レーザー加速のためのオゾンガス光学素子
電気通信大学 道根百合奈, 米田仁紀

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
開催日 ： 2024/08/05 場所 ： 科学技術振興機構 東京本部別館

紫外レーザー書込みオゾン気体光学素子の開発
Y. Michine and H. Yoneda, Com. Phys. 3, 24 (2020)

RFflow controlvalve

RFO

0th

O2+ O3open window

20 ns

1th diffracted
beam

grating

O2

15 ns

55 ns
回折格子生成の様子

UV laserUV laser(266nm, 6ns pulse)
Incidentlaser

Pumpingsystem••••

オゾンで作る回折格子・レンズ
原材料は空気（酸素）
壊れない・繰り返し再生可能な過渡的光学素子
可視～赤外までのパルスレーザー光に対応可「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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現在までの原理実証実験成果
1. 高耐力 (1.6 kJ/cm2 @6ns pulse)
2. 高回折効率 (96%)
3. 安定性 (±4% @ 96%)
4. 高波面品質( ~ λ/20 for 4x6mm2)
5. 超低挿入損失( < 10-5)ナノ秒レーザーに対して、

airozoneozone+UV
light
280
60
40
2000.001

通常の光学素子

100倍高耐力

平均回折効率:96%
回折効率efficiency[%]
Diffraction
[%]

損傷確率
[%] [%]
Ionization
degree100

損傷閾値:1.6 kJ/cmc

1.6 kJ/cm2
0.010.12] 2
入射レーザー強度[kJ/cm
Input energy [kJ/cm]

10

偏向依存性なし

10080

回折波面精度: ~ λ/10600.6 λ
0.5 λ
0.4 λ0.3 λ0.2 λ0.1 λ
0402001を実証

020406080

紫外レーザー強度[mJ/cm2] 2

100120

UV laser energy [mJ/cm ]「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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レーザー加速で求められること
光学素子の耐久性＋
UV1①レーザーシステムの小型化②ターゲット周辺のデブリフリー集光光学系③電子追加速のための電子ビーム透過・レーザー反射光学系④高耐力・長寿命なパルス圧縮用回折光学系
ガスジェット
電子ビーム
ソレノイド
レーザー
電子加速

高耐力ミラーレーザー

ガスジェット

UV2

オゾンガ
スレンズ

電子加速
置き換え

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85×70 ㎝2
1×5 ㎝24

①レーザーシステムの小型化： レーザー増幅器間・波面補正光学系
既存レーザーシステムのダウンサイジング＆波面補正
既存レーザーシステムでは、レーザー光増幅媒質の間に、歪んだ波面を補正（クリーニング）する空間フィルターが必須。
現在のレーザー
光増幅媒質①
低出力レーザー光入射

光増幅媒質②

空間フィルター①

光増幅媒質③

空間フィルター②

オゾンガス光学系

https://lasers.llnl.gov/about/how-nif-works/beam-transport「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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①レーザーシステムの小型化： レーザー増幅器間・波面補正光学系
空間的な波面補正では、オゾン光学素子の特徴がそのまま利用できる。100J級レーザーで試験準備中。

０次光入射レーザー光

オゾン回折光学素子

１次回折光干渉計で作る高精度な粗密波により、高品質波面のみが選択的に回折「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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①レーザーシステムの小型化： レーザー増幅器間・波面補正光学系
時間的なフィルタリングもできれば、戻り光防止（アイソレーター）機能も兼ねられる。
⇒オゾン粗密波の時間変調特性を制御する必要あり-3

オゾン密度Ozone
density [cm ]5 10174 1017
3 10172 101715 ns

1 1017
00 ns

明部

暗部
55 ns
04080120160

200240280

probe
time after UV laser pulse [ns]紫外レーザー照射後からの時間[ns]「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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②ターゲット周辺のデブリフリー集光光学系

干渉パターン・オゾンレンズの高NA化
・干渉パターンに対しての入射角のマッチングを技術的に確立させる。

UV2

UV1

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②ターゲット周辺のデブリフリー集光光学系
f = 260 mmレンズ条件での0次透過光と1次回折集光光
１次回折集光光

０次透過光・集光性能はOK。
・縞間隔と非制御レーザー入射角のマッチング不一致の解決が課題。

500 µm25.4 µm69.5 µm

Vertical

M2=1.11350
300
250200150
100500200220240260280300

Distance from the ozone gas lens [mm]Diameter of the diffracted beam [ µm]

Diameter of the diffracted beam [ µm]

干渉パターン
Horizontal

M2=1.10350300
250200150
100

UV2500200220240260280300

Distance from the ozone gas lens [mm]「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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UV1

特願2019-237955

9③電子追加速のための電子ビーム透過・レーザー反射光学系
真空対応オゾン光学素子の開発が必須。
高圧・高濃度オゾン生成＆貯蔵技術開発が鍵
書き込み
UVレーザー

ガスジェット
電子ビーム
ソレノイド
レーザー
電子加速

ガス停滞部

高耐力ミラーレーザー

ガスジェット

オゾンガ
スレンズ

電子加速
置き換え

ガス停滞部構造の生成

被制御レーザー
高速パルス
バルブ
高圧・高濃度
オゾンガス「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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③電子追加速のための電子ビーム透過・レーザー反射光学系
２気圧酸素＋６気圧Heで高圧オゾン生成（バリア放電）

真空下での粗密波生成

Discharge current [mV]

1000
900
800

_O2_2atm_O2_2atm_He_3atm_O2_2atm_He_5atm_O2_2atm_He_6atm

1mm

700
600
500
400
300

6080

100120Applied voltage [V]140160・放電時のギャップ間隔短縮＋バッファガスによる高圧化
・オゾン貯蔵技術

t<0 µs1mmt=800 µs「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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④高耐力・長寿命なパルス圧縮用回折光学系
オゾン混合ガス排出長尺オゾンセルオゾンガス回折格子 II
オゾン混合ガス入力

オゾンガス回折格子 I
UV書き込みレーザーペア I・長尺オゾンガス流路・広帯域波長で効率良く回折できるか？

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12④パルス圧縮用回折光学系: 長尺ガス流路
単層ガス流路ガス乱流

開口部

O 2 + O3
排気time３層ガス流路N2O 2 + O3
N2

排気time特願2024-055808「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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④パルス圧縮用回折光学系: 長尺ガス流路
ガイドガスin
オゾンガスin

ガイドガスin

0.5 cmOzone window

5 cm

0.5×5cm2矩形開口流路

Sensors and gas flow
control unit

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14④パルス圧縮用回折光学系：広帯域性
不等間隔ガスレンズでチェック

０次透過光像580 nm

565 nm

600 nm0.6mm

Δλ~20 nmdiffraction effiiciency [arb.unit]

ガスレンズ回折領域の波長依存性（入射角一定、f=200）
1.2

green
yellow
red0.2mm

1Δλ~20 nm で回折可能。（回折位置は0.2mm程度のずれ）
より広帯域のレーザー光での対応は難しい？？
（各波長ごとに入射角の調整、ガス厚みの低減、Δnの増加）

0.8
0.6
0.4
0.2
01.522.5

3position[mm]3.54「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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④粗密構造の時間発展吸収計測像の観測
UV: 110 mJ/cm2Y.Michine, et al., Physics of Fluids 36, 041703 (2024)

200ns

160ns

10µm

172.5 ×10

171.5 ×10

173×10172×10171×1017t = 200 ns

t=3µs

0-60193 x 10192 x 10
1 x 105 10 16×4 x 10-40-2002040601919-3

3.5 ×
10

Estimated O2 density [cm ]-3 -3Measured O O density
density [cmMeasured[cm ] ]
33120ns

0ns

0Position [µm]µ m]

Position [ピーク時には疎な部分でO3密度は０に。ガス中に急峻な屈折率ジャンプができている「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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その他の応用
レーザー加工時のデブリ（材料の飛散物）問題の解決

米国国立点火施設 レーザー核融合の最終集光光学系
45×45 cmのレンズ、回折格子、デブリシールドガラスetc.

多点加工

レーザー照射部で融解したデブリが光学素子に付着、損傷の原因に⇒ガス光学素子で、メンテナンス＆ダメージフリーなレーザー加工システムの構築「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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3×3 cmのオゾンレンズ

17まとめ
気体媒質を使用する新しい光学素子をレーザー加速システムに実装させるため、現在、以下のR＆Dが進行している。
① レーザーシステムの小型化

オゾン素子の高品質波面弁別、時間的スイッチングでフィルターの置き換え②ターゲット周辺のデブリフリー集光光学系

オゾンレンズの高NA化に向けた原理実証試験と計算コードが開発完了③電子追加速のための電子ビーム透過・レーザー反射光学系
真空対応オゾン素子の生成。 高圧・高濃度オゾン生成は今後の課題④高耐力・高寿命なパルス圧縮用回折光学系
より広帯域波長に利用できる粗密波励起が可能になった。次は実際の超短パルスレーザーでの試験へ
その他、レーザー加工やレーザー核融合のためのオゾン光学素子の応用研究も進行中。

「レーザー駆動による量子ビーム加速器の開発と実証」 2024年度シンポジウム
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