高強度フェムト秒レーザーパルスの石英中の伝播

1. 高強度フェムト秒レーザーパルスの石英中の伝播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 ishiken@postman.riken.go.jp submitted to Phys. Rev. Lett.

2. 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

3. 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

4. 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).

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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)

9. 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.

10. 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。