Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 THPI012

テラヘルツコヒーレントアンジュレータ放射の偏光制御
POLARIZATION CONTROL OF COHERENT THz UNDULATOR RADIATION柏木茂#,A), 齊藤寛峻 A), 全炳俊 B), 入澤明典 C), 日出富士雄 A), 武藤俊哉 A), 森田希望 A), 山田悠樹 A),
南部健一 A), 鹿又健 A), 高橋健 A), 長澤育郎 A), 柴田晃太朗 A), 三浦禎雄 A),石附 勇人 A), 寺田健人 A), 濱広幸 A)
Shigeru Kashiwagi#,A), Hirotoshi Saito A), Heishun Zen B), Akinori Irizawa C), Fujio Hinode A), Toshiya Muto A),Nozomu Morita A), Hiroki Yamada A), Ken-ichi Nanbu A), Ken Kanomata A), Ken Takahashi A), Ikuro Nagasawa A),
Koutaro Shibata A), Sadao Miura A), Tuto Ishizuki A), Kento Terada A) and Hiroyuki Hama A)
A)
Research Center for Electron Photon Science (ELPH), Tohoku University
B)
Institute of Advanced Energy (IAE), Kyoto UniversityC)
Institute of Science and Industrial Research (ISIR), Osaka University

Abstract
Variable polarized THz sources are very useful for biological analysis. Vibrational circular dichroism (VCD)
measurements in the THz region are extremely sensitive to conformational changes in proteins. We are developing avariable polarized THz source that can generate arbitrary polarization states by utilizing the coherence of undulator
radiation. A short electron pulse can produce the coherent undulator radiation at wavelengths longer than electron pulse
length with the intensity proportional to the square of the number of electrons contained in the pulse. This THz source
can manipulates the polarization utilizing a linearly polarized radiation from an undulator using Martin-Puplettinterferometer employed as an optical phase shifter. The polarization control of coherent undulator radiation has been
demonstrated using the THz coherent undulator radiation source driven by a compact photocathode RF-gun linac at IAE,
Kyoto University. Preliminary results will be presented in this conference.

1.

はじめに

現在、生体科学分野ではタンパク質の立体構造（コンフォメーション）変化やホールディングが生体機能に及ぼす影響を調べることが重要な研究テーマになっている。
特にテラヘルツ帯における振動円偏光二色性（VCD:
Vibrational Circular Dichroism）計測は、タンパク質のコンフォメーション変化やホールディングスに対して極めて感度が高く、左右円偏光したテラヘルツ波源は生体分析に大変有用である。
通常、紫外から赤外域のレーザではλ⁄4波長板を使うことによって直線偏光を円偏光に変換するなど、比較的容易に偏光を操作することが可能である。その一方で
THz 帯では広帯域にわたり使用可能な波長板が存在しないため、偏光操作は限られた波長域でしか実現されていない。こうした背景を踏まえ、現在我々は加速器駆動のテラヘルツ光源の一つであるコヒーレントアンジュレータ放射（CUR）の可干渉性を利用して、その偏光状態をCUR の位相を制御することによって実現する偏光可変THz 光源の開発を行っている。我々はこれまでに東北大学電子光理学研究センターにおいて、時間幅が約100 fs の極短電子ビームと 25 周期のアンジュレータを用いて、共鳴周波数が約 2.9 THz の CUR の発生とその測定に成功している[1, 2]。現在、コヒーレントアンジュレー
タ放射の可干渉性を利用した 2 種類の偏光可変光源の開発を進めており、1 つは交叉型アンジュレータを用いたもの [3, 4]、もう 1 つは 1 台の平面型アンジュレータを用いたものである。Figure 1 に後者の 1 台の平面型アンジュレータを使った偏光可変 THz 光源の概念図を示す。
___________________________________________

偏光操作技術については、京都大学エネルギー理工学研究所が所有する光陰極 RF 電子銃を電子源とするテラヘルツ光源加速器（THz-CUR 光源[3]）を使い試験実験を実施した。本学会では、コヒーレントアンジュレータ放射を使った任意の偏光状態を作り出せる偏光可変 THz光源の開発状況について、試験実験の結果も含め報告する。

2.

偏光可変テラヘルツ波源

2.1

コヒーレントアンジュレータ放射

光の放射に用いられる電子ビームのパルス長が放射波長よりも十分短い場合には、時間コヒーレンスを持つ放射となり、その放射パワーは 1 つの電子ビームパルスに含まれる電子数の 2 乗に比例するようになるため、強い放射強度を得ることができる。アンジュレータを用いた放射光源においても同様に、その共鳴波長よりも電子ビームのパルス長が十分短い場合には、その放射はコヒーレント放射となる。Figure 2 は、25 周期のアンジュレータ（K = 3.9）にパルス長が 200 fs の電子ビーム（E =19 MeV）が入射したときの放射電場分布を示す。電場分

Figure 1: Variable polarized coherent THz source using
one planar undulator.

# kashiwagi@lns.tohoku.ac.jp- 747 -

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2.3

偏光度測定

光の偏光状態は、4 つのストークスパラメータ
𝑆 , 𝑆 , 𝑆 , 𝑆 を測定することによって表すことができる。
第 1 のストークスパラメータ項 𝑆 はビーム全強度を示し、𝑆 は垂直偏向と水平偏光の成分の差、 𝑆 は－45º 直線偏向と＋45º 直線偏向成分の差、𝑆 は左回り円偏向と右回り円偏向成分の差を表す。ストークスベクトル: S により、完全偏光と無偏光が混ざった部分偏光の状態は、偏光度: 𝑃 0 𝑃 1 を用いて、
Figure 2: Electric field distribution of coherent undulator
radiation from an extremely short electron bunch. (𝑁1.0 THz).
25, 𝑓
布は、アンジュレータ周期数と同じサイクルを持つ正弦波形状となる。この放射の可干渉性を利用することによって偏光の操作を実現する。
2.2

偏光制御

Figure 3 に現在開発中のマーチンパプレット型の偏光制御システムを示す。この偏光制御システムを用いることで、直線偏光の CUR を円偏光や楕円偏光、直線偏光など、任意の偏光状態へと変換する。偏光制御システムは、ワイヤーグリッド偏光子をビームスプリッターとして使い、90 度電場振動方向の異なる放射へと 2 分割する（偏光分割）。次に、Roof-top ミラーを使い反射すると同時に直線偏光の光の電場振動方向を 90 度回転させる。その時に、一方の、Roof-top ミラーを可動ステージに搭載し、最初に分割した 2 つの放射の一方のみの位相を変化させる。再び、ワイヤーグリッドを使い合成することによって偏光操作を実現する。このとき、可動ステージを使い±1/4波長分（ λ⁄2）ステージを移動させるたけで、左右円偏光を反転させることが可能である。

S𝑆𝑆𝑆𝑆1𝑃𝑆000𝑆𝑆𝑃𝑆𝑆1と表すことができる。完全偏光の場合は 𝑃 1 であり、0では楕円偏(1)式の右辺の第 1 項は消え、𝑆 , 𝑆 , 𝑆
光のストークスベクトルとなる。無偏光の場合は 𝑃 0となり、S は無偏光のストークスペクトルとなる。また、偏光度: 𝑃 は次式のように定義できる。
𝐼𝐼

S𝑆𝑆𝑆𝑆

2𝐼は光の全強度、𝐼 は部分偏光の強度である。
4 つのストークスパラメータは Fig. 4 に示した様に、λ⁄4波長板と偏光子を使うことによって測定することができる。
測定される光の強度は、𝜃, 𝜙 を使い次式のように表すことができる。
𝐼 𝜃, 𝜙1𝑆2𝑆 cos 2𝜃

𝑆 sin 2𝜃 cos 𝜙𝑆 sin 2𝜃 sin 𝜙

3偏光子の回転角：θ 0, π⁄4およびλ⁄2の時の光量と、偏光子の回転角 θ π⁄2、波長板による位相シフト𝜙π⁄2のときの 4 つの場合のストークスパラメータ（式（4））を測定することによって、光の偏光状態を求めることができる。
𝑆𝐼 0,0𝐼 𝜋⁄2 , 0 ,𝑆𝐼 0,0𝐼 𝜋⁄2 , 0 ,⁄𝑆2∙ 𝐼 𝜋 4,0𝑆,𝑆𝑆2 ∙ 𝐼 𝜋⁄4 , 𝜋⁄24

Figure 3: Martin-Puplett type polarization control system.

- 748 -Figure 4: Measurement setup of Stocks parameters.

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3.

テラヘルツ波偏光操作試験実験

3.1

実験セットアップ

偏光操作の実証実験を京都大学エネルギー理工学研究所 FEL 施設の THz-CUR 光源[5]を用いて実施した。
エネルギー約 4.6 MeV の電子ビームを 10 周期の平面型アンジュレータ(𝜆70 𝑚𝑚, 𝑁10, 𝐵 ~0.4T,𝐾 2.6)に入射し、コヒーレントアンジュレータ放射を発生した。アンジュレータ放射のスペクトルを測定したのち、Fig. 3 に示した偏光制御システムを用いて偏光操作を試みた。Figure 5 に測定系のセットアップを示す。CUR はビームラインに金属板を挿入し、90 度方向に反射して大気中に取り出される。真空窓はテラヘルツ帯の光に対して高い透過率を持つ Z カット水晶窓を使用している。3 台の非軸放物面鏡(OAP: Off-axis parabolic mirror)を用いて平行光にすると同時にビームサイズを縮小し、干渉計および偏光制御システムへと光を導く構成とした。
スペクトル測定

最初に、偏光分離型のマーチンパプレット型干渉計によりコヒーレントアンジュレータ放射のスペクトル計測を行なった。検出器は焦電検出器（PHULUXi 社製、PYD-1を 使 用 し 、 ワ イ ヤ ー グ リ ッ ド は SPECAC 社 製 の も の(GS57207: wire diameter: 10 m, wire spacing: 25 m)を用いた。Figure 6 に測定された干渉パターンとその逆フーリエ変換により求めたスペクトルを示す。その結果、アンジュレータ放射の周波数は、0.16 THz（波長：約1.9 mm）であった。測定された干渉パターンは、アンジュレータの周期数である 10 サイクルの電場サイクルが重なり合ったプロファイルをしており、この干渉パターンからもアンジュレータ放射がコヒーレント放射であることが分かる。この干渉パターンの強度が最大となるステージの位置で、2 分割した光束の相対位相差（δ）がゼロとなる。
3.30.40.30.2000.10.2

0.3 0.4 0.5
Frequency [THz]

0.6

0.7

Figure 6: (Up) Interferogram of the undulator radiation.
(Down) Frequency spectrum of the undulator radiation.
(ワイヤーグリッド)を使い、4 つのストークスパラメータを計測することによって光の偏光状態を知ることができる。しかし、今回は放射波長に合った𝜆⁄4波長板が使用できなかったため、(4)式のパラメータ 𝑆 を測定することができなかった。そこで、直交成分間で振幅と位相ともに相互関係がない無偏光成分が含まれていない

偏光操作と偏光度測定

𝑆𝑆𝑆𝑆＝ 𝑃𝑃

15の完全偏光という仮定のもと、直線偏光度（𝑃 ）と円偏光度（𝑃 ）を導出した。実際の測定では、相対位相差を 4 段階（𝛿π, 𝜋⁄2 , 0, 𝜋⁄2）に変化させ、ワイヤーグリッド偏光子を回転させ、その透過強度と回転角を測定することから求めた。直線偏光度と円偏光度は次式により求めた。
𝑃

Figure 5: Measurement setup.

0.50.1𝑃

次に、ワイヤーグリッドスプリッターで 2 分割した放射の相対位相を可動ステージにより調整することで偏光操作を行なった。2.3 節で述べた様に、𝜆⁄4 波長板と偏光子

Intensity [a.u.] - spectrum

0.6
Intensity [a.u.]

3.20.7

𝑆𝑆𝑆,𝑃𝑃𝑃（6）

Figure 7 に偏光子であるワイヤーグリッドを 5º ステップで回転し、そのときの放射強度の測定結果を示す。直線偏光度がほぼ 1 になると予想される位相（Fig. 7 (Up)）L-1 とL-2 では、それぞれ 𝑃
0.89, 𝑃
0.45 と 𝑃0.76,𝑃0.65という値が得られた。また一方、円偏光度がほぼ 1 になると予想される位相（Fig. 7 (Down)）C-1 と C-2
では、 𝑃
0.09, 𝑃
0.996 と 𝑃
0.13, 𝑃
0.992- 749 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Detector signal [V]Detector signal [V]PASJ2019 THPI012
7654321076543210

L-1
L-2050100

150 200 250 300
Rotation angle [deg]

350

400

C-1C-2

謝辞
本 研 究 の 一 部 は 、 JSPS 科 研 費 基 盤 研 究 (A)17H01070 および挑戦的萌芽研究 18K18758、京都大学
エ ネ ル ギ ー 理 工 学 研 究 所 の ZE Research Program(ZE30C-08, ZE31C-12)の助成を受けたものです。

050100150 200 250 300
Rotation angle [deg]

350

400

Figure 7: Measured intensity of undulator radiation as afunction of rotation angle of the wire-grid. (Up) The lines
L1 and L2 show the cases where the relative phasedifference (δ) are 0 and π, respectively. (Down) The C1and C2 represent the cases where the δ are π/2 andπ/2, respectively.
であった。これらの結果より、コヒーレントアンジュレータ
放射を 2 光束に分割しその相対位相を制御することにより、±45 度直線偏光や円偏光へと偏光状態が変換できることを確認することができた。今回の測定では、4 つのストークスパラメータを測定しその偏光度を評価しようと試みたが、測定系が完全でなかったために無偏向を含まないとしたことや、右巻きと左巻き円偏光の区別ができないといった測定方法に課題が残る結果となった。今回の(6)式に示した偏光度の導出では、円偏光度の中に無偏光も含まれて算出されてしまうため、高い円編子度となった。また今回の測定では、ワイヤーグリッドで光束を2 分割したときに強度が完全に 1：1 に分割できているかの確認を十分に行わなかった。強度が非対称に分割されると完全な円偏光状態を作り出すことができないので注意が必要である。

4.

アンジュレータ放射を用いた偏光可変 THz 光源の開発を進行中であり、光移相器の設計などが進行中である[6]。既に、交叉型アンジュレータ 𝜆80 𝑚𝑚, 𝑁7, 𝐾 3.51, 𝑔 33 𝑚𝑚 の製作は完了しており、そのうちの 1 台平面型アンジュレータを用いて今回京都大学で実施した実験と放射の波長領域（𝑓1.5~2.0 THz）は異なるが 1 台のアンジュレータからのコヒーレントアンジュレータ放射の偏光操作実験を行うことを計画している。

参考文献[1] S. Kashiwagi et al., Infrared Physics & Technology 93, 335339, (2018).
[2] S. Kashiwagi et al., Proc. of IPAC2019, Melbourne,Australia, 1475-1477 (2019).
[3] H. Saito et al., Proc. of IPAC2019, Melbourne, Australia,1769-1771 (2019).
[4] H. Saito et al., in this proceedings (WEPI011).
[5] S. Suphakul et al., Inter. Jour. of Magnetics andElectromagnetism, 3, IJME-3-008 (2017).
[6] N. Morita et al., in this proceedings (THOI10).

まとめと今後の予定

今回、マーチンパプレット型の偏光操作システムを用いることで、水平直線偏光のコヒーレントアンジュレータ放射から垂直直線偏光や左右円偏光へと偏光を操作できることを確認することができた。光の偏光度計測では、λ⁄4波長板を使うことができなかったために、条件付きでのストークスパラメータの計測になってしまった。今後、広帯域で使用可能なフレネルロム波長板を導入することにより完全な形でのストークスパラメータを行うことを予定している。
また、今回は京都大学エネルギー理工学研究所のTHz-CUR 光源を使用して偏光操作の実験を行ったが、東北大学電子光理学研究センターにおいても、交叉型- 750 -