高強度フェムト秒レーザーパルスの石英中の伝播
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高強度フェムト秒レーザーパルスの石英中の伝播. 2002 年 3 月 28 日 第 49 回応用物理学関係連合講演会. 理研レーザー物理工学研究室 石川顕一、熊谷寛、緑川克美 [email protected] submitted to Phys. Rev. Lett. r. 100 MW 〜 1 GW. 石英. 50 P cr 〜 500 P cr. z. 0. 7.5mm. l = 800 nm. Hyperbolic-secant pulse ( T 0 = 130fs)

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高強度フェムト秒レーザーパルスの石英中の伝播

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Presentation Transcript


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高強度フェムト秒レーザーパルスの石英中の伝播

2002年3月28日 第49回応用物理学関係連合講演会

理研レーザー物理工学研究室

石川顕一、熊谷寛、緑川克美

[email protected]

submitted to Phys. Rev. Lett.


7092104

r

100 MW 〜 1 GW

石英

50 Pcr〜 500 Pcr

z

0

7.5mm

l= 800 nm

Hyperbolic-secant pulse (T0 = 130fs)

Gaussian beam (r0 = 200mm)

「高強度領域」

高強度レーザーパルスは、媒質中で自己収束

光Kerr効果

自己収束の閾値(石英)Pcr = 2.2 MW

気体・固体中の伝播に関する従来の研究

閾値の数倍のパワー

本研究では、入力エネルギーが 10 〜 150mJ 、パルス幅130 fs のパルスを考える。

高強度領域


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シミュレーションモデル

拡張された非線形シュレーディンガー方程式

回折

高次の分散

群速度分散

多光子吸収

(1)

Kerr効果

プラズマ非収束化

Slowly varying envelope approximation (SVEA)を超える補正

伝導電子密度rの時間変化

(2)

← Keldysh 理論より


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数値解法

  • 非線形シュレーディンガー方程式

    • Split-step Fourier 法 [1]

    • 回折項: Peaceman-Rachford 法 [2]

    • 非線形項(右辺) : 4次のルンゲ・クッタ法

  • 伝導電子密度の時間変化の式

    • 4次のルンゲ・クッタ法

[1] G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 2nd ed. (Academic, San Diego, 1995).

[2] S.E. Koonin et al., Phys. Rev. C15, 1359 (1977).


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伝播にともなう、強度分布の変化

入力エネルギー = 135mJ

(自己収束閾値の500倍)

伝播距離

z = 3200 mm

3300 mm

3400 mm

3500 mm

3600 mm

(d)

(e)

(a)

(c)

(b)

Radius r (mm)

第1の円錐

自己収束

自己急峻化

第3の円錐

プラズマ非収束化

第2の円錐

高強度領域での新現象!

多重円錐状構造の形成

5

0

10

6

0

3

9

5000 mm

3700 mm

3800 mm

4000 mm

4500 mm

(g)

(f)

(j)

(i)

(h)

強度 (1012 W/cm2)

10

0

5

15


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3300 mm

3400 mm

多重円錐状構造形成のメカニズム

第2の円錐

第1の円錐

  • 強度 → rの減少関数

  • 屈折率変化→ ほぼ一定

  • 自己収束 → 第1のピークが周囲からエネルギーを「取り上げる」。

  • 屈折率変化Dnに第2のピーク(r = 11.3 mm)局所的自己収束 → 第2のピーク(円錐)成長

t = 44 fsにおける径方向の強度分布および屈折率変化Dnの分布

z = 3340 mm

r = 9 - 12 mm

z = 3360 mm


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多重円錐状の強度分布

時間プロファイル

FTOP シグナル

石英表面からの伝播距離5mm

入力エネルギー = 135 mJ

径方向に積分

伝播

Propagation

フルエンス分布

時間方向に積分


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10

0

5

15

入力パルスエネルギーに対する依存性

入力エネルギー

入力エネルギーの減少にともない,

  • 円錐の数は減少。

  • 円錐は伝播軸に対して平行に近づく。

135 mJ, z = 4500 mm

45 mJ, z = 5500 mm

15 mJ, z = 7000 mm

Radius r (mm)

Radius r (mm)

Radius r (mm)

強度 (1012 W/cm2)


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伝導電子応答および伝導電子生成断面積に含まれる誤差の影響

伝導電子応答

伝導電子生成断面積

伝導電子のドリフト速度に飽和がある場合の伝播距離4000ミクロンでの強度分布

伝導電子生成断面積がKeldysh理論から得られる値の100分の1であった場合の伝播距離3500ミクロンでの強度分布

これらの影響を考慮にいれても、多重円錐状の強度分布になる。

ただしIth = 1012 W/cm2.


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結論

  • パルスの入力エネルギーが、自己収束の閾値の数百倍に達する高強度領域では、パルスは時間的および空間的に幾重にも分裂する。

  • その結果、強度分布は多重円錐状になる。

  • この構造は、Kerr効果による自己収束と、プラズマ非収束化の微妙なバランスによって、形成される。


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