飛翔鏡とは？
飛翔鏡とは、プラズマの中に作られるほぼ光の速さで進む鏡です。2003年に関西光科学研究所（現在の量研関西研）のセルゲイ・ブラノフらによって理論的に提唱されました。この方法では、高出力・超短パルスレーザー光をガスに集光し、光の電場によってガスを電離してプラズマにします。同時に、この強力なレーザー光（ここではドライバー光と呼びます）は、プラズマ中の電子を押しのけることで、プラズマ中に航跡波と呼ばれるプラズマ波を励起します。この波の振幅が強くなると、波を構成している電子が集群し高密度のかたまりとなり、光を反射する「鏡」として使えるようになります（図１）。さらに、この「鏡」は、ほぼ光の速さでプラズマ中を進行する「飛翔鏡」であるため、ここにもう１つのレーザー光（ここではソース光と呼びます）を反射させると、相対論的ドップラー効果により反射光の波長が短縮され、そのパルス幅も短縮できます。鏡が速く進むほど、短い波長の光が得られるため、波長可変のＸ線を作ることもできます。従って、飛翔鏡法は、物質の状態を観測する新しいツールとして期待される小型、波長可変、かつ高輝度の超短パルスコヒーレントX線源の実現を可能とします。さらに、飛翔鏡を凹面鏡のように使うことも可能で、反射光を上記の短縮した波長程度まで絞ることで、その集光強度を飛躍的に向上できる可能性があります。
ここでは、飛翔鏡に関する理論・シミュレーション・実験の研究成果を紹介します。
図1. 飛翔鏡の生成の様子（左）。青色は電子の密度分布を表している。右は、ドライバー光に対して対向で入射するソース光（緑と茶色）が確かに反射される様子のシミュレーション結果。[論文1]
参考文献
- Light intensification towards the Schwinger limit
S. V. Bulanov, T.Zh. Esirkepov, T. Tajima
Phys. Rev. Lett. 91, 085001 (2003). - Demonstration of laser-frequency upshift by electron-density modulations in a plasma wakefield
M. Kando, Y. Fukuda, A. S. Pirozhkov, J. Ma, I. Daito, L. M. Chen, T. Zh. Esirkepov, K. Ogura, T. Homma, Y. Hayashi, H. Kotaki, A. Sagisaka, M. Mori, J. K. Koga, H. Daido, S. V. Bulanov, T. Kimura, Y. Kato, T. Tajima
Phys. Rev. Lett. 99, 135001 (2007). - Frequency multiplication of light back-reflected from a relativistic wake wave
A. Pirozhkov, J. Ma, M. Kando, T. Z. Esirkepov, Y. Fukuda, L. M. Chen, I. Daito, K. Ogura, T. Homma, Y. Hayashi, H. Kotaki, A. Sagisaka, M. Mori, J. K. Koga, T. Kawachi, H. Daido, S. V. Bulanov, T. Kimura, Y. Kato, and T. Tajima
Phys. Plasmas 14, 123106 (2007). - Interaction of electromagnetic waves with caustics in plasma flows
A. V. Panchenko, T. Z. Esirkepov, A. S. Pirozhkov, M. Kando, F. F. Kamenets, and S. V. Bulanov
Phys. Rev. E 78, 056402 (2008). -
Enhancement of Photon Number Reflected by the Relativistic Flying Mirror
M. Kando, A. S. Pirozhkov, K. Kawase, T. Z. Esirkepov, Y. Fukuda, H. Kiriyama, H. Okada, I. Daito, T. Kameshima, Y. Hayashi, H. Kotaki, M. Mori, J. K. Koga, H. Daido, A. Y. Faenov, T. Pikuz, J. Ma, L. M. Chen, E. N. Ragozin, T. Kawachi, Y. Kato, T. Tajima, and S. V. Bulanov
Phys. Rev. Lett. 103, 235003 (2009). -
Boosted High-Harmonics Pulse from a Double-Sided Relativistic Mirror
T. Z. Esirkepov, S. Bulanov, M. Kando, A. S. Pirozhkov, and A. G. Zhidkov
Phys. Rev. Lett. 103, 025002 (2009). -
Method of Observing the Spot Where Full-Power Counter-Propagating Laser Pulses Collide in Plasma Media
K. Kawase, M. Kando, A. S. Pirozhkov, T. Homma, T. Kameshima, I. Daito, Y. Hayashi, H. Kotaki, Y. Fukuda, T. Z. Esirkepov, J. K. Koga, A. Y. Faenov, T. Pikuz, E. N. Ragozin, S. V. Bulanov, and T. Tajima Appl. Phys. Express 3, 016101 (2010). -
On the breaking of a plasma wave in a thermal plasma. I. The structure of the density singularity
S. V. Bulanov, T. Z. Esirkepov, M. Kando, J. K. Koga, A. S. Pirozhkov, T. Nakamura, S. S. Bulanov, C. B. Schroeder, E. Esarey, F. Califano, and F. Pegoraro
Phys. Plasmas 19, 113102 (2012). -
On the breaking of a plasma wave in a thermal plasma. II. Electromagnetic wave interaction with the breaking plasma wave
S. V. Bulanov, T. Z. Esirkepov, M. Kando, J. K. Koga, A. S. Pirozhkov, T. Nakamura, S. S. Bulanov, C. B. Schroeder, E. Esarey, F. Califano, and F. Pegoraro
Phys. Plasmas 19, 113103 (2012). -
Possibility of measuring photon-photon scattering via relativistic mirrors
J. K. Koga, S. V. Bulanov, T. Z. Esirkepov, A. S. Pirozhkov, M. Kando, and N. N. Rosanov
Phys. Rev. A 86, 053823 (2012). -
4π-spherically focused electromagnetic wave: diffraction optics approach and high-power limits
Tae Moon Jeong, Sergei Vladimirovich Bulanov, Pavel Vasilievich Sasorov, Stepan Sergeevich Bulanov, James Kevin Koga, and Georg Korn
Optics Express 28, 13991 (2020).