Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

DEVELOPMENT OF SPATIAL FILTER FOR PLASMA CATHODE
EXPERIMENTS1A)

A)

A)

B)

N.YAMAOKA , T.OHKUBO , T.HOSOKAI , K.KINOSHITA ,A)
B)
A)A)K.NAKAMURA , A.ZHIDKOV , A.SAKUMI , M.UESAKA
A)
Nuclear Engineering Research Laboratory, School of Engineering, University of Tokyo
2-22 Shirakata-shirane, Tokai, Naka, Ibaraki, JAPAN 319-1188
B)

National Institute of Radiological Sciences

4-9-1 Anagawa, Inage, Chiba, Chiba, JAPAN 263-8555
Abstract
In order to improve the stability of generated electon-bunch in Laser-Plasma Cathode Experiments, I developed
Spatial Filter in our 12TW-50fs Laser system and spatial profile of laser was brought close to ideal Gauss function.
Generally, commercial Spatial Filter with pinhole form has low damage threshold and cannot be used within TW laser
system. In order to prevent Spatial Filter from damage, I developed Spatial Filter with taper form that can be usedwithin TW laser system.

レーザープラズマカソード実験のための空間フィルターの開発
マ周波数で決まるため、数十フェムト秒のパルス幅の電子バンチを発生させることができる。しかしな
１．はじめにがら、レーザー航跡場加速において航跡場への電子近年の極短時間領域での動的物性研究の発展に伴入射が重要な問題となっている。線形加速器を用いい、フェムト秒オーダーの超短X線パルス発生装置
た電子入射法においては、電子バンチのパルス幅はの需要が高まっている。我々は、フェムト秒Ｘ線パピコ秒オーダーであり、入射電子とレーザー航跡場ルスの発生源の開発を最終目的とした、レーザープの同期が難しく、フェムト秒オーダーの電子バンチラズマカソードを用いた極短電子バンチ発生源の研を安定に発生させることが困難である。そこで我々究開発を進めている。これまでの実験では、指向性は、航跡場へ電子入射に相対論的プラズマ波破砕をの良い(0.1πmm-mrad)高エネルギー(40MeV)の電子用いている[1]。相対論的なプラズマにおいて、プラビームの発生が確認され、レーザープリパルスの照ズマ波はプラズマ波長オーダーで急峻に立ち上がる射よって形成されるプラズマキャビティによる電子密度勾配をもつとき、効率的に破砕する。このよう入射機構も明らかとなった。さらにPIC(Particle Inな密度勾配を形成するため、レーザープリパルスをCell) シミュレーションでは40fsの電子バンチの発利用しプラズマ中の密度分布を制御している。図１
生が示唆されている。指向性・再現性の良い電子バは、東京大学大学院原子力工学研究施設にあるチャンチを安定に発生させるには、空間的に安定なプロ−プパルス増幅法(Chirped Pulse Amplification; CPA)ファイルをもつレーザーが必要不可欠であることが、 を採用した12TW-50fsレーザーシステム概略図であこれまでの研究で明らかになっている。本研究は高る。チャ−プパルス増幅法によるレーザーでは、自強度超短電子バンチを安定に発生させるため、然増幅光(Amplified Spontaneous Emission; ASE) や再
12TW-50fsレ ー ザ ー シ ステム内で使用可能な空間
生増幅器の切り出し漏れによるナノ秒オーダーのプフィルター(Spatial Filter; SF)を開発して、レーザーリパルス(コントラスト比：約 10 −6 、エネルギー：の空間プロファイルを向上させることを目的とする。 メインパルスの10〜20%)が存在する。プリパルスの照射によりプラズマ中に衝撃波が駆動され、急峻な２．レーザープラズマカソード
密度勾配をもつプラズマキャビティが形成され、破砕現象により電子が入射される。
レーザープラズマカソードとは、１つのレーザーパルスで入射と加速を同時に行なうレーザー航跡場加速(Laser Wake-Field Acceleration; LWFA)である。
高強度レーザーをプラズマに集光(〜 10 19 W / cm 2 )するとプラズマ中の電子が動重力(Ponderomotive force)によって振動し、レーザーパルスの後方に数百GV/mに及ぶ加速勾配をもつ航跡場が励起される。
入射電子はこの航跡場にトラップされることにより加速される。加速電場の周波数は数十THzのプラズ

図１634

12TW-50fsレーザーシステム概略図

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図２は、レーザープラズマカソード実験においてガス中に照射したレーザープロファイルとそれにより形成されたプラズマジェット及び発生した電子を示す。(a), (b), (c)はそれぞれ空間的に対称なレーザーパルスを照射した場合のレーザー・プラズマ・電子を、(d), (e), (f)は非対称なレーザーパルスを照射した場合のレーザー・プラズマ・電子を示す。図２から、プラズマジェット及び電子バンチの発生はレーザーの空間プロファイルに明確に依存することがわかる。従って指向性・再現性のある電子を発生させるためには、よく定義された空間プロファイルをもつレーザーパルスの照射によってプラズマダイナミックスを制御する必要がある。そこでレーザーシステム内のプリアンプ出力後に空間フィルター１を、メインアンプ１出力後に空間フィルター２を開発して、レーザーの空間プロファイルをガウシアンに近づける。
(a)
(d)

2.3mm

フィルター１を開発した。図２に空間フィルター１
光学系概略図を示す。２枚の集光レンズ(f=452mm)を用いてピンホール出口穴(Φ=0.2mm)中心部に集光し、ピンホール透過後の回折光を平行化した。集光点における強度は 6.8 × 10 11 W / cm 2 に達し大気中ではプラズマ化を起こしてしまうため、ピンホールは真空チェンバー内部に設置した。数値計算結果によると、市販されているピンホール形状の空間フィル
ターを用いた場合、ピンホール上での集光強度は最大 4.9 × 10 9 W / cm 2 に達し損傷の恐れがある。一般にピンホールの損傷閾値は、表面の面精度に依存するため知られていないが、誘電体ミラーの損傷閾値の〜 10 11 W / cm 2 を参考に、目標値を 10 9 W / cm 2 以下と定めた。集光強度を１桁以上落とすため、テーパ形状のピンホールを用いてレーザーの照射される面積を稼ぎ、 2.8 × 10 8 W / cm 2 に抑えた。

2.3mm
(e)

(b)

図２125mm

125mm
(c)

(f)

空間フィルター１光学系概略図

レーザーパルスの空間プロファイルは２枚目のレンズ後にCCDカメラを設置して計測した。図３に空間フィルター透過前(a)と透過後(b)の空間プロファイルの比較を示す。非対称な楕円形であったレーザープロファイルが空間フィルターを透過することにより対称な円形のプロファイルに整形された。ガウス関数との相関は、透過前の約79%に対して、透過後は約97%に向上した。またエネルギー透過率は約80%であり、約20%の損失があるが、下流の増幅器により飽和増幅まで増幅されるため問題ない。
6.4mm

6.4mm
(a)

(b)

図２ 空間的に対称なレーザーパルス(a)照射による対 称 な プ ラ ズ マ ジ ェ ッ ト (b) と 指 向 性 の 良 い 電 子ビーム(c)、及び空間的に非対称なレーザーパルス(d)照射による非対称なプラズマジェット(e)と指向性の悪い電子ビーム(f)図３３．空間フィルター１の設計
空間フィルターとは、フーリエ光学素子でありレーザー空間プロファイルの高周波成分を除去する効果がある。12TWレーザーシステム内のプリアンプ出力後のレーザーパルス(エネルギー35mJ/pulse,
パ ル ス 幅 300ps, ビ ー ム サ イ ズ 2mm)に 対 し て 空 間
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SF透過前(a)と透過後(b)の空間プロファイル

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４．空間フィルター２の設計
空間プロファイルの更なる向上のため、レーザーシステム内のプリアンプより下流にあるメインアンプ内のレーザーパルス(エネルギー600mJ/pulse, パ
表１ ピンホール径／回折限界に対するエネルギー
ルス幅300ps, ビームサイズ20mm)に対して空間フィ透過率及び集光強度の関係
ルター２を開発する。レーザーの空間プロファイルがガウス分布に従うと仮定すると、焦点での集光強度は 1.6 × 10 14 W / cm 2 となり空間フィルター１への５．まとめと今後の予定
入力より３桁大きい。この集光条件に対してプリアンプ出力後の空間フィルターと同様に、直径が回折12TW-50fsレーザーシステム内のプリアンプ出力限界(20um)のピンホールを用いると、ピンホール内後で使用可能な空間フィルター１の開発を行なった。
部壁での集光強度は最大 6.1 × 10 10 W / cm 2 に達しその結果、空間プロファイルのガウス関数との相関損傷の恐れがある。例えば直径が回折限界の３倍は設置前の79%から97%まで向上し、エネルギー透(60μm)のピンホールを用いると、表面での集光強過率は約80%であった。ピンホールの損傷を防止す度を約 7.9 × 10 8 W / cm 2 に抑えることができる。しるため、形状をテーパ形状にして内壁での集光強度かしながら実際のレーザーの空間プロファイルは高を 2.8 × 10 8 W / cm 2 に抑えた。また更なる空間プロ周波成分を含んでおり、ピンホール内部壁での集光ファイルの向上のため、システム内のメインアンプ強度はガウス分布と仮定した場合より高くなり、損内に空間フィルター２を開発している。入力プロ傷の可能性が高くなる。図４は、プリアンプ出力後ファイルに高周波成分を多く含む場合、ピンホールのレーザーを空間フィルター２への入力として、回内壁での集光強度は 6.1 × 10 9 W / cm 2 に達するため、折限界の１倍、３倍、８倍のピンホールを用いた場
空間フィルター１による空間プロファイルの整形が合の出力プロファイルの数値計算結果を示す。また、 必要不可欠であること、 10 9 W / cm 2 以下にするた
表１は各々のピンホール径におけるエネルギー透過めにはレンズの焦点距離を452mmから1120mm以上率とピンホール内壁での最大集光強度の数値計算結のものに変えなくてはならないことがわかった。今果を示す。ピンホール径を回折限界の８倍にとって後、空間フィルター２への入力プロファイルの測定も集光強度が目標値の 10 9 W / cm 2 を超えた。つまを行ない、最適な体系を組む。
り、空間フィルター１による空間プロファイルの整
２つの空間フィルターの設置後は、整形された空形が必要不可欠であることがわかった。また、ピン間プロファイルをもつレーザーパルスを用いてレーホール径を回折限界の３倍にとる場合、ピンホールザープラズマカソード実験を行ない、空間フィル内壁での集光強度を 10 9 W / cm 2 以下にするためにターの効果を評価し、プラズマダイナミックスと電は、集光レンズの焦点距離を452mmから1120mm以子発生との相関及び加速機構の詳細を明らかにする。
上へ変更する必要があることもわかった。
そして指向性・再現性の向上した電子バンチを用いて、フェムト秒Ｘ線を発生させる予定である。
40mm40mm(a)(b)[1] T. Hosokai, K. Nakajima, A. Zhidkov, et al, Phys.
Rev. E. 67, (2003) 036407[2] 山岡宣章, 細貝知直, et al, 日本原子力学会
2004年(第42回) 春の大会要旨集 第Ⅰ部冊 P.201

40mm(c)40mm(d)

図４ プリアンプ出力後のレーザー(a)を入力として回折限界の１倍(b)、３倍(c)、８倍(d)のピンホールを用いた場合の出力プロファイル（数値計算結果）
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