2022 Fiscal Year Research-status Report
コヒーレント放射の周波数干渉を用いた極短電子バンチ長モニタリング技術の開発
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22K12665
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
中新 信彦 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主任研究員 (70615509)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | レーザー加速 / バンチ長 / コヒーレント遷移放射 / 周波数干渉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザープラズマ加速はフェムト秒という短いバンチ長で10 kAを超える大電流の高エネルギー電子バンチが発生可能な技術で小型加速器をはじめ超高速診断等への応用が期待されている。電子のバンチ長は加速器として重要なパラメータであり、短バンチ性を利用したプローブとしての利用では時間分解能に直結する。しかし、レーザー加速におけるフェムト秒のバンチ長を正確に評価する手法が確立されていない。本研究ではコヒーレントな放射、特に電子バンチが金属薄膜に入射した際にその境界面で発生するコヒーレント光遷移放射(COTR)のスペクトルと各周波数における位相分布を、超短パルスレーザーとの周波数干渉から取得する技術を開発し、フェムト秒オーダーの電子バンチ長の評価を行う。
上記のバンチ長計測では電子ビームの安定性やその方向の制御は非常に重要になる。今年度はまずレーザー加速電子ビームの安定化・方向制御技術の開発を行った。レーザー加速では、高強度レーザーを放物面鏡でガス中に集光して電子ビームを発生させる。この集光前のレーザーの光路にアパーチャーを設置してビーム径を制限することで数100MeVの電子ビームの安定性が劇的に改善し、また、アパーチャーを移動するだけで電子ビームの方向が簡単に制御できることを見出した。このようなシンプルな手法はレーザー加速器を実用化する上で重要な技術になると期待される。
この安定した電子ビームを金属薄板に通してCOTRを発生させ、近赤外域から可視域の放射が計測に十分な強度で発生していることを確認し、さらに、プローブとなる超短レーザーパルスを時差をつけて入射することによって、本研究において重要な目標である超短パルスレーザーとCOTRとの周波数干渉縞を得ることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
計画当初に予定していたレーザー加速電子ビームの安定化、その電子ビームを使った近赤外から可視域の広帯域のCOTRの発生・計測に加え、本研究の位相分布・バンチ長計測において重要な目標となっていた超短パルスレーザーと電子ビームで発生したCOTRの異種の光パルスの周波数干渉縞を今年度得ることに成功した。これはレーザー電子加速研究において初めての計測であり、これを得られたことでCOTRが超短パルスと同様のコヒーレンスを持つこと、さらにそのコヒーレンスが可視域まで見られていることから非常に時間幅の短いバンチ構造を持つことが示唆される。
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| Strategy for Future Research Activity |
得られたCOTRとレーザーパルスの周波数干渉縞を解析し、COTRとレーザーパルスの相対的な位相分布を評価、それに予め別で計測していたレーザーパルス自身の位相分布を足し合わせることでCOTRの位相分布を評価する。その位相分布とスペクトルからCOTRのパルス幅を評価することで電子バンチ長の推定を行う。さらにCOTRとレーザーの位相のフラつきから電子バンチのレーザーに対するタイミングジッターの評価も行う。
この手法では評価できる電子バンチ長がレーザーパルスのパルス幅程度になってしまうため、より高分解能でのバンチ長の評価を行うための準備として、現在使用している~30 fsのレーザーパルスより広帯域で時間幅の短い数サイクルレーザーパルスの生成を行う。
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