーを生成し，レーザー干渉計を構築してプラズマの電子密度を計 参考文献
測した．また，レーザー進行方向にシンチレーター [1] T. Tajima et al., “Laser Electron Accelerator”, Phys. Rev.
Lett. 61, 98 (1988).
スクリーンを設置し，電子ビームをモニターした．
Figure 6 は圧力が 0.95 MPa の時のレーザー伝搬 [2] A. J. Goers et al., “Multi-MeV Electron Acceleration by
Subterawatt Laser Pulses”, Phys. Rev. Lett. 115, 194802
軸上のプラズマ密度分布である．シミュレーション(2015).
で設定したプラズマ密度と同程度のプラズマ密度 [3] F. Salehi et al., “MeV electron acceleration at 1 kHz with
(1019 cm-3) に達ししているが，これまでに電子ビー<10 mJ laser pulses”, Opt. Lett. 42, 215 (2017).
[4] Y. Sentoku et al., “Numerical methods for particle
ムを観測できていない．
simulations at extreme densities and temperatures: Weightedparticles, relativistic collisions and reduced currents”, J.
Comput. Phys. 227, 6846 (2008).

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