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2013 年度 実績報告書

自由電子レーザーの新しい動作領域の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 24310069
研究機関大阪大学

研究代表者

磯山 悟朗  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80125989)

研究分担者 加藤 龍好  大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (20273708)
入澤 明典  大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (90362756)
川瀬 啓悟  大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60455277)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワード放射光 / FEL
研究概要

日本で唯一のTHz-FELの高度化とその性能を評価した。1)高速検出器:FELの増幅率を容易に計測するため、ショットキーダイオードと高速焦電素子、Ge:Ga半導体検出器などの高速THz検出器を探索し、それらの特性を評価した。大パワー領域では線形応答性が高く室温で動作する高速焦電素子を、低パワー領域では検出感度が高いGe:Ga検出器を組合わせて使う手法が最も有力である。2)時間構造:FELのミクロパルス長は20ピコ秒以下であると思われるが、前述の高速検出器では直接測定することは出来ない。そこでマイケルソン干渉計を整備して高い精度で干渉パターンの測定をした。ミクロパルスの時間幅はFELの動作で大きく変わり、短ければ数ピコ秒又はそれ以下になることが分かった。3)27 MHzモード:ライナックの電子銃用に幅5 nsの電子パルスを、37nsの間隔で8 us連なるパルス列を発生することが出来るグリッドパルサーを製作した。これを用いてFELに使用する電子バンチのピーク電流を従来の4倍に増やし、FELの増幅率を格段に高める27 MHzモードを開発した。その結果、従来の運転で最大3 mJであるマクロパルスエネルギーを10 mJを超えるまでに高めることができた。その結果、波長80 umでのミクロパルスエネルギーは0.1 mJに達した。4)ピークパワー評価:FELミクロパルスのピークパワーは、46 MW、焦点距離12.5 mmの軸外し放物面鏡で集束した時のピークパワー密度は0.7 TW/cm2と、THz-FELとしては世界最大強度を実現した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

FELの増幅率を増大するために、ライナックの電子銃用27MHzグリッドパルサーを開発して、電子ビームのバンチ数は1/4に減少するが、バンチあたりの電荷量を従来に4倍増やした。その結果、電子ビームエネルギーが15 MeVの時、FELミクロパルスエネルギーを5 uJから0.1 mJと20倍高めることに成功した。焦点距離12.5mmの軸外し放物面鏡で集束した時のピークパワー密度は波長80umで0.66TW/cm2と、THz-FELとしては世界最大強度を実現した。

今後の研究の推進方策

THz-FELの強度をさらに高める研究を行ない、増幅率の測定に加えて波長スペクトル、時間構造を測定して、FELの大強度動作の機構を解明して更なる高度化の基礎を固める。更に、高いFEL ゲインを利用して波長領域を長波長側に拡大する。その時に問題になるのが光共振器の損失であるが、回折損失と光ガイディングの効果が競合すると考えられる。回折損失の計算値は、波長300 um で60%程度であるので、光ガイディングが無くても高ゲイン動作が実現すれば目標の300 um を実現することが可能であると考える。これらの研究によって得られた結果を取りまとめて学会発表を行う。

次年度の研究費の使用計画

THz-FELの高出力化を実現したとこにより、特性測定やTHz利用に向けた準備研究に集中して、FELの高度化や計測系の整備などを翌年度に延期したため。
THz-FELのピーク出力がフェムト秒レーザー励起THz源に比較して1桁高い強度を実現しているが、更にパワーを増加するためのFEL高度化と、大ピークパワーのTHz光を計測するための測定系の整備に使用する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (15件)

  • [雑誌論文] 59) The high-power operation of a terahertz free-electron laser based on a normalconducting RF linac using beam conditioning2013

    • 著者名/発表者名
      K. Kawase, R. Kato, A. Irizawa, M. Fujimoto, S. Kashiwagi, S. Yamamoto, F. Kamitsukasa, H. Osumi, M. Yaguchi, A. Tokuchi, S. Suemine, G. Isoyama
    • 雑誌名

      Nucl. Instr. Meth. A

      巻: 726 ページ: 96-103

    • DOI

      10.1016/j.nima.2013.05.183

    • 査読あり
  • [学会発表] 産研テラヘルツFELの高強度化2014

    • 著者名/発表者名
      川瀬啓悟、末峰昌二、加藤龍好、入澤明典、藤本將輝、大角寛樹、矢口雅貴、船越壮亮、堤亮太、古川和弥、久保久美子、徳地明、磯山悟朗
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] 高強度テラヘルツ自由電子レーザーの開発と利用研究の開拓2014

    • 著者名/発表者名
      入澤明典、川瀬啓悟、加藤龍好、藤本將輝、大角寛樹、堤亮太、船越壮亮、菅滋正、磯山悟朗
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] 高強度ピコ秒THz自由電子レーザーによるレーザーアブレーション2014

    • 著者名/発表者名
      永井正也、芦田昌明、入澤明典、川瀬啓悟、加藤龍好、磯山悟朗
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] 自己相関法を用いたFELミクロパルス波形の計測2014

    • 著者名/発表者名
      磯山悟朗
    • 学会等名
      第20回FELとHigh Power Radiation研究会
    • 発表場所
      日本大学理工学部駿河台校舎
    • 年月日
      20140313-20140314
  • [学会発表] 高強度テラヘルツFELを用いた利用実験の展開2014

    • 著者名/発表者名
      入澤明典
    • 学会等名
      第20回FELとHigh Power Radiation研究会
    • 発表場所
      日本大学理工学部駿河台校舎
    • 年月日
      20140313-20140314
  • [学会発表] FELの成長に伴う波長スペクトルの時間的振る舞2014

    • 著者名/発表者名
      加藤龍好
    • 学会等名
      第20回FELとHigh Power Radiation研究会
    • 発表場所
      日本大学理工学部駿河台校舎
    • 年月日
      20140313-20140314
  • [学会発表] 産研THz-FELの高強度化運転2014

    • 著者名/発表者名
      川瀬啓悟
    • 学会等名
      第20回FELとHigh Power Radiation研究会
    • 発表場所
      日本大学理工学部駿河台校舎
    • 年月日
      20140313-20140314
  • [学会発表] FEL による大強度 THz 波の発生と計測2014

    • 著者名/発表者名
      磯山悟朗、川瀬啓悟、入澤明典、加藤龍好、藤本將輝、大角寛樹、船越壮亮、堤亮太、末峰昌二、徳地明
    • 学会等名
      第27回日本放射光学会年会・放射光科学合同ポジウム
    • 発表場所
      広島国際会議場
    • 年月日
      20140111-20140113
  • [学会発表] 高強度テラヘルツ FEL 光を用いた分光実験2014

    • 著者名/発表者名
      入澤明典、川瀬啓悟、加藤龍好、藤本將輝、大角寛樹、矢口雅貴、船越壮亮、堤亮太 、菅滋正、磯山悟朗
    • 学会等名
      第27回日本放射光学会年会・放射光科学合同ポジウム
    • 発表場所
      広島国際会議場
    • 年月日
      20140111-20140113
  • [学会発表] 高強度テラヘルツ FEL 光を用いた利用実験2014

    • 著者名/発表者名
      入澤明典、川瀬啓悟、加藤龍好、藤本將輝、大角寛樹、矢口雅貴、船越壮亮、堤亮太、菅滋正、磯山悟朗
    • 学会等名
      第27回日本放射光学会年会・放射光科学合同ポジウム
    • 発表場所
      広島国際会議場
    • 年月日
      20140111-20140113
  • [学会発表] 阪大産研におけるFELスペクトルの時間的振る舞い2013

    • 著者名/発表者名
      加藤 龍好,川瀬 啓悟,入澤 明典,藤本 將輝,大角 寛樹,矢口 雅貴,船越 壮亮,堤 亮太,末峰 昌二,磯山 悟朗,柏木 茂,山本 樹
    • 学会等名
      第10回日本加速器学会年会
    • 発表場所
      名古屋大学・東山キャンパス
    • 年月日
      20130803-20130805
  • [学会発表] 27 MHz電子ビームによるTHz-FEL発生試験2013

    • 著者名/発表者名
      川瀬 啓悟,末峰 昌二,加藤 龍好,入澤 明典,藤本 將輝,大角 寛樹,矢口 雅貴,船越 壮亮,堤 亮太,古川 和弥,久保 久美子,徳地 明,磯山 悟朗
    • 学会等名
      第10回日本加速器学会年会
    • 発表場所
      名古屋大学・東山キャンパス
    • 年月日
      20130803-20130805
  • [学会発表] 自己相関法を用いたFELミクロパルスの計測2013

    • 著者名/発表者名
      大角 寛樹,加藤 龍好,川瀬 啓悟,入澤 明典,藤本 將輝,矢口 雅貴,船越 壮亮,堤 亮太,磯山 悟朗
    • 学会等名
      第10回日本加速器学会年会
    • 発表場所
      名古屋大学・東山キャンパス
    • 年月日
      20130803-20130805
  • [学会発表] 高速な検出器を用いたFELパワーの測定2013

    • 著者名/発表者名
      藤本 將輝,加藤 龍好,川瀬 啓悟,入澤 明典,大角 寛樹,矢口 雅貴,船越 壮亮,堤 亮太,磯山 悟朗
    • 学会等名
      第10回日本加速器学会年会
    • 発表場所
      名古屋大学・東山キャンパス
    • 年月日
      20130803-20130805
  • [学会発表] クライストロンモジュレータ用ハイパワー半導体スイッチの開発2013

    • 著者名/発表者名
      上司 文善,徳地 明,川瀬 啓悟,古川 和弥,加藤 龍好,藤本 將輝,大角 寛樹,矢口 雅貴,船越 壮亮,堤 亮太,末峰 昌二,磯山 悟朗
    • 学会等名
      第10回日本加速器学会年会
    • 発表場所
      名古屋大学・東山キャンパス
    • 年月日
      20130803-20130805

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公開日: 2015-05-28  

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