Nd/Yb hybrid amplifier laser system of RF gun for SuperKEKB
SuperKEKB に向けた RF 電子銃用 Nd/Yb ハイブリッドレーザーシステム周 翔宇#)，夏井 拓也，張 叡，吉田 光宏，小川 雄二郎
Xiangyu Zhou #), Takuya Natsui, Rui, Zhang, Mitsuhiro Yoshida, Yujiro Ogawa
High Energy Accelerator Research Organization (KEK/SOKENDAI)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
For RF gun of injector linac, by development of the Yb-doped laser system, more than 1.0 nC electron has beenobtained in 25 Hz. The Yb-doped laser system is already for commissioning phase I. Next, to generate 50 Hz double
bunch electron beam, a new Nd/Yb hybrid laser system is development to improve the stability and pulse energy.

1.

背景SuperKEKB の設計ルミノシティは KEKB で最終的 に 到 達 し た ル ミ ノ シ テ ィ の 約 40 倍 で あ る 。
KEKB の熱カソード DC 銃が 20 mm-mrad 5 nC という高電荷低エミッタンスを達成するのは非常に困難であるので、SuperKEKB ではフォトカソード RF電子銃を使用することになった。ただいま、RF 電子銃の導入やレーザー光源の増強など、入射器の改造も進行中である。
SuperKEKB の建設は順調に進み、今年、第一段階のビームコミッショニング（Phase I）を開始した[1]。この期間には RF 電子銃 と KEKB 時代から使用している熱電子銃と並行して運転を行う。RF電 子 銃 に 向 け て 25 Hz Yb 系 フ ァ イ バ ー お よ び
Yb:YAG Thin-disk 増幅媒質とするハイブリッド増幅システムを開発した。Phase I 運転においては、1nC 程度のバンチ電荷量で満足できる。このレーザーを使ったシングルバンチ、25 Hz、1.3 nC の電子源を生成され、ビームコミッショニングを行っている。
その後、今秋に第二段階のビームコミッショニング（Phase II）に進んで衝突点での絞り込み及び衝突ビーム調整を行い、5 nC 程度のバンチ電荷量が必要である。したがって、Nd と Yb ドップ利得媒質を用い、新しいハイブリットレーザーシステムを開発している。

2.

25Hz Yb ハイブリッドレーザー光源

2.1レーザーシステム

Phase I 運転においては、1 nC 程度の安定なビーム開発に集中する。RF 電子銃用 Yb ハイブリッドレーザーシステムの開発はほぼ完成した[2]。
Figure 1 のよう、まず Yb ドップファイバー発振器から 51.9 MHz の種光パルスを生成して、Linac の2856 MHz 主トリガーによって同期を行った。コア
径 4 μm の Yb ドップファイバーを用いて、750 mWの ポ ン プ レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド （ LD ） とWDM(wavelength division multiplexed coupler)を溶接し、種光を増幅した。そして、パルスを透過型回折格子ストレッチャーにより~30 ps まで伸ばし、パルスのスペクトルを矩形に整形した。

Figure 1: Layout of Laser system.
半導体光増幅(semiconductor optical amplifier: SOA)
は高速光スイッチ（切り替え速度~1ns）でパルス
ピ ッ カ ー と し て 使 用 す る 。 繰 り 返 し 周 波 数 51.9
MHz のパルス列を 10.38 MHz に下げると同時に増幅によって利得が得られた。
さらに、弱いパルスを増幅するため、ポンプパワーを 3 つに分けて（15%、35%、50%）、3 段アンプを行った。そして、コア径 40 μm、長さ 1.2 mの大口径 Yb フォトニック結晶ファイバー（PCF）を用い、波長 976 nm の LD 励起光によって増幅を行う。増幅したパルスは電気光学効果（EO）パルスピッカーによりを低繰り返しに変更した。μJ ピー
ク強度を得るためもう一段階同じ構造 PCF ファイバー増幅を行った。ポンプ光源の出力を安定化するため、波長 940 nm の LD 励起光を用いた。
低繰り返し、高強度増幅するため Yb:YAG thindisk 結晶を用いて、マルチパス共振器増幅及び 3 段階のマルチパス増幅による多重アンプを行った。
ディスクレーザーには結晶を薄くディスク状にして，冷却装置への設置面積を広くした。いろんなテスト

の結果として、結晶厚み 05 mm に対して 25 Hz 繰り返しパルス増幅を対応できる。最後に、2 段階の第2 高調波発生（SHG）により sub-mJ レベル紫外超短光源が得られた。
ポンプ光源の繰り返す周波数を固定すると、熱影
響とシステム条件も一致なので、シグナル光の繰り返す周波数を 25 Hz 以下に自由に切り替えることも実現できた。長時間安定な運転するため、基本波出力エネルギーは 7 mJ 程度を抑えている。RF 電子銃前に紫外パルスエネルギーが約 400 μJ 得られた。
2.2

レーザー光源の安定性

昨年、25 Hz 繰り返しに対して 1 nC の電子ビームを得たが、室温および冷却システムによる熱蓄積が熱レンズ効果を引き起こし、レーザー安定性などの問題が残った。それらの問題を完全に解決し、1 か月以上レーザーが連続運転によって、長時間安定性をテストした。

Figure 3: Pulse shape by streak camera.
また、レーザー光源を用いて RF 電子銃から電子ビームを生成した。1.3 nC、25 Hz、シングルバンチ電子発生を確認している[3]。Q Scan によって、エミッタンスは水平方向：28.3 mm-mrad、垂直方向：26.4 mm-mrad の結果になった。このレーザーシステ
ムは Phase I 運転条件を満たしたので、ビームコミッショニングを行っている。

3.

新 Nd/Yb ハイブリッドレーザーシステ
ムの開発

今使っているレーザーシステムは二つの制限がある。一つはポンプ光の繰り返し周波数を上がると、熱蓄積が熱レンズ効果を引き起こす。厚み 0.5mmの Yb:YAG thin-disk 結晶について繰り返し 50Hz に上がると増幅率及びビーム品質を悪くなっている。
この問題を解決するには冷却システムの改造が必要である。もう一つは増幅するパルスの幅が約 30psであり、パルスのピーク強度が強すぎ、それ以上に
Figure 2: Stability of Laser system from 4/26 to 6/9.
増幅すると、非線形効果が起こり、波長・位相の変Figure 2 は、4 月 26 日から 6 月 9 日の間にレー 調などの問題が生じてしまう。この問題を解決する
ザー光源の出力エネルギーを観測した。4 月 27 日 た め 、 チ ャ ー プ パ ル ス 増 幅 （ Chirped pulseに最後のレーザーメンテナンスを行って、その後全 amplification: CPA）システムが必要である。したレーザーシステムを 6 月 9 日までノータッチしてい がって、最終運転条件を満たすため、新しいレーた。途中、何回に外部トリガーがなくなり、レー ザーシステムを開発している。
ザーシグナルを 0 になることがある。その場合には、 半導体 LD 励起方式は、すべて固体素子で構成さ全てのレーザーポンプダイオードが運転し続く、熱 れるため、レーザー媒質内部に発生する熱を大幅に条件が変化しない。外部トリガーを回復したら、 低減できる。従来の励起方式に比べ，高変換効率・レーザーの出力も元に復旧した。1 か月以上にレー コンパクト化が可能であり、高品質ビームが得られザー光源が安定に働くことが確認した。
る。更に、長寿命・超安定な LD を用いた完全固体
更に、レーザーハットの中にエレベーター点検を 化 レ ー ザ ー で 、 メ ン テ ナ ン ス が 容 易 で あ る 。
月一回に行うので、すべでのレーザーポンプダイ Nd:YAG 利得媒質には、Yb:YAG 媒質と同じ、LDオードを半日くらいシャットダウンした。その後、 直接励起なので、構造簡単により、更なる高光学均再び電源を入れるとレーザーが完全に復旧したこと 一性や耐力性を備え、高繰り返し高強度増幅に対応も確認した。
できる。
しかし、Nd 系媒質の利得スペクトルが狭くて2.3 レーザーパルス幅および電荷量（ ~0.3 nm） 、 周 波 数領域の制御が難しくなる。
透過型回折格子ストレッチャーを用い、パルスス
Phase II には高電荷量が目指して、レーザー光源のペクトルを調整することで Sub-30ps 矩形パルスを増強することは中心として開発する。
整形する。回折格子間の距離を調整し、回折格子対一方、第三段階のビームコミッショニングの後に空間マスクを設置して、パルスの時間幅を調（Phase III）について高強度と低エミッタンスを両節した。Figure 3 によって、パルスの時間幅をスト方目指すので、Yb:YAG 利得媒質によって CPA 増リークカメラで測った。パルス幅が約 28 ps であり、幅システムの開発を行う。
矩形になるように整形した。

3.1レーザーシステムのシグナルパルスを正分散しか与えないので、パルス列の安定性もアップした。発振器の繰り返し周波数を 114.2 MHz (10.38*11 MHz)にセットした。そして、繰り返し周波数 10.38 MHz の長共振器も開発している。
バンドパスフィルタの中心波長およびバンド幅によって生成されたシグナルパルススペクトルを調整できる。Figure 6 はいろんなバンドパスフィルタにおいて出力パルスのスペクトルの形である。

Figure 4: Layout of Laser system.
Figure 4 によって、まず、市販の 114 MHz、中心波長 1030 nm の Menlo 社発振器を導入した。バック
ア ッ プ と し て 、 新 全 正 常 分 散 ANDi (all normaldispersion)タイプ Yb ファイバー発振器を開発した。
シグナルパルスを中心波長 1030 nm と 1064 nm の成分を分け、Yb:YAG 及び Nd:YAG 増幅を両方対応できる。そして、旧レーザーシステムと同じように、透過型回折格子ストレッチャー、SOA パルスピーカーおよびファイバー増幅システムを導入した。ストレッチャーによる広帯域スペクトルパルスを中心
波長 1030 nm と中心波長 1064 nm によって二つに分ける[4]。
1064 nm 成分シグナルは Yb ドップファイバーを用 い て 増 幅 し 、 EO パ ル ス ピ ッ カ ー に よ っ て
Nd:YAG 固体再生増幅システムに入れる。こちらの増幅システムは高強度パルスを目指す。一方、1030nm 成分シグナルは Yb ドップ PCF ファイバーを用いて増幅し、Yb:YAG 固体再生増幅システムに入れる。今後に CPA システムも導入する予定である。
3.2

Figure 6: The spectrum of the oscillators.
3.3

1030/1064 nm ビームの仕切

Figure 7 のように、回折格子ストレッチャーによって、回折格子対とエンドミラーの間に発振器からのパルスを波長ごとに展開される。この中、中心波長 1030 nm 幅 2 nm の成分と中心波長 1064 nm 幅0.3 nm の成分が選択され、それぞれにファイバー増幅に導入した。増幅した 1030 nm のパルス成分を
Yb:YAG thin-disk 結晶増幅システムのシグナル光として使われるが、増幅した 1064 nm のパルス成分をNd:YAG Rod 結晶増幅システムのシグナル光として使われる。

全正常分散 ANDi 型ファイバー発振器

Figure 7: Grating stretcher
Figure 5: ANDi type Oscillator.
全正常分散型ファイバー発振器は、共振器内での回折格子などの分散補償素子を設けことなく、全正常分散発振することである。パルスの広がりは、モード同期の役割を担うスペクトルバンドパスフィルタによって補償される。Figure 5 によって、共振器内に回折格子対を使用しないので、発振器の堅牢性を増強し、内部ロスを抑制した。更に、発振器内

3.4

Nd:YAG Thin-disk 固体再生増幅システム

まず、増幅率を上げるため、光が利得結晶に繰り返される再生増幅を行う。Figure 8 は ND:YAG リン
グ型再生増幅共振器である。ダブルバンチを増幅するため、共振器長が 7 m 以上設置した。共振器内に電気光学効果 Pockels Cell を用い、共振器内シグナルパルスを閉じ込め、利得飽和直後に取り出す。その後、更に高エネルギーを得るため、Nd:YAG マル
チパス増幅システムに導入予定である。

Figure 8: Nd:YAG Rod regenerative amplifier
Nd:YAG 増幅システムには Phase II に対応するため、高強度出力光パルスを期待する。
3.5

Yb:YAG Thin-disk 固体再生増幅システム

度のバンチ電荷量生成できるおよび整形できるパルス光源が必要である。したがって、Nd および Yb
ドップ利得媒質を用いて、新しいハイブリットレーザーシステムを開発している。
Yb ファイバー発振器から生成した広帯域シグナ
ルを回折格子ストレッチャーによって、中心波長中心波長 1064 nm 幅 0.3 nm の成分と 1030 nm 幅 2 nmの成分が選択され、それぞれに Nd:YAG 増幅システ
ムと Yb:YAG 増幅システムに導入した。Phase II
ビームコミッショニングにおいて、Nd:YAG 増幅システムを開発し、高強度出力パルスを目指す。そして、最終 Phase III ビームコミッショニングにおいて、Yb:YAG 増幅システムを開発し、高強度出力パルスとパルス形の整調を両方目指す。

参考文献[1] M. Satoh et al., MOP060, “SuperKEKB 入射器コミッショニングの現状 (III)”, in these proceedings.
[2] X. Zhou, et al., THP115, “SuperKEKB RF 電子銃用
25Hz と 50Hz レーザーシステムのアップグレード”, 第 12 回加速器学会, 福井, 2015.
[3] T. Natsui, et al., MOP064, “SuperKEKB 用 RF gunのコミッショニング状況”, in these proceedings.
[4] X. Zhou, et al., THPMY041, “Neodymium andYtterbium hybrid solid laser of RF gun for
SuperKEKB”, IPAC16, Busan, Korea 2016.
[5] R. Zhang, et al., TUP054, “Improvements of Stableand High Output Energy Laser System for RF-Gun at
SuperKEKB Injector”, in these proceedings.

Figure 9: Yb:YAG thin-disk regenerative amplifier
PCF ファイバー増幅した 1030 nm のシグナルパル
スを Yb:YAG Thin-disk 再生増幅共振器(Figure9)に入れる。
繰り返し周波数 50 Hz について、熱蓄積を避けるため、新しい結晶クーリング用のヒートシンクを開発し、はんだ付け方法も改善した。更に、ペルチェ
素 子 お よ び 真 空 チ ャ ン バ ー に よ っ て -23 ° ま でYb:YAG 結晶を冷却実験も行った。もっと詳しい報告は[5]に掲載した。
Yb:YAG 増幅システムには最終の Phase III に対応するため、高強度およびパルス幅が整形できるレーザー光源を期待する。

4.

まとめRF 電子銃を励起するため、Yb 系増幅媒質とするハイブリッドレーザー光源を開発した。繰り返し周
波数 25 Hz に対して、安定な 1.3 nC の電子ビームが得られた。Phase I ビームコミッショニングにむけて運転している。
今後のビームコミッショニングのため、5 nC 程