単一サイクル自由電子レーザー発振を可能とする基本原理の実証
田中隆次A, 貴田祐一郎B, 橋本智C, 宮本修治C,D, 富樫格B,A,冨澤宏光B,A, 後長葵E, 金島圭佑E, 田中義人E
A理研放射光センター, B高輝度光科学研究センター,
C兵庫県立大高度研, D阪大レーザー研, E兵庫県立大物質理学

本研究はJSPS科研費JP18H03691の助成を受けて行われましたプロジェクトの概要

シード型FELのパルス長
FELパルス長シードパルス長3

シード型FELのパルス長
FELパルス長シードパルス長4シード型FELのパルス長
FELパルス長シードパルス長

極短パルス条件ではスリッページがFELの短パルス化を阻害
Nサイクル
N(=4)周期5単一サイクルFELの基本概念**T. Tanaka, Phys. Rev. Lett. 114, 044801 (2015)

単一サイクル
シードモジュレータ

シケイン

電子バンチ

チャープ
マイクロバンチ(CM)ラディエータ

単一サイクルパルス

最初の原理提唱以降、様々な発展型の提案あり

6ニュースバル蓄積リング
SPring-8
SACLA
NewSUBARU
周長118 mエネルギー

1 GeV (1.5, 0.5)

エミッタンス

37 nm.radエネルギー広がり4x10-4バンチ長

33 psec

規模、場所、ビーム特性、レイアウト(長直線部&レーザー導入ポート)等の点で原理実証に最適な施設
7実証実験セットアップ

HGHG-FELと類似も、以下の点で相違
 シード光が極短パルス(<5サイクル) モジュレータ・ラディエータがテーパー
アンジュレータプロジェクトの経緯
年会報告

FY2014FY2015 … FY2018

原理提唱

FY2019FY2020

FY2021

FY2022 FY2023
コヒーレント光初観測
原理実証

プロジェクト発足

シケイン再稼働

製作開始

シケイン増強

新入射器
設置作業

シードレーザー設置

製作開始

NewSUBARU新入射器

パルス圧縮

タイミング同期系

同期達成
設置

タイミング制御装置導入

テーパーアンジュレータ
自発光計測

ストリークカメラ
空間同期系

光計測系

ハッチ加工/輸送系整備相互相関器

9各機器要素の開発

テーパーアンジュレータ

T. Tanaka et al. J. Synchrotron Rad., 28, 404 (2021)

シードレーザー
外部信号同期型モードロック
チタンサファイアレーザー(800nm, 1kHz)

貴田他, “単一サイクルFEL原理実証用超短パルスレーザー光源の開発”, 加速器学会年会(2022)12

Spectral Intensity (arb. unit)

シードパルスのスペクトル測定結果
1.0

Arガス無し(48fs)
Arガス有り(12fs)

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
700

750

800

850

Wavelength (nm)900
13

時間同期系

田中義人他,“ニュースバルにおけるレーザーシーディング法を用いたコヒーレント短パルス光の発生”, ニュースバルシンポジウム(2023)

NewSUBARU
Master Oscillator
499.95 MHzNewSUBARU
RF accelerator

IQ module
500 MHz input
16 bit Counter Module
1/63(17K66A)
7.936 MHz

63分周

300 MHz discriminator

NewSUBARU
Storage ring

Beam
10逓倍 position
monitor
79.36 MHz

Freq. up-conversion
Divider

Laser
Oscillator

80 MHz input
30 bit Counter Module
1 kHz
1/79200

79200分周

12 ps

Histogram of the timing getting
across the horizontal axis

Laser
AmplifierPhotodiode電子バンチ2520周に１回の割合

9.7 ps12.02 − 9.72
= 7.1 psTiming jitter of the PD signal divided
just before input to the oscilloscope<80 ps16 GHz Oscilloscope

Triggered by Laser-PD14時間同期系

田中義人他,“ニュースバルにおけるレーザーシーディング法を用いたコヒーレント短パルス光の発生”, ニュースバルシンポジウム(2023)

NewSUBARU
Master Oscillator
499.95 MHz

NewSUBARU
RF accelerator

IQ module
500 MHz input
16 bit Counter Module
1/63(17K66A)
7.936 MHz

63分周

300 MHz discriminator

NewSUBARU
Storage ring

Beam
10逓倍後長他、”ニュースバルにおける時間同期系開発
positionmonitor
79.36 MHzとフェムト秒パルスレーザーシーディング”

Freq. up-conversion
Divider

Laser
Oscillator

80 MHz input
30 bit Counter Module
1 kHz
1/79200

79200分周

12 ps

Histogram of the timing getting
across the horizontal axis

Laser
(WEOB12,
本日16:20-)もご参照ください
AmplifierPhotodiode電子バンチ2520周に１回の割合

9.7 ps12.02 − 9.72
= 7.1 psTiming jitter of the PD signal divided
just before input to the oscilloscope<80 ps16 GHz Oscilloscope

Triggered by Laser-PD

15

コヒーレント光初観測(2022/02)

放射光の時間分解スペクトル

実証実験の概略と結果

原理実証の方針
シードパルス(800nm)

モジュレータコヒーレント光(400nm)
ラディエータ• 400nm(2次光)でコヒーレント光を生成– 同一波長ではシード光との分離が困難– 高次光でも基本原理が動作することの実証• 各種条件でスペクトル実測

シードパルス長(∆t=48fs, 12fs)
アンジュレータ周期数(N=24, 12, 6)
テーパー磁場勾配(∆B/B=0, 11%)

基本条件(∆t=48fs,N=24,∆B/B=0)
Spectral Intensity (arb. unit)

2520
156nm

10

パルス長48fsのフーリエ限界パルスのバンド幅(5nm)と同等

50370

380390400410

Wavelength (nm)

420

430
19

テーパー導入∆t=48fs
N=24∆B/B=0Spectral Intensity (arb. unit)

2520
15
10
5

∆B/B=11%

0370

380

390

400

410

Wavelength (nm)

420

430
20

シード短パルス化∆t=48fs
N=24∆B/B=0Spectral Intensity (arb. unit)

25
20∆t=12fs

15
107nm
50
370

380

390

400

410

Wavelength (nm)

420

430
21

シード短パルス化
Spectral Intensity (arb. unit)

2520
パルス長12fsのフーリエ限界
パルスのバンド幅(20nm)より大幅に狭い
15
 スリッページがコヒーレン
ト光の広帯域化(=短パルス10 化)を阻害∆t=48fs
N=24∆B/B=0∆t=12fs

7nm
50
370

380

390

400

410

Wavelength (nm)

420

430
22

シード短パルス化＆周期削減
Spectral Intensity (arb. unit)

1510∆t=12fs
N=24∆B/B=0周期削減により広帯域化可能、
ただし強度激減
N=12(x20)

5N=6(x200)

0370

380

390

400

410

Wavelength (nm)

420

430
23

シード短パルス化＆テーパー導入
Spectral Intensity (arb. unit)

15∆t=12fs
N=24∆B/B=010∆B/B=11%(x10)

50370

380

390

400

410

Wavelength (nm)

420

430
24

シード短パルス化＆テーパー導入
Spectral Intensity (arb. unit)

15

シード短パルス化とテーパー導入により、コヒーレント光10の広帯域化に成功∆t=12fs
N=24∆B/B=0∆B/B=11%(x10)

50370

380

390

400

410Wavelength (nm)

420

430
25

計算値との比較
Spectral Intensity (arb. unit)

15w/o taperwith taper (x10)Experimental

10500.4

Numerical

0.30.20.10.0370

380

390

400410

Wavelength (nm)

420

43026

実証実験のまとめと将来展望• チャープマイクロバンチ法（短パルスシード＆テーパー適用による広帯域化）の実証に成功• 残務：パルス幅の実測– 輸送光学系の分散が大きく、ラディエータ直下(@真空)でのパルス幅の推定が困難– 分散補正無しでの相互相関による測定は理論予測とよく一致• 将来展望– アト秒パルスの波形制御を可能にする新たなFELの実用化
27

波形可変型アト秒FEL?
チャープマイクロバンチの応用で可能となる
アト秒FELパルスの波形制御(計算例)
ダブルパルスの生成

位相及びサイクル数

Electric Field (arb. unit)

中心波長とパルス幅-0.2

-0.1

0.0

Time (fs)

0.1

0.2

-0.2

-0.1

0.0

Time (fs)

0.1

0.2

01

2

3

Time (fs)4528

ご清聴ありがとうございました