초록 ▼

연구의 목적 및 내용
고출력 레이저빔을 플라즈마 속에 집속시켜 초강력 전기장을 발생시키고 긴 거리에 걸쳐 전자를 가속시키기 위해서는 레이저빔을 optical guiding 시켜야 하는데, 이를 위하여 본 연구에서는 capillary 플라즈마 소스 기술을 개발하고자 한다. 특히, 가속전기장과 가속되는 전자들의 속도 차이에 의해서 생기는 dephasing 문제 때문에 가속에너지에 제한이 발생하는데, 본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위하여 레이저의 진행방향으로 플라즈마 밀도가 서서히 증가하는 density-tapered capil

연구의 목적 및 내용
고출력 레이저빔을 플라즈마 속에 집속시켜 초강력 전기장을 발생시키고 긴 거리에 걸쳐 전자를 가속시키기 위해서는 레이저빔을 optical guiding 시켜야 하는데, 이를 위하여 본 연구에서는 capillary 플라즈마 소스 기술을 개발하고자 한다. 특히, 가속전기장과 가속되는 전자들의 속도 차이에 의해서 생기는 dephasing 문제 때문에 가속에너지에 제한이 발생하는데, 본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위하여 레이저의 진행방향으로 플라즈마 밀도가 서서히 증가하는 density-tapered capillary 플라즈마 소스 기술을 개발하고자 한다. 또한, 이를 이용하여 GeV급 고에너지 전자빔을 발생시키고 펨토초 hard X-ray 펄스 발생을 위한 핵심기술을 개발하고자 한다.

연구결과
○ 사파이어 기판 위에 펨토초 레이저로 미세가공하여 수소개스를 주입한 untapered capillary 플라즈마 소스를 개발하였으며, 방전플라즈마를 발생시키기 위한 고전압 펄스 장치도 개발하여 방전특성 연구하였음.
○ CFD (computational fluid dynamics) 코드 및 PIC (particle-in-cell) 코드 활용하여 플라즈마 소스 개발을 위한 설계기술 확보하였음.
○ 다양한 기울기의 density tapering을 가진 tapered capillary 플라즈마 소스를 개발 하였고 내부의 밀도분포를 Mach-Zehnder 간섭계로 측정하여 density tapering이 실제로 발생함을 입증하였음.
○ regenerative amplifier로부터의 레이저빔을 개발된 tapered capillary 플라즈마 소스에 입사시켜 90 % 이상의 투과율을 가진 optical guiding 최적조건이 있음을 확인하였음. 또한, transverse parabolic density profile이 형성되는 현상을 설명하는 기존의 학설이 잘못되었음을 밝혔으며 새로운 해석 확립하였음.
○ 최대 출력 20 TW, 펄스폭 40 fs의 Ti:sapphire 레이저 시스템을 성공적으로 개발 완료하였음.
○ GeV급 고에너지 전자빔을 발생시킬 수 있는 tapered capillary 플라즈마 소스 성능을 향상시켰으며 핵심기술을 고도화시켰음.
○ undulator나 레이저 플라즈마 가속 과정 중의 베타트론 진동에 의한 fs hard X-ray 펄스 발생을 위한 핵심기술 확보하였음.

연구결과의 활용계획
본 연구결과를 활용하면 기존의 방사광 가속기 등 다른 형태의 광원들이 제공하기 곤란한 펨토초 영역의 극초단 hard X-ray 펄스를 테이블탑 크기에서 제공할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 펨토초 hard X-ray 펄스 광원은 원자나 분자들의 빠른 동력학 연구를 필요로 하는 나노과학 및 바이오과학 등의 첨단 연구분야에서 매우 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구가 성공적으로 수행되어 목표로 하는 기술개발이 이루어지면 그 연구결과를 바탕으로 여러 분야의 사용자들을 위한 user facility를 개발하여 공동활용할 수도 있을 것이다.

Abstract ▼

Purpose&contents
In this research, we are going to develop core technologies for laser-plasma acceleration using a capillary plasma source. Especially we want to develop a density-tapered capillary plasma source, where the plasma density gradually increases along the laser propagation direction t

Purpose&contents
In this research, we are going to develop core technologies for laser-plasma acceleration using a capillary plasma source. Especially we want to develop a density-tapered capillary plasma source, where the plasma density gradually increases along the laser propagation direction to avoid the dephasing problem limiting the acceleration energy. The developed technologies can be used for GeV-level high energies and fs hard X-rays.

Result
○ An untapered capillary plasma source was developed, where a fs micro-maching laser was used for fabrication of micro-structures on sapphire plates. Hydrogen plasma was produced by high voltage pulse and the operation characteristics was investigated.
○ Design technology of the capillary plasma sources was developed by using CFD and PIC simulation codes.
○ Diverse density-tapered capillary plasma sources were developed and the internal plasma density profile along the laser propagation direction was found to be almost linear.
○ Investigation of the optical guiding conditions by using the tapered capillary and the regenerative amplifier laser beams were performed and the transmission was found to be about 90 %.
○ A 20 TW/40 fs Ti:sapphire laser system was developed successfully.
○ Upgrade of the tapered capillary plasma source for GeV-level electron generation was done.
○ Core technologies for generation of fs hard X-ray pulses using an undulator or betatron oscillations in the process of laser-acceleration were developed.

Expected Contribution
It is expected that the research result can provide a good way for GeV-level high energy electrons and ultrashort hard X-ray radiation pulses in table-top scale. This kind of advanced accelerator and light source will have very important applications in cutting-edge science studies including NT, BT, IT, etc., where ultrafast dynamics studies are required. If the research is continued, it may be used to develop a user facility that can be utilized by many people in different research fields.