Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 1-3, 2017, Sapporo, Japan

PASJ2017 WEP116

SuperKEKB の Phase-II コミッショニングに向けた RF 電子銃用 Yb ファイバーとNd:YAG ハイブリッドレーザーシステム
YB FIBER AND ND:YAG HYBRID LASER SYSTEM OF RF GUN FOR
SUPERKEKB’S PHASE-II COMMISSIONING
周 翔宇#)，夏井 拓也，張 叡，吉田 光宏，小川 雄二郎
Xiangyu Zhou #), Takuya Natsui, Rui Zhang, Mitsuhiro Yoshida, Yujiro Ogawa
High Energy Accelerator Research Organization (KEK/SOKENDAI)
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki, 305-0801

Abstract
For commissioning phase-II of SuperKEKB project, a new laser system based on the Yb doped fiber and Nd:YAGcrystal amplifier was development. By the improvement of laser property, 1.5 nC beam generation from the gun wasachieved with the bunch length of 22 ps in 1-25 Hz by single or double bunch.

1.

背景ている。Yb ファイバー発振器と Yb ファイバー増幅した後、Nd:YAG 増幅システムを採用した。新光源が 20 ps、500 μm、1-25 Hz シングル及びダブルバン
チの目標を目指し、より安定性を求める。（Figure1）

SuperKEKB 計 画 に は 高 ル ミ ノ シ テ ィ ー ・ 低 エ
ミッタンスを目指すため、RF 電子銃および電子銃用レーザーの開発・試験を行ってきた。Yb ファイバー及び Yb:YAG の thin-disk 型ハイブリッドシス
1-25 Hz Yb/Nd ハイブリッドレーザー光
テムにより、25Hz レーザー光源を開発し、Phase-I 2.
源に入射器ビームコミッショニングを完成した。[1]しかし、高強度パルスを増幅すると、非線形効果より波長・位相変調などの問題が生じてしまい、出 2.1 ファイバーレーザーシステム力やビーム品質に制限を与えている。レーザーダイ
オード（LD）励起 Nd:YAG レーザーは、容易に高出力化することができる利点がある。Phase-II に進んで衝突点での絞り込み及び衝突ビーム調整を行い、3nC 程 度 の バ ン チ 電 荷 量 が 必 要 で あ る の で 、Yb:YAG 結晶の代わりに Nd:YAG 結晶増幅システ
ムを開発している。
レーザー精度や品質を維持するためには、環境を常に適切な温度で管理することが大切である。特にレーザーの心臓部といえるパルス発振器は、温度変Figure 2: Fiber part structure.
化に影響されやすく、同期を外したり、ノイズを生
Figure 2 のように、まず全正常分散 ANDi (all成したり、モード同期を動作できないことがある。
normaldispersion)タイプ Yb ドップファイバー発振
そして、新レーザー室を立ち上げて、レーザー室の器から114.2MHz (10.38*11 MHz)の種光パルスを生室温及び冷却設備を管理し、安定な環境温度を維持成して、Linacの 2856 MHz と 10.38 MHz 主トリしている。
ガーによって同期を行った。室温が 25℃設定し、±0.3℃に変化される。発振器のモードロック及び同期が安定し、数ヶ月に連続運転している。
種光の出力が約 100 mW であり、透過型回折格子ストレッチャーにより~20 ps まで伸ばし、パルスのスペクトルを中心波長 1064 nm、バンド幅 0.5 nm の矩形に整形した。
高速光スイッチ（切り替え速度~1ns）半導体光増幅(semiconductor
optical amplifier: SOA)はパルスピッ
Figure 1: Layout of Laser system.
カーとして使用して、10.38 MHz 外部 RF 信号との2017 年秋に開始予定 Phase-II コミッショニングに 同期系を NIM で構築し、SOA チップとドライバー向けて、新レーザー室に安定な高品質光源を開発し に適応したパルスピック信号を SOA に入力する。
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パルス列を 10.38 MHz に下げると同時に増幅によっ# xiangyu.zhou@kek.jp- 1197 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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ルパス増幅システムに導入した。結晶サイズ直径 4て利得が得られた。
弱いパルスを増幅するため、750 mW のポンプパ mm 長さ 93 mm で、5 mJ まで増幅した。
ワーを 3 つに分け（15%、35%、50%）、コア径 4μm の Yb ドップファイバーを用いて、ポンプ LD とWDM(wavelength division multiplexed coupler)を溶接し、シグナル光を 3 段増幅した。
SOA 及びシングルモードファイバーアンプで発生した ASE を除去するために、透過型グレーティングペアとスリットの組み合わせで、中心 1064 nm、半値全幅 0.5 nm のみを切り出した。
増 幅 し た パ ル ス は 電気光学効果（EO）パルス
ピッカーによりを低繰り返し 1-25 Hz のダブルバンチに変更した。そこまで、数十 nJ ピーク強度の低繰り返し 20 ps 光源が得られた。[2]Figure 4: Output log date for fiber and regenerative
旧レーザーには、大口径 Yb フォトニック結晶
amplifier.
ファイバー（PCF）を用い、μJ ピーク強度までパル
Figure 4 はレーザー出力の安定性を表示する。横スを増幅した。PCF ファイバーの利得スペクトル中軸が時間スケール、3日間に観測した。赤線がファ心が 1040 nm であり、中心波長 1064 nm シグナルにイバーの出力エネルギー、緑線と青線がNd:YAG の対して、増幅効率が低下し、採用しない。
再生増幅と2パス増幅出力である。一方、紫線が室ファイバー発振器及び増幅器が半年以上連続運転し、メンテナンスフリーでほぼ安定な出力が得られ 温である。温度変化最大 0.3℃に対して、ファイバー増幅の出力が一定に維持していたが、Nd:YAGた。
増幅に巨大な変化が現れた。再生増幅の共振器が長2.2 Nd:YAG 増幅システム
く、環境変化による安定条件がずれ易いことが分ダイオード励起固体（DPSS）Nd:YAG レーザー かった。この問題を解決するのが難しいので、長時は固体レーザーとして最も普及しているレーザーで 間安定運転のため、再生増幅システムが廃止された。
ある。LD の発光スペクトルは YAG 結晶の吸収スペクトルより狭く、LD の光パワーを効率良く YAG結晶に投入することができる。利得スペクトルが狭い欠点があるのに、高強度増幅しやすく、Phase-II運転に対応できる。

Figure 5: Nd:YAG Rod multi-pass amplifier.

Figure 3: Nd:YAG Rod regenerative amplifier.
まず、nJ レベルパルスを mJ レベルに増幅するため、シグナル光が利得結晶に繰り返される再生増幅を試した。Figure 3 のように、リング型再生増幅共振 器 で 直 径 2 mm 長 さ 79 mm の ロ ッ ド タ イ プ
Nd:YAG 結晶を採用する。共振器内に高速レスポンス（~20 ns）電気光学効果 Pockels Cell を用い、共振器長が 7 m 以上設置した。高利得の LD モジュールによって、1 パスの増幅倍率が 5 倍以上である。しかし結晶に熱レンズ効果を相殺するため、ビーム径をテレスコープで拡散する。プロファイル辺縁が切られるので、実際の 2 パスの増幅倍率が約 3~4 で、2.0 mJ まで増幅できた。共振器内シグナルパルスを閉じ込め、利得飽和直後に取り出す。その後、更に高エネルギーを得るため、ロッド Nd:YAG のシング

マルチパス増幅には各パスのビーム方向を調整でき、増幅性能が鋭敏に応答し、安定な増幅が可能である。しかし、ビームが多数に折り返すことがあり、システムの構造が複雑になる。mJ まで増幅するため、4 段階のマルチパス増幅を行った（Figure 5）。
まず、2×79 mm ロッドタイプ Nd:YAG 結晶を用いて高利得の 2 パス増幅を行った。1 パスの増幅倍率が約 7 倍で、往復で約 50 倍の増幅倍率が得られ、μJ まで増幅した。
2 段から 4 段まで低利得 4×93 mm ロッドタイプ
Nd:YAG 結晶を採用する。2 段目増幅には 8 パス増幅を行い、~50 μJ まで増幅した。その後、P.C.を挿入し、ノイズ信号を切る上、シングル・ダブルバンチを切り替えることができる。
3 段目マルチパス増幅には 4 パス増幅で、700 μJまで増幅した。高強度増幅に熱レンズ効果を抑えるため、テレスコープレンズを設置した。4 段目には2 パス増幅で、4.5 mJ まで増幅した。
最後に、4 mm と 5 mm の BBO 結晶を用い、2 段階の第 2 高調波発生（SHG）により紫外超短光源を生成した。2 倍波変換効率が 45%で、2.1 mJ の 532- 1198 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2017 WEP116nm 光が得られた。数枚の全反射ミラーによって、2倍波ビームをレーザー室から 15 m 外にある RF 電子銃の近辺に導入した。自由空間及び反射ミラーの損失により 80%の転送率ができた。そして、RF 電子銃前に第 2 段階 SHG で 510 μm の紫外パルスを生成され、変換率 25%である。全体的に ω-4ω の変換効率は 10%以上に達成した。
2.3

レーザー光源のプロパティー

Figure 6 によって、パルスの時間幅をストリークカメラで測った。パルス幅が約 22 ps であり、旧Yb:YAG レーザーの 30 ps より短く、バンチ長を抑えることもできる。

Figure 8: Output log date for amplifier.
Figure 9 は 2 倍光源のプロファイルを示す。プロファイルが汚い原因を探し、最終段増幅に結晶とポラライザーを損失したことを発見した。これから交換する予定である。

Figure 6: pulse time domain profile.
Figure 7 は増幅後のスペクトルを示す。中心波長が 1064.35 nm で、幅 0.2 nm である。Yb:YAG 結晶によりレーザースペクトルが狭いので、整形することができない。

Figure 9: Beam profile of the 2ω.
2.3

Figure 7: pulse spectrum.

ビームコミッショニング

出力パルスが 1-25 Hz・シングル・ダブルバンチに切り替える。この光源を用いて、ビームコミッショニングを行った。RF 電子銃で 1.57+/-0.032 nC電子発生を確認した。
Q Scan によって、エミッタンスは水平方向：
22.955+/-0.879 mm-mrad、垂直方向：11.376+/-7.876
mm-mrad を得ることができた。この結果は Phase-I
コミッショニングより改善したことを確認した。[3]レーザー光源のパルスエネルギーが 500 μm 以上であり、Phase-I レーザーよりパルス強度が十分強くなる。目標の 3 nC 電子を出るため、ビームプロファイルの改善が重要である。

マルチパス増幅を採用する目的がレーザー安定性の改善である。Figure 8 は 3 日間にレーザー出力の安定性を表示する。赤線がファイバーの出力エネルギー、他の線か各段階の出力エネルギーを表示する。
Figure 4 に比べると、かなり改善したことが分かっ 3.
まとめた。
Phase-II ビームコミッショニングにむけて、新しい Yb ドップファイバー及び Nd:YAG 型ハイブリッ
ドレーザー光源を開発した。Phase-I 用レーザー光源より、出力パルスエネルギー及び時間幅をアップグレートし、安定性を改善した。RF 電子銃で 1.57nC の電子発生を確認した。パルスの繰り返し周波数が 1-25 Hz シングル・ダブルバンチに自由に切り- 1199 -Proceedings of the 14th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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替える。Phase-II ビームコミッショニングまでビームプロファイルを調整する予定である。
そして、Phase-III に向け、高性能 RF 電子銃及びレーザーシステムの開発[4-6]も続いている。

参考文献[1] M. Satoh et al., MOP060, “SuperKEKB 入射器コミッショニングの現状 (III)”, 第 13 回加速器学会,
幕張メッセ, 2016.
[2] X. Zhou et al., WEOM02, “SuperKEKB に向けた
RF 電子銃用 Nd/Yb ハイブリッドレーザーシス
テム”, 第 13 回加速器学会, 幕張メッセ, 2016.
[3] M. Satoh et al., MOP060, “SuperKEKB 入射器コミッショニングの現状 (IV)”, 第 14 回加速器学会,札幌, in these proceedings.
[4] T. Natsui et al., TUP004, “SuperKEKB 用 RF gunの開発状況”, 第 14 回加速器学会, 札幌, in theseproceedings.
[5] R. Zhang et al., WEP117, “SuperKEKB 入射器における RF 電子銃用レーザー安定性と出力エネルギーの高性能化の検討”, 第 14 回加速器学会,
札幌, in these proceedings.
[6] D. Satoh et al., WEP106, “SuperKEKB 電子入射器のためのイリジウム・セリウム光陰極の高性能化 ”, 第 14 回 加 速 器 学 会 , 札 幌 , in theseproceedings.

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