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...

石井

順久

東京大学

物性研究所

板谷研究室

助教

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

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)

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

物性研究所

板谷研究室

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PDD2 D1秘書

1112211

9

研究テーマ：レーザー開発と超⾼速分光（原⼦、分⼦）

研究テーマ• ⾼強度超短パルスレーザーの開発• アト秒光科学• ⾼強度テラヘルツ光の発⽣、分⼦のコヒーレント制御• コヒーレント軟X線の物性応⽤

電⼦の移動（化学反応）

分⼦の振動

エレクトロニクス

分⼦機械

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

概要







高次高調波発生時の励起レーザー波長依存性

Cutoff energy (ħω)max = Ip + 3.17 Up : (Up ∝ Ilaser *λ2)= 210 eV (800 nm driver) (at 1015 W/cm2)= 780 eV (1600 nm driver)

Atomic gas irradiated by 800 nm, 5 fs, ~1014 W/cm2 pulses Ionization threshold

Ionization threshold

102 3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9

10002

1.0

0.5

0.0

Carbon Water

Tran

smis

sion

Photon energy (eV)Water window

L edges of 3d transition metals（Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu）

L edges of light elements(N,O,Ne,Na,Mg,Al,Si,P,S, Cl,Ar,K,Ca)

=0.8 mHH Cutoff (Ip+3.17Up)@4*1014W/cm2

=1.5 m

固体物理にとって重要なスペクトル領域

=2.0 m

Cosine pulse

Sine pulse

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

コサイン波での高調波スペクトル

（1 burst at the cutoff）

サイン波での高調波スペクトル

（2 bursts at the cutoff）

Cutoff energy (ħω)max = Ip + 3.17 Up (Up ∝ Ilaser *λ2)

E. Goulielmakis, et al., Science 305, 1267 (2004).

アト秒パルスによる超短可視光パルスの直接測定

A. Wirth, et al., Science 334, 153 (2011).

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

概要







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1014W/cm2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

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

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：ωp =ωs +ωi ,

運動量保存：kp =ks +ki

（k = nω/c n: 物質の屈折率）

Nonlinear crystal

Pump, , ω θp pk ,p

Signal, , ω θs sk ,s

Idler, , ω θi ik ,i

Pump, , ω ω ω θp p p pk (= (n( ) /c)),p

Signal, , ω θs sk ,s

光パラメトリック増幅（OPA)による超広帯域増幅

BiB3 O6 (BIBO) OPAにおける超広帯域増幅

Phase-mismatch: ΔkSignal: ks , Idler: ki , Pump: kp

OPA Gain spectrum (calc)BIBO: 4 mm thickPump: 790 nm, 20 GW/cm2

Cf. BIBO’s transparent range: 286 - 2500 nm

OPA gain

Seed

pis kkkk

Degenerate OPA

=> Odd terms = 0

Zero GDD

=> The 2nd

order term = 0ex. 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, 022701 (2011)

高調波発生用赤外光源（BiB3 O6 -OPCPA)

N. Ishii et al., Opt. Lett. 37, 4182 (2012)


N. Ishii et al., Opt. Lett. 37, 4182 (2012)1 cycle = 5.3 fs (1600 nm)

160 mrad (rms)


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 : 1200 – 2200 nm Pulse energy : 550 uJ Energy stability : 0.85 % (rms) CEP stability : 160 mrad (rms)

概要







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

赤外OPCPA開発後の最初の高調波実験

1

高調波発生セットアップ

Gas flow from two holes drilled on squeezed tube

Laser

Ne Up to 2 atm

HHG set up

IR OPCPA output ->

HHG setup

Water window HHG1

ネオンからの水の窓高調波発生（炭素K端吸収）

Parylene (C8 H8 )

3-10 sec acq.

- Cutoff extends to 325 eV beyond Carbon K-edge at 280 eV - Achieved intensity of > 3.8 x 1014 W/cm2

(with a focal length of 375 mm)

極端紫外域（~100 eV）におけるCEP依存性

Cosine pulse

Sine pulse 2 bursts near the cutoff

1 burst near the cutoff

SFA-based HHG simulation with Ne target, E-field: 5 fs, 800 nm, 3.8 x 1014 W/cm2

コムのエネルギー間隔

（Ti:sapphire lasers）-> 3.1 eV at 100 eV

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

Sine pulse 2 bursts near the cutoff

1 burst near the cutoff

コム間隔（赤外水の窓高調波）-> 1.5 eV at 300 eV

（高分解能が必要）

SFA-based HHG simulation with Ne target, E-field: 5 fs, 800 nm, 3.8 x 1014 W/cm2

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

Sin-pulse

* C. A. Haworth et al., Nat. Physics 3, 52 (2007).

1

CEP依存高調波発生

Gas flow from two holes drilled on squeezed tube

Laser

Ne Up to 2 atm

HHG set up

IR OPCPA output ->

HHG setup

CEP control

高調波スペクトル内のHCOs：実験と計算

HCOs dependent on CEP: experiment

SFA simulations

Water window HHG1

CEP依存水の窓高調波発生：実験と計算

SFA-based HHG simulationNe, 10 fs, 1600 nm, 3.8 x 1014 W/cm2

Experiment1.4 mm interaction in 0.6 atm Ne

- 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 1014 W/cm2

Water window HHG1

アト秒パルス発生の可能性：パルス幅とスペクトル分散

75-eV-wide continuum expected ->

Isolated attosecond pulse in WW

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)

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

将来計画

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...

Documents

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...