Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SUOM06

フォトカソード電子銃駆動用のファイバーレーザーの開発
DEVELOPMENT OF FIBER LASER FOR PHOTO CATHODE ELECTRON GUN
堤亮太#,A), 川瀬啓悟 A), 加藤龍好 A), 入澤明典 A), 藤本將輝 A), 矢口雅貴 A),
船越壮亮 A), 宮崎 数磨 A),磯山悟朗 A)
#, A)
#, A)
, Keigo Kawase, Ryukou KatoA), Akinori IrizawaA), Masaki FujimotoA), Masaki YaguchiA),
Ryota Tsutsumi
Sousuke FunakoshiA), Kazuma Miyazaki A), Goro IsoyamaA)
A)
Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka UniversityAbstract
We develop L-band photocathode RF gun which is conducted by the collaborations with the groups of Osaka University,
KEK and Hiroshima University. For the photocathode, we uniquely develop laser at Osaka University. At the first laser
system, we have developed passive mode lock Yb fiber laser at repetition rate of 108MHz. on the other hand, thermioniccathode electron gun generates electron with sub harmonic buncher with the repetition of 27MHz now in addition to108MHz. For this reason, we started to develop passive mode lock Yb fiber laser at repetition rate of 27MHz uniquely.
The mean power at pulse is 35~70mW, and Max energy at a pulse is 2.7nJ.

1.

はじめに

現在 KEK、広島大学、大阪大学で L バンドフォト
カソード RF 電子銃の開発を進めている。そこでフォトカソード駆動用レーザーを大阪大学独自に開発中（KEK の支援）。安定性、汎用性とコストの面からファイバーレーザーシステムを採用した。
現在は熱カソード電子銃を使用している、大阪大学産業科学研究所量子ビーム施設の L バンドライ
ナックの自由電子レーザー(FEL)用モードロック Yb
ファイバーレーザー発振器（繰り返し数 108MHz）を製作してきた。また FEL は繰り返し数 108MHz に加え高出力が得られる繰り返し数 27MHz 運転も開始。
そのため繰り返し数 27MHz のフォトカソード駆動用
受動モードロック Yb ファイバーレーザー発振器の開発を開始し、発振器のセットアップの写真を図１に記す。今回はその進捗状況を報告する。

2.

受動モードロック Yb ファイバーレー
ザー発振器

このレーザーシステムにはレーザー媒質として Yb
添加ファイバーを用いており、約 980nm の光をポンプ光として励起し中心波長約 1030nm の光を発振する。図 1 のように波長板３つとグレーティング幅を調整することによりモードロックをかけ、CW 光から極短パルス光とする。このパルス光が 27MHz で発振するようにファイバー長、自由空間長を設定し光路長を設計製作した。ファイバー中での正の分散を打ち消すため負の分散を与えるグレーティングペアを通し、ファイバー中で広がったパルス幅の圧縮補償を行っている。
図 2.にモードロックした際の波形をフォトダイ
オードで検出したオシロスコープの画像を記す。２
７MHz でパルス光が発振していることが分かる。

Figure 1: Photograph and outline of the setup at the fiber
laser.

Figure 2: Waveform of the mode locked laser detected byphotodiode.

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図 3 に分光器で測定したモードロック波長スペクトルを記す。パルスをガウス型と仮定した場合フーリエ変換限界パルス幅は約 80fs。

ファイバー中で広がったパルス幅を補正する設計上のグレーティングペア間隔は 8.3cm であるがここでは不安定でモードロックはかからなかった。製作時の誤差を精査する必要がある。
LD 930mA spectrum of mode locked laser
0.3
grating pair intervals 8.9cm

0.25

grating pair intervals 8.62cm

Intensity（a.u)

0.2wavelength(nm)Figure 3: Spectrum of the mode locked laser.

spectrum of the laser which pomping light power varies

Intensity（a.u.)

0-0.0510101020

10301040wavelength（nm)

1050

1060

Figure 5: Spectrum of the mode locked laser. Red lineshows spectrum at grating pair intervals of 8.62cm. Blueline shows spectrum at grating pair intervals of 8.9cm.
図 6 にポンプ光の出力を変えたときのファイバーレーザー発振器の出力変化を記す。平均出力の最大は CW で 173.6mW、パルスで 71.9mW。このとき 1
パルスあたり平均 2.7nJ である。

1096mA
1030mA
867mA
764mA
665mA
565mA
498mA

0.15

0.10.05

図 4 にグレーティング間隔を固定し、ポンプ光の出力を変化させたときのスペクトル変化を色別に記した。出力を下げていくとスペクトル幅は大きくは変わらず、498mA ではモードロックがはずれパルス
ではなくなり CW 光となりスペクトル幅が狭くなった。
また出力が高い方がモードロックがかかるグレーティング間隔の幅が広くなり、モードロックがかかりやすくなり、かつ長時間安定となる。
0.20.15

mean power of the fiber laser

0.1

1800.05160

mode locked pulse laser（mＷ）
ＣＷ laser（mW)

140-0.05
1010

1020

1030
1040
wavelength（nm)

1050

1060

Figure 4: Spectrum of the laser which pomping light
power varies.

mean power（mＷ）

0120
1008060

図 5 に出力を固定し、グレーティングペア間隔の距離を変えた時のスペクトルの変化を記す。赤色の線はグレーティングペア間隔が 8.9cm。青色の線は8.62cm である。グレーティングペア間隔を大きくするとスペクトルが波長の短い側に遷移しているのが分かる。また間隔によっては赤色の線の様に先鋭な角が生えることが確認された。これは CW 光の中心
波長 1030nm 付近に角が生えていることからも、パルスと CW 光が同時に発生していると考えられる。

4020500

600

700

800
I_LD(mA)

900

1000

1100

Figure 6: Mean poser of the fiber laser. Red line shows
mean pulse laser detected by power meter. Green lineshows CW laser.

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3.

まとめと今後の展望

フォトカソード駆動用に向けた繰り返し数 27MHzのモードロック Yb ファイバーレーザーシステムの開発を行った。モードロックした際のパルス動作の平均出力は 35~70mW。ポンプ光の出力を上げるとモードロックがかかりやすくなり、長時間安定することも確認した。設計値よりも大きいグレーティン
グペア間隔でモードロックが安定してかかったが、ファイバー中で広がったパルス幅を補償することが出来ていないと考えられ、グレーティングペア間隔によってパルスの特性がどのように変化するのか測定する必要がある。よってオートコリレーター等を用いてパルスの特性を測定する必要がある。
後段に出力増幅器を作成していき、100W を目標に増幅させる。

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