Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

RECENT PROGRESS IN DEVELOPMENT OF THE TERAHERTZ FELAT ISIR, OSAKA UNIVERSITY
Ryukou Kato 1 ,A), Shigeru KashiwagiB), Naoya SugimotoA), Yoshikazu TerasawaA), Shen JieA), Sho HirataA),
Masaki FujimotoA), Shoji SuemineA), Goro IsoyamaA), Kimichika TsuchiyaC), Shigeru YamamotoC)
A)
Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University
8-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka, Japan, 567-0047
B)
Research Center for Electron Photon Science, Tohoku University
1-2-1 Mikamine, Taihaku-ku, Sendai, Miyagi, 982-0826
C)High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, Japan, 305-0801

Abstract
An absolute optical cavity length of the Terahertz FEL at the Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka
University, was measured with a mode-locked Ti:Sapphire laser synchronized with the beam repetition frequency of thelinac. This technique has accuracy of a few microns over the cavity length of 5.5 meters. The peak power detuning
curve was well reproduced by an analytical study.

阪大産研テラヘルツ FEL 開発の現状
1.

はじめに共振器型自由電子レーザー（FEL）では、先行する電子バンチが放射・増幅した光パルスを後続の電子バンチと相互作用させることによりレーザー増幅を行う。電子バンチの繰返し周期と共振器内を光パルスが一往復する周期が整数倍になる完全に同期した状態からの共振器長のずれを、デチューニング長（Detuning length，dL）と呼ぶ。FEL の増幅利得や最大強度、波長スペクトル、ミクロパルス長などの主要なパラメータはこのデチューニング長に強く依存している。
大阪大学産業科学研究所（以下、阪大産研）のFEL システムでは共振器ミラーの間隔をm のオーダーで測定する手段がなかったため、これまでは実験ごとに FEL 出力の共振器長依存性（デチューニング曲線）を測定し、そのピーク位置からの相対的な共振器長変化で FEL 特性を議論してきた。しかしデチューニング曲線もビームの調整に依存するうえ、経験的にそのピーク位置が 1 年間で 200m 程度変動することが確認されていたため、精度の高い議論を行うためには共振器長の絶対値を評価することが不可欠であった。
今回、タイミングシステムの基準周波数に同期した外部レーザーを光共振器内に入射し、蓄積された光パルスの一部を測定することにより、共振器長の絶対的な基準位置（ゼロ･デチューニング，dL=0）の評価が可能になった。本学会では、この共振器長測定を含む最近の進展について報告する。

2.
1

FEL 共振器長の測定手法

共振器長の絶対値を評価する手法としては
Stanford において外部レーザーとパルススタッキングによる手法が開発され 1、国内では原研 FEL でこれが実証されている 2。阪大産研の光共振器長は約5.5m であり、初段のサブハーモニックバンチャー空洞の周波数 108 MHz でバンチングされた電子が放射・増幅する FEL 光を 4 パルス蓄積するように設計されている 3。今回使用した外部レーザーは、
80 MHz 近辺で同期可能な Ti:Sapphire レーザーである。これをタイミングシステムの基準周波数 27
MHz を 3 逓倍した 81 MHz 繰り返しに同期させて光共振器内に入射することにより、共振器内部に 3 個のレーザーパルスを蓄積することができる。この蓄積された光パルスと入射パルスの干渉を測定することにより、共振器長の dL=0 の評価が可能になる。

3.

阪大産研での共振器長測定

共振器長測定の実験配置を図１に示す。阪大産研の FEL システムでは、FEL 光を測定する場合には光共振器の上流側のミラーM1 の中心にあいた 3mmφの結合穴から光を取り出す。この光は真空排気された光輸送路により加速器室から測定室に輸送され、回折格子型分光器を通して大気側の検出器に入射される。ライナック系の高真空側と光輸送路の間、および分光器と大気側はダイヤモンド窓より仕切られている。また、アライメント用の He-Ne レーザーを入射するために、光共振器の下流側ミラーM0 には中心に 1mmφの穴があけられている。
今回この配置をそのまま利用して共振器長を測定した。光輸送路中のミラーM2 を取り外し、そこからダイヤモンド窓を通して外部レーザーを入射する。

E-mail: kato@sanken.osaka-u.ac.jp-201-

Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 4-6, 2010, Himeji, Japan)

図１．外部レーザーによる共振器長測定の実験配置。M0,M1：共振器ミラー、M2,M3,M4,M5：FEL用光輸送路ミラー、M2’,M3’：外部レーザー用輸送路ミラー、W0：サファイヤ窓、W1,W2：ダイヤ
モンド窓
外 部 レ ー ザ ー と し て Spectra-Physics 社 製 のTi:Sapphire レーザー （Tsunami 3941C-S1W）を使用した。この Ti:Sapphire レーザーの波長は 790 nm、パルス幅は 80 fs 以下である。L バンドライナックの基本周波数 1,300 MHz の 1/16 である 81.3 MHz に同期したパルスを CW で出力し、そのパワーは 5 Wである。レーザーは上流側 3 mmφの穴を通して共振器内に蓄積され、その一部は下流側の 1 mmφの穴を通して取り出される。サファイヤ窓を通して大気側に出た光は PIN フォトダイオード（ThorLabs社製 DET10A/M）により検出される。
フォトダイオードで測定された Ti:Sapphire レーザー波形を図 2 に示す。ミラー間隔がビーム繰り返
しの共振位置 dL=0 からずれている場合には、共振器内に蓄積された光パルスと入射したレーザーパルスが入射したレーザーは干渉することなく取り出され、検出される（図２（左））。他方、ミラー間隔が dL=0 近傍にあるとき、共振器内に蓄積された光パルスと入射したレーザーパルスが重なり合って干渉する。レーザー波長 790 nm に対し、共振器ミラーを駆動する光学ステージの最小ステップは 1m である。本来であればこのシステムで入射レーザーと蓄積光の干渉を制御することはできない。しかし、レーザー自体の jitter によりパルス間で位相が変動するため、干渉により強めあったり弱めあったりすることによる強度変動がランダムに発生する。
そ れ を オ シ ロ ス コ ー プ （ TDS3054B） の エ ン ヴ ェ
ロープモードを用いて測定すると、図２(右)のような波形信号が得られる。
この光共振器は 50-150 m の波長の光をターゲットとして設計されているため、光取り出しの結合穴は 3 mmφと大きい。そのため可視レーザーに対しては Q 値が低く、干渉しても大幅な強度の増強は望めない。しかし、この手法で共振器の共振位置を探すことが可能となる。PIN ダイオード検出器出力の最大値をミラーステージ移動量の関数としてプロットすると図３のようになり、およそ 1 m 程度の精度で共振器の dL=0 位置を評価できる。

4.共振器長の変動
共振器は様々な要因によりその長さが変動する。
この変動にはエアコンからの風の吹き出しやクーリ
ングタワーFAN の ON/OFF などによる短周期のもの、ライナック機器の運転･停止や日照に伴う 1 日周期のもの、年間を通した季節変動などが考えられる。われわれの共振器長測定システムでは FEL と図２．PIN フォトダイオードの出力信号。共振長が dL=0 からずれている場合(左)、dL=0 近傍(右)。
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15Exp.



1Intensity [a.u.]

Detector Output [mV]

1.2

105-20-10010200.8

λ=106.3 um

0.60.40.2

Stage Position [um]図３．PIN フォトダイオード出力信号ピーク値の共振器長依存性。

0-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.1Detuning Length dL [mm]Ti:Sapphire レーザーの同時測定ができないため、1
図５．デチューニング曲線の測定例。図中の赤丸
日の中で共振器長がどの程度の変動するのかあらかじめ評価しておくことは重要である。図 4 に共振器 が 測 定 値 、 破 線 、 実 線 は 共 振 器 損 失  の 値 が長の日周変化の測定結果を示す。時間の原点は夜中 のときの理論曲線。電子ビームエネルの零時で、2 時間毎に 36 時間に渡って測定を行っ ギーは 15MeV で FEL 波長は 106.3m。
た。
L バンドライナックは毎朝 8 時に冷却水システム 電子ビームを用いて測定された波長は 106.3 m のをスタートさせ 9 時からビーム調整が始まる。共振 ときのデチューニング曲線と Dattoli らによって導器の dL=0 位置は、この間ステージのプラス方向に 出 さ れ た 理 論 曲 線 4 と の 比 較 で あ る 。 横 軸 が移動し続け夕方 18 時くらいから安定な状態になる。 Ti:Sapphire レーザーで測定したデチューニング長
この測定の時には 21 時くらいに運転が終了したが、 dL、縦軸は最大値で規格化した強度である。実験値
dL=0 位置は少し送れて変化しはじめ、マイナス側 を再現するのは共振器損失がの場合であり、こに移動する。この変動は夜中 1 時から 3 時の間に反 れは他の手法を用いて評価した値とよい一致を示す。
転する。この測定のときの 1 日あたりの共振器長の ただし先に述べたようにこのシステムでは FEL とレーザーの同時測定ができないため、横軸の評価に変動は 15～20 m であった。
は測定時刻の間隔に応じた 1～2 m のずれが含まれ５．デチューニング曲線ていると考えられる。
またウィグラーの磁極間隔を広げて、波長を短波共振器長を評価できるようになったことにより、長側に変化させた場合にはdL がわずかに 0 よりも測定されたデチューニング曲線と理論との比較が可小さい場所に幅の狭いピークが観測されている。こ能になった。図５に示すのはエネルギー15 MeV ののピークが以前原研 FEL で観測された dL=0 での高効率の発振 5 と同一の現象であるかどうか確認を進めている。
10Stage Position [um]参考文献
[1] K.W. Berryman, P. Haar, B.A. Richman, Nucl. Instr. Meth.
A358, 260-263 (1995).

50-5-100:00:00

12:00:00

24:00:00

36:00:00

48:00:00

time[2] N. Nishimori, E.J. Minehara, M. Sugimoto, M.
Sawamura, R. Nagai and N. Kikuzawa, Rev. Sci.
Instrum. 69, 327 (1998).
[3] G. Isoyama, R. Kato, S. Kashiwagi, T. Igo and Y.
Morio, Infrared Phy. & Technol. 51, 371-374 (2008).
[4] G. Dattoli, A. Renieri and A. Torre, “Lectures on theFree Electron Laser Theory and Related Topics”,
World Scientific (1993).
[5] N. Nishimori, R. Hajima, R. Nagai and E.J. Minehara,
Phys. Rev. Lett. 86, 5707 (2001).

図４．共振器長の日周変化。縦軸は変化する共振器長を補正するためのステージ移動量-203-