赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

京都大学小型中赤外自由電子レーザ施設の開発とそ
の利用展開
全

炳俊

京都大学エネルギー理工学研究所〒6110011 京都府宇治市五ケ庄

紀井俊輝
京都大学エネルギー理工学研究所〒6110011 京都府宇治市五ケ庄

大垣英明
京都大学エネルギー理工学研究所〒6110011 京都府宇治市五ケ庄

中赤外自由電子レーザは中赤外領域で大強度短パルスレーザを供給可能な波長可変コヒーレント光源である。京都■
要
旨大学エネルギー理工学研究所では，エネルギー分野への応用を目指して小型中赤外自由電子レーザを開発すると共に，ユーザーステーションを整備してきた。施設の概要と各ユーザーステーションの現状，これまでに実施された利用実験と共に，現在進めている更なる高強度極短パルス化に向けた取り組みについて紹介する。

や光共振器設計の見直し，運転条件の最適化を行い，レー

1. はじめに

ザ性能の向上を図ってきている9)。その結果，現在，波長

自由電子レーザ（Free Electron Laser: FEL）は真空中

3.426 mm において大強度波長可変中赤外レーザを供給可をほぼ光速で飛行する高エネルギー電子ビームをゲイン媒能となっている6)。2008年の初発振以降，前述のレーザ性質として用いるレーザであり，原理的にマイクロ波から能向上と並行し，学内学外ユーザーによる利用研究を開

X 線までの波長領域で発振可能なレーザである。世界初

始すると共に，応用実験ステーションの整備を行ってきての FEL はスタンフォード大学の Madey らにより 1977 年

おり，現在，3 つの応用実験ステーションが利用可能となに中赤外領域（波長3.4 mm）で発振が確認され1)，以降，っている。

短波長および長波長領域へと発振波長が拡大された。現在

また，京都大学エネルギー理工学研究所は 2011 年度よでは硬 X 線領域の FEL としてアメリカの LCLS （ Linac

り共同利用共同研究拠点ゼロエミッションエネルギー研

Coherent Light Source)2)，日本の SACLA (SPring8

究拠点事業10)を開始しており，中赤外 FEL やその発生にAngstrom Compact Free Electron Laser)3)，EU の Euro-

用いる電子加速器，固体レーザ等の付帯設備を利用した外

pean XFEL (X-ray FEL)4)，韓国の PALXFEL (Pohang

部ユーザーの共同利用共同研究を更に積極的に実施してAccelerator Laboratory XFEL)5)などが稼働中である。中いる。 2011年度から 2020年度の間に延べ 73 の所外研究グ

赤外領域の FEL は，比較的エネルギーの低い電子ビーム

ループが拠点事業を通じて KU FEL 施設を利用してきで駆動する事が可能であり，上記の初発振以降，固体レーた。本稿を通じて日本放射光学会会員の皆様にも KU 

ザが苦手とする波長領域において連続的に波長可変な大強

FEL 施設について知って頂き，今後の共同利用共同研

度光源として様々な装置が建設されてきた。

究に向けての参考にして頂ければ幸いである。

京都大学エネルギー理工学研究所では，エネルギー関連研究への応用を目指し，京都大学小型中赤外自由電子レーザ（Kyoto University FEL: KUFEL）という熱陰極高周波電子銃を電子源とした小型で経済的な中赤外 FEL の開2. 中赤外自由電子レーザ発振器の構成と動作原理発を行ってきた6)。1995年から中赤外自由電子レーザに関中赤外 FEL 発振器は真空中を飛行する高エネルギー電

する基礎研究を開始し， 1998 年に熱陰極高周波電子銃か子ビームを用いて光の発生，増幅を行い，レーザを発振さら電子ビーム発生に成功。2002年に電子ビームの40 MeVせる装置である。中赤外 FEL には光共振器を用いないシまでの加速に成功。 2004 年に現在の建屋に移設した後，ングルパス型も存在するが，中赤外域では長いマクロパル

2006 年にアンジュレータを設置し， 2008 年 3 月に初発振

ス内に等間隔に並んだ複数の電子バンチを持つマルチバンに成功した7)。また，2008年 5 月に波長13 mm において出

チ電子ビームの発生が比較的容易且つ，高反射率ミラーが力飽和を達成している8)。その後，アンジュレータの交換使用可能であるため，一般的に光共振器を用いる共振器型

144 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3
(C) 2021 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

レーザ媒質の温度上昇や破壊が生じないため，高効率且つ高強度化が可能である。 Fig. 1 ではレーザ発振に用いた電子ビームをビームダンプに捨てているが，超伝導加速器を用いた自由電子レーザでは，この電子ビームを減速し，エ
ネルギー回収を行うことで，飛躍的な高効率化が可能である1113)。
一般に共振器型の中赤外 FEL では，広い波長可変性を得るために光共振器に金属コートミラーが用いられる。共振器外への光取出しには， Fig. 1 の右側の共振器ミラーのFig. 1

Schematic drawing of typical MIRFEL oscillator.

様に，金属ミラーの中心に穴をあけてそこから光取出しを行うホールカップリングがよく用いられる。波長が変わるが採用されている。Fig. 1 に共振器型中赤外 FEL の典型的と光共振器内に蓄積される光のミラー上でのサイズが変化な構成図を示す。電子源から発生させた高品質電子ビーム

し，光取出し穴から取り出される光の割合も変化する。こを線形加速器により数十 MeV まで加速し，アンジュレーのため，各発振波長で光の取出し割合が最適に設定可能なタと呼ばれる周期的磁場を発生させる装置に入射する。高様に，穴径の異なる数枚のミラーを真空中で交換可能としエネルギー電子ビームがアンジュレータ中の周期的磁場でた赤外 FEL 施設も存在する14,15)。

多数回偏向されると，電子の進行方向に一定の間隔でシン共振器型 FEL で発振するレーザの波長は式( 1 )で示さ

クロトロン放射が放射され，干渉により特定の波長で強めれるアンジュレータ放射光の波長とほぼ同じであり，式合い，準単色な放射となる。これをアンジュレータ放射と(1)中の g および K をそれぞれ，電子ビームの運動エネル

呼ぶ。平面アンジュレータから放出されるアンジュレータ

ギーおよびアンジュレータ磁場強度を変化させることで，放射を軸上で観測した際の中心波長 lR は

連続的に発振波長を変化させることが可能である。施設によっては中赤外用アンジュレータ光共振器のセットと遠

lR＝

lU
2g 2

(1＋ 2 )
K2

(1)

赤外用/ THz 用アンジュレータ光共振器のセットを有し ， 中 赤 外 ～ 遠 赤 外 / THz 領 域 を カ バ ー す る 場 合 も ある16,17)。

で表される。ここで lU はアンジュレータの周期長， g はローレンツファクター（ g ＝ 1 ＋ E / m0c 2 ， E は電子の運動
エネルギー，m0 は電子の静止質量， c は真空中の光速），
K はアンジュレータ中での偏向強度を表すパラメータ（K3. 京都大学小型中赤外自由電子レーザ施設（KUFEL)＝ eBUlU / 2 pm0c ， e は 電 気 素 量 ， BU は ア ン ジ ュ レ ー タ

Fig. 2 に KU FEL 施設全体のレイアウトを示す。 FEL

ピーク磁場強度）である。発生したアンジュレータ放射の発生には電子線形加速器から供給された高エネルギー電は，下流側に設置された光共振器鏡により反射された後，子ビームを使用するため，加速器運転時に制動放射による上流側の光共振器鏡で再度反射され，アンジュレータに再X線やガンマ線，それに付随した光核反応により中性子が入射されると同時に光共振器中に蓄積される。この時，光発生する。このため， FEL 発振器および駆動用電子線形共振器長を電子バンチ間隔のほぼ整数倍となる様に調整す

加速器は厚さ 2 m のコンクリート遮蔽壁の中に設置されると，後続の電子バンチと共振器中に蓄積されたアンジュている。発生した中赤外レーザは球面鏡により疑似平行光

レー タ放射 光が アンジ ュレ ータ中 で時間 的に 重畳 されに変換された後，遮蔽壁の上を越えてユーザーステーショ

FEL 相互作用を起こす。その際，蓄積光電場により電子ンへと輸送される18) 。中赤外レーザの輸送経路はアクリが減速され，電子の運動エネルギーが蓄積光に受け渡されル製のカバーや塩化ビニルのチューブにより覆われておる事で蓄積光が増幅される。この増幅によって光共振器中り，輸送路内の大気を窒素ガスと置換することで，大気中に蓄積された光は往復回数に対して指数関数的に強度が増に含まれる水蒸気や二酸化炭素による中赤外レーザ強度の大していく。電子ビームのマクロパルス後半で多数回に及減衰を低減可能となっている。

ぶ増幅の結果，蓄積光の強度が強くなると，アンジュレー

KUFEL 施設には中赤外 FEL とは別に，光陰極高周波

タ中を電子ビームと蓄積光が相互作用しながら飛行してい電子銃から発生させた短バンチ電子ビームを使って THz

る間に，電子の運動エネルギーが有意に低下し，そのエネ

準単色コヒーレント放射を発生させる THz Coherent Un-

ルギー広がりが増大することで蓄積光の増幅率が低下する。

dulator Radiation (THzCUR）光源1922)も設置されてお1 往復の間の増幅率と光共振器の損失が釣り合うと，蓄積り，この光源を元にした偏光可変準単色テラヘルツ光源の光強度は一定となり飽和に達する。

開発23) やエネルギー変調空胴付き高周波電子銃を用いた

FEL は発振プロセスに熱的なエネルギー散逸が無く，

THzCUR 光源の高度化研究24)も実施中である。

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 145

Fig. 2

Fig. 3

3.1(Color online) Schematic diagram of facility layout.

Schematic diagram of MIRFEL oscillator in KUFEL.

中赤外自由電子レーザ発振器

Fig. 3 に KUFEL 施設に設置された中赤外 FEL 発振器の概略図を示す。この装置では電子源として 4.5空胴熱陰
極高周波電子銃を採用している。マイクロ波共振空胴の端面に熱陰極が配置され，熱陰極から放出される電子を静電界よりも絶縁限界の高いマイクロ波電界で一気に加速する。これにより空間電荷効果による特性劣化を抑えながら，加速に用いる高周波の周波数である2856 MHz と同じ
高繰り返しの電子バンチ列が供給可能である。また，シャFig. 4

Time structure of electron bunch and FEL pulse of KU
FEL.

ントインピーダンスの高い電子銃構造と高周波加速により
約 23 cm の加速長で約 8.4 MeV という高いエネルギーを成される180度偏向セクションを経由して，電子ビームの持つ電子ビームの生成が可能である。電子銃から射出され進行方向の長さを短く圧縮した後に，アンジュレータへとた電子ビームは Dog-leg と呼ばれる 1 対の偏向電磁石と 3入射される。アンジュレータの上流下流には光共振器をつの四極電磁石で構成されるセクション中の Slit によっ構成する凹面鏡が設置されており，この中に電子ビームかて自由電子レーザ発振に不要な低エネルギー成分を除去しら放出されたアンジュレータ放射光を蓄積し，後続の電子

た後，長さ 3 m の進行波型加速管へと輸送される。電子ビームとの FEL 相互作用により増幅することで，レーザ

銃同様，進行波加速管には外部から高周波電力が供給さ発振を得る。

れ，高周波電界が誘起されている。この高周波電場の位相

KU FEL においては，電子ビームはバンチ列として約に FEL 発振に適したタイミングで電子銃からの電子ビー

7 ms 間連続して供給され，レーザ増幅発振がバースト

ムを入射することで，電子ビームを最大40 MeV まで加速的に生じる。 Fig. 4 に電子バンチおよびレーザパルスの時する。その後，3 台の偏向電磁石，4 台の四極電磁石で構間構造の模式図を示す。 KUFEL の電子線形加速器の駆

146 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望動に用いられるクライストロンという高周波源は，その繰はサブピコ秒のパルス幅を持つ強度重視広帯域運転条件がり返し周波数を 10 Hz まで上げられる性能を有している

良く利用されているが，共振器長を 1 発振波長分程度，が，放射線漏洩量規制および老朽化に伴う装置寿命延命の短くすることでミクロパルス長を伸ばし，狭帯域発振させため，現在は最大 2 Hz の繰り返しで運転している。バン

ることも可能である。強度重視広帯域運転条件下では，

チ 列 中 の 電 子 バ ン チ の 間 隔 は 通 常 運 転 時 は 350 ps で あFig. 6 の様に，スペクトル半値幅が発振波長の 4 程度にり，発生する自由電子レーザも供給される電子バンチ列と広がると共に，長波長側にテイルを引いたスペクトル構造

同様のパルストレイン構造を持ち，電子バンチ列終盤に約となる。一方，狭帯域運転では，強度重視広帯域運転に対2 ms の半値幅で，バースト的に発振する。パルストレイ

して，マクロパルスエネルギーが 3～5 分の 1 程度に低下

ン中の個々の光パルスをミクロパルスと呼び，パルストレ

するが，長波長側のテイルが消え，スペクトル半値幅が発イン全体の事をマクロパルスと呼ぶ。

振波長の1程度に狭まり，波長純度が大幅に向上する。

Fig. 5 にユーザーステーション 1 （ Fig. 2 中 US # 1 ）にてこれらの運転モードを使い分けることで，大強度超短パル

利用可能な KUFEL の発振波長とマクロパルス当たりのスレーザが必要な非線形分光やポンププローブ実験，狭積分光エネルギーを示す。この際，光輸送路中の大気は窒帯域光源が必要な分光実験など，様々な実験が可能となっ素置換されていない。電子ビームエネルギーに対応してている。

データプロットの色，シンボル形状を変えてある。同じエTable 1 にユーザーステーション 1 にて利用可能な典型

ネルギー条件下で異なる波長が得られるのは，アンジュ

的なレーザ性能をまとめておく。これまでに強度重視広帯

レー タの磁 場強度 を変 化させ て，式 1 中の K を変 化さ

域運転条件下でミクロパルス長の測定が行われており，せ ， 波 長 を 変 化 さ せ て い る た め で あ る 。 Fig. 5 に は
HITRAN25) を用いて計算した大気吸収に起因する輸送路の透過率スペクトルも示した。波長 4.3, 5 7.5, 15 mm において，レーザ強度が低下しているのは，大気による吸収の影響である。大気の赤外吸収に起因する強度低下は輸送
路を窒素ガスで置換することにより，その影響を低減する
事が可能である。また， 3.4 mm よりも短い波長領域を非線形結晶による二次高調波発生を利用して供給可能である。
KU FEL では波長 2.5 ～ 4 mm の発生が可能な ZnGeP2 結

晶を用意しており，波長6.3 mm の FEL を入射し，マクロ
パルスエネルギー 1 mJ を超える波長 3.15 mm の二次高調波を供給した実績がある。
Fig. 6 に典型的な波長スペクトルを示す。共振器型 FEL

Fig. 6

Typical spectrum of KUFEL at 11.5 mm under the wideband high power operation and narrowband operation.

Table 1

Typical Performance of KU-FEL with thermionic operation available at user station #1.

では共振器の長さを微調整することで，発生するレーザのミクロパルス長とスペクトル幅が変化する。 KUFEL で

3.426 mm

Tunable Range～ ＋long-wavelength tailSpectrum High Power Wideband 4
Width
～1
Narrowband

Maximum Macro-pulse Energy

40 mJ

Typical Macro-pulse Duration

2 ms

Maximum Micro-pulse Energy

7 m J＠ 9 m m

Macro-pulse Repetition Rate

＜2 Hz

Micro-pulse Repetition Rate

2856 MHz
0.6 ps-FWHM＠12 mm in 201326)

Micro-pulse Duration
Fig. 5(Color online) Available macro-pulse energy of KU
FEL atthe user station #1. Thin line indicates the transmittance oftransport line between the FEL oscillator and the user station#1 calculated using HITRAN25) under the calculation condition of H2O: 1.86, CO2: 0.033, O2: 20.9, and N2: 77.2
.

0.26 ps-FWHM＠10 mm in 2021
Maximum Macro-pulse Ave. Power 20 kW
Maximum Micro-pulse Peak Power ～19 MW
Power Fluctuation＜10 FWHM

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 147

2013年の測定では波長12 mm において約0.6 ps-FWHM とユーザーステーション 1照射特性測定の結果が得られている26) 。その後の性能向上の結果，最FEL 発振 器から最も 近い距離に 位置する ユーザース

近の測定では波長 10 mm において約 0.26 ps-FWHM といテーション 1（Fig. 2 中 US#1）はシンプルなレーザ照射おう結果も得られており，波長 10 周期を下回る様なパルス

よびレーザ特性測定用ステーションである。本ステーショ

長を持つ超短パルス中赤外レーザの供給が可能となっていンには回折格子型分光器（ DK 240, CVI ）が設置されてる。

おり，この分光器により実験に利用した FEL のスペクト

レーザ強度に関しては，波長10 mm における最大ミクロルを測定してユーザーに提供している。 XYZ 三軸自動ス

パルス当たりのエネルギーが約 5 mJ なので，約19 MW のテージを使用可能であり，試料位置を精密に制御しながら，

ピークパワーが得られていることとなる。運転条件や波長FEL の照射を行うことができる。また，集光レンズや集に依るが，強度変動は 10 程度であり，強度変動が気に光ミラーを用いて，様々な試料に FEL を集光照射する事なる実験においては，ショット毎に入射強度を常時モニが可能である。実験毎に光学素子配置や装置構成をフレキ

ターし，入射強度による規格化や低強度なショットを除外

シブルに変えることが可能であり，ファラデーケージを用するなどの工夫が必要である。このため， KRS 5 窓をいた実験も行われている。本ステーションではこれまで

ビームサンプラーとして光路上に常時挿入し，反射されたに ， ザ リ ガ ニ の 複 眼28) や 歯 ， セ ル ロ ー ス29) ， メ ラ ニ

中赤外光を高速焦電検出器により測定することで，常時ン30) ，イカ墨化石31) といった生体試料への照射実験や有FEL 強度パルス波形測定を可能とし，強度変動の規格

機膜融解の実時間測定実験32) ，赤外検出器の飽和特性測化 や パル ス 選 別 に利 用 可 能 な 状 況を 整 え て い る18) 。 ま定33) ，二次高調波発生分光34) ，光音響分光装置の開発35)

た，同じ KRS5 窓を使い，FEL 光軸上に可視光レーザを等が実施されてきている。

重畳し，ユーザーステーション側に飛ばしている。これにより，目に見えない中赤外レーザの光軸調整を可視光を見ながら行うことが可能となっている18)。
後述するが，既存の熱陰極をミクロパルス繰り返し

ユーザーステーション 2ポンププローブ実験
二つ目のユーザーステーション（ Fig. 2 中 US # 2 ）はポンププローブ実験用ステーションである。本ステーショ

29.75 MHz のピコ秒深紫外レーザパルス列で励起し，光

ン に は パ ル ス 幅 約 5 ns の Nd:YAG レ ー ザ （ Surelite II

電効果により電子ビームを発生させ，より高い電荷量を有SLI10, Continuum）と光学窓付き閉ループ式ヘリウムク

する電子バンチをレーザ発振に用いる光陰極動作について

ライオスタット，光電子増倍管（R3896, Hamamatsu）おも開発を進めており，ミクロパルスエネルギーを約 7 倍

よび GatedICCD (PIMAX2, Princeton Instruments）付に増大させる事に成功している27) 。本運転モードはより

き UV NIR 回折格子型分光器，冷却 CCD 付き UV NIR

高いピーク強度が必要な非線形分光実験や中赤外レーザを回折格子型分光器が標準装備されており，最低温度 6 K

用いた高次高調波発生へと繋がる強光子場実験に適した運の極低温条件下で近赤外（ 1064 nm )可視（ 532 nm )

転モードであり，今後，光陰極動作専用高周波電子銃の導紫外（355 nm）レーザと中赤外 FEL とを組み合わせた各入などにより更なる高度化を目指して研究開発を進めてい種ポンププローブ実験を実施可能となっている。また，る。

中 赤 外 FEL の ミ ク ロ パ ル ス と 同 期 し た モ ー ド ロ ッ ク
Nd:YVO4 レーザ（パルス幅7.5 ps，波長1064 nm）および

3.2

ユーザーステーション

その高調波（532 nm, 266 nm）も使用可能である。

現在， KU FEL 施設には Fig. 2 に示す様に 3 つのユー

本ユーザーステーションではこれまでに，極低温下でのザーステーション（US#13）が存在する。ここでは各ユー

超短パルス中赤外レーザによる選択的格子振動励起と可視

ザーステーションの概要とこれまでに実施されてきた応用

光プローブレーザのアンチストークスラマン散乱による直研究について紹介する。各ユーザーステーション共通で使接観測3639) や紫外ポンプ中赤外プローブ実験によるシ用可能な機器としては，レーザ光の強度測定のための焦電ンチレータ材料中の浅い電子トラップ準位の可視化40) ，型エネルギーメータ，マクロパルス中での時間変化測定用

常温大気中での LIPSS (Laser Induced Periodic Surface

各種検出器（高速焦電型検出器，常温 MCZT 検出器，液Structure）形成のその場観測41)などが実施されている。

体窒素冷却 MCT 検出器），FEL 発振時に自然発生してしまう高調波光除去用各種ロングパスフィルタ，偏光制御

ユーザーステーション 3多目的持ち込みステーション

測定および強度調整用ワイヤーグリッド偏光子（ KRS 5

三つ目のユーザーステーション（ Fig. 2 中 US # 3 ）は多基板， ZnSe 基板），電動シャッター，集光レンズや集光

目的持ち込みステーションである。本ステーションには，

ミラー，オシロスコープなどが整備されている。こういっ

1× 2 m の光学台が設置されており，ユーザーは自身の装た共通機器もユーザーの要望を聞き，必要に応じて整備を置を持ちこみ，実験系を構築して実験を行う事が可能であ進めている。次に各ユーザーステーションについて説明する。このビームラインでは過去に中赤外レーザと近赤外る。

レーザの和周波発生を利用したシングルショット中赤外ス

148 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

ペクトル測定42) やプラズマミラーを用いた中赤外マクロいる46) 。このため，高次高調波発生により単独アト秒パパルスからのナノ秒パルス切り出しと Ge 中での中赤外ルスを発生するために必要な数サイクル程度のパルス幅をレーザの Spectral Broadening43) といった実験が行われて持つ極短パルスを発生するには，引き出し効率の向上が不きた。

可欠である。これまでの世界最高引き出し効率は約 9であ り47) ， 超 伝 導 加 速 器 を 用 い た 日 本 原 子 力 研 究 所 の4. さらなる高強度短パルス化に向けた
光源開発

JAERIFEL (JAERI: Japan Atomic Energy ResearchInstitute ）において電子バンチの繰り返し周波数と光共

振 器 の 往 復 周 波 数 が 完 全 に 一 致 し た Perfect

2018 年度から量研日大 KEK 京大とで，中赤外Synchronization48) （以下，完全同期長と呼ぶ）条件下にFEL を駆動光源とした高次高調波発生による高繰り返し

おいて達成された。また，JAERIFEL では引き出し効率

アト秒硬 X 線レーザの開発に向けた共同研究グループがが約 6の条件において，ミクロパルス長の計測が行われ立ち上がり，文部科学省の光量子飛躍フラグシッププロており，その結果， 3.4 サイクルのパルス長が得られたとグラム（ Q LEAP ）に応募し，次世代レーザー技術領域の報告がある49) 。 FEL の増幅率および飽和強度は光共振の基礎基盤研究『自由電子レーザで駆動する高繰り返しア

器の往復周波数と電子バンチの繰り返し周波数の関係に強ト秒光源のための基礎基盤技術の研究』として採択されく依存する。Fig. 7(a)は横軸に FEL の増幅時間（電子ビー

た44)。本研究プロジェクトでは，京大の KUFEL と日大

ムのマクロパルス長もしくは光共振器中の往復回数に対の LEBRAFEL (LEBRA: Laboratory for Electron Beam応），縦軸に FEL のピーク強度を典型的な 2 つの光共振

Research and Application)45)という既存の常伝導加速器を器長ついて示した図である。実線で示した完全同期長条件

用いた赤外自由電子レーザ施設を用いて，赤外自由電子下では，増幅率が低く飽和強度が高くなるが，光共振器長レーザ駆動高次高調波アト秒光源の実現に必要な要素技術

を完全同期長条件よりも 1～2 波長程度短くした条件

開発を行う。赤外自由電子レーザの適用可能性やメリット（ Detuned ）で増幅率が最大となり，少ない増幅回数で光については本特集に掲載されるこのプロジェクトの研究代

強度が強くなる。ただし，この条件下では，飽和強度が低表者である羽島氏（量研）の記事を参照されたい。本プロ

い。この状況を Fig. 7(a)に破線で示した。JAERIFEL に

ジェクト中で KU FEL は共振器型 FEL の変換効率向上

おいては，超伝導加速器を電子ビーム源として用いていたとそれに伴う超短パルス高強度化により，高次高調波を駆ため，電子ビームのマクロパルス長が 0.4 ms と長く，増動するに足りる FEL 強度の達成を目標として研究を行っ幅率が低い完全同期長条件下においてもレーザ飽和を達成ている。

することが可能であった。一方， KU FEL の様な常伝導

前述の通り，共振器型 FEL は電子ビームの運動エネル

加速器を用いた FEL では，マクロパルス長が最大でも50

ギーをアンジュレータ中での FEL 相互作用を通して電磁ms と短いため，引き出し効率は 4 程度が限界だと考え

場エネルギーに変換し，増幅発振を達成するレーザであられており，高引き出し効率を狙う取り組みは殆ど行われる。この際の変換効率は引き出し効率と呼ばれ，共振器型てこなかった。これに対して KUFEL では，マクロパル

FEL の性能を決める重要なパラメータである。同じ電子

ス中で電子バンチの繰り返し周波数を変調し，早いレーザ

ビームを FEL 発生に用いた場合，引き出し効率が高けれ

強度の立ち上がりと高い飽和パワーを同時に達成可能とすば高いほど高いレーザ出力が得られる。また，引き出し効る手法である Dynamic Cavity Desynchronization (DCD）

率が高いほど，ミクロパルス幅が狭くなることが知られてと呼ばれる手法50)を導入した。即ち，Fig. 7(b)の様に発振

Fig. 7(Color online) Schematic drawing of FEL power evolution (a) depending on the synchronization condition between the roundtrip frequency of optical cavity and the e-bunch repetition rate, (b) when the e-bunch repetition
rate is switched from detuned condition to perfect synchronization condition in a macro-pulse.

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 149

初期のマクロパルス前半においては，電子バンチの繰り返

KU FEL において達成できたことは今後の開発に向けてし周波数を光共振器の往復周波数よりも少し低くし，増幅

大きな意義がある。ミクロパルス長の測定はまだ行えてい率の高い条件とすることで，光共振器内レーザ光強度を早ないが，ミクロパルス長が引き出し効率に反比例すること

く立ち上げる。この条件で飽和に近い強度にまで増幅してから，150 fs-FWHM（＝4.5サイクル）程度のパルス長を

完全同期長条件にスイッチする事で，高い飽和強度を得る。

持つことが期待されている。

FELIX グループによりその有効性は既に示されていたさらに引き出し効率の向上によるパルス長短縮ピーク

が，この手法によって引き出し効率がどの程度改善される強度増大を達成するため， Fig. 3 の加速管上流直線部に新のかについては，1 件の数値計算シミュレーションを用い

しい光陰極高周波電子銃の設置を予定している。 2022 年

た研究があるのみであった51)。KUFEL では，DCD 法の度からの新電子銃を用いた実験開始をめざし， 2021 年 2導入によって，引き出し効率が4.2程度から5.5まで改月現在，高エネルギー加速器研究機構にてこの電子銃を製

善 さ れる 事 が 示 され た52) 。 な お得 ら れ た 引 き出 し 効 率

作中である。既存の熱陰極高周波電子銃の光陰極運転で（ 5.5 ）は，その時点で常伝導加速器を用いた共振器型

は，電子銃ジオメトリと空間電荷効果の影響により，バンFEL としては世界最高の引き出し効率であった。次に，チ当たり電荷量は最大 190 pC に制限されていたが，このFEL の引き出し効率が増幅率に依存し，増幅率はバンチ

電子銃では 1 nC 以上のバンチ当たり電荷量を持つ電子

当たり電荷量に依存することから，電子ビームの 1 バン

ビームを発生させることが可能となる。これにより，さらチ当たり電荷量を増大させることで，レーザ増幅率を高に FEL 増幅率を増大させ，引き出し効率を向上すると共め，引き出し効率向上を目指した。 KU FEL の電子源にに，レーザ強度を大幅に増大させることが可能になると期は単結晶の六硼化ランタン（ LaB6 ）を熱陰極として用い待される。

た 4.5 空胴熱陰極高周波電子銃が用いられてきた。この電子銃では，深刻なバックボンバードメント現象53) の影響により，バンチ当たり電荷量とマクロパルス長の間に強い
トレードオフ関係が存在し，様々な対策54,55) を導入する

5. おわりに
以上のように，京都大学エネルギー理工学研究所では，も，マクロパルス長を 7 ms 程度とした場合，マクロパル

小型中赤外 FEL 発振器を開発し，現在では3.4～26 mm とス中の平均バンチ当たり電荷量は約40 pC 程度に制限されいった幅広い波長範囲で波長可変高強度短パルス中赤外てきた。 LaB6 陰極は仕事関数が約 2.5 eV と比較的小さ

レーザの供給が可能となっている。3 つのユーザーステー

く，外部から短パルス紫外レーザを照射することで光陰極ションが整備されており，生物固体物理領域の様々なとしても使用可能な事が知られている5660) 。そこで，こユーザー利用に対応してきた。大学附置研の一研究室が所の電子銃の光陰極運転を行うことでバンチ当たり電荷量を有運営している施設であり，フットワーク良くユーザー増大させた。即ち， LaB6 陰極の温度を下げ，熱電子放出の要求に柔軟に対応可能な反面，維持管理に充てられるを抑制した条件において，外部から波長 266 nm ，パルス

予算は大きくない。これまでにも，産業技術総合研究所

長約 5 ps，ミクロパルス繰り返し周波数29.75 MHz，マク大阪大学日本原子力研究開発機構高エネルギー加速器

ロパルス 長 7 ms のピコ秒深 紫外パルス 列を陰極 へ照射

研究機構 SPring 8 早稲田大学といった外部の研究機

し，バンチ当たり電荷量190 pC の電子ビームを発生させ，関から折に触れて物品の貸与や移管により不足を補うこと

KUFEL を駆動した。結果として，最大引き出し効率9.4で何とか性能維持向上を継続して行うことが可能であっを観測した27)。この際， 2 枚の KRS5 窓を通した後でた。この場を借りて感謝の意を表したい。 2021 年度以観測して得られたミクロパルスエネルギーは約50 mJ であ降， 新し い光 陰極高 周波 電子銃 の導入 作業 が始ま り，り， KRS5 窓一枚当たり 70の透過率であることを勘案

2022 年度からその本格運用が始まる。このアップグレー

す る と ， そ の 上 流 で は 約 100 mJ の ミ ク ロ パ ル ス エ ネ ルドにより， KU FEL は世界最高のピーク強度を有する中ギーが得られていることとなる。 KU FEL では引き出し

赤外 FEL となる。熱陰極高周波電子銃を利用した高平均

効率をアンジュレータ下流で測定した電子ビームエネル

パワー且つ超高ミクロパルス繰り返し周波数（2856 MHz）

ギー分布の時間発展から，各マクロパルス時刻において，を有する運転モードを維持しつつ，ミクロパルス繰り返し

電子ビームからレーザ電磁場に受け渡されたエネルギーをが低く（ 29.75 MHz ），世界最高ピークパワーを供給可能算出することで求められている。マクロパルス全体の平均な運転モードが利用可能となることで，非線形分光やポン値を測定した JAERI FEL の測定方法とは異なるため，

ププローブ実験，強光子場科学実験に対して，特徴のあ

直接的にこれらの結果を比較して良いかと言う議論はある

るプラットフォームとなる事を目指し，今後も研究開発をが，JAERIFEL とほぼ同等となる世界最高の引き出し効

進めていく。

率を達成した。 100 ms を超えるマクロパルス長を有する
超伝導加速器を用いた JAERI FEL と同程度の引き出し
効 率 を ， 7 ms と い う 短 い マ ク ロ パ ル ス 長 し か 持 た な い

150 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3

謝辞
KU FEL は数多くの外部利用者による積極的な利用に

特集 ■ 赤外自由電子レーザーの現状，利用研究と展望

よって支えられてきた。ここに深く感謝を申し上げる。
KU FEL の外部共同利用共同研究は京都大学エネル

ギー理工学研究所の実施する共同利用共同研究拠点事業

25)
26)
27)
28)

『ゼロエミッションエネルギー研究拠点』から支援を受けて行われた。本研究の一部は文部科学省 光量子飛躍フラグシッププログラム（ Q LEAP ）基礎基盤研究『自由電子レーザーで駆動する高繰り返しアト秒光源のための基
礎基盤技術の研究（課題番号 JPMXS0118070271 ）』の下で行われた。

参考文献
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10 )

11)
12)
13)
14)
15)
16 )
17)
18)
19)
20)
21)
22)
23)
24)

D.A.G. Deacon et al.: Phys. Rev. Lett. 38, 892 (1977).
Homepage of LCLS, https://lcls.slac.stanford.edu/
Homepage of SACLA, http://xfel.riken.jp/
Homepage of European XFEL, https://www.xfel.eu/
Homepage of PAL, http://pal.postech.ac.kr/paleng/
H. Zen et al.: Physics Procedia 84, 47 (2016).
H. Ohgaki et al.: Jpn. J. Appl. Phys. 47, 8091 (2008).
H. Ohgaki et al.: Proc. of FEL08, MOAAU02 (2008).
全炳俊ら日本赤外線学会誌 26, 62 (2016).
共同利用共同研究拠点ゼロエミッションエネルギー研究
拠点のホームページ， http: // www.iae.kyoto-u.ac.jp / zero _emission/
G. R. Neil et al.: Phys. Rev. Lett. 84, 662 (2000).
R. Hajima et al.: Nucl. Instrum. Meth. A 507, 115 (2003).
N.R. Thompson et al.: Nucl. Instrum. Meth. A 680, 117(2012).
W. Shollkopf et al.: Proc. of FEL2014, WEB04 (2014).
H. Li et al.: Chinese Physics C 41, 018102 (2017).
Homepage of ELBE FEL, https: // www.hzdr.de / db /Cms?pNid＝471
Homepage of FELIX, http://www.ru.nl/felix/
K. Yoshida et al.: Zero-Carbon Energy Kyoto 2012, 205(2013).
S. Suphakul et al.: International Journal of Magnetic andElectromagnetism 3, IJME3008 (2007).
S. Krainara, et al.: J. Phys. Conf. Ser. 1067, 032022 (2018).
S. Krainara et al.: Particles 1, 238 (2018).
S. Krainara et al.: Rev. Sci. Instrum. 90, 103307 (2019).
S. Kashiwagi et al.: Infrared Phys. Technol. 106, 103274(2020).
K. Sakaue et al.: Proc. of PASJ2020, 638 (2020).

29)
30)
31)
32)
33)
34)
35)
36)
37)
38)
39)
40)
41)
42)
43)
44)
45 )
46)
47)
48)
49)
50)
51)
52)
53)
54)
55)
56)
57)
58)
59)
60)

Homepage of HITRAN on the Web, http://hitran.iao.ru/
Y. Qin et al.: Optics Letters 38, 1068 (2013).
H. Zen et al.: Appl. Phys. Express 13, 102007 (2020).
F. Shishikura et al.: Journal of Nihon University Medical Association 77, 159 (2018).
T. Kawasaki et al.: Energy & Fuels 34, 9064 (2020).
T. Kawasaki et al.: Photochem. Photobiol. 95, 946 (2019).
T. Kawasaki et al.: J. Synchrot. Radiat. 28, 28 (2021).
E. Ageev et al.: Appl. Phys. Lett. 107, 041904 (2015).
Y. Ikemoto and H. Zen: Infrared Phys. Technol. 106, 103268(2020).
S. Tagiri et al.: Proc. of FEL2017, TUP071 (2017).
J. Okumura et al.: Proc. of FEL2017, TUP070 (2017).
K. Yoshida et al.: Appl. Phys. Lett. 103, 182103 (2013).
M. Kagaya et al.: Jpn. J. Appl. Phys. 56, 022701 (2017).
O. Sato et al.: Phys. Lett. A 384, 126223 (2020).
吉田恭平ら日本赤外線学会誌 28, 62 (2018).
M. Kitaura et al.: Appl. Phys. Lett. 112, 031112 (2018).
田中陽平ら
【A】基礎材料共通部門 光応用視覚研究会，LAV19019 (2019).
X. Wang et al.: Optics Letters 37, 5148 (2012).
X. Wang et al.: Appl. Phys. Lett. 103, 191105 (2013).
光量子飛躍フラッグシッププログラム（QLEAP）のホー
ムページ，https://www.jst.go.jp/stpp/q-leap/
日本大学量子科学研究所電子線利用研究施設のホームペー
ジ，http://www.lebra.nihon-u.ac.jp/
N. Piovella et al.: Phys. Rev. E 52, 5470 (1995).
N. Nishimori et al.: Nucl. Instrum. Meth. A 483, 134 (2002).
N. Nishimori et al.: Phys. Rev. Lett. 86, 5707 (2001).
R. Nagai et al.: Nucl. Instrum. Meth. A483, 129 (2002).
B. J. Bakker et al.: Phys. Rev. E 48, R3256 (1993).
S.-B. Song et al.: J. Korean Phys. Soc. 37, 209 (2000).
H. Zen et al.: Phys. Rev. Accel. Beams 23, 070701 (2020).
C. B. McKee and J. M. J. Madey: Nucl. Instrum. Meth.
A296, 716 (1990).
T. Kii et al.: AIP Conf. Proc. 879, 248 (2007).
H. Zen et al.: IEEE Trans. Nucl. Sci. 56, 1487 (2009).
P. G. O'Shea et al.: Appl. Phys. Lett. 73, 411 (1998).
D. J. Bamford et al.: Nucl. Instrum. Meth. A318, 377 (1992).
S. Mogren and R. Reifenberger: Surface Science 186, 232(1987).
M. Boussoukaya et al.: Nucl. Instrum. Meth. A264, 131(1988).
K. Torgasin et al.: Phys. Rev. Accel. Beams 20, 073401(2017).

放射光 May 2021 Vol.34 No.3 ● 151

著者紹介
全

炳俊

大垣英明

京都大学エネルギー理工学研究所 助教
E-mail: zen＠iae.kyoto-u.ac.jp
専門電子加速器，自由電子レーザ［略歴］
2009 年京都大学大学院博士課程修了（博士（エネルギー科学））。分子科学研究所
極端紫外光研究施設 助教を経て2011年 7月より現職。

京都大学エネルギー理工学研究所 教授
E-mail: ohgaki.hideaki.2w＠kyoto-u.ac.jp
専門量子放射源の開発と利用［略歴］
1988 年九州大学大学院博士課程修了（博士（工学））。九州大学研究員，電子技術総合研究所研究員，同グループリーダー，京都大学エネルギー理工学研究所准教授を経て2007年12月より現職。

紀井俊輝
京都大学エネルギー理工学研究所 准教授
E-mail: kii＠iae.kyoto-u.ac.jp
専門バルク超伝導体の加速器応用［略歴］
1999 年東京工業大学大学院博士課程修了（博士（理学））。京都大学エネルギー理工学研究所助教を経て2008年11月より現職。

Development and application of Kyoto University
free electron laser
Heishun ZEN

Institute of Advanced Energy, Kyoto University, Gokasho, Uji, Kyoto, 6110011
Japan

Toshiteru KIIInstitute of Advanced Energy, Kyoto University, Gokasho, Uji, Kyoto, 6110011
Japan

Hideaki OHGAKI

Institute of Advanced Energy, Kyoto University, Gokasho, Uji, Kyoto, 6110011
Japan

Abstract

Mid-infrared free electron laser is a wavelength-tunable coherent light source which can provide
intense and short pulse laser in mid-infrared region. A compact mid-infrared free electron laser andits user stations have been developed for energy related researches at Institute of Advanced
Energy, Kyoto University. In this article, the present status of the facility, performed application
experiments, and an on-going project aiming at further increase of peak intensity available at thefacility are introduced.

152 ● 放射光 May 2021 Vol.34 No.3