Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP119

卓上マイクロビーム源のためのファイバーレーザーおよび電子源の研究
STUDY ON FIBER LASER AND ELECTRON BEAM SOURCE FOR TABLE-TOP MICROBEAM SOURCE
岡元勇人 ∗A) 、吉田光宏 B) 、上坂充 A) 、大槻祥平 A) 、佐藤大輔 C) 、Hayato Okamoto∗ A) , Mitsuhiro YoshidaB) , Mitsuru UesakaA) , Shohei OtsukiA) , Daisuke SatoC)
A)
The University of TokyoB)
High Energy Accelerator Research OrganizationC)
Tokyo Institute of Technology

Abstract
Most of radiobiology experiments are done in the limited conditions, such that machine time is limited and thatthe area is treated as radiation controlled area. Our laboratory is aiming for developing a table-top electron micro beamsource for radiation biology, whose beam size is micrometer order so that we can irradiate just the nuclei of cells (∼1µm)
and observe the behavior in real time. This beam source will be realized by dielectric laser accelerators (DLAs), whichis expected to produce acceleration gradients of ∼GV/m. To drive these accelerators, femtosecond pulse laser (∼GW)
has to be incident to the structure. For this laser, we chose Ytterbium(Yb) laser, which has high quantum efficiency andhigh thermal conductivity, and is proper to produce ultra short pulse because it has wide range spectrum of oscillation
band. We succeeded in getting ultra short pulse (central wavelength: 1030nm, average output: 10W, pulse width: 100fs,reputation rate: 84MHz) from Yb fiber laser system. Also in order to make electron beam source by making ultraviolet
laser incident into photocathode, we then converted the obtained infrared laser (1030nm) to 258nm (4ω) using BBO andLBO non-linear crystals.

1.

序論

現在 X 線治療はがん治療の方法の一つとして使われているが、DNA 損傷の複雑なメカニズムは未だ体系的には明らかにはなっておらず研究途上である。これらの実験は巨大な施設で行われ、マシンタイムも夜に限られ、ビームのエネルギーレンジも限定されている。我々の研究室ではこれらの問題を解決するために、マイクロオーダーのビームを細胞の核に照射し、その応答をリアルタイムでモニタリングするシステムを開発し、放射線生物学への寄与を目指している [3] 。このためには小型の加速器と電子発生源が必要となるが、その加速器として誘電体加速 (DLA) を用いるつもりである。これはFig 1 のように回折格子のような誘電体からなる構造体の両側から高エネルギーの超パルスレーザーを打ち込むことで、空洞内に加速電場が形成され電子が常に加速電場で加速されるようにした加速方法であり、加速器の小型化が見込める。DLA 加速では入射電子バンチと加速場が同期している必要があるため、電子銃と加速電場用入射レーザーは同期してあるか、もしくは同様のレーザーシステムを用いる必要がある。これを踏まえ今回
は、DLA 加速のための小型高出力レーザー、及びそのフォトカソード電子源生成のための紫外レーザーの製作を行い、当研究室では卓上用マイクロビーム源実現を目指す (Fig 2)。

2.

YB ファイバーレーザー製作

2.1

Yb ファイバーレーザーの特徴

上坂研では上記放射線生物学研究のためのレーザー開発に関して松村らによる先行研究がある [2] 。本研究ではその研究の改善・改良を行うとともにさらなる進歩を図った。
∗ hayato.okamoto@nuclear.jp

Figure 1: Schema of DLA acclerator.[1]

卓上用マイクロビーム源のレーザーに求められている性能は、オペレーション面から見て、小型であること、メンテナンスが容易であること、安定であることなどが挙げられる。
ファイバーレーザーはその利得媒質をファイバーに添加させ、コア内にポンプ光を入射することで励起しシード光を増幅する。光路とあるファイバーは巻くことができるため空間を節約出来るだけでなく、表面積/体積率が他の媒体に比べて大きいため、熱除去も空冷で可能であり大きな冷却装置を必要とせず、小型化が可能である
ため今回の用途に適している。また固体レーザーに比べ安定性も高く、メンテナンスの頻度も少なくて済む特徴を持つ。しかし、コア径はおよそ直径数 µm 程度であり、レーザー光をファイバーに入射させるためにはレン- 831 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Table 1: Required Laser Spec for DLA and Photo Cathodefor DLA(1MeV)

fiber laser target

for photo cathodeCentral wavelength

1µm1030nm258nm

Pulse energy

0.1mJ

2µJ/Peak power

500MW

20W/

Pulse width (FWHM)

200fs

100fs

/

Reputation frequency

50kHz

10MHz/

Average power

5W

20W

100mW

Figure 3: Outline of fiber laser system.

Figure 2: Schema of cell irradiation.
ズ等を用いて集光する必要があり、レーザー光の出力が大きくなると増幅は難しくなる。またファイバーの端面では入射角度の調整が難しく、集光率が悪いと端面がすぐ傷ついてしまうため、高出力には注意しなければならない。したがって本研究では松村らと同様に、超短パルス生成と初期の増幅はファイバーを用いて mJ レベルまで行い、その後の増幅は固体媒体で増幅を行う予定である。
ファイバーの利得媒質としてエルビウム (Er) やイッテルビウム (Yb) が挙げられる。Yb の特徴として• 量子効率が良い• 半導体レーザー (LD) 励起が可能

中心波長 1030nm、周波数 84MHz、パルスエネルギー0.19nJ、平均出力 10mW の仕様が得られている。
続く増幅器では、5 段に分けて増幅することで自然放出光 (ASE) の発生を抑えるように工夫した。ファイバーではその長さを調整することでレーザー媒質とシード光の相互作用長を変化させることができるが、一度に長くとり過ぎると ASE が増えてしまう。したがって ASEが増え、パルスが効率よく増幅されず尖頭出力が下がるのを防ぐために、段階的に増幅する方法をとった。増幅器によって入射エネルギーの 1000 倍である 10W 以上の連続出力を達成した。

• 熱伝導率が良いが挙げられる。したがって本レーザーに適していると判断し Yb を利得媒質として採用した。ファイバーレー
ザーの媒質を Yb 添加ファイバーとし、その後 Yb:YAGを用いて固体増幅を行う。

2.2

Yb ファイバーレーザーの製作

本研究でのファイバーレーザーの全体像を Fig 3 に載せる。始めに超短パルス生成のために非線形偏波回転モードロック (NPR) を用いた発振器を製作した。NPR を用いた超短パルス生成は、Yb 添加ファイバー長によって得られるスペクトルは変化する。今回は後の Yb:YAG 固体増幅が 1030nm 帯域に利得を持つため、1030nm を中心に発振するようにファイバー長を調整した。また全体の共振器長を調整することで繰り返し周波数を 84MHzに調整した。ここで得られた波形は Fig 4 の通りであり、- 832 -Figure 4: Signal from Yb fiber laser oscillator.

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3.

波長変換

3.1

フォトカソード実験に求められる仕様

本レーザーシステムを用いたフォトカソードの実験
では、LaB6 に BaF2 にスパッタリングして陰極にすることを想定している。LaB6 の仕事関数は 2∼3eV 程度(=414∼621nm) であり、このエネルギーを持つ波長である 4 倍波 (=258nm) の紫外領域に変換する必要がある。
求めるスペックは Table1 の通りである。

3.2

セットアップと結果

まず LBO 結晶を用いて 2 倍波へ変換し (SHG)、さらに BBO 結晶を用いて 4 倍波への変換を行った。LBO 結晶では温度で位相整合を取り (170◦ )、BBO 結晶では入射角で位相整合をとっている。2 倍波の出力結果は Fig5 の通りである。赤線が出力パワー、緑線がその変換効率を表している。2 倍波の変換は効率 6%を達成したが、4 倍波発生に至る出力を得ることは出来なかった。

Figure 6: 1060nm amplification by Yb double clad fiber.[4]Figure 7: Photograph of Yb fiber laser system.
Figure 5: Result of the first SHG(2ω).

4.

結論と今後の課題

4.1

結論

4.2

我々は、松村らによるレーザーの改良を図り卓上用マイクロビーム源のためのファイバーレーザー製作途中である。その途中段階として発振器の安定発振、増幅器において 10W 以上の連続出力を達成した (Table 2)。またこれを用いて紫外線への変換を試みたが、緑光への効率が 6%とあまり上がらず、紫外線の発生は確認されなかった。また今回増幅器で使用した Yb ダブルクラッドファ
イバーは実は 1060nm 帯域に利得を持つため、1030nm帯域は増幅されないということがわかった (Fig 6)。したがって出力の多くは ASE であることが予想される。
しかし目指すレーザーシステムの基盤を製作出来た。これまで製作したレーザーの外観は Fig 7 の通りである。

Table 2: Result and Target of Yb Fiber Laser System
Central wavelength

ResultTarget

1030nm1030nmPulse energy

0.15µJ

2µJ

Reputation frequency

84MHz

10MHz

Average power

13W

20W

今後の課題今回の波長変換で高効率で変換されなかったのは、前項の通りダブルクラッドファイバーの性質に起因するものだと判断した。したがって今後はこのファイバーをフォトニック結晶ファイバー (PCF) に取り替えて、増幅器を改善している最中である。フォトニック結晶ファイバーはフォトニック結晶の性質を持ったファイバーであり、1030nm 帯域での増幅と、ASE の抑制が図れる。また発振器においてもピエゾ素子を用いて発振の繰り返し周波数を 84MHz に同期し、別途繰り返し周波数の低減を行う予定である。今後これらの改善を踏まえた後、
Yb:YAG を用いた固体増幅を行い、将来的に DLA の実験へ応用する予定である。

参考文献[1] Kazuyoshi Koyama, + et al., “Parameter study of a laserdriven dielectric accelerator for radiobiology research”, J.
Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47 (2014), 234005 (7pp).
[2] Yosuke Matsumura, et al., “ Fiber Laser Development forDielectric Laser Accelerator ”, Proceedings of the 9th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Osaka,
Aug. 8-11, 2012.
[3] Shohei Otsuki, + et al., ”Development on On-Chip Ra- diation Source Using Dielectric Laser Accelerator”, Proceedingsof IPAC2014, pp 1434-1436(2014).
[4] Xiangyu Zhou, et al., “Fiber laser development of DAW RF
gun for SuperKEKB(2)”, FRLR13, 2011.

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