2020 Fiscal Year Annual Research Report
Shortening the free electron laser pulse by controlling the slippage effect
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18H03691
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
田中 隆次 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, グループディレクター (30321780)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
貴田 祐一郎 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 研究員 (70553486)
田中 義人 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 教授 (80260222)
橋本 智 兵庫県立大学, 高度産業科学技術研究所, 准教授 (80285337)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 自由電子レーザー / 短パルスレーザー / 時間同期 / 蓄積リング / テーパーアンジュレータ / 放射光理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、高エネルギー電子ビームを発振媒体とする自由電子レーザー(FEL)において、光パルスを理論極限である単一サイクルにまで短パルス化する新たな発振原理の実証を目的とする。2019年度までに原理実証実験に必要な各種機器の開発や整備がほぼ完了し、2020年度は以下の機器開発や理論研究を実施した。
(i)電子ビームと短パルスレーザーを相互作用させるためのモジュレータ、及びコヒーレント放射光を発生するラディエータとして新規に開発したテーパーアンジュレータについて、自発放射光の測定に基づく性能及び品質の検証を行った。磁場強度が均一な通常のアンジュレータとしての機能、及び同アンジュレータの特徴である「任意磁場形状の生成機能」について検証するため、スペクトルや空間分布を計測し、その結果が理論計算と一致することを確認した。これらの成果は誌上発表[1]として報告済みである。
(ii)2019年度に整備したレーザシステムで生成された短パルス光を、実証実験の場であるNewSUBARU蓄積リングに入射し、下流の計測ハッチまで導くことに成功した。また、(i)で述べたアンジュレータの自発放射光（電子ビーム）とのタイミング計測を行い、電子ビームとシードパルスの時間同期を高精度に制御可能であることを確認した。
(iii)本研究課題で実証を目指す発振原理に基づいて孤立モノサイクルアト秒パルスを生成する新たなFEL発振手法を考案し、誌上発表[2]を行った。
(iv)中空ファイバーによるシードレーザーの広帯域化とチャープミラーによるパルス圧縮を行い、15フェムト秒程度にまでパルス幅を圧縮することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究課題3年目である2020年度は、開発並びに整備が完了した基盤機器について各種試験を行い、2021年度以降に本格的な実証（コヒーレント放射の生成）実験へ移行するための準備を完了することを目標として計画を進めた。この結果、シードレーザー、テーパーアンジュレータ（モジュレータ及びラディエータ）、NewSUBARU蓄積リング、及び高精度時間同期システム等、全ての要素が問題無く動作することを確認した。これにより、2021年度に本課題の目的である、短パルスコヒーレント放射の生成実験に向けた準備が整った。また、テーパーアンジュレータの開発及び各種計測結果、及び、新たに考案したFEL発振方式（孤立アト秒パルスの生成）について誌上発表を行った。これらの進捗状況から、本研究課題はおおむね順調に進展していると自己評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の最終目標である「単一サイクルにまで短パルス化する新たなFEL発振原理」の実証に向けて、以下の３つのマイルストーンを設定する。
(1)コヒーレント放射の生成：自発放射光（電子ビーム）とシードレーザの時空間的オーバーラップの実現。具体的には、集光光学系による空間オーバーラップの確認・調整、及びストリークカメラによる時間オーバーラップの確認・調整を行う。
(2)短パルスシードによる狭帯域コヒーレント放射：短パルス化したシード光により、パルス幅がアンジュレータ周期数で決まるコヒーレント放射光を生成する。
(3)短パルスシードによる広帯域コヒーレント放射：テーパー勾配に応じた広帯域コヒーレント放射光を生成する。
(4)上記各条件におけるパルス長計測による原理実証：ターパーの有無(順・逆)によるコヒーレント放射パルス幅の相違を計測し、上記原理を実証する。
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