The world's largest peta watt (PW) laser LFEX, which delivers energy up to 2 kJ in a 1.5 ps pulse, has been constructed beside the GEKKO XII laser at the Institute of Laser Engineering, Osaka University. The GEKKO-LFEX laser facility enables the creation of materials having high-energy-density which do not exist naturally on the Earth and have an energy density comparable to that of stars. High-energy-density plasma is a source of safe, secure, environmentally sustainable fusion energy. Direct-drive fast-ignition laser fusion has been intensively studied at this facility under the auspices of the Fast Ignition Realization Experiment (FIREX) project.In this paper, we describe improvement of the LFEX laser and investigations of advanced target design to increase the energy coupling efficiency of the fast-ignition scheme. The pedestal of the LFEX pulse, which produces a long preformed plasma and results in the generation of electrons too energetic to heat the fuel core, was reduced by introducing an amplified optical parametric fluorescence quencher and saturable absorbers in the front-end system of the LFEX laser. Since fast electrons are scattered and stopped by the strong electric field of highly ionized high-Z (i.e. gold) ions, a low-Z cone was studied for reducing the energy loss of fast electrons in the cone tip region. A diamond-like carbon cone was fabricated for the fast-ignition experiment. An external magnetic field, which is demonstrated to be generated by a laser-driven capacitor-coil target, will be applied to the compression of the fuel capsule to form a strong magnetic field to guide the fast electrons to the fuel core. In addition, the facility offers a powerful means to test and validate astronomical models and computations in the laboratory. As well as demonstrating the ability to recreate extreme astronomical conditions by the facilities, our theoretical description of the laboratory experiment was compared with the generally accepted explanation for astronomical observations.
世界最大級のペタワット（PW）レーザーであるLFEXは、1.5 psパルスで最大2 kJのエネルギーを供給し、大阪大学レーザー科学研究所においてGEKKO XIIレーザーの隣に建設された。GEKKO-LFEXレーザー施設は、地球上には自然には存在せず、恒星の内部に匹敵するエネルギー密度を有する高エネルギー密度物質の生成を可能にする。高エネルギー密度プラズマは、安全で確実かつ環境持続可能な核融合エネルギーの源である。直接照射方式の高速点火核融合は、高速点火実証実験（FIREX）プロジェクトの下で、この施設において精力的に研究されてきた。本論文では、高速点火方式のエネルギー結合効率を向上させるためのLFEXレーザーの改良と、高度なターゲット設計に関する研究について述べる。LFEXパルスのペデスタルは、長いプレプラズマを生成し、燃料コアを加熱するには高すぎるエネルギーの電子を発生させる原因となるため、LFEXレーザーのフロントエンドシステムに光パラメトリック増幅蛍光抑制器と可飽和吸収体を導入することにより低減された。高速電子は、高電離状態の高Z（すなわち金）イオンの強い電場によって散乱・減速されるため、コーン先端領域における高速電子のエネルギー損失を低減するために低Zコーンが研究された。高速点火実験用に、ダイヤモンドライクカーボン製コーンが作製された。さらに、レーザー駆動コンデンサコイルターゲットによって生成されることが実証された外部磁場を、燃料カプセルの圧縮に適用し、高速電子を燃料コアへ導くための強磁場を形成する計画である。さらに、本施設は、天体物理モデルや計算コードを実験室において検証・妥当性確認するための強力な手段を提供する。実験室実験による天体物理現象の再現能力の実証に加え、実験室プラズマの理論的記述と天体観測に対する一般的に受け入れられている説明との比較検討も行われた。