Gamma-ray generation experiment using the 3D 4-mirror optical resonantcavity: Development of cavity control system
Ryuta Tanaka∗ A) , Tomoya AkagiA) , Sakae ArakiB) , Junji UrakawaB) , Tsunehiko OmoriB) ,Toshiyuki OkugiB) , Masao KurikiA) , Kazuyuki SakaueC) , Hirotaka ShimizuB) , Tohru TakahashiA) ,Nobuhiro TerunumaB) , Yoshisato FunahashiB) , Yosuke HondaB) , Hitoshi YoshitamaA) , Masakazu WashioC) ,A)
Graduate School of Advanced Science of Matter, Hiroshima University
Higashi-Hiroshima, Hiroshima 739-8530
B)High Energy Accelerator Research Organization
Tsukuba, Ibaraki, 305-0801
C)
Research Institute for Science and Engineering, Waseda University
Shinjuku-ku, Tokyo, 162-0044

Abstract
The polarized gamma ray source based on Laser-Compton scheme have been developed for the purpose of developinga polarized positron source for the ILC. We installed new 3 dimensional 4 mirror cavity in the KEK-ATF ring which
enhances laser pulse energy for effective laser-election interaction. We report initial performance of a high precision
feedback system to control length of the cavity with the accuracy of better than 110 pm.

3 次元 4 枚鏡レーザー蓄積共振器を用いたガンマ線生成実験
共振器制御システムの開発
はじめにの秋に KEK-ATF に導入した．共振器の主要なパラメー
ターを表 1 に示す．構成する鏡の反射率を高めることに国際リニアコラーダー (ILC) の偏極陽電子源として， より，増大率を 1850 倍にした．その一方で共振器の共レーザーコンプトン散乱からの偏極ガンマ線を用いた 鳴幅が 110pm となり，高精度の共振器長制御が求めら方法が検討されている．この方法では，効率よく対生成 れるようになった．
が可能な 10MeV 以上のエネルギーのガンマ線を生成するために必要な電子ビームのエネルギーが 1GeV 程度でよいという利点がある．また，ガンマ線の偏極は電子ビームに衝突させるレーザー光の偏極により操作可能であり，偏極切り替えが容易となる．
レーザーコンプトン散乱からのガンマ線による偏極陽電子生成は実験的検証は既に行われており [1] ，ILCが要求する陽電子数を満たすためのガンマ線強度の増大が課題となっている．ガンマ線強度は衝突点での電子ビームとレーザー光の強度に依存する．我々はレーザー光強度増大に着目し，レーザー蓄積共振器を用い，モードロックレーザーパルスを共鳴させることで強度の増大を図っている．
これまで我々は，高エネルギー加速器研究機構にある先端加速器 (KEK-ATF) に，2 枚の凹面鏡で構成された
図 1: 3 次元 4 枚鏡共振器
Fabry-Perot 共振器を導入し，開発を行ってきた [2] ．それによってレーザー光の増大率 760 倍，1.5kW の強度蓄積に成功した．また，強度を維持したまま，レーザー
表 1: 共振器の比較
パルスと電子ビームを同期し，ガンマ線生成に成功した．検出されたガンマ線は，１バンチ/トレインで 1 回パラメーター
Fabry-Perot 3 次元 4 枚鏡の衝突あたり 10.8±0.1 個の検出であった．
入射鏡の反射率0.9964
0.999
更なるガンマ線収量の増大のためには，電子ビーム反射鏡の反射率0.9994
0.9999 ×3との衝突点でのレーザー光のスポットサイズを小さく増大率7601850絞りこむことが重要である．そのために，安定的に小さ共鳴幅
300pm
110pm
なスポットサイズが実現可能な，4 枚の鏡を 3 次元的に衝突点でのレーザー配置した 3 次元 4 枚鏡共振器の開発を行い [3] ，2011 年
サイズ (1σ)
30µm
15µm

1.

∗ r-tanaka@huhep.org- 322 -2.

3 次元 4 枚鏡共振器

2.1

蓄積偏光特性

3 次元 4 枚鏡共振器では，共振器内の光路が 3 次元的になっていることによる像の回転が起こる．そのため，直線偏光は共振器内のレーザー光と，共振器内に入射されるレーザー光の偏光方向が異なるために共鳴することが出来ない．一方，円偏光では位相の変化として現れるため，共振器長を制御することによって共鳴可能となる．また，左右の円偏光に対して位相の変化が逆になるために，左右偏光で異なった共鳴条件を持つ．
図 2 は入射レーザーを直線偏光とし，共振器長を変化させた際の透過光強度である．左右の円偏光成分が異なった共鳴条件で共鳴していることが分かる．

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図 3: 共鳴維持セットアップ

しない光の割合を低くすることにより蓄積強度強度を上昇させることが可能なためである．
共鳴維持のために誤差信号を PID 回路に入れて，レーザーの内部にある共振器を制御した．図 4.(B) に制御結果を示す．図 4.(A) のピーク強度で強度が維持されていることが分かる．その結果，共振器内に 2.6kW の蓄積に成功し，Fabry-Perot 共振器の蓄積強度を上回る結果を得た．

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図 2: 円偏光の分離2.2(A)

蓄積偏光特性を用いた共鳴維持 [4]共振器の共鳴維持には共鳴点から変位を誤差信号として検知する必要がある．3 次元 4 枚鏡共振器に，直線偏光レーザーを入射すると，直線偏光は，共振器内に蓄積した円偏光成分と，入射部で反射され蓄積できない成分に分離する．入射した成分と，反射された成分の位相差は，共振器の共鳴状態の情報を持っているため，これを検出することによって，誤差信号とすることが出来る．
図 3 に誤差信号を取得するセットアップを示す．入射レーザーは偏向ビームスプリッター (PBS) を通ることにより，直線偏光となり，共振器に入射している．共振器からの反射光は，前述の円偏光の 2 成分の重ね合わせによる直線偏光となっており，2 成分位相差は，直線偏光の向きの変化として検出することができる．これを測定するために PBS でレーザー光を p と s 成分に分けて光検出器 (PD) で強度を測定し，差分を測定している．
また，非共鳴状態における p 成分と s 成分の強度が等しくなるように，予め半波長板 (HWP) で調整している．

3.

共振器制御

3.1

共鳴維持(B)

50ms/div

図 4.(A) は共振器長を変化させた時の透過光強度の変化である．入射光は完全な直線偏光でなく，左右の円偏光の強度を 2:1 にした楕円偏光にしている．これは共鳴- 323 -

図 4: 共鳴維持制御

3.2

電子ビームとのタイミング同期

2012 年秋の加速器運転の前に，鏡の反射率を更に高いものに変更し，増大率 6000 の共振器でのガンマ生成を予定している．また，共振器制御に問題がなければ，17000 の増大率も計画している．

Energy [MeV]

レーザー光としてパルスレーザーを用いているために，レーザーパルスと電子バンチの同期とレーザー共鳴維持の二つの制御を同時に実現させなくてはならない．
図 5 は電子ビームとレーザーパルスの位相差に対する検出器の信号強度 (すなわちガンマ線数) である．位 参考文献
相差が 5.2rad 近くのときにガンマ線が生成されている [1] T. Omori, et al. ,Efficient Propagation of Polarization from
Laser Photons to Positrons through Compton Scattering and
ことが分かる．

Electron-Positron Pair Creation, Phys. Rev. Lett. 96 114801,
2006[2] S. Miyoshi, et al. ,Photon Generation by laser-Compton scattering at the KEK-ATF, Nuclear Instructs and Method in
Physics Research A 623 576-578 , 2010
[3] 赤木智哉, et al. ,ILC 偏極陽電子源の為の 3 次元 4 枚鏡共振器を用いたガンマ線生成実験, 第 8 回日本加速器学会年会, 2011[4] Y.Honda, et al., Stabilization of a non-planar optical cavity
using its polarization property, Opt. Commun 282 3108, 2009

1200

1000

800

600

400

20000123456
Phase [rad]図 5: タイミング非同期でのガンマ線生成

Energy [MeV]

同期制御のための帰還回路を加えて，制御した結果を図 6 に示す．同期精度は，1.86×10−2 rad，時間に換算すると 8.29ps であり，KEK-ATF の電子バンチの長さの30ps より短いので十分な精度で制御できている．また，ガンマ線収量は 1 バンチ/トレインで約 32 個という結果を得た．

2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
05.16

5.18

5.2

5.22

5.24

5.26

5.28
5.3
Phase [rad]図 6: タイミング同期でのガンマ線生成

4.

まとめと今後の予定

ILC の偏極陽電子源の為にレーザー蓄積共振器を開発している．高輝度化には，共鳴幅が狭い共振器を制御しなくてはならないが，共鳴幅 110pm と狭い共振器の共鳴維持制御に成功し，2.6kW の蓄積に成功した．また，蓄積を維持したまま，電子ビームとレーザーパルスのタイミング同期に成功しガンマ線生成に成功した．ガンマ
線収量が約 32 個と過去最高の値を更新した．

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