Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13P-31]OPTIMIZATION OF OUTPUT COUPLER OF OPTICAL RESONATOR
FOR THE JAERI FAR-INFRARED FREE-ELECTRON LASER
R. Nagai, R. Hajima, N. Nishimori, M. Sawamura, N. Kikuzawa, T. Shizuma and E. Minehara
Free-Electron Laser Laboratory, Advanced Photon Research Center, JAERI2-4, Shirakata-Shirane, Tokai, Ibaraki 319-11, Japan
Abstract
Optimum output coupler of optical resonator for the JAERI far-infrared free-electron laser was studiedusing a Fox-Li procedure optical mode calculation code. The output coupler was evaluated by efficiency factorof the optical resonator. The efficiency factor was calculated by the amount of output coupling and diffractiveloss. It was found that the scraper output coupler was most efficient in far-infrared region free-electron laser.

原研遠赤外自由電子レーザー用光共振器出力結合の最適化
原研遠赤外自由電子レーザー用光共振器出力結合の最適化
１． はじめにはその様なことがなく FEL の波長可変性が光共日本原子力研究所（原研）では、15MeV の振器で制限されない。しかし、この方法にはいく超伝導リニアックを用いて、遠赤外線領域での自つかの欠点がある。この様に出力結合器で光の一1)部を切り出すと、出力結合器の端で光が散乱され由電子レーザー（FEL）において、当初の目標である 1kW を超える強度での発振に成功した 2)。

光共振器内での損失が大きくなってしまう。光のこの成功には光共振器の出力結合の最適化が必

波長が変わると結合する部分での面積比が変わ要不可欠であった。ってしまうので、出力結合が波長の変化に伴い変光共振器からの FEL 光の取出しのための出化してしまう。また、出力結合する光の面積が波力結合としては誘電体多層膜部分透過ミラーや長に対して十分大きくない場合には、光を実験室ブリュスタ板等を用いる方法、その他に出力側ミ等まで輸送する際の回折が問題となる。

ラーに設けた穴や出力側ミラーの直前におかれこれらの欠点を改善し、遠赤外領域での最たスクレーパミラーで光の一部を切り取って出適な出力結合器について調べるために、センタホす方法がある。誘電体多層膜部分透過ミラーやブール型及び可変挿入スクレーパ型の出力結合器

リュスタ板は誘電体の特性上、遠赤外線領域におについて比較検討を行った。また、可変挿入スクいては適当ではないので遠赤外線領域 FEL ではレーパ型については挿入する方向による相違点光の一部を切り出す方法が用いられる。

についても調べた。

この方法の利点は光共振器の波長特性が非常に広い波長範囲において均一であることであ

２． 光共振器の評価る。部分透過ミラーやブリュスタ板を用いた光共Fox-Li の手法 3) を用いたコードにより、波振器では誘電体の特性のため良好な特性の得ら

長 22µm における光共振器内の固有モードを計れる波長範囲が限定されてしまうが、この方法で算する。この固有モードより、出力結合及び回折−369−損失を算出する。算出された出力結合及び回折損ような長方形をしているので、その挿入方向の差失と反射損失から求められる光共振器の損失係による性能の差についても検討した。

数を用いて光共振器の評価を行った。
光共振器の損失係数は以下のようにして定義した。FEL の効率は

η fel = η outη ext =偏向電磁石のダクト（35.5×45.5ｍｍ）
ミラー

Pfel

アンジュレータダクト
60 mm

R=7.34 m

15 mm

Pbeam

56 mm

で定義され、ηout、ηext、Pfel、Pbeam はそれぞれ光ミラー

共振器の出力結合効率、FEL のエネルギー変換効偏向電磁石のダクト（45.5×35.5ｍｍ）

率、FEL 出力、電子ビーム電力である。光共振器
14.4 mの出力結合効率は

η out =

α out
α loss

図１．光共振器の構成で定義され、αout、αloss はそれぞれ出力結合、光共振器の全損失である。また、バンチ長がスリップ長と同程度以下でのスパイキングモード発振の FEL のエネルギー変換効率は

η ext ≅ ρLb

α loss Lc=

4π N w ρ 3
α lossで表され 4)、ρ、Lb、Lc、Nw はそれぞれ FEL パラ
メータ、バンチ長、コオペレーション長、アンジ表１．光共振器の主なパラメータ
光共振器長14.4 m

ミラー半径60 mm

ミラーの曲率半径7.34 m

アンジュレータダクトの長さ2m

スクレーパミラー半径20 mm

反射率99.4%

ュレータの周期数である。FEL パラメータ、バンチ長、コオペレーション長は光共振器に無関係なので、光共振器の性能をあらわす効率係数ηopt がη opt =

Pfelα out=32α loss
Pbeam 4π N w ρ 3

出力センタホール(a) センタホール型のように定義される。
次に示す原研 FEL 用光共振器においてセンスクレーパミラータホール型、可変挿入スクレーパ型の出力結合器を用いた場合について光共振器の効率係数を計算した。光共振器は図１に示すような構成であり、主なパラメータを表１にまとめて示す。
出力結合器については図２に示すようなセンタホール型及び可変挿入スクレーパ型について検討した。また、可変挿入スクレーパ型についてはアンジュレータダクトの断面形状が図３の出力(b) 可変挿入スクレーパ型

図２．出力結合器

大きい方向から、それを挿入することにより散乱光共振器の下流側ミラースクレーパミラーされた光の損失をさらに減らすことができていることがわかる。
スクレーパ型を鉛直方向から挿入した場合の実測値も図４に示す。全損失の少ない部分での変化の様子は計算結果とよく一致している。ピーアンジュレータ・ダクト

鉛直方向からの挿入

水平方向からの挿入

クが全損失の大きい方にシフトしているのは光

図３．可変挿入スクレーパ型の挿入方向共振器のミスアライメント等のために損失が増えているためである。また、全損失が大きくなっ３． 結果てくると効率が悪くなるのは、正味のゲインが減センタホール型についてはホール径を変化させ、また可変挿入スクレーパ型では挿入位置をりスパイキングモード発振から通常の発振へと移行しているためと思われる。

変化させて効率係数を計算した。効率係数の全損失に対する変化を図４に示す。ただし、反射損失４． まとめを 1.2 %とした。この図から可変挿入スクレーパ

以上の結果から、原研遠赤外自由電子レー型で鉛直方向から挿入した場合が最も効率的でザーの光共振器に最適な出力結合器は可変挿入あることがわかる。いずれの場合の計算でも全損スクレーパ型を鉛直方向から挿入するものであ失が 4 %程度のところが最適値である。

り、全損失を４％程度とする挿入位置が最適な条件であることがわかった。

2.5

また、可変挿入スクレーパ型出力結合器を効率係数 (a.u.)

2.0

用いた光共振器では、非常に広い波長範囲において、スクレーパの挿入位置を調整することによっ1.5て容易に最適な条件にすることができる。この利点により、下流側のミラーを 3 倍波だけを反射す1.0るものに交換しただけで 3 倍波の発振にも成功
センタホール型
スクレーパ型 (鉛直方向)
スクレーパ型 (水平方向)
実測値 (スクレーパ型鉛直方向)

0.5した。さらにセンタホール型に比べて出力結合の面積が大きいので、光を実験室等まで輸送する際

0.0051015202530の回折を少なくできる。

全損失 (%)

図４．光共振器の効率係数

参考文献(1) E. Minehara, et al.: Nucl. Instr. and Meth. A445

出力結合器の端で光が散乱され、このために回折損失を生じて効率を悪くする。通常、出力結合器の端で散乱された光の多くはアンジュレータダクトで失われる。図４において可変挿入ス
クレーパ型では出力結合器の端での散乱がセンタホール型に比べて少ないために効率が良くなっている。また、アンジュレータダクトの開口の(2000) 183-186.
(2) N. Nishimori, et al.: “Improvement of JAERI
high power FEL”, in this proceedings.
(3) G. Fox and T. Li: The Bell System TechnicalJournal 40 (1961) 453-488.

(4) N. Piovella, et al.: Phys. Rev. E52 (1995)5470-5486