[論文レビュー] Laser pulse compression by a density gradient plasma for exawatt to zettawatt lasers

Min Sup Hur, Bernhard Ersfeld+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、エクサワットからゼットワットレーザー向けに超短パルスを達成するために、縦方向密度勾配を持つプラズマを用いた新しいレーザーパルス圧縮技術を提案する。プラズマラムにおける周波数依存透過深さを活用することで、空間的に変化する分散を介して負のチープ（chirp）パルスが圧縮され、1次元PICシミュレーションで2.35 psから10.3 fsへの圧縮（比 225）を実証した。これは、従来のチープドパルス増幅（CPA）コンponentsに対する耐障害性の高い代替手段を提供する。

ABSTRACT

We propose a new method for laser pulse compression that uses the spatially varying dispersion of a plasma plume with a density gradient. This novel scheme can be used to compress ultrahigh power lasers. A long, negatively frequency-chirped, laser pulse reflects off the plasma ramp of an over-dense plasma. As the density increases longitudinally the high frequency photons at the leading part of the laser pulse propagates more deeply than low frequency photons, the pulse is compressed in a similar way to compression off a chirped mirror. Proof-of-principle simulations, using a one-dimensional (1-D) particle-in-cell (PIC) simulation code demonstrates the compression of 2.35 ps laser pulse to 10.3 fs, with a compression ratio of 225. As plasmas is robust and resistant to high intensities, unlike gratings in a chirped-pulse amplification (CPA) technique [1], the method could be used as a compressor to reach exawatt or zettawatt peak power lasers.

研究の動機と目的

• 従来の光学素子の限界を超えて、超高強度に耐える、超短パルスを圧縮するための堅牢な手法の開発。
• チープドパルス増幅（CPA）システムにおける誘電体グレーティングの破壊閾値を克服するため、それらをプラズマベースの圧縮器に置き換えること。
• エクサワットからゼットワットのピークパワーを達成するための、高強度に耐性のあるプラズマベースの圧縮方式の実現可能性の検討。
• 粒子-場（PIC）シミュレーションを用いて、プラズマラムにおける空間的に変化する分散を介したパルス圧縮の原理を実証すること。

提案手法

• 縦方向密度勾配を持つ過密プラズマラムとレーザーパルスの相互作用をモデル化するため、1次元粒子-場（PIC）シミュレーションを用いる。
• 低密度プラズマにおける周波数依存の位相速度を活用し、高周波数成分が低周波数成分よりも深くプラズマに浸透することを活用する。
• 前方に長い波長を持つ負のチープ（chirp）レーザーパルスを用い、プラズマラムで反射させることで、群速度の差による時間的圧縮を実現する。
• 圧縮は、プラズマ分散の空間的変化に起因する：パルスが密度が増加する領域から反射するにつれ、高周波数成分は短い経路長を経て、速い群速度で出射する。
• プラズマラムは、材料の破壊限界がないため、従来のチープドミラーと同様の働きを示すが、極めて高い強度でも使用可能である。
• シミュレーション設定では、2.35 psのレーザーパルスが線形密度勾配を持つプラズマに照射され、スペクトル全体における位相速度と群速度の差異によって圧縮が実現される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 縦方向密度勾配を持つプラズマが、材料の破壊を起こさずに空間的に変化する分散を介して超短パルスを圧縮できるか？
• RQ2 1次元PICシミュレーションにおいて、このプラズマベースの方法で達成可能な圧縮比と最終的なパルス幅は何か？
• RQ3 プラズマラムにおける周波数依存透過深さが、負のチープ（chirp）レーザーパルスの時間的圧縮をどのように引き起こすか？
• RQ4 この方法が、エクサワットからゼットワットのピークパワーに到達するCPAシステムにおける誘電体グレーティングの実用的代替手段として有効であるか？
• RQ5 プラズマラムを圧縮器として用いる場合、群速度分散が圧縮プロセスにおいて果たす役割は何か？

主な発見

• この手法により、1次元PICシミュレーションで225倍の圧縮比が達成され、2.35 psのレーザーパルスが10.3 fsに圧縮された。
• 圧縮は、プラズマラムにおける周波数依存透過深さに起因し、高周波数成分が深く浸透し、結果として早期に放出される。
• プラズマベースの圧縮器は高強度に耐える特性を示し、CPAで使用される従来の誘電体グレーティングの破壊限界を回避する。
• シミュレーション結果は、プラズマラムを超高強度・超短パルス用の時間的圧縮器として使用可能であることを確認した。
• 圧縮メカニズムはチープドミラーに類似しているが、プラズマ媒体内で動作するため、次世代のエクサワットおよびゼットワットレーザーシステムへの応用が可能である。
• この手法は材料劣化を伴わず、従来の光学素子が失敗する極めて高い強度の応用に適している。