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1 2014/04/17 大阪大学 光パラメトリックチャープパルス増幅法を用いたコヒーレント軟 X 線光源に関する研究 石井順久 東京大学物性研究所板谷研究室助教

2 光パラメトリックチャープパルス増幅法を用いたコヒーレント軟 X 線光源に関する研究 1. 光源開発 -> 赤外光パラメトリックチャープパルス増幅器開発 N. Ishii, et al., Opt. Lett. 37, 4182 (2012) 2. 応用実験 -> 赤外光源を用いた電場波形依存する軟 X 線高次高調波発生実験 N. Ishii, et al., Nature Communications 5, 3331 (2014)

3 概要 1. 板谷研 ( 東大 物性研 ) と研究内容の紹介 2. 本研究の背景と概要 3. 赤外光パラメトリックチャープパルス増幅器開発 (Optical parametric chirped-pulse amplifier, OPCPA) 4. 電場波形保持サブ2サイクル赤外光パルスを用いた電場波形依存する軟 X 線高次高調波発生実験

4 概要 1. 板谷研 ( 東大 物性研 ) と研究内容の紹介 2. 本研究の背景と概要 3. 赤外光パラメトリックチャープパルス増幅器開発 (Optical parametric chirped-pulse amplifier, OPCPA) 4. 電場波形保持サブ2サイクル赤外光パルスを用いた電場波形依存する軟 X 線高次高調波発生実験

5 物性研究所板谷研究室

6 物性研究所板谷研究室

7 物性研究所板谷研究室 Laser and Synchrotron Research Center (LASOR センター ) 板谷研究室 準教授助教技官 PD D2 D1 秘書

8 研究テーマ : レーザー開発と超 速分光 ( 原 分 ) 研究テーマ 強度超短パルスレーザーの開発 アト秒光科学 強度テラヘルツ光の発 分 のコヒーレント制御 コヒーレント軟 X 線の物性応 エレクトロニクス 分 機械 分 の振動 電 の移動 ( 化学反応 )

9 私達は光子と電子の相互作用の研究をしています 素晴らしい!! フジテレビ ガリレオ 福山雅治主演 2013 年 5 月 20 日放映

10 概要 1. 板谷研 ( 東大 物性研 ) と研究内容の紹介 2. 本研究の背景と概要 3. 赤外光パラメトリックチャープパルス増幅器開発 (Optical parametric chirped-pulse amplifier, OPCPA) 4. 電場波形保持サブ2サイクル赤外光パルスを用いた電場波形依存する軟 X 線高次高調波発生実験

11 高次高調波発生時の励起レーザー波長依存性 Cutoff energy (ħω) max = I p U p : (U p I laser *λ 2 ) = 210 ev (800 nm driver) (at W/cm 2 ) = 780 ev (1600 nm driver) Atomic gas irradiated by 800 nm, 5 fs, ~10 14 W/cm 2 pulses Ionization threshold Ionization threshold

12 固体物理にとって重要なスペクトル領域 L edges of light elements (N,O,Ne,Na,Mg,Al,Si,P,S, Cl,Ar,K,Ca) L edges of 3d transition metals (Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu) HH Cutoff 14 W/cm 2 =0.8 m =1.5 m =2.0 m Transmission Carbon Water Water window Photon energy (ev)

13 高次高調波発生によるアト秒パルス発生 : 搬送波包絡線位相 (Carrier-envelope phase(cep)) の効果 Cutoff energy (ħω) max = I p U p (U p I laser *λ2 ) Cosine pulse コサイン波での高調波スペクトル (1 burst at the cutoff) Sine pulse サイン波での高調波スペクトル (2 bursts at the cutoff)

14 アト秒パルスによる超短可視光パルスの直接測定 E. Goulielmakis, et al., Science 305, 1267 (2004). A. Wirth, et al., Science 334, 153 (2011).

15 背景 超高速分光のための軟 X 線コヒーレント光発生チタンサファイアレーザー励起の高次高調波発生 -> 極端紫外域 (~ 100 ev) が限界赤外電場励起高調波発生 -> 軟 X 線領域 (> 300 ev) に拡大し超高速分光 実験概要 赤外光の電場波形に依存する水の窓高次高調波発生実験 : -> 搬送波包絡線位相 (CEP) 依存するハーフサイクルバースト -> 軟 X 線アト秒パルス発生の可能性

16 概要 1. 板谷研 ( 東大 物性研 ) と研究内容の紹介 2. 本研究の背景と概要 3. 赤外光パラメトリックチャープパルス増幅器開発 (Optical parametric chirped-pulse amplifier, OPCPA) 4. 電場波形保持サブ2サイクル赤外光パルスを用いた電場波形依存する軟 X 線高次高調波発生実験

17 赤外光源への要求 1. ミリジュール級高エネルギーレーザーパルス -> 高次高調波発生のため集光強度 W/cm 2 以上必要 2. 超短パルスドライブレーザー -> アト秒パルスまたはパルストレインの発生と超高速分光用 3. 孤立アト秒パルス発生 -> 数サイクルパルス幅と搬送波包絡線位相の安定化 -> 超広帯域増幅ならびに高エネルギーパルス発生のために赤外域での光パラメトリックチャープパルス増幅法 (Optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA)) を採用

18 光パラメトリック増幅 (OPA) による超広帯域増幅 Optical parametric amplification (OPA) -> 2 次の非線形光学効果を用いた光増幅法 非線形結晶 ( 反転対称性がない物質 ) を用いたパラメトリック増幅 Pump, ω, k (= (n( ω ) ω /c)), θ p p p p p Pump, ω, Signal, ωs, k, s θs Nonlinear Signal, ωs, k, s θ crystal Idler, ωi, k, i θi p k, p θ p s 2 つの条件を満たすとき効率の良い増幅が可能エネルギー保存 :ω p =ω s +ω i, 運動量保存 :k p =k s +k i (k = nω/c n: 物質の屈折率 )

19 BiB 3 O 6 (BIBO) OPA における超広帯域増幅 k k Phase-mismatch: Δk Signal: k s, Idler: k i, Pump: k p s k i k p OPA Gain spectrum (calc) BIBO: 4 mm thick Pump: 790 nm, 20 GW/cm 2 Cf. BIBO s transparent range: nm OPA gain Degenerate OPA => Odd terms = 0 Seed Zero GDD => The 2 nd order term = 0 ex. BBO (zero GGD at 1450 nm, pump 725 nm) BIBO (zero GGD at 1580 nm, pump 790 nm) A. Gaydardzhiev, et al. Opt. Express 16, 2363 (2008) N. Ishii, et al. Appl. Phys. Express 4, (2011)

20 高調波発生用赤外光源 (BiB 3 O 6 -OPCPA) N. Ishii et al., Opt. Lett. 37, 4182 (2012)

21 高調波発生用赤外光源 (BiB 3 O 6 -OPCPA) 1 cycle = 5.3 fs (1600 nm) N. Ishii et al., Opt. Lett. 37, 4182 (2012) 160 mrad (rms)

22 高調波発生用赤外光源 (BiB 3 O 6 -OPCPA) N. Ishii et al., Opt. Lett. 37, 4182 (2012) OPCPA parameters Pulse duration : 9.0 fs (5.3 fs period at 1600 nm) Spectrum width : nm Pulse energy : 550 uj Energy stability : 0.85 % (rms) CEP stability : 160 mrad (rms)

23 概要 1. 板谷研 ( 東大 物性研 ) と研究内容の紹介 2. 本研究の背景と概要 3. 赤外光パラメトリックチャープパルス増幅器開発 (Optical parametric chirped-pulse amplifier, OPCPA) 4. 電場波形保持サブ2サイクル赤外光パルスを用いた電場波形依存する軟 X 線高次高調波発生実験

24 赤外 OPCPA 開発後の最初の高調波実験 現在までは 1.Ti:saレーザーによってのみ 2. 電場波形に依存の極端紫外域 (< 150 ev) 高調波発生 赤外光パルスを使った電場依存水の窓 (> 300 ev) 高調波発生実験 -> 世界で初めての赤外光パルスによる水の窓電場依存高調波発生 -> Key milestone for シングル軟 X 線アト秒パルス発生と評価 超高速軟 X 線分光 ( 元素選択性 ) 電場波形一定の赤外光パルスによる高強度電場下のイオン化実験

25 高調波発生セットアップ 1 IR OPCPA output -> HHG setup Gas flow from two holes drilled on squeezed tube Ne Up to 2 atm Laser HHG set up

26 Water window HHG ネオンからの水の窓高調波発生 ( 炭素 K 端吸収 ) 1 Parylene (C 8 H 8 ) 3-10 sec acq. - Cutoff extends to 325 ev beyond Carbon K-edge at 280 ev - Achieved intensity of > 3.8 x W/cm 2 (with a focal length of 375 mm)

27 極端紫外域 (~100 ev) における CEP 依存性 コムのエネルギー間隔 (Ti:sapphire lasers)-> 3.1 ev at 100 ev Cosine pulse 1 burst near the cutoff Sine pulse 2 bursts near the cutoff SFA-based HHG simulation with Ne target, E-field: 5 fs, 800 nm, 3.8 x W/cm 2

28 極端紫外域 (~100 ev) における CEP 依存性 コム間隔コムのエネルギー間隔 ( 赤外水の窓高調波 (Ti:sapphire )-> 1.5 ev lasers)-> at 300 ev 3.1 ( 高分解能が必要 ev at 100 ev ) Cosine pulse 1 burst near the cutoff Sine pulse 2 bursts near the cutoff SFA-based HHG simulation with Ne target, E-field: 5 fs, 800 nm, 3.8 x W/cm 2

29 高エネルギーでの CEP 依存性検証 : ハーフサイクルカットオフ (Half-cycle cutoffs (HCO)) Cos-pulse * C. A. Haworth et al., Nat. Physics 3, 52 (2007). Sin-pulse

30 CEP 依存高調波発生 1 IR OPCPA output -> HHG setup Gas flow from two holes drilled on squeezed tube Ne Up to 2 atm Laser CEP control HHG set up

31 高調波スペクトル内の HCOs: 実験と計算 HCOs dependent on CEP: experiment SFA simulations

32 CEP 依存水の窓高調波発生 Water window HHG : 実験と計算 1 Experiment 1.4 mm interaction in 0.6 atm Ne SFA-based HHG simulation Ne, 10 fs, 1600 nm, 3.8 x W/cm 2-1st observation of CEP dependent HHs and HCOs in the WW - Cut off extends to Carbon K-edge (284 ev) - Achieved intensity of ~ 3.8 x W/cm 2

33 Water window HHG アト秒パルス発生の可能性 : パルス幅とスペクトル分散 1 75-eV-wide continuum expected -> Isolated attosecond pulse in WW

34 まとめ 1. BIBO-OPCPA による数サイクル赤外光源開発 N. Ishii, et al., Opt. Lett. 37, 4182 (2012) 2. 世界で初めて水の窓領域でCEP 依存高調波発生の観測 -> ハーフサイクルバーストが325 ev 程度まで伸張された -> 軟 X 線アト秒パルス発生の示唆 N. Ishii, et al., Nature Communications 5, 3331 (2014) 将来計画 1. 赤外光源のアップグレード -> 軟 X 線高調波の高フラックス化 2. 孤立アト秒パルスの赤外電場による光ストリーク 3. 超高速軟 X 線吸収分光 ( 元素選択 : 炭素 酸素 ) -> 元素選択された化学結合を特定して超高速分光

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