2023 Fiscal Year Annual Research Report
Study of ultrafast intense laser science with long-wavelength infrared free-electron laser pulses
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22H03881
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
羽島 良一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 部長 (30218432)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川瀬 啓悟 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 主幹研究員 (60455277)
全 炳俊 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (80548371)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 長波長赤外 / 超短パルス / 強光子場 / 自由電子レーザー / カスケード電離 / レーザー誘起放電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
京都大学の自由電子レーザー（KU-FEL）では、超放射FELの動作が可能であり、この時、数周期の振動電場のみを含む超短光パルスが生成される。本研究では、KU-FELにおいて、長波長赤外（8-10μm）の波長領域にて、超短FELパルスを生成しこれを気体中で集光することで、長波長赤外パルスによる気体の電離実験を行い、また、この実験結果を再現する数値解析を進めている。
KU-FELの熱陰極運転（繰り返しが2856 MHz）では、放電音を伴う発光が観測されていた。この放電発光のメカニズムを明らかにするため、分子の励起、電離、電離電子の加熱、拡散、再結合といった素過程を含む数値解析コードを令和4年度までに作成した。令和5年度は、本コードを用いた実験結果の再現をさらに進め、ガスチャンバー内の清浄度と放電確率の依存性の定式化を行った。FELパルスによる浮遊粒子、不純物分子の電離が種電子を生じる。この種電子の発生がポアソン過程に従うと仮定すれば、実験とモデル計算がよく一致することがわかった。
放電で生じた電子とイオンの総量を求めるため、微小電流計を用いた測定を行った。実験は、二つの電極間に電場を印加し、放電で生じた電子とイオンを電極で捕集し、電圧源、電極と直列に接続した微小電流計でイオン化電流の測定を行った。FELマクロパルスに同期して、180μs の時間幅で微小電流計を動作させ、微小電流計に内蔵された電圧源の最大値（500 V）まで電圧を印加した。Ar、N2、大気について50-150 kPaの圧力で実験を行った。印加電圧の増大とともにイオン化電流も増大したが、印加した電圧の範囲内では電流値の飽和は見られなかった。ガス圧、印加電圧が同じとき、Arがもっとも大きなイオン化電流を示し、次いで、N2、大気の順であった。また、FEL光をNDフィルタで減光するとイオン化電流も減少することを確認した。
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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
KU-FELでは、熱陰極運転（繰り返し＝2856 MHz）、光陰極運転（繰り返し＝29.75 MHz）を切り替えて実験することができるが、FELパルスをガス中に集光した時に放電音を伴う発光が見られるのは熱陰極運転のみであり、光陰極運転ではパルスエネルギーが大きいにも関わらず放電発光が起こらない理由が不明であった。今年度までの進捗により、この理由を明らかにした。
密閉したガスチャンバー内に設置した集光レンズの制御、パルスノズルを用いたFELに同期したガスの導入、電離電子の捕集と微小電流計による測定（外部トリガーによる同期を含む）、発光スペクトル、発光時間波形の測定、FELパルスの偏光面の制御といった、本研究の実施に必要な一連の実験手法を確認し、ノウハウを積み上げることができた。
トンネル電離で生じた光電子エネルギーの測定について、阻止電場型アナライザーによる予備実験を行い、本実験に必要な装置の設計指針を得た。
KU-FEL本体装置の改良により、実験ステーションで利用可能なパルスエネルギーの増大、波長範囲の拡大を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度は、微小電流計を用いたイオン化電流の測定を行い、また、FELパルス列によるカスケード放電を再現するシミュレーションコードを用いて実験結果を再現する計算結果を得た。トンネル電離電子のエネルギー測定について、阻止電場型光電子アナライザーによる予備実験の結果を精査したところ、特に、低エネルギーの光電子スペクトルを得るにはアナライザーの改良が必要との結論を得た。令和6年度は、あらたな光電子アナライザーとして、FELマクロパルスの一部を切り出した上で飛行時間法による光電子分光を行う方法を採用することとし、これに必要な装置の設計、製作をおこない、実験に供する計画である。
また、KU-FELでは、FEL共振器からのFELパルス取り出し方法の改良がなされ、実験ステーションで得られるパルスエネルギーが増大した。さらに、これまで実験で用いていた8-10μmに加えて、5μm 帯での実験が可能となった。幅広いパラメータ領域で光電子分光実験を行うことで、長波長赤外の強光子場反応の特徴を見出す方針とする。
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