周波数干渉計を用いた超短パルス電子ビームのパルス幅計測

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K03897
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 小瀧 秀行 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, 上席研究員 (60354974)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 高強度レーザー / 周波数干渉計 / プラズマ波 / 超短パルス電子ビーム / レーザー加速

研究実績の概要

チャープパルス増幅によるレーザー科学の進展により、高強度超短パルスレーザーが実用化された。この高強度レーザーを用いて、レーザー電子加速によるフェムト秒オーダーの超短パルス電子ビームの生成が可能になった。その電子ビームのパルス幅の計測は、電子ビーム応用のための重要な測定の１つである。周波数干渉計を用いることで、電子ビームへの影響を及ぼさない、超短パルス電子ビームのパルス幅測定法を確立するため、また、周波数干渉計を用いたシングルショットでの電子ビーム計測を行うため、本研究を進めた。
ガスジェットに高強度レーザーを集光しプラズマを生成、そのプラズマ中の電子がプラズマ波でできる航跡場で加速されて電子ビームとなる（レーザー電子加速）。電子ビーム計測の前段階として、周波数干渉計を用いたプラズマ波計測を行った。周波数干渉計測では、周波数領域での干渉縞（フリンジ）の位相シフトから、電子密度の変化を求める。本計測では、電子ビームが計測ノイズとなる可能性が高いため、電子ビームが発生しないプラズマ密度で行った。この計測では、周波数干渉計での計測を行いながら、プラズマ密度（ガス密度）を下げていき、周波数干渉計でのフリンジシフトが、綺麗になる密度近辺での計測を行った。本計測により、プラズマ密度1.2×1018cm-3でのプラズマ波の測定に成功した。このプラズマ密度は、電子ビーム発生が起こらない密度である。次に、電子ビームが発生する密度までプラズマ密度を上げ、周波数干渉計測を行った。この計測により、プラズマによるフリンジシフトの上に、さらなるフリンジシフトを観測した。これは、生成電子ビームによるフリンジシフトであると考えられる。プラズマ密度が高いため、各所で電子発生が起こり、広い範囲でのシフトが観測されている。
今後、高品質電子ビームが発生する状態を維持し、測定を行う。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画通りに進んでいる。
現在、周波数干渉計による電子ビームの観測に成功しており、順調に進んでいる。次年度、高品質電子ビームと干渉計測の同時計測を行い、パラメーターの比較等を行う。

今後の研究の推進方策

低密度プラズマを用いることで、周波数干渉計によりプラズマ波の計測に成功した。また、高密度プラズマを用いることで、プラズマ波のフリンジシフトの上に、電子ビームによるシフトと思われるフリンジの変化を観測した。
高品質電子ビーム発生には、電子発生のプラズマ密度が発生境界近くである必要がある。今後は、密度境界近くのプラズマ密度での計測を行い、周波数干渉計での高品質電子ビームの計測を行う。また、周波数干渉計測では、電子ビームの進行方向とプローブパルスの方向が同じため、プローブパルス用のミラーの設置場所と電子ビームの軸が重なってしまい、同時計測が難しい。それを改善し、電子ビームと周波数干渉計の同時計測を行い、生成電子ビームとフリンジシフトとの関係を明らかにする。さらに、電子ビームのみの情報を得るため、プラズマ密度を境界密度に固定し、電子ビーム「あり」のときと「なし」のときの干渉縞の差分をとり、電子ビームによるシフトのみのデーターを得る。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウィルス感染症の広がりによる出張の取りやめにより、旅費の未使用額が発生した。周波数干渉実験を進める中で、電子ビーム計測との同時計測が必要となった。その実験系を構築するために必要な光学部品および真空部品に充当する計画である。

研究成果

• [学会発表] Investigation on the emission timings of electron bunches from laser wakefield acceleration via EO spatial decoding (2022)
  • 著者名/発表者名: KAI HUANG, Kotaki Hideyuki, Mori Michiaki, Esirkepov Timur, James Kevin Koga, Hayashi Yukio, Nakanii Nobuhiko, Sergey Bulanov, Kando Masaki
  • 学会等名: 第25回産研国際シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal characterization of laser wakefield accelerated relativistic electron bunches via electro-optic sampling (2022)
  • 著者名/発表者名: KAI HUANG, Kotaki Hideyuki, Mori Michiaki, Esirkepov Timur, James Kevin Koga, Hayashi Yukio, Nakanii Nobuhiko, Kando Masaki, Zhan Jin, Hosokai Tomonao
  • 学会等名: 第５回 RIKEN-RAP and QST-KPSI Joint Seminar
• [学会発表] Temporal characterization of laser driven ultrafast electron bunches via electro-optic sampling (2021)
  • 著者名/発表者名: KAI HUANG, Kotaki Hideyuki, Mori Michiaki, Esirkepov Timur, James Kevin Koga, Hayashi Yukio, Nakanii Nobuhiko, Zhan Jin, Hosokai Tomonao, Kando Masaki
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Measurement of BISER (2021)
  • 著者名/発表者名: Sagisaka Akito, Ogura Koichi, Esirkepov Timur, David Neely, Tatiana A. Pikuz, James Kevin Koga, Fukuda Yuuji, Kotaki Hideyuki, Hayashi Yukio, KAI HUANG, Bruno Gonzalez izquierdo, Sergey Bulanov, Kiriyama Hiromitsu, Kondo Kiminori, Kawachi Tetsuya, Kando Masaki, Alexander Pirozhkov
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2021