Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

STUDY ON THE SEEDED FEL AT THE SCSS TEST ACCELERATOR,A,B)

B,C)

D)

A,B)

A)

Toru Hara1, Takanori Tanikawa, Guillaume Lambert , Yoshihito Tanaka, Takashi Ohshima ,A,B)
A)
A,B)
A,B)
E)
Takashi Tanaka, Hideo Kitamura , Tshumoru Shintake, Tetsuya Ishikawa, Marie-Emmanuelle CouprieA)
SPring-8 Joint-Project for XFEL/RIKEN
1-1-1 Kouto, Sayo, Hyogo 679-5148, JapanB)
Harima Institute SPring-8 Center, RIKEN
1-1-1 Kouto, Sayo, Hyogo 679-5148, JapanC)UVSOR Facility, Institute for Molecular Science
Myodaiji-cho, Okazaki, Aichi 444-8585, JapanD)
Laboratoire d’optique appliquée, ENSTA, Ecole Polytechnique
Chiemin de la Hunière, 91761 Palaiseau, FranceE)
Synchrotron SOLEIL
Saint-Aubin, 91191 Gif-sur-Yvette, France
Abstract
Short wavelength seeded FEL has been demonstrated at the SCSS test accelerator using higher order harmonics of aTi:Sa laser generated in gas as an external seed source. Current experiment has been carried out at 160 nm and we havesucceeded to obtain a stable single peak spectrum of the amplified FEL light. Even in case the seed pulse is shorter thanthe electron bunch, the seeded FEL shows a stable spectrum, if the amplification is stopped immediately after thesaturation of the overlapped part of the electron bunch and the seed pulse.

SCSS試験加速器におけるシード型FEL実験
波長までであれば、強度はレーザーに劣るもののコヒーレンス特性に優れたガス高次高調波が存在する。
SASE FELは、真空紫外からX線にかけての短波長SCSS試験加速器では、このガス高次高調波をシード領域における有望なコヒーレント光源であるが、ノ光として利用した、シード型FELの研究開発を行っイズである自発放射光を増幅するため、光パルスのている [1] 。またシード型FELはスペクトル特性の改時間波形やスペクトルがランダムに変化するスパイ
善以外に、自発放射光よりも強度の大きいシード光ク状の構造をもつことはよく知られている。これは、を増幅するため、飽和に必要なアンジュレータ長がSASE光パルスの時間コヒーレンス長が、光パルス長短くて済むという利点を併せ持つ。に比べ短いことに起因する。SASEが飽和に達すると、スペクトルの積分強度はある程度安定になり、スペクトル全体を使うような利用実験であれば問題ない。 ２．シード型FEL実験の概要
シード光源には、Xeガス中で発生させた800 nmチしかしスペクトルの一部を分光器で切り出して使うタンサファイアレーザー光の高次高調波を用いる。
ような場合、スペクトルの内部構造であるスパイク
チタンサファイアレーザーは、SCSS試験加速器トンがランダムに変化するため、分光器を通過した後のネル外に設置し、トンネル内のXeガスセルへ800 nm光強度は大きく変動する。そこでFEL光のスペクトの光を輸送する。Xeガスセルで発生した高次高調波ル構造を安定にする１つの方法として、外部からのは、2台あるアンジュレータの1台目中央でwaistをコヒーレント光を用いて電子バンチに光波長の規則もつようにミラー光学系で集光する。今回の実験で正しい変調をかけ、FEL光の時間コヒーレンスを改は800 nmの5次高調波（160 nm）をシード光として善するシード型FELが考えられる。
用いた。図1にSCSS試験加速器の構成を示す [2] 。ア
FELの存在意義は、テーブルトップサイズのレーザー光源が提供できない波長領域において、コヒーンジュレータ上流には、C-band加速管暗電流等の不レント光を発生できることである。よってFELがそ要な電子をカットするためのシケインがあり、このの能力を発揮できる短波長領域には、強力なシードシケインを利用して電子ビームと同軸上にシード光光源は存在しない。しかしながら10 nm以下程度のを打ち込んでいる。

１．はじめに1

E-mail: toru@spring8.or.jp-90-Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

図１：SCSS試験加速器の構成。

Power (W) averaged over pulse

Undulator1810Drift

Seed̲1.6ps

610

Flux in 0.1% b.w.

SASEが飽和54103

Beam energy 150 MeV

Seed̲60fs

2

10110

FEL wavelength 160 nm
Electron bunch 0.8 ps

SASE

01002

468

Z=10.45 m, seed̲60fs

1210159

160

161

Wavelength (nm)

162

158

0.50.0159

160

161

Wavelength (nm)

162

158

159

160

161

Wavelength (nm)162

シード光のパルス幅は、電子バンチ長よりも長いことが理想的である。しかしながらガス高次高調波発生には、高いピークパワーをもつレーザーパルスが必要であるため、実験では110 fsの800 nm光パルスを用いており、シード光のパルス幅は更に短く約60 fs程度である。これに対しSCSS試験加速器の電子バンチ長は約0.6 psであり、電子バンチ全体にシード光をオーバーラップさせることはできない。
図2に3次元FELコードSIMPLEXを用いて計算したシード型FELとSASEのレーザー増幅の様子を、アンジュレータ長に対して示す [3] 。図2からわかるように、シード光の効果は増幅の立ち上がりを早くするが、SASEに比べ単位アンジュレータ長さ当たりの増幅率や飽和レーザーパワーが大きくなるわけではない。シード光パルス幅がバンチ長よりも長い場合（図2、seed 1.6 ps）は、バンチ全体にわたってシード光が増幅され飽和に達する。一方シード光がバンチ長よりも短い場合（図2、seed 60fs）は、シード光と重なった部分は早く飽和に達し（図2、Z=4.5 m付近）、他の部分は遅れて飽和する（図2、Z=8 m付近）。シード光が重ならないバンチ部分からの光は、SASEと同じスパイク状のスペクトル構造をもつ。

101025

３．シード型FELのスペクトル特性

Undulator2

シード光が飽和

Z=4.5 m, seed̲60fs

図３：シード光パルス幅が電子バンチより短い場合（図2、seed 60fsと同じ条件）のFEL光スペクトルの変化を計算した例。左図1台目アンジュレータ入口、中央図1台目出口、右図2台目出口。

710215824

3x10

1.0x100910

Z=0.135 m, seed̲60fs

Flux in 0.1% b.w.

20

3x10

Flux in 0.1% b.w.

SCSS試験加速器は、加速器全体の安定性向上のため、基準RF信号と関西電力60 Hzの両方の周波数に同期して電子バンチを加速しており、電子バンチ時
間 間 隔 は 60 Hz の 精 度 に 起 因 す る 数 10 μ s の ジ ッ
ターをもつ不等間隔になっている。このためチタンサファイアレーザーの共振器は基準RFに、後段の増幅器は60 Hzに同期させることにより、加速器電子バンチのタイミングに合わせてレーザーパルスを増幅する同期回路を組んでいる。800 nmレーザー光のパラメータは、パルスエネルギー20 mJ、パルス幅110 fs（FWHM）、繰り返し10 Hzである。
シード光と電子バンチのオーバーラップは、シード型FELで技術的に最も重要な点である。SCSS試験
加 速 器 で は 、 OTR(Optical Transition Radiation)を用いた電子バンチ長測定用ストリークカメラ上でシード光と電子バンチのタイミングを調整し、アン
ジ ュ レ ー タ 両 端 の 電 子 ビ ー ム 位 置 測 定 用 OTR ス ク
リーンで横方向の位置を確認している。またアン
ジュレータ下流のビームラインには、フォトダイオードや分光器が設置され、光強度やスペクトルの測定を行うことができる（図1）。

10Z (m)

図２：FEL増幅の計算例、青線はシード光パルス幅(1.6 psFWHM)が電子バンチ(0.8 ps)より長い場合、黒線は短い場合(60 fs)、赤線はSASEを示す。計算に用いたパラメータはSCSS試験加速器160 nmシード実験を仮定。

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Flux (a.u.)

Flux (a.u.)

Flux (a.u.)

Flux (a.u.)

Flux (a.u.)

Flux (a.u.)

図3はシード光がバンチ長よりも短い場合（図２
次に電子バンチ長を伸ばすことにより、FELゲの 黒 線 ） に つ い て 、 FEL 光 ス ペ ク ト ル の 変 化 をインを下げて測定した場合のスペクトルを図5にSIMPLEXを用いて計算したものである。2台目アン示す。この場合、2台目アンジュレータを出た後ジュレータを出た後はSASEが飽和に達しているため、 においても、シード光と重なっていないバンチ部
シード光を入れてもスペクトルはランダムなスパイ分からのSASEがまだ十分増幅されないため、スク構造になっていることがわかる。即ちシード光パペクトルは強度、中心波長とも安定したシングルルスがバンチ長よりも短い場合は、シード光の増幅ピークのままである。図5の右側図に示したSASEが飽和に達したところで光を取り出さないと、スペのスペクトルと比べると、その違いは明らかであクトルにSASEの影響が出てしまう。
る。
発振波長についても、シード型FELはSASEより500015000
Two undulators (4.5m 2)
One undulator (4.5m 1)も安定した振る舞いを示す。FELゲインは、ゲイ
Seed 10Seed 100
4000
Seeded FEL 1
Seeded FEL 1
ンが最大となる中心波長の回りにスペクトル幅を100003000もつ。SASEはビームエネルギーやアンジュレー2000
タ磁場が変化すると、それに応じて発振波長も変5000
1000
わる。一方シード型FELの場合、シード光波長と00ゲイン中心波長がずれても、シード光波長におけ156158160162164166
156158160162164166
Wavelength (nm)Wavelength (nm)る増幅の立ち上がりの方が早いため、発振波長は
図４：SCSS試験加速器において測定したシード型
シード光波長に固定される[4]。
FELスペクトルの変化。左図はアンジュレータ1台による増幅後、右図は2台による増幅後のスペクトル。 ５．まとめと今後の課題
青点線はシード光のスペクトル。
SASE FELの欠点である光パルスのスペクトル350
2.0や時間強度分布のランダムスパイク構造は、シー
Pulse energy 3 nJ
One undulator
Pulse energy 170 nJ
One undulator
300
SASE FEL
ド型FELのように電子バンチに光波長周期の規則
Seeded FEL
1.5250的な変調を与えることによって、解消することが2001.0150できることを実験により示した。今回のシード光
1000.5
源をそのままX線領域で使うことはできないが、50
00.0
シード光に限らず何らかの方法で電子バンチに変
158
159160161
162
158
159160161
162
Wavelength (nm)Wavelength (nm)
調がかけられればよい。バンチ全体に変調をかけ
250
Pulse
energy540nJ
Pulse
energy160nJ
Two undulators
Two undulators
ることが理想的であるが、今回示したようにバン
1500
200
Seeded FEL
SASE FEL
チの一部に対してでもよい。但しこの場合、光を150
1000
早く取り出すことにより、電子バンチの中で変調100がかかった部分のみを使い、後は捨てる必要があ
500
50る。このようなスペクトルや時間強度分布の制御
00
158159160161
162
は、SASEによるX線FELが実現した後の大きな
158
159
160
161
162
Wavelength (nm)Wavelength (nm)テーマになると予想される。
図５：電子バンチ長を4 psまで伸ばすことによりSCSS試験加速器のシード実験は、これまで160FELゲインを下げて測定したスペクトル。左上図とnmで行ってきたが、今後ユーザー運転で使われ左下図は夫々アンジュレータ1台および2台によるている60 nm付近まで短波長化する予定である。
シード光増幅後のスペクトル、右側図は各々対応す
また現在使用しているレーザー同期回路は、1 ps
るSASE FELのスペクトル。各図右上にフォトダイ程度の時間ジッターを持ち、電子バンチとの安定オードと分光器を用いて測定したパルスエネルギーも合わせて示す。
した同期が得られていない。同期回路の改善や、シード光パルス幅の伸長は今後の課題である。

４．シード光によるFELスペクトルの改善
参考文献

図4にSCSS試験加速器において、実際に測定したシード型FEL光のスペクトルを示す。アンジュレータ１台目出口では、シード光がそのまま増幅されスペクトルはシングルピークであるが、２台目出口では光パルス全体の強度は上がっているものの、スペクトルは崩れていることがわかる。

[1] G.Lambert et al., “Injection of harmonics generated in gas
in a Free-Electron-Laser providing intense and coherent
extreme-UV light”, Nature Physics, VOL4, P.296-300,
2008[2] H. Tanaka et al., in these proceedings.
[3] SIMPLEX, http://radiant.harima.riken.jp/simplex/.
[4] T. Tanikawa et al., in these proceedings.
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