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)

PREPULSE CONTROL OF AN INTENSE FEMTOSECOND LASERPULSE BY PROPAGATION THROUGH A THIN FOIL PLASMA,A)

K. Kinoshita1A)

B)

A)

B)

, T. Hosokai , A. Zhidkov , T. Ohkubo , M. Uesaka

B)

Department of Accelerator Physics and Engineering, National Institute of Radiological Sciences,
Anagawa 4-9-1, Inage, Chiba, 263-8555 JapanB)

Nuclear Engineering Research Laboratory, University of Tokyo,
Shirakatashirane 2-22, Tokai, Naka, Ibaraki, 319-1188 Japan

Abstract
Interaction between an intense laser pulse and laser-produced plasma strongly depends on the level of the prepulse. The
prepulse affects on the preplasma condition with which the main pulse interact. Prepulse control is necessary to optimise
the X-ray, ion, and electron generation via an ultraintense ultrashort laser pulse. Improvement of the laser contrast isdesirable for this optimisation. In order to reduce the nanosecond prepulse of the intense laser pulse, effects of the thin
foil filter was investigated.

薄膜プラズマ中での伝播による高強度フェムト秒レーザーのプリパルス制御えているためレーザーはプラズマ中を伝播できない。その後プラズマの膨張によって密度が臨界密
高 強 度 レ ー ザ ー 照 射 プ ラズマは電子、イオン、度より下がる。メインパルスがこの膨張後にプラＸ線等の高エネルギー粒子を発生する一つの効果ズマに到達すれば、それはプラズマを透過する事
的 な 手 法 で あ る [1‑5] 。それによって発生する粒ができる。このようにレーザーパルスが薄膜を通子はピコ秒からサブピコ秒の時間幅を持つ。この過 す る 事 で 、 メ インパルスの消耗を抑えてプリパ高エネルギー粒子発生過程は高強度レーザーパルルスを低減する事ができると期待される。初期プスに先行するレーザープレパルスに強く依存する。
ラズマの大きさが十分小さければナノ秒時間領域フェムト秒レーザーにおけるレーザーコントラスでの３次元的急膨張が起きると考えられる。このト、即ちメインパルスとレーザーの裾野との強度技法は、Ｘ線発生、イオン発生、電子発生、中性比 は ナ ノ 秒 前 で 10 ‑6 程度である。メインパルスの子発生など様々なレーザープラズマ応用実験のプ
集 光 強 度 が 10 19W/cm 2程度であるとすればプリパルリプラズマ条件を最適化するのに役立つと期待さ
ス 強 度 は 10 13W/cm 2 となり、プラズマ生成に十分なれる。
強 度 と な る 。 メ イ ン パルスはプリパルスによって生成されたプリプラズマと相互作用する。しかし
２．実験
このようなプリプラズマは高エネルギー粒子発生にとって必ずしも最適ではない。従ってプリパル
この実験で使用されるレーザーはチャープパルスの低減が望まれる。プリパルスの遮断法には、
ス増幅に基づいたテラワットレーザーである。そポ ッ ケ ル ス セ ル [6‑8]、プラズマミラー[9]、増幅のシステムはオシレーター、ストレッチャー、再用 種 パ ル ス の 整 形 [10]などいくつか存在する。こ生増幅器、マルチパス増幅器、圧縮器から較正さ
こでは薄膜上に生成したプラズマと高強度フェム
れ る 。 中 心 波 長 790nm 、 最 大 パ ル ス エ ネ ル ギ ー
ト秒レーザーとの相互作用を用いたプリパルス制
600mJ 、 圧 縮 後 の パ ル ス 幅 50fs、ナノ秒領域での御を検討する。
レーザーコントラストは2×10 ‑6である。実験体系
薄膜フィルター法の概要は以下の通りである。
は以下の通りである。二つの軸外し放物面鏡
テラワットレーザーの相互作用時の強度は（ OAP ） を 焦 点 を 共 有 す る よ う に 対 向 し て 設 置 す
10 18W/cm 2 〜10 19W/cm 2を超える。レーザーコントラる 。 軸 外 し 角 は 90 °、焦点距離は178mmである。
ス ト が 10 ‑6とすればこれは10 12〜10 13W/cm 2のプリパ
レ ー ザ ー は 第 一 の OAP によって標的上に集光されルスレベルをもたらす。このプリパルスは標的上る 。 集 光 点 を 通 過 し た レ ー ザ ー 光 は 第 二 の OAPににプラズマを生成するのに十分な強度であり、生よって平行化され測定部に導かれる。薄膜標的は成されたプラズマはさらにこのプリパルスによっ垂直入射の角度で焦点近傍に設置される。標的面て加熱される。初期プラズマ密度は臨界密度を超を更新するために標的は自動ステージによって標

１．はじめに

1E-mail: kino@utnl.jp631

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CCD
OAP (90 degree)f = 178 mm

Foil

OAP (90 degree)f = 178 mm

Lens
Bandpass
Filter 795 nmm ovable st age

Screen(Laser damp)

Dielectri cmirrorLens
BandpassFilter 795 nm

Ti:Sapphire
Laser(from Las er transport)

Photodiode

図 1: 実 験 体 系 図

Intensity [a.u.]

Intensity [a.u.]

的 面 方 向 に ス ラ イ ド す る 。 集 光 部 は 約 1 ×10 ‑4
薄膜を透過する。透過率の回復はレーザーの入射Torr の 真 空 中 に 置 か れ る 。 薄 膜 を 透 過 し た レ ー
か ら 約 10ns 後 で あ る 。 こ れ に よ り 、 高 強 度 レ ー
ザー強度はフォトダイオードによって測定される。 ザープリパルスに対応するナノ秒レーザー照射にフォトダイオードはレーザー光を減衰させるためよって、ナノ秒時間領域でプラズマの生成、拡散、の誘電体多層膜ミラーの背後に設置される。レー
低密度化およびそれによるレーザー透過が起きる
ザー光を集めるためのレンズが誘電体ミラーと事が確認された。
フォトダイオードの間に設置される。プラズマ光
次にフェムト秒パルスに対するプリパルス抑制
を 遮 断 す る た め に 中 心 波 長 795nm、バンド幅10nmの効果を調べるために、フェムト秒ダブルパルスのバンドパスフィルターがフォトダイオードの前を 用 い た 測 定 を 行 っ た 。 図 3はダブルパルスによに設置される。誘電体ミラーに反射されたレーるフォトダイオードの波形である。破線は薄膜が0.1
ザーはレーザー止めの白板上に投影される。白板
without foil
上に映った横方向レーザー分布はＣＣＤカメラで(a)0.08測定される。実験体系図を図1に示す。
(b)
まずナノ秒パルスの薄膜標的に対する影響を調0.06
べた。シードパルスがない場合、再生増幅器はナノ秒パルスを生成する。それらナノ秒パルスを標
0.04
的 上 に 集 光 す る 。 図 2 は薄膜透過強度の時間変化
0.02で あ る 。 標 的 と 集 光 点 と の 距 離 は (a)450 μ m 、(b)250 μ m 、(c)50μm、(d)0μmである。集光強度0の 見 積 は (a)1.4 ×10 11W/cm 2 、 (b)4.5 ×10 11W/cm 2、122132(c)5.5 ×10 W/cm 、(d)1.0×10 W/cm である。(d)0102030における集光強度はフェムト秒高強度レーザーをTime [ns]集光した際のプリパルスレベルに対応する。標的0.1の 材 質 は 厚 さ 10 μ m のポリ塩化ビニリデンである。
without foil ~ 1/7(c)
破線は薄膜がない場合の透過強度である。実線は0.08(d)薄膜がある場合である。ナノ秒パルスのパルス幅~ 10 ns
0.06は 8ns である。図2の(a)および(b)からプラズマ生成に必要なレーザー強度を読み取る事ができる。
0.04
標的はプラズマが生成される前はレーザーに対して透明である。従って、レーザー強度が低いパル
0.02
スの前部は標的を透過している。レーザー強度がプラズマを作るのに十分な強度に達した時点で標0
的は不透明になりレーザー透過率が下がる。その0102030
強 度 は 約 8 ×10 10W/cm 2 と 見 積 も ら れ る 。 図 2の(c)Time [ns]と (d) で は パ ル ス の 前 部 に 透 過 率 の 抑 制 が 見 ら れ
図 2: ナ ノ 秒 パ ル ス 薄 膜 透 過 の 時 間 変 化 .
る。プラズマは数ナノ秒の間不透明であった後、膨張によって低密度化が起こり、パルスの後部が632

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0.60.5Intensity [a.u.]で観測される薄膜なしでの横方向レーザー分布はレーザー輸送光学系におけるミラーの損傷などの影響でホットスポットや窪みを持った分布となって い る （ 図 4 左上および左下）。薄膜プラズマ透過後のナノ秒パルスの空間分布は初期分布と比べて 滑 ら かで、よりガウス分布に近い形状となる。
これは焦点位置におけるプラズマ透過が空間フィルターの役目を果たしているためと考えられる。
焦点位置に置かれた微小ピンホールはレーザー分布の高次成分を遮断し遠方での分布をガウス分布に 近 づ け る 働 き を 持 つ 。 図 4の結果は薄膜プラズ
マがレーザー透過時に微小ピンホールとなっている可能性を示唆する。

without foil 2nd pulse
with foil
1.2×10 18 W/cm20.4

1st pulse
5.8×10 17 W/cm20.30.20.1< 1/100-0.1010203040Time [ns]図 3: フ ェ ム ト 秒 ダ ブ ル パ ル ス の 薄 膜 透過率３．まとめ

ない場合、実線は薄膜がある場合である。集光点に お け る 強 度 は 第 一 パ ル ス が 1×10 18W/cm 2、第二パ ル ス が 2 ×10 18W/cm 2である。標的の材質は厚さ4μ mのポリプロピレンである。第一パルスと第二パ ル ス の 時 間 間 隔 は 約 8ns で あ る 。 薄 膜 透 過 によ っ て 第 一 パ ル ス は 1/10以下に減少している。第一 パ ル ス 到 達 時 に は プラズマ密度が臨界密度以上であり、そのプラズマによってレーザーが遮断されたためと考えられる。第二パルスはほぼ減衰せずに透過している。従って、10ns程度の拡散時間であっても薄膜プラズマ透過時におけるフェムト秒レーザーの消耗は大きな問題とはならないと考えられる。
薄膜透過によって横方向レーザー分布が影響を受 け る 事 が 考 え ら れ る 。 図 4にナノ秒パルスにおける横方向レーザー分布の変化を示す。白板位置
without foilwith foil
Hot spot Damage ona mirror

参考文献

Dark at the center
30000

6000

25000
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15000
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高強度超短パルスレーザーによるＸ線発生、イオン発生、電子発生等を最適化するためにはナノ秒プリパルスの制御が必要である。そのために我々は薄膜フィルターによるレーザーコントラス
ト 向上について研究を行い、薄膜標的上へのナノ秒レーザーパルスの集光とプラズマ生成、レーザー透過、フェムト秒パルスとの相互作用について実験的に調べた。初期高密度プラズマによるナノ秒パルスの遮断と膨張低密度化によるパルス後部の透過が確認された。フェムト秒パルスが薄膜プラズマを透過可能であることを確認した。薄膜
プラズマの空間フィルター効果によってナノ秒パルスの横方向レーザー分布が変化する事を確認した。今後、空間分布やスペクトル変化等、メインパルスと薄膜プラズマとの相互作用のさらなる調査を行う予定である。

0100200300400500

図 4: 薄 膜 透 過 に よ る レ ー ザ ー 空 間 分 布 の 変
化[1] J. A. Cobble, et al., J. Appl. Phys. 69, 3369 (1991).
[2] T. Feurer, et al., Phys. Rev. E 56, 4608 (1997).
[3] F. N. Beg, et al., Phys. Plasmas 4, 447 (1997).
[4] M. Yoshida, et al., Appl. Phys. Lett. 73, 2393 (1998).
[5] E. L. Clark, et al., Phys. Rev. Lett. 85, 1654 (2000).
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[7] A. V. V. Nampoothiri, et al., Rev. Sci. Instrum. 69, 1240
(1998).
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