[論文レビュー] Relativistic near-single-cycle optics at 1 kHz

Marie Ouillé, Aline Vernier+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、真空中に統合されたストレッチドフレキシブルホールフイバー圧縮器を用いて、25 fs未満のTi:サファイアパulsesを非線形圧縮することで、1 kHzで1.5周期、相対論的強度のパルスを生成するレーザーシステムを提示している。このシステムはエネルギー、スペクトル、空間的分布およびキャリアエンVELOPE位相（CEP）において優れた安定性を達成しており、相対論的強度下でのレーザー・ウェーブフィールド加速におけるCEP依存性の電子エネルギー分佈の初回実験的観測を可能にした。

ABSTRACT

We present a laser source delivering waveform-controlled 1.5-cycle pulses that can be focused to relativistic intensity at 1 kHz repetition rate. These pulses are generated by nonlinear compression of high-temporal-contrast sub-25\,fs pulses from a kHz Ti:Sapphire double-chirped pulse amplifier in a stretched flexible hollow fiber compressor scaled for high peak power. The unique capabilities of this source are demonstrated by observing carrier-envelope phase effects in laser-wakefield acceleration of relativistic electrons for the first time.

研究の動機と目的

• 相対論的強度下で、近似的に1周期、CEP安定なパルスを出力可能な高繰り返し周波数・高ピークパワーのレーザー源の開発。
• 高い時間的コントラスト、安定性、および超短パルス幅を組み合わせることで、相対論的レーザー・プラズマ相互作用におけるサブサイクル時間制御の実現。
• 1 kHz繰り返し周波数で達成されていなかった、相対論的条件下におけるレーザー・ウェーブフィールド加速（LWFA）におけるキャリアエンVELOPE位相（CEP）効果の観測。
• 低密度プラズマ内での電子注入および加速の精密制御に、CEP制御可能な数サイクルパルスを用いる可能性の実証。

提案手法

• 1 kHz繰り返し周波数で、25 fs未満、高い時間的コントラストを持つシードパルスを生成するため、Ti:サファイア技術に基づく二重チープドパルスアンプ（CPA）を採用。
• ストレッチドフレキシブルホールフイバー圧縮器を用いて、真空中に統合された構造により、近似的に1周期（719 nmで1.5周期）のパルス長に圧縮。
• 高いピークパワーに適合するようにホロウファイバー圧縮器をスケーリングし、非線形位相シフトを低減し安定性を向上させるために真空中で動作。
• キャリアエンVELOPE位相（CEP）の安定性は、アクティブフィードバック制御により維持され、レーザーパルス波形の精密制御を可能にした。
• システムは最大1 TWのピークパワーと、719 nm中心波長で3.6 fs（1.5周期）のパルス幅を達成した。
• 焦点を当てたレーザー・ウェーブフィールド加速実験を実施し、相対論的強度に到達させる。電子エネルギー分佈は、CEP依存性の動態を検出するために測定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 kHz繰り返し周波数で、CEP安定、近似的に1周期、相対論的強度のレーザーパルスを生成可能か？
• RQ2 キャリアエンVELOPE位相（CEP）が、相対論的条件下でのレーザー・ウェーブフィールド加速における電子注入およびエネルギー分佈に顕著に影響を与えるか？
• RQ3 エネルギー、スペクトル、空間的分布およびCEPパrameterの安定性を同時に達成でき、サブサイクル制御が相対論的レーザー・プラズマ相互作用で可能か？
• RQ4 パルス幅が1周期に近づく際、CEPがLWFAにおける電子エネルギー分布に及ぼす影響は何か？

主な発見

• レーザーシステムは、1 kHz繰り返し周波数、最大1 TWのピークパワー、優れた時間的コントラストを有する1.5周期、3.6 fsのパルスを出力した。
• キャリアエンVELOPE位相（CEP）の安定性が、すべてのパルスパラメータで維持され、レーザー波形の精密制御が可能となった。
• 電子エネルギー分佈に明確なCEP依存性のモードが観測された：0.5 MeVのピークと0.65 MeVのテール成分が、CEPをπ/2シフトさせると消失した。
• 標準偏差解析により、平均スペクトルを500ショットで平均化した結果、CEP効果はスペクトルゆらぎよりも顕著に大きいことが確認された。
• プラズマ内での位相分離長（L₂π ≈ 8 µm）が確認され、CEP効果が観測可能となるのは、数マイクロメートル以内の注入時限に限られることを示した。これは、パルスパラメータに極めて高い安定性が要求されることを示唆している。
• 本研究は、1 kHz繰り返し周波数で近似的に1周期パルスを用いた相対論的レーザー・ウェーブフィールド加速におけるCEP効果の初回実験的観測を報告した。