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K.Kanno, K.Ishiwata, H.Inokawa and Y.Nakamura: Construction of the Infrared Undulator at LEBRA.
Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7)56-58.
(2) Y.Hayakawa, I.Sato, K.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Matsubara, H.Nakazawa, K.Yokoyama, K.Kanno,
T.Sakai, K.Ishiwata, H.Inokawa and Y.Nakamura: Observation of IR Spontaneous Radiation at LEBRA.
Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (2000.7) 358-360.
(3) E.Hashimoto, K.Fujioka, T.Murakami, K.Nakao, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Sato,
H.Nakazawa, K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai, K.Ishiwata, H.Inokawa and Y.Nakamura: FEL ࡆ࡯ࡓߩߚ߼ߩ⵬ఘశቇࠪࠬ࠹ࡓ. Proceedings of the 26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8)
243-245.
(4) T.Tanaka, K.Hayakawa, Y.Hayakawa, I.Sato, K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai, K.Ishiwata, H.Inokawa
and Y.Nakamura: ࠕࡦࠫࡘ࡟࡯࠲࡯శߦࠃࠆ FEL ࡆ࡯ࡓ࡜ࠗࡦߩࡆ࡯ࡓ⸻ᢿ. Proceedings of the
26th Linear Accelerator Meeting in Japan (2001.8) 246-248.
(5) Y.Hayakawa, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, H.Nakazawa, K.Yokoyama, K.Kanno, T.Sakai, K.Ishiwata,
A.Enomoto, S.Fukuda, S.Ohsawa, K.Tsuchiya and M.Kato: First Lasing of LEBRA FEL in Nihon
University at a wavelength of 1.5 ȝm. Proceedings of the 23rd International Free Electron Laser
Conference and 8th FEL User's Workshop (Darmstadt, Germany 2001.8), Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A483(2002) 29-33.
(6) K.Kanno, Y.Hayakawa, I.Sato, K.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, H.Nakazawa, K.Yokoyama, T.Sakai,
K.Ishiwata, H.Inokawa and Y.Nakamura: Present Status of the Near-IR FEL at LEBRA in Nihon
University. Proceedings of the 23rd International Free Electron Laser Conference and 8th FEL User's
Workshop (Darmstadt, Germany 2001.8) II23-24.
(7) T.Tanaka, I.Sato, K.Sato, K.Hayakawa, Y.Hayakawa: Status of Infrared Free Electron Laser at Nihon
University. Jpn. J. Appl. Phys. 41 Suppl. 41-1 (2002) 34-40.
(8) Y.Hayakawa, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, K.Yokoyama, T.Sakai, K.Kanno, K.Ishiwata, E.Hashimoto:
Simultaneous Measurement of the Fundamental and Third Harmonic FEL at LEBRA. Jpn. J. Appl. Phys.
41 Suppl. 41-1 (2002) 54-57.
(9) ᯅᧄ⧷ሶ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫⮮ޔ‬ጟ৻㓷‫᧛ޔ‬਄℉຦‫ޔ‬㐳⼱Ꮉፏ‫ޔ‬ችፒᘕ਽: FEL ⊒ᝄߦࠃߞߡᒝ⺞ߐࠇߚ㧟ᰴ㜞⺞ᵄߩ᷹ቯ. Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)267-269.

(10) ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬ᯅᧄ⧷ሶ‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫⮮ޔ‬ጟ৻㓷‫᧛ޔ‬਄℉຦‫ޔ‬㐳⼱Ꮉፏ‫ޔ‬ችፒᘕ਽: ᣣᄢ FEL ߩ⃻⁁ߣశḮታ↪ൻߦะߌߚ
ᡷ⦟. Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)272-274.
(11) 㐳⼱Ꮉፏ‫ޔ‬ችፒᘕ਽‫ޔ‬Ⴚᱞᔒ‫ޔ‬ਛየ࿻૒‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫᧛ޔ‬਄℉຦‫ޔ‬ᯅᧄ⧷ሶ‫⮮ޔ‬ጟ৻㓷‫ޔ‬૒⮮ാ‫ޔ‬ᣧᎹᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ: FEL ౒ᝄེࡒ࡜࡯ߩ෻኿₸ߩ᷹ቯ.
Proceedings of the 27th Linear Accelerator Meeting in Japan (2002.8)281-283.
(12) Y.Hayakawa, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, K.Yokoyama, T.Sakai, K.Kanno, K.Ishiwata,
E.Hashimoto: Characteristics of the Fundamental and 3rd Harmonic FEL at LEBRA. Nucl. Instr. andMeth. A507 (2003) 404-408, Free Electron Lasers 2002, Proceedings of the 24th International Free
Electron Laser Conference and 9th FEL Users Workshop (Argonne, Illinois, U.S.A., 2002.9)(13) K.Yokoyama, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Kanno, T.Sakai, K.Ishiwata,
E.Hashimoto: Stability of the LEBRA Infrared FEL. Nucl. Instr. and Meth. A507 (2003) 357-361, Free
Electron Lasers 2002, Proceedings of the 24th International Free Electron Laser Conference and 9th
FEL Users Workshop (Argonne, Illinois, U.S.A. , 2002.9)(14)ਛየ࿻૒‫ޔ‬૒⮮ ാ‫ޔ‬ᣧᎹ ᑪ‫↰ޔ‬ਛବᚑ‫ޔ‬ᣧᎹᕶผ‫ޔ‬ᮮጊ๺ᨑ‫ޔ‬Ⴚ ᱞᔒ‫⩲ޔ‬㊁ᶈ৻‫ޔ‬⍹ᷰ⻞৻㇢‫ޔ‬㐳⼱Ꮉ ፏ‫ޔ‬ችፒᘕ਽: ᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳ߦ߅ߌࠆ FEL ౒ᝄེ㐳ߩᓸዊᄌൻߩ
᷹ቯ. Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting in Japan (Jul. 30-Aug.1,2003,Tokai) 396-398.
(15) T.Tanaka, K.Hayakawa, I.Sato, Y.Hayakawa and K.Yokoyama: Observation of SASE in LEBRA FEL
System. Nucl. Instr. and Meth. A 528 (2004) 486-490, Proceedings of the 25th International Free
Electron Laser Conference and 10th FEL Users Workshop (Tsukuba, Ibaraki, Japan, Sep.8-12, 2003).
(16) A.Mori, K.Hayakawa, I.Sato, T.Tanaka, Y.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Nogami, T.Sakai, K.Kanno,
K.Ishiwata, K.Nakao, A.Kidokoro, M.Inagaki, H.Takasaki: Measurement of FEL Output Fluctuation at
LEBRA. Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th
Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004, Funabashi Japan) 561-563.
(17) K.Hayakawa, K.Yokoyama, K.Nakao, I.Sato, T.Tanaka, Y.Hayakawa: Measurements of the Pulse
Length of the FEL Nonlinear Harmonics Radiation. Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan and the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004,
Funabashi Japan) 649-651.
(18) Y.Hayakawa, I.Sato, K.Hayakawa, T.Tanaka, K.Yokoyama, T.Kuwada, A.Mori, K.Nogami, T.Sakai,
K.Kanno, K.Ishiwata, K.Nakao: Analysis of the Gain Saturation in LEBRA FEL Using GENESIS.
Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear
Accelerator Meeting in Japan (August 4-6, 2004, Funabashi Japan) 652-654.
(19) T.Tanaka, K.Hayakawa, Y.Hayakawa, I.Sato: Guiding Optics System for LEBRA FEL User Facility.
Proceedings of the 26th International Free Electron Laser Conference and 11th FEL Users Workshop(August 29 - September 3, Trieste, Italy) 427-430.
(20) T.Tanaka, K.Hayakawa, Y.Hayakawa, A.Mori, K.Nogami, I.Sato, K.Yokoyama, K.Ishiwata, K.Kanno,
K.Nakao, T.Sakai: Tunability and Power Characteristics of the LEBRA Infrared FEL. Proceedings of the
26th International Free Electron Laser Conference and 11th FEL Users Workshop (August 29 September 3, Trieste, Italy) 247-250.

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OBSERVATION OF IR SPONTANEOUS RADIATION AT LEBRA
Y. Hayakawa∗, I. Sato, K. Sato, K. Hayakawa, T. Tanaka, Y. Matsubara,
H. NakazawaA) , K. YokoyamaA) , K. KannoA) , T. SakaiA) ,K. IshiwataA) , H. InokawaA) , Y. NakamuraA)
Atomic Energy Research Institute, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501 Japan
A)

College of Science and Technology, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501 Japan

Abstract
The FEL system of the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) of Nihon University was reconstructed for the infrared region (IR) from 0.8 μm to 5 μm. In order to check the performance,
the spontaneous radiations generated by the new undulator were observed using a CCD video camera. It wasdemonstrated that the wavelength of the visible spontaneous radiations, which correspond to the higher harmonics, can be controlled by adjustment of the undulator gap width.
The time structure of the radiation measured by a photo detector indicates that the yield of the radiation
has the linearity to the electron beam current and the undulator generates enough IR radiation. The spectraof the 2nd and 3rd harmonic radiation with much narrow widths were also obtained. These results mean thatthe new undulator works as an IR photon generator.

日大ＦＥＬ赤外放射光の観測
1.

はじめに
日大原子力研究所電子線利用研究施設 (LEBRA) では 1998 年に 125 MeV 電子線形加速器による電子ビー
ムの加速に成功し、可視光用アンジュレータによる自発放射光の発生を確認した [1, 2]。その後、より詳しく
アンジュレータ自発放射光の測定を行なったところ、アンジュレータ磁場の不整を示唆するようなスペクトルが得られた [3]。実際、アンジュレータ磁石列の磁場測定によって永久磁石の磁束密度の減少と磁場分布の不整が確認された。不整になった磁場分布と磁石列の放射化の程度に相関が見られることから、この現象
は放射線によるダメージであると思われる [4]。永久磁石の材質に採用している Nd-Fe-B には熱に弱いという特性があり、40 ◦ C 以上で保磁力が減少することから、アンジュレータ通過中にロスした電子ビームの照射によって局所的な温度上昇が発生したことが減磁の主な原因の 1 つとして考えられる。
今回、アンジュレータを修理するにあたって、そのまま可視光用アンジュレータとして復元するのではな
く近赤外 FEL 用アンジュレータとして改造することにした [5]。そのために周期長を従来の 2 倍の 48 mmにした磁石列を新たに製作し、既存の磁石列との交換を行なった。新しい赤外用アンジュレータ磁石列は波
長 800 nm から 5 μm までの領域をカバーできるよう∗

e-mail: yahayak@acc.phys.cst.nihon-u.ac.jp- 358 -

Table I: 電子線形加速器と赤外 FEL 発生装置の仕様
最大電子ビームエネルギー
ビーム電流
マクロパルス幅繰り返し
アンジュレータ磁気回路
周期長
周期数
磁石材質
最大磁束密度
ギャップ間隔実効 K 値
放射光の基本波長
光空洞の長さ光共振器ミラー
FEL 平均出力

125 MeV
200 mA20 μs
12.5 Hz
ハルバック方式
48 mm
50
Nd-Fe-B
1.28 T
29∼40 mm0.57∼1.2
0.8∼5 μm
6718 mm
誘電体多層膜1∼6 Wに設計されている [6]。現在は波長 1.5 μm での赤外FEL の発振を目指しており、この波長に合わせた多層膜ミラーを光共振器の反射境として使用している。電子線形加速器と赤外 FEL 用アンジュレータの仕様をTable I に、アンジュレータギャップ間隔と発生する自発放射光の波長との関係を Fig. 1 にそれぞれ示す。

Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)

Wavelength [ nm ]2000

とも確認でき、この新しい赤外用アンジュレータが放射光発生装置として機能していることが分かった。

85 MeV
90 MeV
95 MeV
100 MeV

1500

3.

CCD ビデオカメラによる観測と同様に、放射光パ
ルスの時間的な構造を調べるために望遠鏡で集光した自発放射光を Si フォトダイオード検出器で測定した。オシロスコープを使って取得した光検出器の出力を Fig. 3 に示す。この検出器の感度は長波長側で1 μm 程度までしかない。従って自発放射光基本波の中心波長がおよそ 1 μm となる電子ビームエネルギー
96 MeV、アンジュレータギャップ間隔 36.5 mm という条件で測定した。Fig. 3 の上図は放射光による信号とアンジュレータの直前に設置されたコアモニターで測定したビーム電流とを比較したものである。両者の時間構造が非常に良く一致していることから、測定された光は電子ビームで生成された自発放射光であり、その光量がアンジュレータを通過する電荷量に対して良い線形性を持っていることが分かる。
下図では赤外透過フィルター（透過率: 50 %@1 μm,
10 %@770 nm）を通して放射光を測定した場合と直

1000

500

30

40

50

フォトダイオードによる放射光パルスの測定

60

Gap [ mm ]Figure 1: アンジュレータギャップ間隔と発生する自発放射光の中心波長の関係。

0.2
0
−0.2

photo diode(Si)beam current

−0.4
0

20

40

60

Time [ 㱘s ]2.

自発放射光の観測

赤外用に改造されたアンジュレータによって実際に放射光が発生するかどうかを確認するために、CCD
ビデオカメラを用いた観測を行なった。電子ビームのエネルギーが 98 MeV の時、アンジュレータのギャッ
プ間隔が 29 mm から 40 mm までの範囲 (実効 K 値
1.18∼0.57) で可視光の自発放射光を観測することができた。この条件で理論的に見積もられる基本波は近赤外領域の光となるため、観測されたのは 2 次及び 3 次
高調波であると考えられる。Fig. 2 は金属ミラーを使って輸送された放射光を望遠鏡で集光し、それを CCD
ビデオカメラで撮影して得られた画像の一部である。
ギャップ間隔の調整によって光の色が変化していくこ- 359 -

0

Voltage [ V ]Figure 2: CCD ビデオカメラで観測した自発放射光の 2 次及び 3 次高調波。電子ビームのエネルギーは98 MeV、アンジュレータギャップ間隔はそれぞれ左上 31 mm、右上 32 mm、左下 33 mm、右下 34 mm。

−1

beam current
photo diode(Si)photo diode(Si)+long pass filter

−2
0

20

40

60

Time [ 㱘s ]Figure 3: 赤外用アンジュレータで発生した自発放射
光パルスの時間構造。上：ビーム電流の信号との比較。
下：赤外透過フィルターを使用の有無による違い。この時の電子ビームのエネルギーは 96 MeV、アンジュ
レータギャップ間隔は 36.5 mm。

Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)

接測定した場合を比較している。図にあるようにビー
ム電流はほぼ同じであるが、光検出器の出力はフィル
ターを通して測定した方がおよそ 1/3 となった。この測定では望遠鏡による集光を行なっているため、検出器に入射する放射光には基本波と 3 次高調波だけではなく、見込み角のついた 2 次高調波が含まれている。
可視光の主成分は 2 次高調波であると思われる。今回使用したフィルターの透過率をから、検出器のレスポ
ンスの約半分は近赤外領域の光によるものと見積もることができる。さらに波長 1 μm の光に対する Si フォ
トダイオードの量子効率が可視領域の光に比べて約20 %である点を考慮すると、検出器に到達した赤外
領域の基本波の強度は可視光である 2 次、3 次高調波の 4∼5 倍程度と評価できる。この光検出器のレスポンスが波長 633 nm の光に対して 2 V/1 mW であることから、少なくとも 2 mW 程度の赤外自発放射光が発生していることになる。

4.

5.

まとめと今後の課題

近赤外 FEL 用に改造されたアンジュレータによる放射光の発生を試みた。その結果、可視領域の自発放射
光をビデオカメラで観測することに成功し、アンジュ
レータギャップ間隔の調整による波長の変化も確認することができた。フォトダイオードを用いた測定では自発放射としては十分な強度の赤外放射光が発生していることがわかった。また分光器を使って高調波と思われる非常に狭い幅をもったスペクトルも得られた。
以上の実験結果から、改造後のアンジュレータは近赤外放射光発生装置として概ね正常に機能しているものと考えられる。
今回、アンジュレータ自発放射光に対して行なわれたスペクトル測定はまだ予備的なものであり、分析も不十分である。今後より精密な測定をしていく必要がある。また、現在の FEL 発生装置の発振波長に設定している 1.5 μm での測定を予定している。特に高速な赤外線検出器 (Hg-Cd-Zn-Te) を用い、赤外放射光のビルドアップを観測することが重要な課題として挙げられる。

自発放射光のスペクトル赤外自発放射光の発生が確認できたため、次に放射光のスペクトルを測定することを試みた。Fig. 4 は電子ビームエネルギー 96 MeV、アンジュレータギャップ

a)

980

間隔 37 mm という条件で、グレーティング方式の分光器を用いて測定された結果である。分光器のイメー
ジング装置として CCD カメラを使用しており、そのシャッターをリニアックのマクロパルスと同期させることが可能である [7]。今回は露光時間は 30 ms で測定した。この測定で得られたスペクトルは近赤外、可視共にアンジュレータの周期数で決まる基本波の半幅2 %より狭い幅をもっている。この原因として、見込み角がついた放射光のスペクトルを測定してしまったことが考えられる。自発放射光はアライメント用レーザと異なり望遠鏡で集光後再び発散してから分光器に入射するため、アライメントが不十分であった可能性がある。Fig. 4 の a)、b) はそれぞれ見込み角がついたためにピーク波長が長波長側にシフトした 2 次、3次高調波であると思われる。

1000

Referencesb)[1] I. Sato et al., Proc. of 23rd Linear Accelerator
Meeting in Japan, p. 22 (1998)[2] Y. Hayakawa et al., Proc. of 23rd Linear Accelerator Meeting in Japan, p. 334 (1998)[3] H. Nakazawa et al., Proc. of the 12th Symposium on Accelerator Science and Technology,
p. 394 (1999)[4] I. Sata et al., Proc. of the 12th Symposiumon Accelerator Science and Technology, p. 37(1999)

540
560
wavelength [ nm ][5] I. Sato et al., Proc. of this Meeting.

Figure 4: 分光器で測定した自発放射光のスペクトル。
a)2 次高調波、b)3 次高調波と考えられる。測定時の電子ビームエネルギーは 96 MeV、アンジュレータギャッ
プ間隔は 37 mm である。

- 360 -

[6] K. Hayakawa et al., Proc. of this Meeting.
[7] Y. Hayakawa et al., Proc. of 24th Linear Accelerator Meeting in Japan, p. 368 (1999)

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[1]
I.Sato, et al., “Advanced Status at LEBRA in Nihon޽ࠆ‫ᦨߩࡦ࡯࠲ࡄ࡞࡯ࠤࠬ޿⿒ߊ⭯ޕ‬ዊ౞ߩ⋥ᓘߪ‫ޔ‬
University”, Proceedings of the 25th Linear Accelerator㔚ሶࡆ࡯ࡓߩࠨࠗ࠭ߦ឵▚ߒߡ߅߅ࠃߘ਄ᵹ஥ߢ
Meeting in Japan, Himeji, July. 12-14, 2000, p24[2] K.Hayakawa, et al., “Construction of the thInfrared
Undulator at LEBRA”, Proceedings of the 25 Linear
Accelerator Meeting in Japan, Himeji, July. 12-14, 2000, p56[3] Y.Hayakawa, et al., “Observation of IR Spontaneous
Radiation at LEBRA”, Proceedings of the 25th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Himeji, July. 12-14, 2000,
p358[4] I.Sato, et al., “Design Report on PF Injector Linac Upgradefor KEKB”, KEK Report 95-18 (1996) p286
[5] ⍹ᷰ⻞৻㇢ ઁ, ̌㕖⎕უဳࡆ࡯ࡓࡐ࡚ࠫࠪࡦࡕ࠾࠲࡯
ߩ㐿⊒⎇ⓥ̍, Proceedings of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tsukuba, Aug. 1-3, 2001
[6] S.Benson, Private Communication਄ᵹㇱࠬࡐ࠶࠻
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Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 483 (2002) 29–33

First lasing of LEBRA FEL at Nihon University at awavelength of 1:5 mm
Y. Hayakawaa,*, I. Satoa, K. Hayakawaa, T. Tanakaa, H. Nakazawab,
K. Yokoyamab, K. Kannob, T. Sakaib, K. Ishiwatab, A. Enomotoc, S. Fukudac,
S. Ohsawac, K. Tsuchiyac, M. Katodab

Atomic Energy Research Institute, Nihon University, Narashinodai 7-24-1, Funabashi-shi, Chiba-ken 274-8501, Japan
College of Science and Technology, Nihon University, Narashinodai 7-24-1, Funabashi-shi, Chiba-ken 274-8501, Japanc
High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Oho 1-1, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, Japand
Institute for Molecular Science, 38, Nishigonaka, Myodaiji, Okazaki-shi, 444-8585, Japan

Abstract
The FEL system covering wavelengths from 800 nm to 5 mm has been developed at Laboratory for Electron BeamResearch and Application (LEBRA) in Nihon University. The system consists of a conventional 125 MeV S-band linac
and a planar undulator with the alternative ﬁeld of 50 periods.
The ﬁrst lasing of the system was achieved at the wavelength of 1:5 mm using dielectric mirrors. Although thesaturation of the FEL power has not been observed yet, ampliﬁcation of the spontaneous radiation power by about 108
times has been obtained with the measurement using the InSb detector. The absolute power has been estimated to be a
few mJ/macropulse.
An intense visible light has been observed frequently depending on the intensity of the fundamental FEL. The
measured time structure of the phenomenon suggests that this is the radiation related with the formation of the
microbunches in the electron beam. r 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.
PACS: 41.60.Cr; 47.75.Ht; 29.17.þw
Keywords: FEL; First lasing: Electron linac; Near-IR

1. Introduction
Since 1994 a free electron laser (FEL) system
based on a 125 MeV electron linac has beendeveloped at Laboratory of Electron Beam Re*Corresponding author. Tel.: +81-47-469-5983; fax: +8147-469-5490.
E-mail address: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jp(Y. Hayakawa).

search and Application (LEBRA) of Nihon University [1,2]. In this project the FEL will be applied
to the advanced studies on the various ﬁelds suchas material science, biology and medical science.
The construction of the FEL system for visible
region was completed in 1997 and the spontaneousemission (SE) from the undulator was observedin 1998. The FEL in visible region, however, has
not been achieved and permanent magnets of
the undulator were seriously damaged due to0168-9002/02/$ - see front matter r 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.
PII: S 0 1 6 8 - 9 0 0 2 ( 0 2 ) 0 0 2 8 1 - 4

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Y. Hayakawa et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 483 (2002) 29–33

irradiation with electron beams and/or g-rays.
Thus a new magnet array was designed for lasing
in infrared region (IR) instead of that in visible
region. The undulator was reconstructed and IR
radiation from it was observed in 2000 [3].
In order to realize the near-IR FEL various
improvements on the linac have been performed.
By many works on the stabilization of the RF
driving system the electron beam macropulse witha duration of 20 ms has become available for the
FEL experiment at the beam current over 100 mA:
As the result of these efforts the ﬁrst lasing at awavelength of 1:5 mm was achieved on May 26thof 2001. This paper reports about the facility of
LEBRA and details of the event.

Table 1
Parameters of the 125 MeV linac
Beam energy
Acceleration frequency
Thermal cathodeDC gun voltage
Beam pulse duration
Beam intensity
Peak current
Repetition rate
Normalized emittance
Energy spread

Table 2
Parameters of the planar undulator
Undulator structure
Period length
Period number
Material of permanent magnets
K-value (rms)Resonant wavelength
Cavity length

2. Performance of a linac and an undulator for nearIR
Layout of the 125 MeV linac and the FEL
system is schematically shown in Fig. 1. The
electron beam is extracted at 100 keV with theconventional thermal cathode DC gun. Neither
sub-harmonic buncher (SHB) nor RF gun is usedat the injector section. Instead of those special
devices, the 7-cell traveling wave type prebuncher
tube brings excellent bunch length [4,5]. There arethree 4 m accelerating tubes in the linac regularaccelerating section. The RF power is supplied
using two klystrons. The RF phase has beenstabilized by both feedforward and feedback
methods. The electron beam is momentum analyzed in the 901 achromatic bending system at theupper section of the undulator.
A horizontally arranged planar undulator ischosen as an insertion device. At present theundulator has the alternative ﬁeld of 50 periods
and is set up for the FEL wavelength from 0.8 toKLY1

50–125 MeV
2856 MHzEIMAC Y646B
100 kV
20 ms
200 mA
5–20 A
12:5 Hz
20p mm mrad
1%

Halbach
48 mm
50
Nd–Fe–B
0:57–1:2
0:8–5 mm6718 mm

5 mm: The speciﬁcations of the linac and theundulator are shown in Tables 1 and 2, respectively. The small signal gain of the FEL system
calculated as a function of the K-value and theresonant wavelength is also shown in Fig. 2.

3. First lasing at a wavelength of 1:5 lm
For the FEL lasing experiment, a wavelengthof 1:5 mm was selected as the resonant wavelength. The dielectric mirrors with the reﬂection
rate of 99.5% for the wavelength were prepared.

KLY2

undulatoro

90 bend
DC gun

PB

B

AS

AS

AS

BD

Fig. 1. Layout of the FEL system. KLY: klystron, PB: pre-buncher, B: buncher, AS: accelerator structure, BD: beam dump.

Y. Hayakawa et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 483 (2002) 29–33

Gain [ % / A ]2O Pm

1O P m

0

1
K_value (rms)

2

10

8

10

6

10

4

10

2

10

0

150

FEL power

100

beam current

date

SE
2001/05/26

energy [MeV] 86.8

Fig. 2. Small signal gain expressed as functions of the K-value.

50

beam current [ mA ]FEL/SE intensity rateO P m

31

0
05/28

06/19 07/03 07/25 07/27

94.0

86.8

86.7

86.8

86.8

Fig. 4. Measured FEL power expressed as ampliﬁcation of theaccumulated spontaneous emission.

(a)

FEL macropulse

10

0.08
5
electron beammacropulse
0.06

C.M. output [ V ]IR detector output [ V ]

15
0.1

0
30

40

50

60

s
Time P

4

FEL macropulse

1005electron beammacropulse
4

C.M. output [ V ]IR detector output [ V ]

15

(b)

0
30

40

50

60

s
Time P
Fig. 3. 1:5 mm FEL pulse shape. (a) First lasing. The solid anddashed line mean the FEL pulse shape and the beam current,
respectively. (b) After adjustments of the optical cavity and thelinac. The IR detector is saturated.

Therefore the round-trip loss of the optical cavity
is 1%, which is in good agreement with the actual
loss that estimated from the decay time of theaccumulated SE.

The ﬁrst lasing at LEBRA was achieved at theelectron beam energy of 86:8 MeV; the undulator
K-value of 0.92 and the macropulse beam currentof 100 mA: The macropulse waveforms of the FEL
measured using an InSb detector with the sensitivity of 40 000 V=W are shown in Fig. 3 together
with the beam current ones obtained by a core
monitor. After tuning of the optical cavity lengthand the parameters of the linac, the FEL power
became so intense that the IR detector was
saturated.
Fig. 4 shows the obtained FEL power expressedas ampliﬁcation of the accumulated SE power
and the beam intensity at that time. The ampliﬁcation was estimated by the external ﬁtting to the
decay curve of the detector output signal. The
reduction owing to an ND ﬁlter (ND-400) placedat the front of the detector window was taken into
account. The FEL gain has no linearity to theaverage beam current over a macropulse. It
suggests that in this system short bunch length ismore essential than large average beam currents.
The input RF power into the injector should be
optimized to obtain enough beam bunching forlarger beam intensity. The FEL power has
increased and reached at least a few mJ per one
macropulse, which is estimated by the calorimetricmeasurement. However, the saturation of thepower has not been obtained yet up to the earlypart of August 2001.

Y. Hayakawa et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 483 (2002) 29–33

32

5. Problem

Intensity [ a.u. ]visible lightnear_IR FEL
electron beam

020Time [Ps ]40

Fig. 5. Pulse shape of visible region radiation measured using a
Si photodiode. It is enhanced when the FEL pulse grows up.

At present the linac is still unstable. The FEL
power ﬂuctuates frequently and after a while thelasing entirely strays off. The instability disturbs
the measurements to obtain signiﬁcant properties
such as the spectrum. It is also hard to perform
ﬁne adjustments of the linac leading the FEL
power to the saturation.
Main causes of the long-term instability arevariations of the cavity length dependent upon theroom temperature and slow reduction of theelectron emission from the gun. In particular,
latter is serious since variations of the beamloading at the injector affect the electron beam
bunching.
On the other hand it is considered thatthe instability in the short period seems to be
due to the staggers of the beam trajectory
caused by ﬂuctuations of the commercial electric
power.

4. Enhancement of visible light
When the fundamental FEL became so intense
as to saturate the IR detector with the ND ﬁlter,
an intense visible light was observed with atelescope for monitoring the beam proﬁles. Since
the light color obtained by a CCD camera is cyan,
it seems to be the third harmonics of 1:5 mm
resonant wavelength.
In order to investigate this phenomenon thetime structure of the visible light was measured
using a silicon photodiode detector. The resultof the measurement is shown in Fig. 5. The
intensity of the light grows up rapidly at latepart of the electron beam macropulse and its
rise time is shorter than the fundamental FEL.
Because of the fast decay there is little possibility that the accumulation of the higher harmonics in the optical cavity should cause thisenhancement.
The shape of the signal suggests that theoccurrence of the ﬂush should be strongly dependent on the microbunches formed in the FEL
process. Therefore, it is considered that thephenomenon should be the coherent radiationfrom the microbunches or the nonlinear harmonics
discussed in recent theoretical works [6].

6. Summary
The ﬁrst lasing at LEBRA was achievedat the wavelength of 1:5 mm: It demonstrates thepossibility of FEL using a conventional electron
linac without an SHB and an RF gun. In
other words, the high-performance prebuncher
has potential to realize a low-cost FEL system.
The stability of the linac, however, must be
more improved to achieve the FEL power
saturation and provide excellent laser beams forapplications.
The intense visible light that seems to be dueto the microbunches was observed. It is aninteresting phenomenon and worth studying as alight source.

Acknowledgements
This study has been ﬁnancially supported by the
Grant from Ministry of Education, Science, Sports
and Culture to promote multi-disciplinary research projects since 2000.

Y. Hayakawa et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 483 (2002) 29–33

References[1] I. SATO, et al., Proceedings of the 12th Symposium on
Accelerator Science and Technolog, 1999, pp. 37–39.
[2] K. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 375 (1996)
ABS25.
[3] Y. Hayakawa, et al., Proceedings of the 25th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Vol. 25, 2000, p. 358 (inJapanese).

33[4] A. Asami, et al., Proceedings of the Fifth Linear Accelerator
Meeting in Japan, Vol. 5, 1980, p. 71 (in Japanese).
[5] K. Yokoyama, et al., Proceedings of the 24th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Vol. 24, 1999, p. 359 (inJapanese).
[6] Z. Huang, K. Kim, Phys. Rev. E 6 (2000) 7295.

FEL 発振によって強調された３次高調波の測定
英子1,A)、早川橋本
田中

恭史 B)、佐藤俊成 B)、横山

和枝 B)、菅野浩一 A)、境藤岡一雅 A)、村上琢哉 A)、長谷川

勇 B)、早川武志 A)、石渡

建 B)

謙一郎 A)、中尾

崇 A)、宮崎

圭佐 A)

慎也 A)

A)

日本大学大学院 理工学研究科 量子理工学専攻

B)

日本大学 量子科学研究所 電子線利用研究施設〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1

概要
日本大学電子線利用研究施設(LEBRA)では可視光であるアンジュレータ放射光の 3 次高調波が FEL 発
振した時に強調される現象が観測された。そこで、この現象を調べるためにスペクトルを解析した。光のスペクトルは２つのピークから構成されており、
電子ビームが１つのマクロパルス内に２つのエネル
ギーピークを持つと考えられる。さらに、２つのマ
クロパルス内で加速器の調整次第でどちらのピーク
からも FEL 発振を生ずることがわかった。

１．はじめに日本大学電子線研究施設(LEBRA)では、短波長自由電子レーザー発振を目指し、125Mev の電子線形加速器を基盤とした波長可変な単色光源の開発を目指し、
近赤外から可視領域までの FEL の開発を進めている。
2001 年に,波長 1.5μm での FEL 発振に成功した。
我々は、FEL の基本的特性を調べるため、測定系の整備をすすめ、高調波スペクトルの測定、マクロ
パルス内での増幅の様子を調べている。現在、FELの強度は光共振器に蓄積される自発放射光の約 108倍に達しているが、しかし、FEL の飽和に至っていない。
光共振器の反射鏡は誘電体多層膜からなっている。
高反射率の波長範囲が 200nm 程度、レーザーが発振する基本波長１．５μm 付近は、99.5%の反射率である。基本波発振が強くなると、0．5μｍ波長の可視光強度が 3 次高調波の自発光強度の 10〜105 倍になる現象を観測した。

２．アンジュレータと光共振器の仕様
FEL 発生装置は加速器と FEL 発振を行うアンジ
ュレータ及び両端にミラーを配置した光共振器からなる。現在のシステムは波長 0.8〜5μm の近赤外領域をターゲットとしている。リニアックと FEL

1E-mail: hashimoto@lebra.nihon-u.ac.jp

表 1 リニアックと FEL 発生装置の仕様
㪜㫃㪼㪺㫋㫉㫆㫅㩷㫃㫀㫅㪸㪺㩷㩷㩷㩷㩷㪹㪼㪸㫄㩷㪼㫅㪼㫉㪾㫐㩷㪌㪇㪄㪈㪉㪌㩷㪤㪼㫍㩷㪸㪺㪺㪼㫃㪼㫉㪸㫋㫀㫆㫅㩷㪹㪼㪸㫄㩷㫇㫌㫃㫊㪼㩷㪻㫌㫉㪸㫋㫀㫆㫅㩷㪉㪏㪌㪍㩷㪤㪟㫑㩷㪉㪇㩷㱘㫄㩷

㪹㪼㪸㫄㩷㫀㫅㫋㪼㫅㫊㫀㫋㫐㩷㪉㪇㪇㩷㫄㪘㩷

㫉㪼㫇㪼㫋㫀㫋㫀㫆㫅㩷㫉㪸㫋㪼㩷㫅㫆㫉㫄㪸㫃㫀㫑㪼㪻㩷㪼㫄㫀㫋㫋㪸㫅㪺㪼㩷㪈㪉㪅㪌㩷㪟㫑㩷
㪉㪇㱜㩷㫄㫄㩷㫄㫉㪸㪻㩷㪧㫃㪸㫅㪸㫉㩷㫌㫅㪻㫌㫃㪸㫋㫆㫉㩷㩷㫄㪸㪾㫅㪼㫋㩷㪸㫉㫉㪸㫐㩷㫋㫐㫇㪼㩷㫄㪸㫋㪼㫉㫀㪸㫃㩷㫆㪽㩷㫄㪸㪾㫅㪼㫋㫊㩷㪟㪸㫃㪹㪸㪺㪿㩷
㪥㪻㪄㪝㪹㪄㪙㩷

㫅㫌㫄㪹㪼㫉㩷㫆㪽㩷㫇㪼㫉㫀㫆㪻㩷㪌㪇㩷㫋㫆㫋㪸㫃㩷㫃㪼㫅㪾㫋㪿㩷㪉㪋㪇㪇㩷㫄㫄㩷

㪼㪽㪽㪼㪺㫋㫀㫍㪼㩷㪢㪄㫍㪸㫃㫌㪼㩷㪦㫇㫋㫀㪺㪸㫃㩷㪺㪸㫍㫀㫋㫐㩷㪺㪸㫍㫀㫋㫐㩷㫃㪼㫅㪾㫋㪿㩷㩷 㫄㫀㫉㫉㫆㫉㩷㫋㫐㫇㪼㩷㪇㪍㪌㪄㪈㪅㪈㩷

㩷㩷㪍㪎㪉㪏㩷㫄㫄㩷
㫄㫌㫃㫋㫀㪄㫃㪸㫐㪼㫉㩷㫆㫉㩷㫄㪼㫋㪸㫃㩷㪺㫆㪸㫋㩷発生装置のパラメータを表 1 に示す。

３．測定システムの概要
FEL スペクトルの測定システムを図 1 示す。トン
ネルの入り口のコールドミラーによって赤外である
FEL 基本波と可視であるアンジュレータ放射光の 2次、3 次高調波に分けられる。赤外である基本波(FEL)は HgCdZnTe 赤外線検出器、InSb 赤外線検出器によって観測される。
同時に測定される可視光の輸送ラインは、石英ミラーを使用することによって CCD カメラ、スペク
トルメータ、フォトダイオードの３本のビームラインに分割され、ビームプロファイルの観測、フォトダイオードによる強度測定、スペクトル分光を同時に行うことが可能である。LEBRA では、2m のコン
クリートのシールドを通って隣接される実験室まで輸送される。また、分光器では、分光した像を加速器に同期した冷却 CCD カメラで取得している。それによって、マクロパルスあたりのスペクトルを得る。

[実験室]InSb赤外線検出器

ＰＭ

4.放射光のスペクトルの計測結果
4.放射光のスペクトルの計測結果

ＰＭ
ＣＭ

ＣＣＤ

望遠鏡

高調波光
1/3Ｍ

ＰＤ

望遠鏡

1/3Ｍ

冷却
ＣＣＤ

分光器

1/3Ｍ
ＰＭ

ＰＭ：全反射ミラー

1/3Ｍ：1/3反射ミラー

ＨＭ：ハーフミラー

ＣＤ：コールドミラー

放放放放 射射射射 線線線線 遮遮遮遮 蔽蔽蔽蔽 壁壁壁壁

HgCdZnTe赤外線検出器
ＰＭ[加速器室]

ＨＭ

２.１
アンジュレーター
放射光
FEL共振器ミラー
ＰＭ

ＣＣＤ：カラービデオＣＣＤカメラ
ＰＤ：フォトダイオード
冷却ＣＣＤ：冷却ＣＣＤカメラ

図 1 スペクトル測定装置の配置。

測定結果

上記のシステムで、FEL の測定で興味ある現象が見つかった。このときの電子ビームのエネルギー
86.8Mev で行ったときの実験データである。CCD カ
メラで可視光フラッシュ(3 次高調波)を目撃した。これは、FEL 発振に伴い急激に増幅していることがわかった。この現象の時間構造を測定するため、Si フォトダイオードを望遠鏡の接眼部につけ測定した。
これにより得られたデータを図 2 に示す。FEL 基本
波のゲインが大きくなった時にのみ、この増幅が確認された。増幅した時のゲインが基本波 FEL よりも大きいことから、その現象は非線形高調波と呼ばれる現象ではないかと考えられる。

２.２

スペクトル分析

測定によって得られたスペクトルを図３に示す。
から得られたデータより分析した結果を図３に示す。2 つのピークが重なったような形状をした自発放射 3 次高調波が、増幅するとき決まった波長で発振せずに、ある波長幅で発振していることが分かった。その間隔Δλ=1.9nm である。これよりアンジュ
レータの自発光の式

O

Ow

{1 
2

K2
 J 2T 2 }
2

(1)
2J
(1)からθ=0 の場合、γがΔγシフトしたときの波長のずれΔλは
図２ フォトダイオードで３次高調波を測定したときのビーム電流と赤外領域の FEL。

O  'O'E
E

Ow
2(J  'J )
'J

J

'E
E

図３ スペクトル測定の結果。点線が自発放射 3 次高調波。細線が、増幅した 3 次高調波。

(1 
2

1

K2
) (2)
2

1
 1 (3)'JJ

0.2% (4)

光のスペクトルは２つのピークから構成されており、電子ビームが１つのマクロパルス内に２つのエネルギーピークを持つと考えられる。さらに、２つのマクロパルス内で加速器の調整次第でどちらのピークからも FEL 発振を生ずることがわかった。
(4)式より、電子ビームのエネルギー差ΔE=0.168Mevである。この原因として、１つ目に、オーバーバン
チングによる可能性も挙げられる。２つ目にパルスの途中で位相がずれていることが挙げられる。このような、不安定なビームの状態であっても加速器の調整によって発振しうることが増幅した高調波ス
ペクトルから分かる。また、最近 LEBRA において実験中,基本波の発振が途中で挫折する現象が確認

されている(図 4)。このことは、後者の原因とも結びつくのではないかと思われる。

図４ フォトダイオードで３次高調波を測定したときのビーム電流と赤外領域の FEL。基本波
FEL が増幅過程途中、挫折している。

5．まとめと今後の課題．まとめと今後の課題
２つのピークを持つビームの状態をさらに分析し、原因を探る。また、光のスペクトルを使って電子のバンチの様子、位置の計測するシステムを確立する予定である。

6．
．参考文献[1]Y.Hayakawa.,et.,Proc.of FEL Conf.DarmstadtGermany[2]T.Tanaka,et.,Proc.of 26th Linear Accelerator Meeting inJapan,246(2001)[3]H.Nakazawa et al.,Proc. Of 23th Linear Accelarator Meetingin Japan,84(1998)[4]Z.Huang and K.Kim,Phys.Rev.E62.(2000)

日大 FEL の現状と光源実用化に向けた改良早川 恭史1,A)、佐藤 勇 A)、早川 建 A)、田中 俊成 A)、横山 和枝 A)、境 武志 B)、菅野 浩一 B)、
石渡 謙一郎 B)、橋本 英子 B)、中尾 圭佐 B)、藤岡 一雅 B)、村上 琢哉 B)、長谷川 崇 B)、宮崎 慎也 B)
A)

日本大学量子科学研究所 電子線利用研究施設〒274-8501
B)

千葉県船橋市習志野台 7-24-1

日本大学理工学研究科 量子理工学専攻〒274-8501

千葉県船橋市習志野台 7-24-1

概要
日本大学電子線利用研究施設では、2001 年 5 月に
自由電子レーザ（FEL）発振を達成して以来、強度の増強と安定化に努めてきた。共振器に誘電体多層膜
ミラーを用いることによって、シングルパスでの現象と思われる 3 次高調波の増幅の観測などの成果が得られたが、電子ビームの不安定性や共振器長の変動によって安定な FEL 発振はまだ得られていない。
FEL を応用実験のために各実験室に輸送・分配す
る光ビームラインの整備を進めているが、可変波長光源として光を供給するには共振器ミラーを現在の多層膜から金属ミラーに交換する必要がある。これに伴って、アライメント及びガイド用のレーザをFEL 共振器に導入するため、キューブ型ビームスプ
リッターを用いることにした。

１．はじめに日本大学電子線利用研究施設(LEBRA)では、2001
年 5 月に波長 1.5Pm での自由電子レーザ（FEL）の発振に成功した[1]。加速器として 125MeV 電子リニア
ックを用いているが、これは熱陰極 DC 電子銃を用いており、入射器にサブハーモニックバンチャーを使用していない、一般的なリニアックである。そのため、FEL 発振は容易ではなかったが、RF 窓の真空強化によるクライストロンの長パルス化、高速移相器を用いた RF アンプ位相変動の補償などによってリニアックの性能が向上し、マクロパルス幅 20Ps のビームを安定に供給することが可能となった。このことが FEL 発振の成功に大きく寄与している[2,3]。
ファーストレイジング以降、リニアックのさらなる安定化に努めるとともに、得られる FEL の特性について調べるために様々な測定を行ってきた。FEL
ゲインの向上は見られたが、発振はまだパルス間で不安定であり、FEL 利得の飽和は達成されていない。
現在は FEL 発振の達成とその基本特性の研究を目的として波長 1.5Pm をターゲットとした誘電体多層
膜ミラーを共振器ミラーとして用いている。波長可変性を実現するためにはこれを金属ミラーに交換する必要がある。また、アライメントシステムもこれに適合したものに改良しなければならない。
1

E-mail: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jp

２．LEBRA
近赤外 FEL の仕様
２．
LEBRA の FEL システムは、125MeV S-band 電子
リニアックと平面アンジュレータ・光共振器で構成されている。当初は可視光領域での FEL を計画していたが、アンジュレータ磁石列が放射線ダメージにより減磁してしまったため、新たに近赤外用の磁石列を製作し、現在使用している[4]。このシステムの仕様を Table1 に示す。
電子リニアックの入射器には RF 電子銃やサブハ
ーモニックバンチャーのような特殊な装置は導入していないが、7 セル型プリバンチャーの効果により比較的短いバンチ長を実現することができる。
現在のところ、共振器ミラーとして誘電体多層膜
ミラーを用いている。これは FEL 発振達成を目標としてアライメントや測定のしやすさを優先させたもので、波長 1.5Pm をターゲットにしている。このプ
ロジェクトの目的は FEL を波長可変な光源として実用化し実際に応用研究に使用することであるので、本来は金属コートミラーを使うことになっている。
金属ミラーの使用により、波長 0.8Pm−5 Pm の近赤外領域をカバーすることが可能となる。

Table 1: LEBRA-FEL の仕様
電子ビームエネルギー
50 − 125 MeV
加速周波数2856 MHz

マクロパルス幅

20 Ps

繰り返し

12.5 Hz

ビームバンチ長
アンジュレータ周期長
周期数
K 値 (rms)

3.5 − 10 ps
48 mm
50

共振器長

0.65 − 1.1
6718 mm

FEL 基本波波長0.8 − 5 Pm

現在、4 セットの共振器ミラーが用意されている。
Table 2 はそれらの仕様である。FEL 発振を達成したのは誘電体多層膜ミラー１であり、それをそのまま使い続けている。金属コートミラーの皮膜には、赤外光に対する反射率に優れている Au を採用した。
Table 2: 共振器ミラーの仕様
ミラーの直径は全て 25mm
誘電体多層膜ミラー１
曲率半径

4.0 m

反射率＠1.5Pm

0.995

ち上がっていくイベントが頻繁に観測されることもあり、RF の位相変動などがこの不安定性の原因として考えられる。
また、現在使用している共振器ミラーの曲率半径が短いので、光と電子ビームが安定に相互作用する
ためにはビーム軌道の安定性に関してシビアである。
電源変動によるビーム軌道のふらつきによって FELの発振が不安定になっている可能性もある。

誘電体多層膜ミラー２
曲率半径
反射率＠1.5Pm
Au 皮膜ミラー１

4.5 m
0.995

曲率半径

3.681 m

光取り出し穴直径

0.5 mmAu 皮膜ミラー２
曲率半径

4.5 m

光取り出し穴直径

0.2 mm

図１：赤外検出器（InSb）出力
1 パスあたりの FEL ゲインは 9.5%、
共振器ロスは 2.5％

３．近赤外 FEL の現状

3.3 長時間オペレーションに伴う不安定性

LEBRA において 2002 年 6 月現在までに FEL 発振に成功しているのは多層膜ミラー１を用いた、波長1.5Pm 近傍のみである。FEL は高調波とともに下流の共振器から取り出しているので、コールドミラーと呼ばれる光学素子を用いて赤外基本波と可視高調波を分離し、測定している[5] 。この測定系で高調波
SASE と思われる現象の観測にも成功している[1]。

電子銃周辺でのチャージアップが原因と思われる、
ゆっくりとしたエミッションの減少とそれに続く放電によって、FEL 発振を長時間維持するのが困難であった。しかし、カソード電極の交換によりこの問
題はほぼ解消された[7]。
室温の変化により、真空ダクトやコンクリート壁が伸縮して共振器長が変動してしまう。図 2 は FEL
発振を維持するために必要な共振器長の変化を室温

3.1 FEL ゲインとパワー
赤外の基本波の測定には高感度の InSb 検出器を用いている。図 1 はこの検出器で FEL を測定したときのシグナルである。FEL 発振をしているために光強度が強く、検出器は飽和してしまっている。このときの FEL ゲインと共振器のロスはシグナルの立ち上
がりと減衰から見積ることができる。このケースでは、1 パスあたりの共振器ロスは 2.5%であり、ネットのゲインは 9.5%である。現在、最大で 10％前後のゲインが得られている[6]。しかしながら、これまでのところ FEL ゲインの飽和は、まだ観測されていない。
パワーメータ（焦電素子タイプ）を用いて、マクロパルスあたりの FEL パワーの測定を行ったところ、
図 1 の場合で約 1ｍJ であった。マクロパルス内での平均パワーに換算すると、50W に相当する。

3.2 パルス間不安定性
FEL の発振は達成したが、その FEL ゲインはマク
ロパルス間で大きく変わり、場合によっては発振が間歇的になる。FEL の増幅が途中で挫折し、再び立図２：室温の変化と共振器長の相関
実線：共振器長の変化，破線：室温

図３：金属ミラーに対応した光学アライメント系と伴にプロットしたものである。共振器長の変化はピエゾ素子の印加電圧から較正している。図のように共振器長は室温に追随しており、その変化率は共振器 1m あたり約 0.8Pm/℃ であった。これはコンク
リートやステンレスの線膨張率の 1/10 程度であり、室温に直接従う膨張を見ているわけではない。建屋が土に埋まっているため、コンクリート内部の温度変化とそれに伴う膨張は室温変化に比べかなり抑えられていると考えられる。それよりむしろ、温度膨張によって架台にひずみが生じ、それが共振器長の変動に反映している可能性が高い。架台の強化と壁や床への固定が変動の抑制に効果的であると思われるので、現在この作業を検討中である。
また、FEL 発振の頻度が増えるにつれて多層膜共振器ミラーの反射率が劣化していくという問題も発生している[8]。LEBRA では電子ビームの間引きを行っていないので、ミラーの耐久性に関して非常に厳しいと予想される。

４．光源実用化へ向けた課題
FEL を波長可変光源として運用するには、共振器
ミラーを金属コートミラーに交換する必要がある。
多層膜ミラーでの経験から、電子ビーム軌道の変動の影響を受けにくいミラーのほうが安定な発振のためには良いと考えられる。従って、ミラーの曲率半径が現在使用しているものよりも少し長い Au 皮膜
ミラー2 (Table 2) を用いることを予定している。
金属ミラーにした場合、従来のように多層膜ミラーを透過する He-Ne レーザを用いてアライメントを行うことが難しくなる。そこで、屈折によるビーム
位置のずれが起こらないキューブ型ビームスプリッ
ターを共振器内に導入することにした。図３は FEL
システムの光学系と予定されているアライメント用
レーザの光路を示した概念図である。FEL ビームは
楕円ミラーと放物ミラーで構成されるユニットで平行化されて利用実験室まで輸送されるが[9]、He-Ne レ
ーザビームは各実験室でのガイド光の役割もする。
末端の実験室までの光路は約 30m あるので、このビームスプリッターには高精度のものが要求される。
光源として FEL を安定に供給するためには、長時間発振を維持しなければならない。そのためには共振器長の温度変化による変動をできるだけ抑制するとともに、ピエゾ素子で微調整してやる必要がある。
室温などの変化をリファレンスとして利用し、共振器長の補正を自動化することが可能であると思われる。そのための課題として、最適と思われる測定点の選定や、共振器長変動の温度変化に対する移動量のキャリブレーション手法の確立などが挙げられる。

参考文献[1] Y. Hayakawa, et al., Nuclear Inst. and Methods A 483(2002) p. 29.
[2] T. Sakai, et al., Proc. of the 26th Linear Accelerator Meetingin Japan, (2001) p.222.
[3] K. Yokoyama, et al., Proc. of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, (2001) p.231.
[4] K. Hayakawa, et al., Proc. of the 25th Linear Accelerator
Meeting in Japan, (2000) p.56.
[5] Y. Hayakawa, et al., Proc. of the International Symposiumon IR FEL and its Application, to be published.
[6] Y. Tanaka, et al., Proc. of the International Symposium on
IR FEL and its Application, to be published.
[7] K. Kanno, et al., Proc. of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, (2001) p.73.
[8] T. Hasegawa, et al., Proc. of this Meeting. (8P-43)[9] E. Hashimoto, et al., Proc. of the 26th Linear Accelerator
Meeting in Japan, (2001) p.243.

FEL 共振器ミラーの反射率の測定
長谷川橋本崇1,A)、宮崎慎也 A)、境英子 A)、藤岡武志 A)、中尾

一雅 A)、佐藤A)圭佐 A)、菅野勇 B)、早川浩一 A)、石渡

謙一郎 A)、村上琢哉 A)、

俊成 B)、早川恭史 B、横山和枝 B)

建 B)、田中日本大学大学院理工学研究科量子理工学専攻〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎
B)

日本大学量子科学研究所〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎

概要
日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）の自由電子レーザー（FEL）システムでは狭帯域の誘電体多層
膜ミラーを用い、波長 1.5Pm での FEL 発振の安定化を目指した加速器全般の調整とそれに基づく FEL 発振実験を繰り返してきた。
最近になって、誘電体多層膜ミラーの劣化によると思われる反射率の低下の兆候が顕著に見られたた
め、反射率の低下の程度およびその波長依存性を、
光共振器内に蓄積された FEL 光の減衰特性の測定から求めた。この結果から、中心波長での反射率は初期の 99.5%から 98.5%へと低下していることが確かめられた。また、FEL の立ち上がり波形を利用して同時に行った FEL 利得の解析から、最大で 11%の利得が得られていることが分かった。

１．はじめに可視〜紫外領域での自由電子レーザー（FEL）では発振利得が小さいことから、光共振器ミラーとして高反射率の得られる誘電体多層膜ミラーが使われる
が、その反射率低下は FEL 発振を容易に妨げ、大きな問題である。ミラーの反射率低下の主要な原因については、アンジュレーター光に含まれる高次光である高エネルギー光子との相互作用によって引き起こされる、ミラー表面へのカーボン堆積や多層膜中でのカラーセンター蓄積などが知られており[1]、反射率回復技術も研究されている[2]。
日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）では 2001
年 5 月に、中心波長 1.55Pm での反射率 99.5%以上の誘電体多層膜ミラーを共振器に用いて FEL 発振に成功し、これまで電子ビーム安定化およびリニアックの高性能化による赤外 FEL の発振安定化の実験を続けてきた。表 1 にリニアックの仕様、表 2 に赤外ア
ンジュレーターの仕様を示す。赤外アンジュレーターで目標としている FEL 発振波長範囲は 1〜5Pm である。したがって、誘電体ミラーでは狭帯域のため近い将来金属ミラーに置き換える予定であるが、実験の都合で使用を継続してきた。
このシステムを用いて LEBRA ではいままでに約
100 時間の赤外 FEL 発振実験が行われてきた。今年になって誘電体多層膜ミラーの劣化によると思われ
1

E-mail: t-hasegawa@lebra.nihon-u.ac.jp

表 1. 125MeV リニアックの仕様
2856 MHzടㅦ๟ᵄᢙ㩷
30 MW䉪䊤䉟䉴䊃䊨䊮ᦨᄢ಴ജ㩷䉪䊤䉟䉴䊃䊨䊮ᧄᢙ㩷㔚ሶ䊎䊷䊛䉣䊈䊦䉩䊷㩷2
30䌾125 MeV㔚ሶ䊎䊷䊛䉣䊈䊦䉩䊷᏷㩷

0.5䌾1 %

䊙䉪䊨䊌䊦䉴䊎䊷䊛㔚ᵹ㩷

200 mA䊙䉪䊨䊌䊦䉴㐳㩷

20 Psടㅦ➅䉍㄰䈚㩷

12.5 Hz䊚䉪䊨䊌䊦䉴㐳㩷

3.5 ps䊚䉪䊨䊌䊦䉴䊎䊷䊛㔚ᵹ㩷

20 A

ⷙᩰൻ䊎䊷䊛䉣䊚䉾䉺䊮䉴㩷

20 Smm.mr

表 2. 赤外アンジュレーターの仕様
48 mm䉝䊮䉳䊠䊧䊷䉺䊷๟ᦼ㐳㩷
50䉝䊮䉳䊠䊧䊷䉺䊷๟ᦼᢙ㩷ᦨዊ⏛ᭂ䉩䊞䉾䊒㩷ゲ਄ᦨᄢ⏛႐㩷ᦨᄢ K ୯㩷

29 mm
0.33 T1.5

శⓨᵢ౒ᝄེ㐳㩷

6718.04 mm

㪝㪜㪣 ᵄ㐳㩷

5䌾0.8 Pm

る反射率の低下の兆候が、実験中に FEL 光の減衰波形の変化として見られるようになったため、反射率の低下を調べることにした。

２．光ビームの検出
LEBRA での FEL の検出は図 1 のような観測システ
ムを配置して行っている。図 1 においてアンジュレーターからの光のうち誘電体ミラーを透過した光は放射線遮へい壁で隔てられた隣の部屋に導かれる。
赤外 FEL はコールドミラーを突き抜けて赤外線ディテクターに到達し、一方可視光などの高調波はコー
ルドミラーで反射され、望遠鏡に導かれてカラー
CCD カメラで観測することができる。高調波を観測することにより、電子ビームの形状および自発放射

ーに入射した電子から自発光と FEL 光が放出され蓄積・重畳される。その時観測システムにある赤外線
ディテクターで得られる出力電圧を Vn とすると以下のような単純化した関係式を仮定することが出来る。ただし、FEL が飽和しない場合を考える。

AI u ^(1  R) B  CT `
(1)
n
n
­
½
B ®C L ¦ (1  G ) k R 2 k  C A ¦ R 2 k ¾
(2)
k 0
¯ k 0
¿
ここで I U は電子ビーム電流、A はディテクターの感度と幾何学的要因による検出率を考慮した係数、 R
は共振器内の各ミラーの反射率、 G はマクロパルス
Vn

図 1. アンジュレーター光観測システム。

内で一定と仮定した FEL の利得である。光の往復回
数 n は共振器長から、ビームパルスの始まりから経光の分布を知ることができるので、ビーム調整にお[3]いてモニター用に高調波の観測を行っている 。また、 過した時間 t と t 44.8n ns の関係がある。上式ではまた、アンジュレーターで放射される基本波を、
赤外線ディテクターとして InSb と HgCdZnTe の二種共振器に反射率 R で蓄積されるうち FEL 発振に寄与
類のディテクターを使っている。FEL の強度が弱い
する成分と寄与しない成分、さらに反射率 0 で完全場合には高感度の InSb ディテクターを主に使い、強にミラーを透過する成分、の３つの成分に分けられい場合には低感度の HgCdZnTe ディテクターを主にると仮定して単純なモデルを考えている。ここでは使って FEL の検出を行っている。赤外ディテクター
2
光全体のうち FEL の発振に寄与する割合を C L 、共の受光面積はどちらも 1mm で、受光面の位置を振器内に蓄積されるものの発振に寄与しない割合を
He-Ne レーザーを用いてアンジュレーター中心軸に
C A 、共振器内に蓄積されずミラーを透過する割合を合わせてある。
図 2 に電子ビーム波形と FEL 検出波形の例を示す。 CT とおいた。したがってC L  C A  CT
b)

a)

c)

図 2. Linac の電子ビーム波形およびアンジュレー
ター出力光のディテクター検出波形。a)：ファラ
ディーカップによる電子ビーム波形（40mA/div）、
b) ： InSb に よ る 1.5Pm FEL 光 の 検 出 波 形（100mV/div）、c)：b)の 1V/div スケールでの波形。
水平軸スケール：4Ps/div。

1

(3)

である。
また、電子ビームマクロパルスが終わった後では、
ディテクター出力にはミラーでの透過損失による減衰のみが反映するので、最初のビーム入射から数えて n 往復後の出力は

Vn

Vn f R2( n n f )(4)と表される。ここで n f と Vn f はそれぞれマクロパル
ス終了時の光往復回数とディテクター出力である。
以上のことから FEL の立ち上がりと減衰の波形を測定すると、(1)、(2)、(4)式による波形解析からミラーの反射率を求め、さらに FEL の発振利得を推定することができる。
FEL が発振していない状態ではディテクターの出力が小さくノイズが大きいため、測定ではある程度強く発振している状態のディテクター出力波形を、
ディジタルオシロスコープで取り込むことにした。
上の議論を元に、FEL 発振が見られる範囲でアンジュレーター磁極ギャップを変えて取得した波形データの解析を行ない、ミラー反射率のギャップ依存性、
つまり FEL 波長依存性を求めた。

３．波形解析
電子ビームの先頭がアンジュレーターに入射してから共振器中に光が蓄積される様子を数式化して考える。アンジュレーターで最初に放射された光がミラー間を n 回 (n 0,1,2,...) 往復する間には、光が往復する毎にこの光と同期して次々とアンジュレータ

４．結果とまとめ
今回の測定はすべて 86.8MeV に加速した、マクロ
パルス電流約 60mA の電子ビームを用いて行った。
図 3 に測定されたディテクター出力波形を片対数表

図 3. FEL 光受光強度波形の片対数表示グラフ。
実線はミラー反射率 98.6%、FEL 利得 11.5%とした時のシミュレーションの結果を示す。
示した例を示す。ここで、ディテクター出力が約 1Vで飽和しているのは、オシロスコープのフルスケー
ルの設定による。
(1)~(4)式のパラメータを調整することにより検出
波形の立ち上がりと減衰の波形をシミュレーション
した結果を図 3 の実線で示してある。検出に用いた
高感度の InSb ディテクターは増幅器が約 5V で飽和する。共振器に蓄積された光強度に対応するディテ
クター検出信号電圧は数 mV であるため、この 106倍程度以上と予想される FEL 発振時の飽和波形はこのままでは見ることが出来ない。
パラメータの調整は、目でグラフの一致を見て行った。図 3 の例では電子ビーム終了後の光強度の減衰からミラー反射率を 98.6%と推算し、さらに FELの立ち上がりから FEL 利得は 11.5%と推算された。
シミュレーションで FEL の立ち上がりのタイミング
が実測波形と異なるのは、FEL が飽和せず電子ビー
ムの終了時から強度が減衰すると仮定して減衰曲線が一致するよう全てのパラメータを調整しているためである。電子ビーム終了時での自発放射光に対する FEL の強度比は 107 程度と見積もられるので、実際には FEL が飽和している可能性がある。
このような解析作業を、それぞれのアンジュレー
ターギャップにおいて測定したディテクター出力波形について行った。得られた結果と、メーカー（シグマ光機）による製作時の 反射率測定データとの比較を図 4 に示す。ただし、現在 LEBRA の不安定な発振の状況では FEL スペクトルを測定するのが難し
いため、FEL の波長はアンジュレーターギャップと電子ビームエネルギーから概算したので、波長の絶対値は一致が良くない。

測定は２日間に渡っているが、菱形の記号で示されている１日目の結果では反射率の平坦な領域で段差が生じているのが分かる。この時、測定の時系列
では最初は段差のある位置を起点に左側の方向に、次に境目から右の方向に測定を行っていた。また、２日目の結果は１日目の結果に見られた段差付近を測定したものである。
図 4 の比較から分かるように、メーカー測定による 中 心 反 射 率 99.6% に 対 し て １ 日 目 の 結 果 で は98.9%、
２日目では 98.5%まで反射率が低下している。
また、１日目の結果において見られた反射率の段差
および１日目と２日目の結果の違いは、１日目の測
定途中で反射率が変化したことによると解釈することが出来る。
結果として、ミラー１枚当たりの反射率は製作時より 1%劣化していることになるが、これがアンジュ
レーターの上下にあるミラー両方に生じているのか、
あるいは下流のミラーが特に劣化が著しいのか判断することは出来ない。これについては、波長可変にするために金属ミラーに変更した際に、改めて取り外したミラーの反射率を確認する必要がある。

図 4. 反射率測定結果の比較。実線はメーカー測定による反射率の波長依存性で、中心で反射率
99.6%。菱形および四角記号の点は今回の測定結果で、最終的に約 1%反射率が劣化している。測定点の波長の絶対値は確かめていない。
参考文献[1] U. Bizzarri et al., Rivista Nuovo Cimento 10 (1983) 1.
[2] K. Yamada et al., Nucl. Instr. Meth. A358 (1995) 392.
[3] 田中俊成 その他, Proc. 26th Linear Accelerator Meetingin Japan (2001) 246.

ARTICLE IN PRESS

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 404–408

Characteristics of the fundamental FEL and the higher
harmonic generation at LEBRA
Y. Hayakawaa,*, I. Satoa, K. Hayakawaa, T. Tanakaa, K. Yokoyamaa, K. Kannob,
T. Sakaib, K. Ishiwatab, K. Nakaob, E. HashimotobaLaboratory for Electron Beam Research and Application, Atomic Energy Research Institute, Nihon University, Narashinodai 7-24-1,
Funabashi-shi, Chiba-ken 274-8501, Japanb
College of Science and Technology, Nihon University, Narashinodai 7-24-1, Funabashi-shi, Chiba-ken 274-8501, Japan

Abstract
The FEL system of Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) at Nihon University has
provided relatively high FEL gain around 10% at the wavelength of 1:5 mm: The numerical estimation of the FEL gain
suggests that LEBRA-FEL system has a sufﬁcient performance on the electron beam bunching.
In addition, the ampliﬁcation of the third harmonics accompanying the intense fundamental FEL has been observed
and the spectra of which have been measured. The experimental result indicates that the phenomenon is a kind of
nonlinear harmonic generation.
r 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.
PACS: 41.60.Cr; 41.75.Ht; 29:17: þ w
Keywords: FEL; Electron linac; FEL gain; TDA3D; Nonlinear harmonics

1. Introduction
At Laboratory for Electron Beam Research andApplication (LEBRA) of Nihon University, thefree electron laser (FEL) project was started in
1994 and the ﬁrst lasing in the near infrared region(IR) was achieved in 2001 [1,2]. The accelerator
used in LEBRA is a conventional S-band electron
linac without an RF gun, a sub-harmonic buncher
or a super-conductive accelerating structure.
*Corresponding author. Tel.: +81-47-469-5983; fax: +8147-469-5490.
E-mail address: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jp(Y. Hayakawa).

Therefore, this success has demonstrated a practical performance of a low-cost FEL system with aconventional linac.
In LEBRA-FEL system, a couple of dielectric
multi-layer mirrors have been used in the resonator. At the stage aiming for the ﬁrst lasing, the useof the dielectric mirrors was reasonable because of
its high reﬂectance and ease on the alignment of
the experimental setup using the guide beam suchas a He–Ne laser. Since the theoretical estimationsuggested that the FEL gain for LEBRA system
may have a narrow margin for the lasing, the loss
in optical cavity should be suppressed. There was
the possibility of an insufﬁcient micropulse peakcurrent due to beam bunching with no special

0168-9002/03/$ - see front matter r 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.
doi:10.1016/S0168-9002(03)00954-9

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Y. Hayakawa et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 404–408

device in the injector section. Thus, the resonatorhas been equipped with the multi-layer mirrors
with a reﬂectance of 99.5% around a wavelengthof 1:5 mm:
Although the FEL lasing was achieved in
LEBRA system, the FEL gain has not shownlinear dependence on the beam intensity of themacropulse. Unexpectedly, there has been atendency for a lower beam current to lead to alarger FEL gain. The result suggests that LEBRAFEL system has a sufﬁcient capability for the
beam bunching but the RF power fed into theinjector is not enough. Accompanying the intense
FEL lasing, the ampliﬁcation of the third harmonics that seems to be the nonlinear harmonic
generation has been observed. This phenomenon
also provides an evidence of the high FEL gain
obtained with LEBRA-FEL system.
On the one hand LEBRA-FEL system has
substantial performance with regard to the FEL
gain, but on the other hand it has serious
instability that may be a bad aspect on the shortbunch length. No saturation of the FEL gain has
been observed in the FEL system yet.
This paper discusses the gain of the fundamental
FEL and reports the experimental results of thethird harmonic ampliﬁcation.

2. Speciﬁcation of LEBRA-FEL
The speciﬁcations of LEBRA-FEL based on
the 125 MeV S-band linac system are shown in

405

Table 1. Although the linac is conventional one, it
has a traveling-wave-type prebuncher tube withseven cells and a 90 achromatic bending system asa momentum analyzer [3]. These devices bring ahigh-quality electron beam with short bunch
length and narrow energy spread.
The undulator was designed for near-IR and theresonator has been set up for the lasing at awavelength of 1:5 mm using the dielectric mirrors.
In the present routine operations, the energy
and the current of the electron beam are limited up
to 90 MeV and 100 mA; respectively, due to theshortage of the RF power and the limitation of theradiation protection shield.

3. FEL gain of LEBRA system
The measurements of the fundamental FEL andthe third harmonics have been carried out
simultaneously with the separate detectors by theseparation of the near-IR and the visible lights
using a cold mirror [4]. The macropulse shape ofthe fundamental FEL is shown in Fig. 1 together
with that of the beam current. It was obtained withan InSb detector when the kinetic energy and theenergy spread of the electron beam were 86:7 MeV
and within 1%, respectively. In order to estimate
R; the optical power loss per one round trip in thecavity, the time dependent function
Vd ðtÞ ¼ Ad þ Bd ð1  RÞt=T

ð1Þ

1

200

50–125 MeV
2856 MHz
20 ms
200 mA
12:5 Hz
B20p mm mrad
o1%
48 mm
50
0.57–1.2
6718 mm
1:467 m0.8–5 mmdetector saturation

FEL gain: 9.7%
near-IR FEL

cavity loss: 2.48%

100
0

10

0

Beam current [ mA]

Electron beam energy
Acceleration frequency
Beam pulse duration
Maximum beam intensity
Repetition rate
Normalized emittance
Energy spread
Undulator period length
Number of periods
K-value (rms)
Cavity length
Rayleigh length
FEL wavelength

Detector output [a.u.]

10

Table 1
Speciﬁcation of LEBRA-FEL

beam current

-1

10

0

20

40

Time [Ps]Fig. 1. The pulse shapes of the electron beam current and thefundamental FEL. Fitting curves for the latter give the power
loss in the cavity and the FEL gain.

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Y. Hayakawa et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 404–408

was ﬁtted to the decay of the FEL pulse, where Ad
and Bd are the ﬁtting parameters and Tð¼ 44:8 nsÞis the period of one round trip. From the ﬁtting, R
was estimated to be 0.0248. Similarly, the ﬁtting to
the rising slope was performed using the function
Vr ðtÞ ¼ Ar þ Br ½ð1 þ GÞð1  RÞt=T

ð2Þ

where Ar and Br are also the ﬁtting parameters and
G is the FEL gain. Here, G was assumed to beconstant in the macropulse duration and R has
the same value as that of Eq. (1). As a result of theﬁtting, G was estimated to be 0.097. The FEL
macropulse power of the event was simultaneously
measured using a pyroelectric detector, which wasestimated at 1 mJ:
To investigate the condition of the electron
beam which leads to the FEL gain around 10%;
numerical calculations were carried out using the
one-dimensional model based on the small-signal
gain theory and the three-dimensional simulation
code TDA3D [5]. Fig. 2 shows the FEL gain
function calculated using the parameter of LEBRA-FEL, where the peak current Ip was determined so that the maximum FEL gain should be
10%. As the focusing parameters used in TDA3D,
the values leading to as high FEL gain as possible
were picked out. It suggests that at least the peakcurrent of 12 A should be required of the electron
bunch even in an ideal condition. This value
corresponds to the bunch length shorter than
1:8 ps for the macropulse beam intensity of
60 mA: The result of the measurement for theGain [%]

10

TDA3D

Ip = 12 A
'JJ 

Ip = 15 A
H S mm mrad0
Ip = 14 A
'JJ 
'JJ 

10

The enhancement of the higher harmonic
radiation has been observed in LEBRA-FEL[1,4]. Fig. 3 shows that the third harmonics is
growing approximately three times faster than thefundamental FEL in the same event. Here, theexponential ﬁtting was performed in order tocompare the power growth. The quick decay of the
1

10

at

a = 1.74

fundamental FEL

a = 5.12

3rd harmonics

J 

Ip = 26 A
H S mm mrad

1450

4. Second and third harmonic generation

Amp. factor :e( t : time [ P s ])1Dmodel'JJ 
Ip = 13 A
H S mm mradelectron beam spectrum, which showed the energy
spread narrower than 0.5%, supports that theelectron bunch length is shorter than 10 ps [6].
Taking account of the beam emittance and theenergy spread, it is possible that the peak current
exceeds 20 A and the bunch length is shorter than1 ps: Actually, the considerable short bunch length
is consistent with the fact that the FEL gain has
been quite sensitive to the instability of the systemsuch as the ﬂuctuation of the commercial electric
power. Assuming that the bunch length is of theorder of 1 ps; the peak power extracted from either
cavity mirror is estimated to be at least 20 kW:
Taking the transmittance of the dielectric mirror
into account, the intra-cavity peak power may
exceed the power-proof of the mirror,
1 MW=mm2 : The spot damage that is probably
due to the optical power has actually been foundon the mirror surface.

Detector output [ a.u.]406

Rayleigh length = 1.467[m]resonant w.l.
1500

1550

1600

Wavelength [ nm ]Fig. 2. FEL gain function calculated using 1-D model and
TDA3D.

0

10
12

14

16

18

Time [Ps]Fig. 3. Comparison between the ampliﬁcation of the fundamental FEL and the third harmonics. Exponential curves wereﬁtted to the pulse rises.

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Y. Hayakawa et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 404–408

10

2

2nd harmonic SE

5.7nm

2nd harmonics

3

3rd harmonics'OO(FWHM) [ % ]third harmonic signal also indicates that theharmonic ampliﬁcation is not due to the accumulation in the resonator but the single-pass process.
These characteristics suggest that the phenomenon
is attributed to the nonlinear harmonic generation[7,8].
The instability of the FEL lasing has disturbed
the measurement of IR spectra by the scanning
method. Using a spectrometer with a backilluminated CCD camera for spectroscopy, however, has provided single-shot spectra in the visible
range for one macropulse duration [4]. Fig. 4
shows the typical spectra of the second and thethird harmonic generations taken with the spectrometer. The spectral peaks indicate that thefundamental lasing wavelength is 1460 nm: The
width of the third harmonic spontaneous emission(SE) was spread probably due to the superpositionof two peaks which resulted from the excessive
bunching of the electron beam. Thus, no obvious
peak shift in the spectrum of the third harmonics
after the ampliﬁcation has appeared.
The ampliﬁed harmonics are expected to havesuperior coherence to the normal SE. As shown in
Fig. 5, however, the band-width in terms of full-

407

2

1

0
10

4

10

5

10

6

Radiation yield [ a. u.]
Fig. 5. Spectral width vs. radiation yield integrated aroundeach peak of the second and the third harmonics.

width at half-maximum (FWHM) of the harmonic
generations seems to be almost independent of theradiation power. The behavior is presumably due
to condensing by use of a telescope immediately
before the spectrometer. The obtained spectra
have roughly the same widths as that of aspectrum integrated over the emission angle of
0:5 mrad: Further accurate investigation into thecoherency of the radiation will require severe
collimation for the optical beam.

amplified 2nd
harmonics

Intensity [a.u.]

10

10
10

1

5. Conclusion
0

700

750

2

3rd harmonic SE
amplified 3rd
harmonics

10

2.5nm

1

The large FEL gain around 10% obtained withLEBRA-FEL, which has brought the nonlinear
harmonic generation, suggests that the system has
a rich performance on the beam bunching. Further
improvement of the linac stability will makepossible a low-cost, high-gain FEL system.

12nm

10

Acknowledgements

0

450

500

Wavelength [nm]Fig. 4. Typical second and third harmonics spectra of thenormal spontaneous emission (dotted lines) and the ampliﬁed
one (solid lines).

This study has been ﬁnancially supported by the
grant from Ministry of Education, Science, Sports
and Culture to promote multi-disciplinary research projects since 2000.

ARTICLE IN PRESS
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Y. Hayakawa et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 404–408

References[1] Y. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 483 (2002)
29.
[2] T. Tanaka, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, Suppl. 41-1 (2002)
34–40.
[3] K. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 375 (1996)
ABS 25.

[4] Y. Hayakawa, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, Suppl. 41-1
(2002) 54–57.
[5] T.M. Tran, J.S. Wurtele, Comput. Phys. Commun. 54(1989) 263.
[6] K. Yokoyama, et al., Nucl. Instr. and Meth. A (2003), these
Proceedings.
[7] Z. Huang, K. Kim, Phys. Rev. E 62 (2000) 7295.
[8] G. Dattoli, P.L. Ottaviani, Opt. Commun. 204 (2002) 283.

ARTICLE IN PRESS

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 357–361

Stability of the LEBRA infrared FEL
K. Yokoyamaa,*, I. Satoa, K. Hayakawaa, T. Tanakaa, Y. Hayakawaa,
K. Kannob, T. Sakaib, K. Ishiwatab, E. HashimotobaLaboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi 274-8501, Japanb
Graduate School of Science and Technology, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi 274-8501, Japan

Abstract
The free electron laser (FEL) gain and the power have still been unstable, although the lasing of 1.5 mm FEL wasachieved at the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA). It has been observed that the FEL
gain changes during the pulse duration. In order to investigate the cause of the ﬂuctuation of the FEL gain, the beamenergy spectra in the pulse duration and the IR light signals were measured with different input RF power and RF
phase of the injector. It is found that the ﬂuctuation of the beam energy during the pulse duration occurs in spite of the
RF phase ﬂatness (o0.5 /20 ms).
r 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.
PACS: 41.60.Cr; 29.27.Fh; 29.17.+w; 29.27.Bd
Keywords: FEL; Electron linac; Near-IR; RF

1. Introduction
The Laboratory for Electron Beam Researchand Application (LEBRA) electron linac has beendeveloped to produce a high-power visible-toinfrared (IR), from 0.8 mm to 5 mmm, free electron
laser (FEL) for the advanced studies on thevarious ﬁelds such as material science, biology
and medical science [1]. The short-wavelength
FEL requires a high quality electron beam with along pulse duration, low energy spread and highcurrent density. In particular the gain of a FEL is
sensitive to the energy spread of the electron beam.
On the LEBRA linac, the speciﬁcations for the*Corresponding author.
E-mail address: k yokoyama@lebra.nihon-u.ac.jp(K. Yokoyama).

beam pulse duration and the normalized emittanceare 20 ms and 20 pmm  mrad, respectively. The
beam extracted from the linac is transported to the
FEL system through a momentum analyzer which
consists of a slit, a collimator, four quadrupole
magnets and two 45 bending magnets. The energy
spread of the beam for the FEL is restricted to 1%
by the momentum analyzer. The energy drift isreduced by using the phase drift compensation
system, which suppresses the ﬂuctuation of the RFphase in the pulse duration and the long operation
time simultaneously [2]. As a result of the
improvement, the energy drift was reduced from
3.3% to 0.5% and the beam pulse duration in the
FEL line was extended from 10 to 18 ms. Although
the lasing of 1.5 mm FEL was achieved at LEBRA[1], the FEL gain and the power have still been
unstable. The FEL oscillation with two gains was

0168-9002/03/$ - see front matter r 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.
doi:10.1016/S0168-9002(03)00920-3

ARTICLE IN PRESS
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K. Yokoyama et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 357–361

mainly observed during the pulse duration in later
section. The FEL pulse shape and the energy
spectra of the electron beam were measured inorder to investigate the cause of the ﬂuctuation of
the FEL gain.

2. Experimental background2.1. RF system
The LEBRA linac consists of three main parts,
the injector system, the accelerating structures andthe beam transport system to the undulator. The
accelerating RF power is supplied from two
klystrons, which are operated at 2856 MHz witha pulse width of 20 ms, a pulse repetition rate of
2 Hz and a peak output power of approximately
20 MW. Each klystron is driven by a pulsed RF
ampliﬁer.
A phase drift in the RF amplifer occurs during
the pulse duration due to thermal characteristics oftransistors. The phase drift compensation RF
system was performed by means of a fast phaseshifter inserted before the input of the RF
ampliﬁer [2]. The output phase of the fast phaseshifter was controlled by using the voltage signal
fed from the function generator. As a result of
introducing the phase drift compensation system,
the phase shift in the RF pulse duration of 20 ms
was suppressed less than 0.5 for each klystron asshown in later discussion. In addition to the phasecompensation in the pulse duration, the slow driftof the klystron output phase due to a change inroom temperature was cancelled using the slow
feedback circuit. The phase drift has been within
0.5 for each klystron.

energy variation of the electron beam is given by
DE 1
p
E 2N
where N is the number of periods of the Undulator
Magnet, E is the energy of relativistic electrons
moving in the magnetic ﬁeld and DE is the energy
spread (HWHM) [3]. Thus, the energy spread mustbe less than 1.0% for N ¼ 50 in LEBRA FEL
system. On the other hand, the light pulse
accumulated in the optical cavity has to overlap
the micropulse of the electrons spatially in theundulator. Therefore, the stability of the RF phaseis also important.
The phase difference between the reference RF
and the klystron output was detected for each
klystron using the double-balanced mixer (DBM),
as shown in Fig. 1. The reference is a cw RF froma master oscillator. The ﬁgure shows accumulated
waveforms of the phase drift in 10 s (20 pulses).
The result shows that the phase variation is lessthan 0.5 . Assuming that the beam bunch length is
5 ps and that the overlapping region of each lightpulse is 90%, a RF phase ﬂuctuation of less than
0.5 is required for the stable FEL oscillation.

2.2. RF phase stability
The energy gain of the linac is proportional tothe integration of the accelerating ﬁeld that theelectrons experience along the accelerator. The
ﬁeld is expressed as Ecos y, where E isthe amplitude of the axial electric ﬁeld and y is theaccelerating phase of the bunched electrons. The
ﬂuctuation of the phase leads to beam energy
ﬂuctuation. As for FEL gain, a maximum averageFig. 1. Stability of the klystron output phase, which accumulated 20 waveforms in 10 s. The detected signal scale is 1.2 /div.
(a) RF phase of the #1 klystron for the injector section and theﬁrst accelerating tube, (b) RF phase of the #2 klystron for two
accelerating tubes.

ARTICLE IN PRESS
K. Yokoyama et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 357–361

359

Fig. 2. FEL oscillation with two gains: (a) FEL pulse shape;and (b) electron beam current (40 mA/div). (a)0 Is displayed indifferent vertical scale of (a). The IR detector is saturated.

2.3. Problems
The stability of the phase seems to be sufﬁcient
to produce the beam with required qualities. In theactual operation of the linac, the beam transported
to the FEL system is also stable. Variation of the
FEL gain, however, has been observed as shown in
Fig. 2. To investigate the correlation between the
FEL gain variation and the beam energy, timedependent energy spectra and the IR light signals
were measured simultaneously. The energy spectra
averaged every 1 ms except for the transient time
region are shown in Fig. 3. The energy spectra
were obtained by utilizing the ﬁrst 45 bending
magnet of the momentum analyser as a spectrometer. The energy spectra were split in two peaks
as shown in (a) and the energy ﬂuctuation was
found during the pulse duration as shown in (b).
Variation of the FEL gain might be caused by thebeam energy spectra with two peaks in Fig. 3. The
FEL pulse shapes were measured after adjusting
RF power and phase so that the beam would havethe spectrum with a single peak.
3. Experimental results and discussion
3.1. Results
Two typical waveforms of the electron beam andthe FEL power are shown in Fig. 4. The difference

Fig. 3. Energy spectra: (a) energy spectra shape in the pulse
duration. Energy spread is 0.7% FWHM; and (b) the
distribution of the beam current intensity of the energy spectra.

between (A) and (B) is attributed the shape of thebeam current that passes through the undulator.
The difference of the beam current was obtained byadjusting the accelerating phase of the third
accelerating tube. This is equivalent to the shift in
the peak of the beam energy spectra. The pulse
shape in Fig. 4(A) may indicate that the beam
quality has changed at middle of the pulse. It is
likely that the ﬁrst ampliﬁcation of the FEL wasinterrupted in middle of the pulse and that another
FEL oscillation was lased. The pulse shape in Fig.
4(B) suggests that only latter oscillation appears
and that the FEL gain is greater than that in Fig.
4(A). From the result of the measurement, variationof the FEL gain may be caused by the ﬂuctuation of
the beam quality during the pulse duration.
The energy spectra are shown in Fig. 5. The
peak of the energy spectra changed during thepulse duration similar to that in Fig. 3 in spite ofadjusting the linac condition. Both waveforms of
FEL show that variation of the FEL gain during
the pulse duration is dependent on the energy
ﬂuctuation rather than the shape of the energy

ARTICLE IN PRESS360

K. Yokoyama et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 357–361

Fig. 4. FEL oscillation with two gains: (A) and (B) differ in the accelerating phase of the beam bunch. (a) FEL pulse shape; and (b)electron beam current (20 mA/div). (a)0 Is displayed in different vertical scale of (a).

Fig. 5. Energy spectra: (a) energy spectra shape in the pulse
duration. Energy spread is 0.2% FWHM; and (b) the
distribution of the beam current intensity of the energy spectra.

spectra. Furthermore, the FEL gain differs in these
two waveforms.

simulation of FEL oscillation, peak current of the
micropulse beam must be greater than 10 A inorder to achieve the required gain (about 8%) [4]. It
means that the bunch length must be only about
1 ps. Considering the spectrum with split peaks in
Fig. 3, the power of the RF supplied into thebuncher was too large and electrons might havebeen bunched excessively [5]. Over-bunched electrons may form two adjoining bunches with narrow
phase width compared with a bunch formed
normally. The low energy electrons are removedby the slit, then the high peak current beam with acomparatively narrow energy spread is transported
to the undulator. The energy spectra of the beam in
Fig. 5 were remarkably improved compared to thatin Fig. 3. However, the FEL gain was small. It
seems that small FEL gain means low peak current,i.e., the bunch length was long in Fig. 5.
In spite of good phase ﬂatness described
previously and shown in Fig. 1, the beam energy
and the FEL gain were changed during the pulse
duration in this experiment. Such energy ﬂuctuation was not reduced, even when the RF phase wasmodulated with a function generator. Furthermore, with adjusting the PFN to minimize thephase oscillation, the energy ﬂuctuation was not
reduced. In addition, change in klystron amplitude
was not enough to have a signiﬁcant effect.

3.2. Discussion
FEL gain by the beam that has the spectrumwith split peaks was larger than the gain by a beamwith the improved spectrum. According to a

4. Conclusion
If the electron bunch length is around 1 ps, thephase stability of 0.5 is not sufﬁcient for stable

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K. Yokoyama et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 507 (2003) 357–361

lasing. Therefore, the FEL oscillation might
be interrupted by the energy change during thepulse duration. However, it is difﬁcult toachieve the phase stability of 0.1 /20 ms. From
the result of the measurement, bunch length of theelectron beam should be expanded in order tostabilize the FEL oscillation. The FEL gain is
proportional to peak current. In order to obtainthe same gain as a bunch with a length of 1 ps,peak current should also be the same. To satisfy
both requirements, the number of electrons in abunch should be increased. It is also important toinvestigate the cause of the changing beam energy
and to make the electron beam energy uniform
during the pulse duration.

361

Acknowledgements
This work is partly supported by High Energy
Research Organization (KEK).
References[1] Y. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 483 (2002)
29.
[2] K. Yokoyama, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) 4758.
[3] G. Dattoli, A. Renieri, Experimental and theoretical aspectsof the free-electron-laser, Elsevier, Amsterdam, 1985, p. 27.
[4] Y. Hayakawa, et al., Proceedings of the 24th International
Free Electron Laser Conference, Argonne, USA 2002, Nucl.
Instr. and Meth. A 507 (2003) 404.
[5] P.M. Lapostolle, A.L. Septier, Linear Accelerators, NorthHolland, Amsterdam, 1970, p. 251.

ᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳䈮䈍䈔䉎FELᣣᧄᄢቇ㔚ሶ✢೑↪⎇ⓥᣉ⸳䈮䈍䈔䉎FEL౒ᝄེ㐳䈱ᓸዊᄌൻ䈱᷹ቯ
FEL౒ᝄེ㐳䈱ᓸዊᄌൻ䈱᷹ቯ
中尾圭佐1

,A)

B)

B)

B)

、佐藤勇 、早川建 、田中俊成 、早川恭史

A)

A)

A)

境武志 、菅野浩一 、石渡謙一郎 、長谷川崇

A)

B)

、横山和枝

、宮崎慎也

B)

A)

A)

日本大学大学院 理工学研究科量子理工学専攻〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎 物理実験Ｂ棟
B)

日本大学量子科学研究所 電子線利用研究施設〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1 日本大学理工学部船橋校舎 物理実験Ｂ棟

概要
日本大学電子線利用研究施設(LEBRA) FEL光共振
器長の微小変化を測定するために、上流からHeNe
レーザを入射し、下流ミラーの反射光と上流ミラーの裏面反射光の干渉模様を観察したところ、数Hzで振動していることがわかった。ここではこの振動の原因とその対策について報告する。

１．はじめにLEBRAでは2001年5月に自由電子レーザ(FEL)発振に成功し、FEL共同利用実験に向けて安定化に取り組んでいる [1][2]。LEBRAでは、FEL発振の際、パルス間の強度にばらつきが大きく共同利用実験に使用できる安定度ではない。この原因としてFEL発振に必
要な電子ビームが十分安定ではないと思われていた
ため、電子ビーム安定化に注力している[2][3]。
しかしFEL強度安定化には電子ビームが安定なだ
けでなく、光共振器長も固定でなくてはならない。
そこで光共振器長のゆらぎを計測し、その除去を試みた。

２．光共振器長の変動
レーザを共振器に入射し、共振器両端のミラーによる反射光の干渉パターンの変化を測定し光共振器
長の変化を求めた。
LEBRA FEL光共振器の構成を図1に示す。
FELシステムは、周期磁場を作るアンジュレータと共振器を構成する2枚のミラーから成り、ミラー
はそれぞれ独立した架台に設置されている。
この共振器の上流(図1上部)からHeNeレーザ(波長λ = 633nm)を入射し、両端のミラーで反射した光の干渉模様をビデオ録画し、共振器長の変化を観察した。その結果、絶えずλ/4からλ程度の振幅で光共振
器長が数Hzで振動していることがわかった。同時に数時間周期のゆっくりとした光共振器長の変化の存在も確認した。

1

E-mail: nakao@lebra.nihon-u.ac.jp

図１ LEBRA FELシステムの構成
MS1,2 は 光 共 振 器 の ミ ラ ー が 載 っ て い る 架 台
で 、 S1 は 四 極 電 磁 石 架 台 、 S2 は 400kg コ ン ク
リートブロックである。S3はFELシステムが設置されている加速器本体室の壁に固定されている。

３. ミラー架台の振動
速い光共振器長の振動の原因を調べるため超高精度レーザ変位計を用いて共振器付近の振動を測定した。
光共振器ミラーは、電子ビームが放出する自発放射光を反射するために、真空中にあり、ミラーの振図３
図２ 補強前のミラー架台の振動（上段：MS1 下段：MS2） 100mV/div 1sec/div

床を打撃した時のMS2の振動
100nm/div, 1sec/div

動を直接測定することができない。
そのためミラーがのっているスタンドの振動を、
ミラーチェンバーがのっている架台表面を基準として測定したところ、レーザ変位計の測定限界である20nm以下であった。 よってミラーと架台は同じ振動をしていると考えられる。よってMS1の振動波形
はMS1とS1の相対距離を、MS2の振動波形はMS2とS3の相対距離を測定する事で得た。(図１)
加速器運転中、加速管、偏向電磁石、集束用電磁石、ビームダンプ等が発熱するためにこれらを冷却する冷却系が装備されている。この冷却系は高圧で水を流し、摂氏30度に維持するものである。この冷却系を動作させるとミラー架台の振動が著しい。その時のMS1とMS2の振動波形を図２に示す。図２でMS1の振動(上段)の振幅が、MS2の振動振幅(下段)より大きいのは、基準となるS1が固定されていないた
図４ 冷却水配管を打撃した時のMS2の振動
め、S1の振動も含んでいるためであると考えられる。
100nm/div, 1sec/div
冷却系配管、偏向電磁石、床を各々打撃し、ミために、幅45mm、厚さ5mmのL字型アングルと、厚さ
ラー架台の振動の調べた。床を打撃した時のMS2の6mmの鉄板で、架台の側面を補強した。
振動を図３に、MS2付近の冷却水配管を打撃したとハンマでミラー架台MS2を打撃し、固有振動を測きの振動を図４に示す。これから床の振動よりも偏定した。補強前後のMS2の固有振動及びそのスペク
向電磁石及び冷却水配管による影響が大きいことがトルをそれぞれ図５、図６に示す。
わかった。
また補強前後のMS2の応力‑ひずみの関係を図7にこのことから、高圧の冷却水が冷却水配管を流れ示す。これはばねはかりで、MS2に応力を加え、そると、配管を振動させそれが偏向電磁石等に伝達すの時のS3との相対距離を測定した。ここからヤングる。その振動が真空ダクトを通じてミラー架台を振率は補強前3.36×10‑2[μm/N]であったのが、補強後動させると考えられる。この冷却系は、電子ビームを光共振器に導くための偏向電磁石を冷却しており、 5.52×10‑1[μm/N]になった。
補強前後のミラー架台の振動を、図８に示す。
撤去又は移動はできない。
補強後の振動の振幅は、MS1、MS2共にレーザ変位計の測定限界程度である20nm程度であった。
４. 振動への対策
以上のことからこの補強で、ミラー架台の振動振
一方でミラー架台の足は、幅45mm、厚さ5mmのL字幅を20nm程度まで抑えることが確認された。
型 ア ン グ ル で で き て お り 、 そ の 上 に697mm×500mm×25mmの鉄板が載せられている。華奢な台にもかかわらず上からの荷重が大きいため、指一本で押しても数μm動く。そこで架台の剛性を高める

図７ MS2の応力-ひずみ関係
図５ 補強前の下流側ミラー架台の固有振動
上段：振動波形25μm/div, 200msec/div
下段：スペクトル 5Hz/div

図６ 補強後の下流側ミラー架台の固有振動
上段：振動波形25μm/div, 200msec/div
下段：スペクトル 5Hz/div

５．まとめ
z 光共振器にHeNeレーザを入射し光共振器両端の球面ミラーによる干渉縞を観察したところ、共振器長のゆっくりとした変化と比較的速い振動の存在が確認された。
z 偏向電磁石の冷却系を作動させると速い振動が著しく大きくなる。これは冷却水が偏向電磁石を振動させそれが真空ダクトを伝わってミラー
チェンバーを揺らすからであると考えられる。
z 華奢なミラー架台の剛性を増すことで、この速い振動を抑えることができた。

６. 今後の課題
ゆっくりとした変動については本体室の室温または架台等の温度などとの相関があると想像できるが、

図８ 補強後のミラー架台の振動（上段：MS1 下段：MS2）100nm/div, 1s/div
まだ明確な結果が得られていない。
今後データを蓄積し相関を求め、光共振器長の補償に取り組みたい。

参考文献[1] Y.Hayakawa, et al., "First Lasing of LEBRA FEL in

Nihon University at a wavelength of 1.5μm", Nucl.
Instr. and Meth. A (2002), Volume483/1-2,pp.29-33(NIMA18811)[2] I. Sato, et al., “The present status of the electron linear
accelerator on the Nihon University and the next
research plan” Proc. of the 27th Linear Accelerator
Meeting in Japan, (2002) p.15-20[3] 横山和枝「FEL LINACにおけるRF系の改良によるビーム安定化に関する研究」平成14年度日本大学大学院理工学研究科博士論文

ARTICLE IN PRESS

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 486–490

Observation of SASE in LEBRA FEL system
T. Tanaka*, K. Hayakawa, I. Sato, Y. Hayakawa, K. Yokoyama
Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA), Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi 274-8501, Japan

Abstract
A large enhancement of spontaneous undulator radiation has been observed during FEL lasing experiments at
LEBRA. The enhancement has been observed only with the detector for the infrared fundamental radiation. The
detector output signal showed spikes during the electron beam pulse, yet no apparent enhancement was observed with a
CCD camera monitoring the visible harmonic radiations. An enhancement factor greater than 10 has been obtainedwith a 2.4 m long undulator with a completely detuned FEL optical cavity length and depends strongly on theparameters of the linac RF system. This implies that the SASE operation is possible even with a conventional electron
beam by achieving suitable bunch compression.
r 2004 Published by Elsevier B.V.
PACS: 41.60.Cr; 41.85.Ja
Keywords: Infrared; FEL; SASE; Bunch compression

1. Introduction
A self-ampliﬁed spontaneous emission (SASE)
device has been considered as the next generation
high-power radiation source, especially in thevacuum ultraviolet (VUV) to X-ray ranges where
high-reﬂectance optical mirrors are unavailable.
Typical X-ray SASE projects proposed so far [1]assume a combination of a high-energy electron
linac and an extremely long undulator magnet.
Meanwhile, recent experimental results on SASEin the near infrared (IR) to visible spectral ranges
have shown that the SASE devices in these spectral
ranges can reach optical power saturation within*Corresponding author.
E-mail address: tanaka@lebra.nihon-u.ac.jp (T. Tanaka).
0168-9002/$ - see front matter r 2004 Published by Elsevier B.V.
doi:10.1016/j.nima.2004.04.137

several meters along the undulator path byimplementing a high charge density electron beamof medium energy [2,3].
The linac-based FEL system of the Laboratory
for Electron Beam Research and Application(LEBRA) in Nihon University [4] was designed
to generate FEL in the near IR to UV spectral
ranges by using an optical cavity having highreﬂectance mirrors. The present undulator consistsof 50 periods of a Halbach-type permanent magnet
array having a period of 4.8 cm, which was
designed for lasing in the near IR range with the
maximum RMS K-value of 1.2 [5]. Although the
LEBRA FEL system was not designed to be used
for SASE experiments, a large enhancement of thefundamental spontaneous radiation was observed
at a detuned optical cavity length by adjusting theARTICLE IN PRESS
T. Tanaka et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 486–490

linac operating condition. This suggests that the
SASE mode operation is possible even with arelatively low-current electron beam from a conventional linac.
This paper reports the behavior of the opticalpower enhancement observed at the LEBRA FEL
system in terms of the linac operating condition
and the bunch compression effect in the achromatic bending system.

2. LEBRA FEL system
The schematic layout of the LEBRA FEL
system, upgraded since its ﬁrst lasing, is shown in
Fig. 1.
Since the electron beam is ejected continuously
from the 100-kV thermionic gun over a linac RF
pulse duration, the electron bunch is accelerated
during every period of the 2856 MHz RF. The
electron beam accelerated in the linac is transported to the FEL undulator through the 90
achromatic bending and analyzing magnet system(BM1 to BM2). The energy spread of the electron
beam is deﬁned with a horizontal slit placed in thedispersive section, where the energy spread is
restricted to 0.3–2% of the central energy depending on the purpose of experiment. The transverse
beam positions at the entrance and the exit of theundulator are adjusted by monitoring both the487

horizontal and vertical positions of the beam withstrip-line type beam position monitors [6,7].
The optical cavity consists of two silver-coatedcopper mirrors (M1, M2) having a reﬂectance ofapproximately 99.3%. The radiation is extracted
from the cavity through a coupling hole of 0.15mm radius in the mirror M2. The extracted
divergent optical beam then is converted into aparallel beam by the beam expander optics
consisting of an ellipsoidal mirror (M5) and aparabolic mirror (M6). The parallel optical beamis transported to the next room and then is sent to
the experimental facility. In the next room, theoptical beam is detected with either an InSb IR
detector or a CCD camera after being separated bya cold mirror (M11) into IR and other higher
harmonic components.
The latest operation of the LEBRA FEL systemdemonstrated the FEL wavelength tunability from
1.4 to 5 mm with electron beams ranging from 53 to
86 MeV in combination with various K-values.
The FEL output power of approximately 10 mJ/
macropulse has been obtained at 1.6 mm, which
has been measured by means of an IR power
meter placed at the same position as the IR
detector in Fig. 1. Considerable enhancementof the harmonic components in the visible range
also has been observed with the CCD camera,
following the intense lasing of the fundamental
FEL [5].

Fig. 1. Arrangement of the LEBRA FEL system and the optical beam detecting system. BM1-BM4: bending magnets; Q1–Q4:
quadrupole magnets; FC1, FC2: Farady cups; M1, M2: cavity mirrors; M3, M4, M7-M10, M12, M13: total reﬂection plane mirrors;
M11: cold mirror.

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3. Observation of SASE
An enhancement of the spontaneous radiationin the LEBRA FEL system was initially observed
during an adjustment of the electron beam
performed to search for a beam condition thatallowed maximum FEL power. A large enhancement of the optical power in the cavity has been
reproduced by the experiments performed atvarious combinations of the electron energy andthe undulator radiation wavelength. Here, we
discuss the results of the experiment performedat an electron energy of 86 MeV.
Typical behavior patterns of the optical powerbuildup observed at the fundamental radiation of
1.6 mm are shown in Fig. 2, together with themacropulse shape of the electron beam current. In
the experiment, the cavity mirrors were aligned tobuild up the optical power, which allowed us toobserve the large output signal from the InSb
detector. The cavity length was completely detuned by shifting the distance between the twomirrors by 1 mm to eliminate the FEL gain, which
is sufﬁcient to avoid an overlap of a beam bunch
and a previously generated photon pulse considering the RF phase stability [8]. In this case, only theFig. 2. The enhancement of the 1.6 mm spontaneous emission
power observed using the InSb detector (A, vertical scale is
200 mV/div), compared with the buildup shape without
ampliﬁcation (B, vertical scale is 20 mV/div). The electron
beam pulse shape is shown at the same timing (C, vertical scale
is 20 mA/div). The horizontal scale is 4 ms/div.

fundamental component of the spontaneous emission was injected into the InSb detector due to theproperty of the cold mirror M11. Thus, thebuildup waveform of the spontaneous emission
in the cavity usually takes the shape shown in Fig.
2B, corresponding to a high reﬂectance of themirrors.
The enhancement of the spontaneous emission
power shown in Fig. 2A was achieved by adjusting
the RF phase for the buncher and the regularaccelerating tubes. The enhanced power is not
uniform over the entire macropulse; a large
enhancement seems to occur intermittently. In
the experiment the waveform has varied drasticallyfrom pulse to pulse, showing that the quality of theelectron beam is critical in satisfying a condition toenhance the power. The enhancement has also
been strongly dependent on the RF phase and themagnetic focusing. In some cases, the enhanced
power was in excess of 100 times the common levelof buildup.
In order to investigate the property of theenhanced optical power, dependence of the opticalpower on the deﬂection of the electron beam in thecentral plane of the undulator ﬁeld was measured
by exciting a steering coil placed at a distance of0.95 m downstream the undulator entrance. In thismeasurement, the power buildup was suppressedby deﬂecting the upstream mirror M2 by 1.5 mrad,in addition to the cavity length detuning. Then,instead of the buildup and decay curves shown in
Fig. 2A, we observed the optical power shape as asum of a square shape due to the contribution
from the spontaneous undulator radiation andmany unstable, strong peaks with amplitude ﬁvetimes that of the square shape.
If the beam is sufﬁciently deﬂected with thesteering coil, the amplitude of the spontaneousemission power has to be reduced to less than 16;
considering the shortening of the effective undulator length [9]. However, the amplitude of thesquare shape was only reduced to nearly 12 evenwith a maximum beam deﬂection of about 2 mrad,
which is due to a wide angular distribution of the
spontaneous emission compared with the deﬂection angle. On the other hand, the amplitude of thepeaks in the optical power shape was strongly
reduced by the increase in the deﬂection angle of

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the electron beam; the peaks disappeared with the
maximum beam deﬂection. Therefore, evidently
the peaks were due to a strong emission ofradiation in the last half of the undulator.
Furthermore, the large decrease in the amplitudeof the peaks that resulted from the beam deﬂection
cannot be explained by the property of the
spontaneous emission or a coherent radiation that
may be emitted by a ﬁne structure of the longitudinal beam bunch proﬁle. The result suggests
the existence of an ampliﬁed radiation by theinteraction between the electron beam and theundulator radiation. Thus, we conclude that thestrong peaks in the optical power shape were dueto the ampliﬁcation of radiation in the undulator
by the SASE process.
These facts remind us of the possibility of strong
bunch compression in the bending magnet system,
which must be sufﬁcient to achieve the bunch
length of around 0.3 ps or shorter based on thepeak beam current [2,5,10].
On the other hand, however, no indication ofenhancement in the higher harmonics has beenfound on the CCD image monitoring the visible
components.

4. Consideration of bunch compression
The linac consists of the prebuncher, buncher,and regular 4-m long accelerating tubes ACC1,
ACC2 and ACC3. The phase of the RF fed in eachcomponent is adjusted independently, so that theelectron bunch can be accelerated at any RF phasein the regular accelerating tubes, which allows awide variability of the output energy and a ﬁne
adjustment of the longitudinal beam property.
As described with the open circles and solid lines
in Fig. 3, the energy spectrum of the electron
beam, which was measured by means of the 90
bending system that worked as a spectrometer,
had a broad peak of FWHM 2%. Despite thereduction of beam current in the undulator beamline, SASE has been observed only with this beam
condition. Another spectrum described with solid
circles and solid lines corresponds to the operation
when the maximum beam current was obtained in
the undulator beam line, which has a narrow peak489

Fig. 3. Differences in the energy spectra, which depend on the
linac operation, measured at the exit of the linac. SASE wasobserved at the spectrum described with open circles. The solid
circles correspond to the operation providing the maximum
current in the undulator beam line. The spectra were obtainedby averaging the data from 2 to 18 ms in a total 20 ms beam pulse
duration.

of FWHM 0.5% that represents the approximate
minimum energy gradient at the exit of the linac.
However, SASE has not been observed with thiscondition.
The phase of the electron bunch when selfampliﬁcation occurred has been deduced from themeasurement of the RF phase shift in terms of thepeak phase (90 ) that results in the maximum
beam loading. The deduced values are 81.5 in
ACC1, 81.4 in ACC2, and 35.1 in ACC3,
respectively. For the beam with 86 MeV at theexit of the linac, the longitudinal energy gradientin the bunch, approximately 0.60 MeV/deg or
0.70%/deg, has been deduced from the bunchphase and the accelerating ﬁeld in all the regulartubes with linear approximation. The result is inagreement with the value, 0.73%/deg, deduced
from another SASE experiment performed withthe same procedure at 69 MeV.
According to the design calculation based on theﬁrst order beam matrix theory [11], the 90
achromatic bending system causes a path difference factor of 0.86 mm/%, or 2.9 /% for the
displacement of the electron energy. The total path
difference, the sum of the path difference factor
and the inverse number of the energy gradient,

ARTICLE IN PRESS
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T. Tanaka et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 528 (2004) 486–490

is 1.5 /%. The result suggests that considerable
bunch compression is possible if the energy
gradient at the exit of the buncher is a negativevalue, e.g. around 0.35%/deg. Thus, it isnecessary to precisely simulate the bunch formation process in the prebuncher and the buncher for
further investigation of the SASE phenomenon
observed with the low-current beam from theconventional linac.

5. Summary
The LEBRA FEL system demonstrated the
FEL tunability from 1.4 to 5 mm. SASE in thenear IR range has been observed using the electron
beam with a low macropulse beam current, 40 mA,
from the conventional linac of LEBRA, whichsuggests the formation of a very short bunch withconsiderable bunch compression in the achromatic
bending system. The behavior of the energy
distribution in the bunch was estimated in termsof the bunch compression, however, thepreliminary data obtained from the experiment isinsufﬁcient to prove the achievement of bunch
compression.

References[1] G. Dattoli, A. Renieri, Nucl. Instr. and Meth. A 507 (2003)
464.
[2] A. Murokh, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 507 (2003)
417.
[3] A. Doyuran, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 507 (2003)
392.
[4] T. Tanaka, et al., Proceedings of APAC’98 (Tsukuba,
Japan March 1998) 722.
[5] Y. Hayakawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. A507 (2003)
404.
[6] T. Suwada, et al., AIP Conference Proc. 319 (1993) 334.
[7] K. Ishiwata, et al., Proceeding of LINAC2002, Gyeongju,
Korea, 2002, p179.
[8] K. Yokoyama, et al., Proceeding of FEL2003, Tsukuba,
Japan, 2003, Nucl. Instr. and Meth. A (2003), these
Proceedings.
[9] C.A. Brau, Free-Electron Lasers, Academic Press, Inc.,San Diego, 1990.
[10] J.N. Galayda, Proceeding of LINAC2002, Gyeongju,
Korea, August 2002, p. 6.
[11] K.L. Brown, SLAC-75 (1972).

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Measurements of the pulse length of the FEL nonlinear harmonics radiation
K.Hayakawa1
A)

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A)

B)

A)

A)

, K.Yokoyama2 , K.Nakao , I.Sato , T.Tanaka , Y.Hayakawa

A)

Laboratory for Electron Beam Research and Application, Institute of Quantum Science, Nihon University
7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B)

Graduate school of Science and Technology, Nihon University
1-8-4 Kanda-Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo, 101-8301

Abstract
The pulse length of the fundamental and the nonlinear harmonics of the FEL generated at LEBRA have beenmeasured simultaneously by means of Michelson interferometer. The nonlinear harmonics is thought of as the coherent
radiation emitted from the micro-bunches corresponds to each harmonics formed by the fundamental radiation. In thismeasurement, the wavelength of the fundamental radiation is 1500nm, then, the wavelength of the second and third
harmonics are 750nm and 500nm respectively. The fundamental radiation is detected by using InGaAs photodiode andthe second and third harmonics are detected by using Si photodiode. Measured pulse length of the fundamental radiation
is about 65μm and the second and the third harmonics is about 35μm and 43μm of FWHM.

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Present affiliation: High Energy Accelerator Research Organization (KEK)649

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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

4.3 శࡄ࡞ࠬ㐳㪈㫊㫋㩷㪈㪌㪇㪇㫅㫄㪥㫆㫉㫄㪸㫃㫀㫑㪼㪻㩷㫀㫅㫋㪼㫅㫊㫀㫋㫐ᐓᷤࡄ࠲࡯ࡦ߆ࠄࡄ࡞ࠬ㐳ࠍᱜ⏕ߦ᳞߼ࠆߩߪ‫ޔ‬
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FWHM
Interferometer
Spectrometer
1st
65 (μm)
1.0 (%)
0.93 (%)
2nd
35
0.95
0.95
3rd
43
0.5
0.6

ෳ⠨ᢥ₂
[1] K.Yokoyama, et al, “MEASUREMENT OF ELECTRONth

BUNCH LENGTH AT LEBRA” Proceedings of the 29
Linear Accelerator Meeting in Japan, Narashino, Aug. 4-6,
2004
[2] W.B.Colson“ONE-BODY ELECTRON DYNAMICS IN A
FREE ELECTRON LASER”, Phys. Lett 67A(1977)190

㧡㧚߹ߣ߼ᵄ㐳1500nmߢFELࠍ⊒ᝄߐߖ‫ߩߘޔ‬ᐓᷤࠍ᷹ቯߒ
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Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

ANALYSIS OF THE GAIN SATURATION IN LEBRA FELUSING GENESIS
Y. Hayakawa∗ A) , I. SatoA) , K. HayakawaA) , T. TanakaA) , K. YokoyamaA) , T. KuwadaA) ,A. MoriA) , K. NogamiA) , T. SakaiB) , K. KannoB) , K. IshiwataB) , K. NakaoB)A) Institute of Quantum Science, Nihon University 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
B) College of Science and Technology, Nihon University 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501
Abstract
At the Laboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) of Nihon University the gain saturationof free electron laser (FEL) has been achieved. In order to analyze this phenomenon, the 3D FEL simulation code
GENESIS has been modiﬁed to treat the optical cavity effect. Measured optical energy and cavity detuning curve
are consistent with the results of simulation performed in the condition of 0.75 mm rms bunch length. Waveformsof the saturated FEL macropulse measured using a fast detector indicate that the FEL gain is much stable except theﬂuctuation of the seed light.

GENESIS による日大 FEL の利得飽和の分析
1.

はじめに

日大電子線利用研究施設 (LEBRA) では 2001 年に自由電子レーザ (FEL) の ﬁrst lasing に成功して以来,利用研究に供給できる品質を目指してリニアックの安定化を進めてきた [1] 。これと並行して, 連続可変波長での FEL 発振を実現するために共振器ミラーを銅
基板の銀コートミラーに交換し, 利用研究に FEL を供給するためのビーム輸送系の整備を行ってきた [2] 。
現在までに波長 885 nm から 6 μm の範囲での発振を達成しており, FEL 利得飽和と思われる状態が得られている。そのため, 比較的安定に利用研究への供給が可能となっている。
LEBRA FEL はパルス駆動の共振器型 FEL であるので, 利得飽和の定量的な分析を行うには, マクロパ
ルス内での光パワーの成長をシミュレートする必要がある。しかしながら, 現状の共振器型 FEL に対する研究は, 主に t 長波長領域で 1 次元モデルを用いてなされている。LEBRA FEL は比較的短波長であるので, 3 次元モデルを用いる方が望ましい。幸い, 3D
FEL コードである GENESIS が開発され, 自己増幅型(SASE)FEL の実験結果と良い一致を示している [3] 。
GENESIS は主に 1-pass の計算に用いられているが,計算終了時に複素波面データを出力することができる。GENESIS にはショットノイズを扱える利点もあり, これを用いた繰り返し計算によって共振器型 FELのシミュレーションを試みることにした。

2.

GENESIS の共振器型 FEL への適用

データは発散波面であるため, 次の計算ルーチンの入力データとするには, 実際の共振器に対応した収束波面への変換を行う必要がある。共振器型の pass 数は数 100 回におよび, SASE と比べて計算負荷が大きいため, 簡略化された変換によって現実的な計算時間に収める必要がある。ここで,• アンジュレータの出入口が共振器鏡の焦点に近い• 光パルスの時間方向の変化が緩やか• 縦収差が無視できるという仮定で, スライス毎に鏡像を利用した変換を行うことにした。ここでは, 入力スライスと出力スライスの各点の共振器鏡に対する鏡像をとり, 入力側の鏡像を円形開口光源として近似し, 出力側の鏡像へのFraunhofer 回折を計算することにより位相情報の再構築を行っている。その際, 共振器ロスに合わせて振幅を調整している。図 1 はこの波面変換の概念図である。

2.2 共振器長 detuning
共振器型 FEL では slippage での相互作用の効率を上げるために, 共振器長をわずかに短くしてやる必要があり (detuning), これによって発振の状態が大きく変わる。上記の波面変換において, 波面データのスライスを detuning に相当する数だけずらしてやれば,GENESIS にこの効果を取り入れることができる。しかし, 波長単位でスライスされているため, 波長の整2.1 波面変換
1-pass 計算後に出力される波面データ (バイナリデータ) には時間方向に波長単位でスライスされた複素振幅の情報が含まれている。各スライスは格子メッ
シュデータとなっている。GENESIS から出力された∗

図 1: 共振器による波面変換の概念図

E-mail: yahayak@lebra.nihon-u.ac.jp652

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

C

共振器長
Rayleigh 長
共振器ロス

10

5

10

0

B

0

intensity [ a.u. ]αx,y2440 nm50
48 mm
87 MeV
0.4 %35 A
0.75 mm0.41 mm
15π mm mrad
1.2, 0.3
6.718 m1.468 m
2.5 %

A

100

200

roundŦtrip number

300
40

1

C
A

20
B

0

100

200

Beam current [ A ]発振波長アンジュレータ周期数
アンジュレータ周期長
電子エネルギー
エネルギー分散
ピークカレントrms バンチ長
ビーム半径εx,y (規格化)

power [ W ]表 1: シミュレーションで用いたパラメータ

0

slice

数倍以外の detuning を行うことができない。そこで,
分数的な方法で近似的に detuning 効果を取り入れることにした。例えば 0.2 波長分 detuning させる場合,
5 往復毎に 1 スライスずらしている。計算に必要な時間を考えると実際上, 離散的に計算せざるを得ないので, この方式によるデメリットは少ないと思われる。

3.

シミュレーションと実験の比較

上記の波面変換を行うコードと GENESIS を組み合わせた繰り返し計算を実際に行い, 共振器型 FELのシミュレーションを試みた。計算で使用したパラメータを表 1 に示している。LEBRA FEL では偏向磁石によるバンチ圧縮によって 1 ps 以下のバンチ長の実現が示唆されており, 今回は rms バンチ長として0.075 mm(1σ :0.5 ps) を仮定している [4] 。
図 2 は共振器長が 1 波長短い条件で実行されたシ
ミュレーションの結果である。ノイズから立ち上がり, 小信号利得領域を経て飽和に達する様子やパルスの時間構造の変化がわかる。飽和状態で観測された
光パルスの幅が電子ビームの幅の半分程度になっているのも, 自己相関干渉計などによる測定結果と矛盾していない。また, 空間プロファイルも光パワーの成長とともに Gaussian ビームに近づいていく。これらは実際の FEL の振る舞いに整合しており, 今回採用した波面変換法が有効であることを示唆している。
共振器長 detuning の条件を変えて計算した結果と,実際に測定されたマクロパルスの波形を比較してみたのが図 3 である。今回測定に使用した検出器 (InSb)
は増幅器の線形性があまりよくないので, 単純に波形を比較して評価することはできない。しかしながら, FEL のマクロパルス幅や飽和レベルの detuning による変化がおおよそ再現できており, detuning 効果の取り入れにも大きな問題が生じていないことが示唆される。このシミュレーションが信頼できるならば,
detuning が小さい状態での発振では 100 fs 程度の幅の光パルスが得られていることになるが, 安定性の問
題もありこの状態での測定は現状では困難である。
共振器長 detuning に対する光パワーの変化, いわゆ
る detuning curve を計算し, パワーメータによる実際

図 2: 上):シミュレーションによる FEL の成長の様子;中):光パルス形状の変化; 下):空間プロファイルの変化の測定値を比較したのが図 4 である。CW のシステムのように飽和レベルの比較で FEL の効率を議論するのは困難であるため, マクロパルス当りで得られる熱量で比較している。熱量の計算は, 共振器鏡の穴からのアウトカップルを 0.8 %, そこからパワーメータまでの輸送系 (アルミミラー 11 枚, CaF2 スプリッター 1枚) の効率を 70 %として見積もっている。シミュレー
ションの結果は, detuning が小さいときには利得が小さく飽和レベルが高くなり, detuning を少し大きくすると利得が大きくなる反面, 飽和レベルが下がるという共振器型 FEL の一般的な振る舞いが再現できている。detuning curve の形およびマクロパルス当りの熱量の比較においても, 実験とシミュレーションの結果は近いものとなっている。共振器の振動といった問
題を考慮すると, かなりよい一致であるといえる。

4.

高速検出器による測定

FEL 増 幅 の 振 る 舞 い を 調 べ る た め, 高 速 な
HgCdZnTe 赤外検出器 (プリアンプ:200 MHz) を用いて測定した。図 5 はそれで得られた波形である。パルスの立ち上がりで時間を引き伸ばして拡大すると,44.8 ns 周期で同じ波形が繰り返されているのがわかる。この周期は, LEBRA FEL の光共振器 1 往復に要する時間と一致しており, 128 系列ある発振状態の違いが見えているものと思われる。この繰り返しの波
形は, 増幅の途中では相似形を保っており, 増幅が頭打ちになると波形が崩れて収束していく。この挙動
は利得飽和の達成を強く支持している。
653

beam current

0.2

0.1

0

0

0
20

10
Time [ P s ]

40
1000
20

500

0
0

Beam current [ A ]intraŦcavity power [ MW ]0.4

dL = O
O

0.2

detector output [ a. u. ]Optical energy [ mJ ] / bunch

Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)021Time [ ps ]

0.02

30

E = 87MeVO  2440nm
experiment

20

simulation

0.01

0

10

Ŧ8

Ŧ4

0

maximum net gain [ % ]energy [ J/macropulse ]図 3: 上):測定された FEL マクロパルス波形とシミュ
レーション (破線) の比較; 下):detuning によるパルス
形状の違い (計算)0cavity detuning [ P m ]図 4: 共振器長 detuning 曲線のシミュレーションと実験結果の比較。シミュレーションで得られた小信号利得の値も破線で示してある。

図 5: HgCdZnTe 検出器で測定された波形。

5.

GENESIS と波面変換コードを組み合わせることにより, 共振器型 FEL のシミュレーションが可能となり, rms バンチ長 0.075 mm という条件で計算された
マクロパルスの波形や熱量は, 実験で得られたものと比較的よく一致していた。この結果から, GENESIS
は共振器型 FEL に対しても有用なシミュレータであり, 定量的な分析や予測の手段として期待できる。
また, 高速な検出器で得られた波形は FEL 増幅プ
ロセスの情報をわかりやすい形で含んでおり, 利得飽和の達成を示していた。

6.
また, この測定結果は小信号利得領域での FEL 利得
は極めて安定であり, 隣り合ったバンチの変動程度ではほとんど変化していないことを意味している。そのため, スタートアップにおける揺らぎがそのまま保存されて増幅し, 利得飽和によってようやく履歴が消失することになる。利得の変動がほとんど無いということは, 利得関数のピークで安定して増幅していることを示唆しており, 発振波長に関してもバンチ毎の違いが少ないことが予想される。このことから, 共振器 FEL の増幅プロセスはショットノイズに起因する揺らぎを除けば非常に安定した現象であることが窺える。マクロパルス内での FEL の変動は電子ビーム
変動と FEL 飽和領域でのシンクロトロン振動によるものがメインであると考えられ, これらは共にマイク
ロ秒周期の変動である。

結論

謝辞

この研究は文部科学省・学術フロンティア推進事
業および日本大学学術研究助成金 (H15 年度/一般 (個人)) の助成を受けている。

参考文献[1] Y. Hayakawa, et al., Nucl. Instrum. Methods A 483,
(2002) 29.
[2] Y. Hayakawa et al., Proc. of 27th Linear Accelerator
Meeting in Japan, (2002) 272.
[3] S. Reiche, Nucl. Instrum. Methods A 429 (1999) 243.
[4] K. Hayakawa et al., ”Measurements of the pulse lengthof the FEL nonlinear harmonic radiation at LEBRA”, inthese proceedings.

654

427

T. Tanaka et al. / Proceedings of the 2004 FEL Conference, 427-430

GUIDING OPTICS SYSTEM FOR LEBRA FEL USER FACILITY
T. Tanaka*, K. Hayakawa, Y. Hayakawa and I. Sato, LEBRA, Institute of Quantum Science,
Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501 Japan
Abstract
The FEL guiding optics system for the LEBRA user’s
experimental facility was completed in 2003. The opticalbeam extracted from the Infrared FEL resonator has been
guided through a long vacuum system to the user’s
experimental rooms, where a maximum of 17 aluminiumcoated mirrors have been used in the guiding optics. The
maximum length of the optical line is approximately 50 m.
The divergent FEL beam extracted from the resonatorthrough a coupling hole has been converted into a parallel
beam. An approximately identical diffraction pattern of aguide laser was observed at the output ports of theexperimental facility. The guiding optics has two FEL
monitoring ports, each containing a CaF2 beam sampler
and a total reflection mirror, which has advantages for
simultaneous measurement of the power and the spectrumof the FEL during user’s experiments. The transport
efficiency of the guiding system depends on the FEL
wavelength and the radius of the coupling hole in theresonator mirror.

INTRODUCTION
Use of the infrared free-electron laser (FEL) for
experiments in medical science and material science wasstarted in 2003 at the Laboratory for Electron BeamResearch and Application (LEBRA) of Nihon University.
The FEL guiding optics completed prior to the beginningof user’s experiments was designed to transport the FEL
and its higher harmonic undulator radiations. The lights inthe wavelength region of 0.2 to 6 Pm are extracted fromthe FEL resonator through a coupling hole in one of theresonator mirrors. After converted to a parallel beam, thelights are transported to user’s experimental rooms usingaluminium-coated plane mirrors. The top view of the
LEBRA accelerator facility and the user’s experimental
facility is shown in Fig. 1.
This paper reports on the present status of the LEBRAFEL system and the optical guiding system for the FEL
user facility.

Fig. 1. Top view of the LEBRA accelerator facility and the user’s experimental facility.
____________________________________________*

E-mail address: tanaka@lebra.nihon-u.ac.jp

Available online at http://www.JACoW.org

FEL Technology

428

T. Tanaka et al. / Proceedings of the 2004 FEL Conference, 427-430

THE FEL SYSTEM OF LEBRA
Table 1 shows the specifications of the infrared FEL
system installed in LEBRA. A schematic layout of thesystem is shown in Fig. 2. The FEL guiding optics systemin the accelerator room is also shown in Fig. 2. The planar
FEL undulator consists of Halbach-type NdFeB
permanent magnets [1]. The electron beam wiggles in a
vertical direction in the undulator so that the focusing
field of the undulator binds the electron beam orbit in ahorizontal direction.
The highest electron energy is currently restricted to
100 MeV due to the maximum klystron output rf power.
The minimum undulator gap width was reduced by 5 mmcompared with the earlier design specification byreplacing with a thinner undulator vacuum duct, which
increased the maximum undulator K-value from 1.5 to 2.
The wavelength of the FEL is variable in the range from
0.9 to 6.5 Pm, which is accomplished by adjusting theelectron beam energy and the undulator gap width i.e. theundulator K-value [2].
The electron beam from the linac has a longitudinalbunch structure with a period of 105 mm corresponding to
the accelerating rf of 2856 MHz. The separation D
between the two resonator mirrors is 6.718 m, i.e. 64
times the free space wavelength of the microwave. The
curvature radius R of the resonator mirrors was decided to
be 4.0 m. Then the Rayleigh length LR of the FEL in theresonator, given by the relation [3]LR

D( 2 R  D ) / 2 ,(1)Table 1. Specifications of the LEBRA infrared FEL
system.
Maximum electron beam energy
Maximum undulator K-value
Micropulse beam current
Period of undulator field
Number of periods
FEL wavelength range

125
2
> 20
48
50
0.6 - 6

MeV
A
mm
Pm

is 1.47 m, which is slightly longer than the half of theundulator length. For the resonator mirrors, silver-coatedcopper mirrors with a diameter of 25 mm were
manufactured at Rocky Mountain Instrument Co. (RMI).
The nominal reflectance of the mirrors is greater than
99.3 % for the wavelength range from 1 to 20 Pm. The
FEL power is extracted from the resonator through asmall coupling hole on the center of the upstream mirror.
The radius a of the coupling hole at the mirror incurrent use is 0.15 mm. Provided that the FEL in theresonator is a Gaussian beam, the FEL beam radius w on
the surface of the resonator mirror is given by

OL LR{1  ( D / 2 LR ) 2 } ,Swwhere OL is the FEL wavelength. Then the coupling
coefficient N of the hole, defined as a ratio of the opticalpower contained in the cross section of the hole to thetotal power incident on the mirror, is given asN

1  exp( 2a 2 / w 2 ) .

(3)For the FEL wavelength of 0.9 Pm, obtained with theelectron beam of 100 MeV and the K-value of 0.93, thecoupling coefficient deduced from Eq. (3) is 0.017.
Therefore the sum of the mirror loss and the external
coupling loss for each round-trip of lights in the resonatoris approximately 3.1 % of the total power.
Lasing by this system has been experimentallyconfirmed over the K-value range from 1 to 2, whichsuggests a broad variability of FEL wavelength at fixed
electron energy. Lasing at 0.6 Pm is feasible with thepresent system by increasing the electron energy up to
125 MeV, though the estimated total loss in each roundtrip increases to about 5 % due to a decrease of the mirror
reflectance and an increase of the coupling loss.

THE BEAM EXPANDER SYSTEMThe FEL extracted from the resonator through the small
coupling hole has a divergence angle due to a diffraction
effect referred to as the Fraunhofer diffraction. For the
first dark ring or the central core of the diffraction patternthat contains 84 % of the extracted optical power, thedivergence angle T of the radius is approximated as [4]T

Fig. 2. Schematic layout of the LEBRA FEL systemand the FEL guiding optics system in the accelerator
room.

TUPOS17(2)

3.833OL
.
2S a

(4)

For the 5 Pm fundamental FEL, the coupling-hole radiusof 0.15 mm causes the divergence of the core radius withT 20 mrad. The maximum distance between the FEL
output mirror and the user’s port is approximately 50 m.
Therefore, a conversion optics system is necessary for
efficient guiding of the light beam to user’s experimentalrooms. In the optical guiding system of LEBRA, thedivergent beam has been converted to a parallel beam bymeans of a beam expander system consisting of anellipsoidal mirror and a parabolic mirror. The expander
mirror system was manufactured and aligned by CANONInc..

T. Tanaka et al. / Proceedings of the 2004 FEL Conference, 427-430

Fig. 3. Geometrical configuration and ray trace of thebeam expander system. The rear surface of the upstream
mirror lies at the position equivalent to one of the focal
points of the ellipsoidal mirror.
The geometrical configuration of the mirrors in the
expander system is shown in Fig.3. The basic idea of the
optics system is the same as which was installed in FELSUT MIR FEL beam line [5]. The FEL extracted throughthe coupling hole in the upstream mirror is reflected withthe primary and the secondary plane mirrors, and thendirected toward the ellipsoidal mirror. The optical path
length between the coupling hole and the ellipsoidal
mirror decided to be approximately 2.5 m so that the rearsurface of the upstream mirror or the exit of the couplinghole is placed at the position equivalent to one of the focal
points of the ellipsoidal mirror. Therefore the divergent
light beam which comes out of the coupling hole isfocused at another focal point of the ellipsoid.
As seen in Fig. 3, the ellipsoidal mirror and theparabolic mirror have been aligned to form a confocal
configuration so that the light beam, once focused at thecommon focal point, is converted to a parallel beam by
the parabolic mirror, where the focal length is 420 mm forboth mirrors. These mirrors have a common central axis
parallel to the FEL resonator axis. Then, the collimatedbeam obtained at the exit of the beam expander has
approximately the same profile as that on the surface ofthe ellipsoidal mirror.

PARALLEL BEAM TRANSPORT AND FELMONITOR SYSTEMAs seen in Fig. 2 the output parallel beam from the
expander chamber is sent to the next room through a
rectangular chicane section. This section was installed tosuppress the leakage of gamma rays and neutrons to the429

next room through the vacuum duct in the shielding wall.
Concrete, lead and plastic blocks surrounding the fourth
mirror chamber in the chicane section effectively shield
the direct radiations from the electron beam dump.
The parallel beam is guided to nine separate
experimental rooms by switching the beam line withretractable plane mirrors. The guiding system in the user’s
facility was installed in the pit under the floor. Everyswitching section is equipped with a total reflection
mirror (aluminium coated) and a partial reflection mirror(CaF2 plate), which allows for parallel experiments in the
different rooms.
For the purpose of monitoring and control of the FEL
lasing during user’s experiments, two monitor chambers
have been inserted in the midstream of the guiding system.
Each chamber contains a CaF2 beam sampler and a totalreflection mirror for alternate monitoring of high intensity
fundamental FEL and higher harmonics during user’s
experiments, or low intensity spontaneous emission
during electron beam adjustments.
The FEL monitor chambers and associated optics
placed in the large experimental hall are shown in Fig. 4.
The output from the upstream side chamber has been used
for the measurement of the FEL macropulse waveform bymeans of an InSb detector. The output from anotherchamber has been used for the measurement of the FEL
macropulse energy and the spectra of higher harmonics.
Use of separate beams in simultaneous measurement ofdifferent FEL properties requires no wide-band half
mirror. Also, it allows easy alignment of the devices on
the optical base.
The wavelength of the fundamental FEL has not beenmeasured directly in the wavelength range longer than 1.6
Pm due to the restricted range of the array detector andthe spectrometer in LEBRA. Instead, the spectra of thehigher harmonics in the visible region have been used to
extrapolate the wavelength of the fundamental FEL.

Fig. 4. The picture of the FEL monitor chambers andassociated optics on the optical base. Each chamber
contains a CaF2 beam sampler and a total reflection
mirror for an alternative use.

FEL Technology

430

T. Tanaka et al. / Proceedings of the 2004 FEL Conference, 427-430

CONSIDERATIONS ON THE POWER
LOSS IN THE GUIDING SYSTEM
The radius of the plane mirrors used in the guiding
system downstream from the beam expander is 50 mm,
which results in an effective radius of 35 mm due to thereflection angle set at 45 q. The minimum inner radius of
the vacuum duct is about 25 mm. Therefore, the apertureof the vacuum duct is the main restriction for the transport
efficiency of the FEL power except for the mirror
reflectance.
The profile of the parallel light beam transported to theuser’s facility is primarily determined by the wavelengthof the light, the radius of the coupling hole in the
upstream mirror, and the distance between the couplinghole and the ellipsoidal mirror. From Eq. (4) the coreradius aA of the diffraction pattern at the ellipsoidal mirror
is given byaA

3.833OL d
,
2S a

(5)

where d (= 2.5 m) is the distance between the couplinghole and the ellipsoidal mirror. The radius is assumed tobe conserved in the travel to the experimental rooms.
The guiding system was originally designed to use aresonator mirror with a coupling hole of 0.5 mm radius
for the lasing in the wavelength range of 5 Pm or longer,
where the core radius is greater than 15 mm but still lessthan the inner radius of the vacuum duct. On the other
hand, the mirror with the coupling hole of 0.15 mm radiusin current use was intended for use in lasing at the
wavelengths shorter than 2 Pm by taking into account the
coupling coefficient. For this mirror, the core radii of the
FELs with the wavelength of 2, 3, 4 and 5 Pm areapproximately 20, 30, 40 and 50 mm, respectively.
Thus, the use of the current mirror for lasing in the
wavelength range longer than 3 Pm results in a large

TUPOS17

power loss due to the eclipse caused by the aperture of thevacuum duct.
The current FEL system takes at least 1 day to replace
the mirror. However, a more efficient optical beamtransport and a relatively high coupling coefficient by an
optimised mirror will allow for the use of considerably
higher FEL power at the user’s experimental rooms forlonger wavelength FELs.

SUMMARY
The FEL in the wavelength range from 0.9 to 6.5 Pm
has been lased with the LEBRA infrared FEL system. The
divergent beam extracted through a small coupling hole in
the FEL resonator mirror has been converted into aparallel beam with the beam expander system consistingof an ellipsoidal mirror and a parabolic mirror. The
transport efficiency for long-wavelength FELs is low dueto the large radius of the parallel beam. However, theefficiency in the long wavelength region can be improvedby replacing the current mirror with a resonator mirror
which has a larger coupling hole.

REFERENCES[1] K.Halbach, Nucl. Instr. and Meth. 187 (1981) 109.
[2] T.Tanaka et al., “Tunability and PowerCharacteristics of the LEBRA Infrared FEL”,
FEL2004, Trieste, Italy, Aug. 2004.
[3] H.Kogelnik and T.Li, Applied Optics 5, No.10(1966) 1550.
[4] M.Born and E.Wolf, Principles of Optics, Cambridge
University Press (1999).
[5] K.Nomaru et al., Nucl. Instr. and Meth. A445 (2000)
379.

247

T. Tanaka et al. / Proceedings of the 2004 FEL Conference, 247-250

TUNABILITY AND POWER CHARACTERISTICS OF THE LEBRAINFRARED FEL
T. Tanaka*, K. Hayakawa, Y. Hayakawa, A. Mori, K. Nogami, I. Sato, K. Yokoyama+, LEBRA,
Institute of Quantum Science, Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501 Japan
K. Ishiwata, K. Kanno, K. Nakao, T. Sakai, Graduate School of Science and Technology,
Nihon University, 7-24-1 Narashinodai, Funabashi, 274-8501 Japan
Abstract
The use of the infrared (IR) Free-Electron Laser (FEL)
in medical science and material science started in October2003 at the Laboratory for Electron Beam Research andApplication (LEBRA) of Nihon University. The FEL
resonator which consists of silver-coated copper mirrors
has demonstrated a wavelength tunability ranging from
0.9 to 6.5 Pm as a function of the electron energy and theundulator K-value. The wavelength dependence of the
FEL output power has been measured in terms of different
electron energies and different undulator K-values. At
about 2 Pm, an FEL energy of roughly 25 mJ/macropulse
has been obtained at the FEL monitor port, whichcorresponds to the peak power of 1 to 2 MW, provided
that the FEL pulse length is less than 0.5 ps that resulted
from the measurement by the autocorrelation method. A
power decrease observed in the long-wavelength range
has resulted from the wavelength dependence of thecoupling coefficient of the FEL resonator mirror and thetransport efficiency of the FEL guiding optics.

INTRODUCTION
Since the first lasing at 1.5 Pm by the LEBRA FEL
system in 2001 [1], efforts have been made to achieve thesaturation of the FEL power, and to stabilize the pulse-topulse power level.
In the early lasing experiment in the infrared region, theFEL resonator consisted of dielectric multilayer mirrors
optimised for lasing at a narrow wavelength range ofaround 1.5 Pm. The mirrors were easily damaged by ahigh optical power. However, this suggested that theproperty of the LEBRA FEL system including theelectron beam is sufficient for intense lasing.
The resonator mirrors were changed to silver-coatedcopper mirrors in August 2003, which was intended tobring about an early beginning of user’s experiments by awide-range variability of the FEL wavelength and a highmirror tolerance for an intense FEL power. The FEL beam
has been extracted from the mirror placed upstream fromthe undulator through a small coupling hole, and the FEL
beam has been successfully transported to user’s
experimental rooms by the optical guiding system. The
user’s experiments in medical science and materialscience began in October 2003.
This paper reports on the improvement of the LEBRAFEL system, the result of the experiments on the

wavelength variability and the power characteristics. The
current specifications and arrangement of the FEL systemare expressed elsewhere [2].

IMPROVEMENT OF THE FEL SYSTEM
Lasing by dielectric multilayer mirrors
Improvement of the FEL power stability has been an
important problem for user’s experiments. The uniformityof the electron beam energy and current in macropulse
duration was improved by the reduction of the phasefluctuation of the accelerating rf in the linac [3]. Although
it contributed to the increase of the FEL power, theimprovement did not show a significant effect on thestability. Use of the dielectric multilayer mirrors withinsufficient tolerance for high power FEL resulted indamage to the mirrors by the FEL before its saturation,
which led to difficulty in the investigation of the stability.
In a series of lasing experiments using the dielectric
mirrors, the 1.5 Pm FEL was observed by detecting thelight transmitted through one of the mirrors, where only afraction of the light beam stored in the resonator was
detected using the transmission property of the mirrors.

Vibration and drift of the mirrors
Besides the tolerance for the optical power, there were
problems of the vibration of the mirrors and the drift ofthe mirror separation, which was found from theobservation of the interference pattern by the alignment
laser lights that reflected on the two mirrors in theresonator [4]. The drift of the mirror separation resulted
from a change in room temperature. However, thebehaviour of the temperature dependence has not yet been
well understood. The slow drift of the mirror separation
has been compensated for by adjusting a piezo device
manually. The vibration of the mirrors resulted from thevibration of the mirror chambers, which was caused by
the water flow for cooling of the bending magnets in the
beam transport line, which suggested a lack of flexural
rigidity of the mirror chamber’s frame bases. The
amplitude of the vibration in the bases, measured with alaser displacement gauge, was suppressed from several
hundred nm to within 20 nm (limit of measurement) by
the reinforcement of the frames, which was made with 6mm thick steel plates attached to the side faces of thebases.

___________________________________________*E-mail address: tanaka@lebra.nihon-u.ac.jp+
Present address: KEK, 1-1 Oho, Tsukuba, 305-0801 Japan

Available online at http://www.JACoW.org

FEL Oscillators

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T. Tanaka et al. / Proceedings of the 2004 FEL Conference, 247-250

Lasing by silver-coated copper mirrors
The FEL guiding optics system for user’s experiments
was constructed in June 2003. This system was designed
to use an external-coupling mirror which has a small
coupling hole. Since August 2003 the silver-coated copper
mirrors have been used for the lasing experiments
corresponding to the new optical guiding system. The
nominal reflectance for the mirrors is greater than 99.3 %in the wavelength range longer than 0.9 Pm. The FEL has
been extracted from the mirror placed upstream from theundulator through a coupling hole of 0.15 mm in radius.
The silver-coated copper mirrors demonstrated a highperformance. The saturation of the FEL power has been
observed for the wavelength range from 0.9 to 6.5 Pm.
There has been no evidence of damage so far by thesaturated FEL power.
Provided that the FEL in the resonator is a Gaussianbeam, the coupling coefficient N of the coupling hole isgiven by [5]N1  exp( 2a 2 / w 2 ) ,(1)
where a is the radius of the coupling hole, w the FEL
beam radius on the surface of the resonator mirror that isgiven as a function of the FEL wavelength OL, theRayleigh length LR in the resonator and the separation D
between the two resonator mirrors by

w

OL LR
{1  ( D / 2 LR ) 2 } .
S(2)Using the parameters for the LEBRA FEL system, D =6.718 m and LR = 1.47 m, the wavelength dependence ofthe coupling coefficient is approximated as

N

0.687

a2

OL

,

(3)

where the units of a and OL are mm and Pm, respectively.
For instance the coupling coefficient of the 1.5 Pm FEL is0.0103.
The divergent FEL beam extracted from the resonatorthrough the coupling hole has been converted to a parallel
beam in the expander system which consists of anellipsoidal mirror and the parabolic mirrors. Then, theoptical size of the collimated beam is determined by thediffraction pattern on the surface of the ellipsoidal mirror.

EXPERIMENTAL SETUP
Fig. 1 shows a schematic layout of the FEL system andthe guiding optics system from the accelerator room to thelarge experimental hall. Also, the experimental setup is
shown in Fig. 1. All the measuring devices for monitoringof the FEL have been installed in the large experimental
hall.
The macropulse waveform of the FEL and thespontaneous emission were observed with an LN2-cooled
InSb detector in combination with a focusing lens or
neutral density filters depending on the intensity of thelight. The light was picked up with a CaF2 beam sampler
or an aluminium total reflection mirror in the first FEL
monitor chamber.
The light picked up from the second FEL monitor
chamber can be divided into the infrared components andthe visible components with a cold mirror as shown in Fig.
1. A simultaneous measurement is possible for the spectraof the higher harmonics in the near infrared to the visible
region and the fundamental FEL power, if the FEL
wavelength lies in the range where the absorption of thefundamental FEL in the cold mirror is negligibly small.
The optical power of the FEL in a wavelength range
longer than 2 Pm was measured by placing the power
meter on the upstream side of the cold mirror. Then, theFEL power and the spectra of the higher harmonics were
measured alternately. The FEL power was measured as anintegrated energy over the macropulse duration of 20 Ps
by using a pyroelectric element.

Fig. 1. Schematic layout of the FEL system, the FEL guiding optics system, and the experimental setup. The
macropulse waveform, the power and the spectrum of the FEL have been measured in the large experimental hall inorder to monitor the FEL during user’s experiment. The intense FEL has been picked up with a CaF2 beam sampler ineach FEL monitor chamber.

THPOS15

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T. Tanaka et al. / Proceedings of the 2004 FEL Conference, 247-250

B0

2 Br {1  exp( 2Sh / OU )}u exp( 2Sg / OU )Fig. 2. An example of the macropulse waveform of
the FEL lased at 5.75 Pm (a). Also shown is theelectron beam macropulse current (b).
Fig. 2 shows an example of the macropulse waveformof the FEL measured at a wavelength of 5.75 Pm, where
the FEL power was saturated in 8 Ps from the beginningof the electron beam injection into the FEL system.
The macropulse energy of the FEL was measured usinga pyroelectric element with an injection window of 24u24
mm2, where no focusing device was placed in front of theelement. In the experiment, the measured macropulse
energy was calibrated only to the fraction contained inabove square region in the FEL monitor chamber. It is
assumed that the optical beam profile at the pyroelectricelement has approximately the same size and shape as in
the FEL monitor chamber. Then, the macropulse energyof 2 mJ for the case of Fig.2 was deduced from themeasurement.
The electron beam from the linac has been bunchedevery period of the 2856 MHz RF. From the FWHM of
the FEL macropulse in Fig.2, the average energy in eachsaturated FEL micropulse is estimated to be 0.064 PJ. An
FEL micropulse length was deduced to be less than 0.5 ps
for the wavelength of 1.5 Pm from a measurement withthe autocorrelation method [6]. As a result, the micropulse
energy of 0.064 PJ corresponds to a peak power greaterthan 0.1 MW. The maximum FEL energy obtained in thelasing experiment was 25 mJ at a wavelength around 2
Pm, which corresponds to the micropulse peak power ofnearly 2 MW.

TUNABILITY OF THE WAVELENGTH
The result of the experiment on the FEL wavelength
tunability is shown in Fig. 3, where the rhombus-shaped
data points show the wavelengths measured in terms ofthe various undulator gap widths for the fixed electronenergy Ee. The 2D analytical expression for thefundamental sinusoidal component of the undulator peakfield B0 is given as [7]sin(S / 4) ,
S /4

(4)

where Br (= 1.2 T) is the remanent field of the permanent
magnet, OU (= 48 mm) the undulator period, g theundulator half gap width, h (= 35 mm) the block height ofthe magnet [7]. The dependence of the wavelength on theundulator gap width was calculated from the magnetic
field given by Eq. (4) as shown by the curves in Fig. 3.
The electron energy has an ambiguity within r1 % due tothe momentum acceptance of the electron beam analysing
system. Therefore, the curves were fitted to theexperimental results by a small correction for the electronenergy. The good agreement with the experimental result
suggests that the undulator magnetic field is welldescribed by Eq. (4).
The FEL lasing is possible over the range of g from 12
to 18 mm, which makes change of the K-value from 1.99
to 0.91. Thus, the FEL wavelength can be varied
continuously to 1/2 of the wavelength at the minimum
gap width for fixed electron energy.

Fig. 3. The FEL wavelength measured as a functionof the undulator half-gap width for fixed electronenergies. The curved lines show predicted wavelength
dependences on the gap width.

POWER AT THE FEL MONITOR PORT
Fig. 4 shows the dependence of relative FEL power on
the electron energy and the FEL wavelength, which wasmeasured as the macropulse energy using the pyroelectricelement. The wavelength was changed by the adjustmentof the undulator gap width with the electron energy fixed.
The experiment for the same electron energy was run in
one machine shift, therefore the relative change of thepower dependent on the wavelength was obtained withapproximately the same electron beam condition. On theother hand, the relative power between the different
electron energies involves the difference of the electron
beam condition due to the difference of the beamemittance, the energy spread, and the beam focusing

FEL Oscillators

250

T. Tanaka et al. / Proceedings of the 2004 FEL Conference, 247-250

where d (= 2.5 m) is the distance between the couplinghole in the resonator mirror and the ellipsoidal mirror in
the expander system, and the area of the power injection
window was approximated by a circle with the radius A( = 13.5 mm).
From Eqs. (3) and (5), the micropulse peak FEL powerin the resonator can be estimated by applying a factorkFig. 4. Relative FEL power obtained with different
electron beam energies.
parameters. Also, the absolute value and stability of the
FEL macropulse energy has been strongly dependent on
the beam handling and the alignment of the resonatormirror. However, the result shown in Fig. 4 gives a good
indication of the power available at the user’s port.

ESTIMATION OF THE POWER IN THE
RESONATOR
The macropulse energy measured at the FEL monitor
port represents the energy contained in the power meter
injection window area of 24u24 mm2. By a simple
assumption that the profile of the parallel beam obtainedat the output of the expander system is conserved at the
FEL monitor chamber, the detection efficiency Hd of thepower meter for the total extracted energy is given by [8]Hd1  J 02 ( 2SaA / dOL )  J 12 ( 2SaA / dOL ) , (5)TRF
H dNW L TM
1

(6)

to the macropulse energy measured at the FEL monitor
port, where WL is the FEL micropulse length, TRF theperiod of the micropulse, TM the FEL macropulse length.
The effect of corrections for Hd and N on the FEL
power measured at Ee = 52 MeV is shown in Fig. 5,
where the open circles are the raw data divided by TM, thestars corrected for Hd (the same vertical scale as raw data),
the black circles corrected for Hd and N(corresponding to
the power in the resonator). The FEL macropulse length
was measured for each wavelength. Fig. 4 shows adecrease of the power in the wavelength region longer
than 3 Pm at the FEL monitor port. However, the result ofcorrections for Hd and N suggests that the power in theresonator was not necessarily decreased in this region.

SUMMARY
Saturation of the FEL power was achieved in the
wavelength range from 1.0 to 6.5 Pm by use of silvercoated copper mirrors in the FEL resonator. The propertyof the wavelength variability is in agreement with thetheoretical prediction. The FEL power measured at the
FEL monitor port has shown a decrease of saturated
power in the wavelength region longer than 3 Pm.
However, the power in the FEL resonator has not beennecessarily decreased, considering the detection
efficiency and the coupling coefficient of the externalcoupling mirror.

REFERENCES

Fig. 5. The FEL power obtained at Ee = 52 MeV.
Open circles: raw data divided by TM, stars: correctedfor Hd, black circles: corrected for Hd and N. The error
bars represent the fluctuation of the macropulse
energy and the macropulse length in the experiment.

THPOS15[1] Y.Hayakawa et al., Nucl. Instr. and Meth. A 483(2002) 29.
[2] T.Tanaka et al., “Guiding optics system for LEBRAFEL user facility”, FEL2004, Trieste, Italy, Aug.
2004.
[3] K.Yokoyama et al., Nucl. Instr. and Meth. A 507(2003) 357.
[4] K.Nakao et al., Proc. of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan, (2003) 396 (in Japanese).
[5] H.Kogelnik and T.Li, Applied Optics 5, No.10(1966) 1550.
[6] K.Hayakawa et al., Proc. of LINAC2004, XXIIInternational Linear Accelerator Conference, Lubeck,Germany, Aug. 2004 (to be published).
[7] K.Halbach, Nucl. Instr. and Meth. 187 (1981) 109.
[8] M.Born and E.wolf, Principles of Optics, Cambridge
University Press (1999).