フェムト秒電子バンチの6D位相空間分布計測可能な単一ショット非破壊モニターの開発

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26246046
• 研究機関: 公益財団法人高輝度光科学研究センター
• 研究代表者: 冨澤 宏光 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 副主幹研究員 (40344395)
• 研究分担者: 南出 泰亜 独立行政法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, チームリーダー (10322687) ; 伊達 伸 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 加速器部門, 主幹研究員 (10372145) ; 出羽 英紀 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 加速器部門, 副主幹研究員 (20360836) ; 谷内 努 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 加速器部門, 副主幹研究員 (60360822) ; 富樫 格 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 研究員 (60415239) ; 黒田 隆之助 独立行政法人産業技術総合研究所, 計測フロンティア研究部門, 主任研究員 (70350428) ; 増田 剛正 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 制御・情報部門, 主幹研究員 (70463312) ; 小川 奏 独立行政法人理化学研究所, 放射光科学総合研究センター, 特別研究員 (80634352) [辞退] ; 松原 伸一 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 研究員 (90532135) ; 大和田 成起 独立行政法人理化学研究所, 放射光科学総合研究センター, 特別研究員 (90725962) ; 岡安 雄一 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 加速器部門, 研究員 (90509910)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: EOサンプリング / 有機EO結晶 / ３次元バンチ形状モニター / フェムト秒バンチ計測 / XFEL / EOサンプリングの空間多重化 / 電荷モーメント / EOサンプリングの波長多重化

研究実績の概要

本年度は、3D-EOサンプリング 計測要素の技術開発と試験加速器分散部での試験準備、超高速応答 EO 素子の開発を進めた。フェムト秒時間分解能を実現する有機 EO 結晶の DASTを分担者の南出がチームリーダをしている仙台理研テラヘルツ光源研究チームで、結晶成長後に光学研磨を施し、超高速バンチ計測に適した高品質 EO 素子を製作することに成功した。この有機 EO 結晶のオフライン試験システムも構築した。評価ビーム試験の準備は、EO 素子としての超高速応答性を中心に SPring-8 のフェムト秒バンチ試験加速器（30 fs）で分担者の谷内チームで行う必要があるため、加速器のアップグレードを行い、試験運転を実施した。基盤研究 B（課題番号 20612024）で開発した 3D-EOサンプリング・プローブ光源のプロトタイプ機を用いて、EOプローブ光と電子バンチのタイミング同期システムを構築し、予備実験を行った。6D-EOサンプリング・プローブ開発においては、超広帯域のスペクトルを矩形整形して分散制御を行うところまで完成した。電子ビーム入射時の放射線による結晶劣化を抑えるために、DAST結晶のアニーリングを行った。結果は直ぐに EO 素子作成を担当している南出チームにフィードバックして素子の改善を継続的に実施している。分担者の黒田チームの産総研テラヘルツ光源加速器（300 fs）では、電子バンチからのラジアル偏光した回折放射を用い、連携研究者の平（黒田チーム）がビーム位置検出システムを開発した。これを用いた3D-EOサンプリングの真空チャンバ構造を検討し、次年度にSPring-8のシステム（計測要素３個からなるトリプレット構造体）を、一体型構造にコンパクト化（結晶の放射線防護を考慮）し、エネルギー分散部に設置するための準備を行った。

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

本年度は、3D-EOサンプリング 計測要素の技術開発と試験加速器分散部での試験準備、超高速応答 EO 素子の開発を目標に進め、どちらも準備が完了するところまで進んだ。同時に、6D-EOサンプリング・プローブ開発においては、超広帯域のスペクトルを矩形整形して分散制御を行うところまで制御系も含めて完成し、OPAで増幅するところも試験的に実施した。したがって、3D-EOサンプリング 計測要素の試験に必要な技術開発がほぼ完了しており、当初の計画が順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

今後は、3D-EOサンプリング 計測の実施と試験加速器分散部での極短バンチ生成、超高速応答 EO 素子の開発を進める。フェムト秒時間分解能を実現する有機 EO 結晶の DASTに光学研磨を施して、超高速バンチ計測に適した高品質 EO 素子として完成する。評価ビーム試験は、EO 素子としての超高速応答性を中心に SPring-8 のフェムト秒バンチ試験加速器で２段階で行い、第一段階（50～100 fs）第二段階（30～50 fs）で実施する。昨年度に開発した 6D-EOサンプリング・プローブ光源の試験機を用いて計測実験を開始する。EOプローブ光は円環ラジアル偏光ビームにして伝送する。超高速計測に必須な広帯域用のラジアル偏光素子の開発を行う。研究代表者が特許（特願 2010-243071）を共願している㈱ナノフォトンの小林実氏（研究協力者）と共同開発する。８分割のパターン・ポラライザー（透過帯域：700-1000 nm）でプローブ光学系全体としての消光比を３～４桁に改善し、EOサンプリングの検出限界を１～２桁ほど改善する。電子ビーム入射時の放射線による結晶劣化の調査を、２段階の EOサンプリングによる評価試験と並行して引き続き行う。極短バンチ電子ビームを用い、試験後の有機結晶の EO 機能障害メカニズムを定量的に調査する。この試験結果は直ぐに EO 素子作成を担当している南出チームにフィードバックして素子の改善を継続的に進める。産総研テラヘルツ光源加速器では、EO 素子に対する放射線照射を防止または 低減する 3D-EOサンプリングの真空チャンバ構造をテラヘルツ回折放射計測を含めた形で検討し、SPring-8のシステム（計測要素３個からなるトリプレット構造体）を、一体型構造にコンパクト化（結晶の放射線防護を考慮）する。

研究成果

• [雑誌論文] STABLLIZATION OF HHG-SEEDED EUV-FEL BY TIME-SYNCHRONIZATION CONTROL WITH EO-SAMPLING (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Tomizawa, T. Sato, K. Ogawa, K. Togawa, T. Tanaka, T. Hara, M. Yabashi, H. Tanaka, T. Ishikawa, T. Togashi, S. Matsubara, Y. Okayasu, T. Watanabe, E. J. Takahashi, K. Midorikawa, M. Aoyama, K. Yamakawa, S. Owada, A. Iwasaki, K. Yamanouchi
  • 雑誌名: High Power Laser Science and Engineering 巻: 3 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1017/hpl.2015.9
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of radially polarized terahertz radiation generated by a sub-picosecond electron beam (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Taira, R. Kuroda, M. Kumaki, M. Tanaka, H. Toyokawa, H. Tomizawa
  • 雑誌名: Vibrational Spectroscopy 巻: 75 ページ: 162-168
  • DOI: 10.1016/j.vibspec.2014.07.015
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Terahertz-wave generation from 4-dimethylamino-N’-methyl-4’-stilbazolium p-bromobenzenesulfonate crystal: Effect of halogen substitution in a counter benzenesulfonate of stilbazolium derivatives (2014)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Matsukawa, Takashi Notake, Kouji Nawata, Shunsuke Inada, Shuji Okada, and Hiroaki Minamide
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: 36 ページ: 1995-1999
  • DOI: 10.1016/j.optmat.2014.01.012
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] レーザーによる量子ビーム診断技術のフロンティア (2014)
  • 著者名/発表者名: 冨澤宏光
  • 雑誌名: 光学 巻: 43 ページ: 432-441
  • 査読あり
• [雑誌論文] Super-Gaussian conical refraction beam (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Turpin, Yu. V. Loiko, T. K. Kalkandjiev, H. Tomizawa, J. Mompart
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 39 ページ: 4349-4352
  • DOI: 10.1364/OL.39.004349
  • 査読あり
• [学会発表] テラヘルツ領域におけるコヒーレント遷移放射及び回折放射の偏光状態の測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 平義隆、黒田隆之助, 田中真人, 豊川弘之, 冨澤宏光
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-24 – 2015-03-24
• [学会発表] 極短電子・放射光計測システム (2015)
  • 著者名/発表者名: 冨澤宏光
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-23 – 2015-03-23
  • 招待講演
• [学会発表] 有機非線形光学結晶DAST及びBNAを用いたE-O変調に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 3.野竹 孝志，縄田 耕二，瀧田 佑馬，時実 悠，岡安 雄一，富澤 宏光，南出 泰亜
  • 学会等名: 2015年第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-11
• [学会発表] Real-time terahertz-wave imaging using nonlinear up-conversion detection (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Minamide, Feng Qi, Shuzhen Fan
  • 学会等名: The Fifth International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano V)
  • 発表場所: Martinique (France)
  • 年月日: 2014-12-01 – 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] Non-invasive electron beam position monitorusing coherent diffraction radiation from a slit (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Taira, R. Kuroda, M. Tanaka, H. Toyokawa, K. Sakaue, H. Tomizawa
  • 学会等名: The 3rd International Beam Instrumentation Conference (IBIC2014)
  • 発表場所: Monterey (USA)
  • 年月日: 2014-09-16 – 2014-09-16
• [学会発表] ELECTRON BUNCH CHARGE MEASUREMENTS WITH ORGANIC POCKELS EO (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡安雄一, 松原伸一, 冨澤宏光 小川奏、南出泰亜, 野竹孝志, 松川健
  • 学会等名: 第11回日本加速器学会年会
  • 発表場所: リンクステーションホール青森（青森県青森市）
  • 年月日: 2014-08-08 – 2014-08-12
• [学会発表] バンチ内6D位相空間電荷密度分布の実時間計測可能な非破壊モニターの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 冨澤宏光,富樫 格, 松原 伸一, 伊達 伸, 出羽 英紀, 谷内 努, 鈴木 伸介, 岡安 雄一, 下崎 義人, 柳田 謙一, 深見 健司, 増田 剛正, 清道 明男, 黒田 隆之助, 平 義隆, 南出 泰亜, 野竹 孝志, 小川 奏, 大和田 成起
  • 学会等名: 第11回日本加速器学会年会
  • 発表場所: リンクステーションホール青森（青森県青森市）
  • 年月日: 2014-08-08 – 2014-08-12
• [学会発表] Study on THz E-O modulation using Organic Nonlinear Materials (2014)
  • 著者名/発表者名: 2.Takashi Notake, Kouji Nawata, Shuzhen Fan, Yuma Takida, Yu Tokizane and Hiroaki Minamide
  • 学会等名: International Symposium on Frontier of Terahertz Science (ISFTS2014)
  • 発表場所: OIST (Okinawa, Japan)
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-06
• [学会発表] High-peak-power Terahertz-wave generation and sensitive detection using second nonlinear optical effect (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Minamide
  • 学会等名: Photonics Europe
  • 発表場所: Brussels (Belgium)
  • 年月日: 2014-04-17 – 2014-04-17
  • 招待講演