2016 Fiscal Year Research-status Report
コヒーレントチェレンコフ光を用いたテラヘルツ域のz偏光生成の試験研究
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15K13394
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
濱 広幸 東北大学, 電子光理学研究センター, 教授 (70198795)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | チェレンコフ光 / Ｚ偏光 / 電子ビーム / コヒーレント放射 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、真空と屈折率が異なる媒体を相対論的電子ビームが通過する際に放出されるほぼ100％のラジアル偏光した極めて鮮明なリング状の放射であるチェレンコフ光を用いて、伝搬方向にのみ電場が存在するＺ偏光状態を創出することである。電子ビームのバンチ長が極端に短い場合、これより長い波長域でのチェレンコフ光は位相が揃った可干渉なコヒーレント光になるため、光学素子で集光する場合、光の伝搬方向に垂直な電場は全て打ち消され、焦点近傍では伝搬方向にのみ電場が存在するＺ偏光状態の光になると考えられる。
東北大学電子光理学研究センターの50MeV試験加速器を用いてバンチ圧縮実験を行ない、約100フェムト秒（300μm）の超短パルス電子ビームの安定な生成に成功し、約3THzまでのコヒーレント放射が得られる事を遷移放射の測定で明らかにした。チェレンコフ光は短波長になるほど強度を増すことから可視域でチェレンコフ光リングを蛍光スクリーンで測定し、発散角度が理論値と良く合致している事を確かめた。コヒーレント光の収束には当初レンズ光学系を考えていたが波面の歪みを抑えるために反射系に変更し、金メッキを施した専用のアキシコン鏡を開発した。コヒーレントチェレンコフ光の角度分布の波長依存性の理論計算を精密に行い、集光時の光電場について電子ビームの横方向の広がりの影響を見積もった。その結果ビームサイズの影響は小さいが、波長依存の発散角度広がりがあるため、Ｚ偏光度が制限される事が分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
超短パルス電子ビームの生成技術はほぼ完成し、またシリカエアロゲルからのチェレンコフ光リング発生も概ね問題なく成功した。レンズ系から反射光学系の設計変更には問題がなかったが、高い工作精度でアキシコン鏡を製作できる光学メーカーが少ないことから、実機製作に約半年のタイムラグを生じた。しかしながら、完成したアキシンコン鏡の鏡面精度は満足できるものであり、目的であるＺ偏光生成実験の段階に進めるものと考えている。またチェレンコフ角の理論計算の結果から、これに波長依存の角度広がりがあることが定量的に評価できたが、これを十分考慮して集光方法を改良する必要が明らかになったため研究の進行に若干の遅れを生じている。
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| Strategy for Future Research Activity |
チェレンコフ光を輸送および集光するアキシコン鏡が完成した事からZ偏光生成実験を開始できる。試験加速器が共同利用設備であるため、利用時間割当が付与されてから実験スケジュールを構成する予定である。集光焦点付近で生成されるZ偏光の光電場について理論計算を詳しく行っておく必要がある。チェレンコフ光の波長依存強度を求めるFrank-Tammの式では、チェレンコフ角の広がりが考慮されてない。そこで出来る限り近似を避けるため、波動方程式から得られる放射の式（Lienard-Wiechert potential）を用いた数値計算で光の電場方向および強度を求めることとした。これにより干渉後の3次元電場分布を評価することができる。この計算についてはすでに必要なシミュレーションコードを作成しており、Z偏光実験と並行して行うことができる。従って、理論計算と測定データを直接比較しながら試験実験を進行できると考えている。
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| Causes of Carryover |
本研究では光学子を用いてチェレンコフ光を集光することでＺ偏光状態を作り出す実験的研究であるが、テスト実験で可視域の鮮明なリング状のチェレンコフリング光を観測することができた。研究当初では超短パルス電子ビームから放出されるTHz周波数域のコヒーレントチェレンコフ光をレンズ系素子で集光することを考えていたが、平成27年度前半で行った精密な光電場計算を行った結果、レンズ素子の性能が極めて高い場合を除くと光の波面が歪み理想的なＺ偏光状態を生成できないことが予想できた。そのため、波面を殆ど崩さず光を輸送できるアキシコン鏡と呼ぶ特殊な反射系光学素子を用いた集光系を設計し、平成28年度にこれを製作したことから、当該年度では研究経費全額を使用せずに本実験を平成29年度に行うこととした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
Z偏光生成実験については、試験電子加速器のマシンタイムが許可され次第開始するが、電気料金等の使用料は課金されない。しかしながら特殊なアキシコン鏡を正しく光軸に設置するためのホルダーとステージが必要であり、これらのパーツを年度初頭に購入する。この試験研究は世界的にも例がみられない研究課題であることから、国内学会（日本加速器学会、日本放射光学会）と国際会議（国際自由電子レーザー会議）で研究の進捗と展望を発表する。
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Research Products
(2 results)
