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

PASJ2014-SAP015

超短パルスレーザーを利用した THz-FEL の特性評価と高度化
CHARACTERIZATION AND DEVELOPMENT OF THZ-FEL BY USINGFEMOTOSECOND LASER
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), 堤亮太 A), 宮崎数磨 A), 磯山悟朗 A)
Keigo Kawase #, A), Ryukou KatoA), Akinori IrizawaA), Masaki FujimotoA), Masaki YaguchiA),
Sousuke FunakoshiA), Ryouta TsutsumiA), Kazuma MiyazakiA), Goro IsoyamaA)
A)
Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University

Abstract

We are developing the intense THz FEL by using an L-band electron linac at the Institute of Scientific and Industrial
Research, Osaka University. In order to evaluate characteristics of the generated THz FEL in time-domain, we areconducting the pulse duration measurements with the cross correlation between the THz FEL and the Ti:Sapphire laerpulses. Also we make a trial experiment to extract a single THz FEL pulse by applying the laser-activating
semiconductor switch to respond to the request for the single THz pulse irradiation experiments. In this presentation, wereport the present status of these studies.

1.

はじめにしている。
本発表では、THz FEL とチタンサファイアレーザーとを組み合わせた上記２つの研究についての現状を報告する。

大阪大学産業科学研究所ではＬバンド電子ライナックを用いてテラヘルツ(THz)領域の高強度な自由電子レーザー(FEL)を発生させている[1]。FEL はその発生メカニズムから、電子ビームと共振器中の2. テラヘルツ自由電子レーザーパルスと光パルスとの重なり具合により、光の強度と時間幅チタンサファイアレーザーパルスとのが決定される。この重なり具合は、光共振器間隔をクロスコリレーション実験変化させることで変えることができる。また FEL 発生に必要なアンジュレータの間隔を変えることで磁 高強度光パルスの時間幅は、最も重要な特性のひと場強度を変えることにより、発生 FEL の波長や強度 つであり、ピーク強度などを評価するために必要なも変化する。このような光パルスの時間情報を引き 基本的物理量である。一般に超短レーザーパルスの出すためには、相関計測を実施することが有効であ 時間的評価は高次高調波生成をもとにした自己相関る。これまでのところ、マイケルソン干渉計を用い 法が適用されることが多い[2]。しかしながら、高次た自己相関測定を実施してきたが、ここでは別の方 高調波研究が十分に実施されている近赤外領域と異法としてチタンサファイアレーザーを用いたクロス なり、産研 FEL の発振領域は THz（遠赤外）領域でコリレーションによる時間情報の引き出しを試みる。 あり、高次高調波発生の研究が十分に進んでいるとまた現在、発生させた THz FEL を利用する上で、 は言えず、波長領域も広く、様々な非線形結晶に対高強度単一パルスへの要求がある。発振型 FEL では、 する研究も必要である。そこで本研究では以前にオ連続した電子パルスにより駆動されるため、光パル ランダ FELIX において実績のある[3]、チタンサス列として発生する。産研の場合、運転条件にもよ ファイアレーザーで生成される超短パルスとのクロるが、100 パルス程度の飽和した FEL パルスが 9.2 スコリレーション計測を試験した。
ns あるいは 37 ns 間隔で発生している。このような本研究では FELIX における手法と同様に[3]、光パルス列を用いて、物質に対する非線形応答を研 ZnTe 結晶において THz パルスにより誘起される複究する場合、光パルス列が連続照射されることによ 屈折によりチタンサファイアレーザーの偏光の変化る熱的な影響が、ピーク強度の依存した光電場強度 を検出する方法を採用している[4]。実験セットアッに対する非線形応答を隠してしまうことがある。そ プの概要を Figure 1 に示す。チタンサファイアレーのために、高強度単一 THz パルスの切り出しが要求 ザーは SpectraPhysics 社製 TSUNAMI システムを利されている。これを実現するために、高強度レー 用しており、繰り返し周波数は 81 MHz 付近でＬバ
ザーパルス照射による半導体スイッチの試験を実施 ンドライナックの基準発振器と同期されている。
___________________________________________# kawase@sanken.osaka-u.ac.jp- 479 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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Figure 1: Schematic diagram of the setup for the crosscorrelation measurement of the THz FEL pulse with theTi:Sapphire laser by using ZnTe crystal.

Figure 2: Waveforms of the Ti:Sapphire laser pulses
through the polarizer by changing the polarizations withthe birefringence of the ZnTe induced by the THz FELpulses. 5 sequential waveforms are shown and they are
significantly varying in shot to shot.

上の実験で利用したチタンサファイアレーザーシ
THz FEL を入射しない状態で、波長板を用いてステムには再生増幅器も設置されており、より高いZnTe を透過したチタンサファイアレーザーパルス強度のレーザーパルスを利用することができる([5]のポラライザ透過強度が最小となるように偏光を設
Figure 3)。多くの半導体は THz 光に対して透明であ定する。この状態で、THz FEL を入射し、チタンサる。その一方、高強度パルスを半導体に照射するこファイアレーザーパルスの光学遅延をスキャンする。とにより、数 ns から数µs の間だけ THz 光に対してZnTe 結晶中において THz FEL とチタンサファイアミラーとすることができる[6, 7]。この現象を用いて、レーザーパルスとの時間的重なり具合で、ポラライ単一 THz パルスを切り出す試験を実施した。
ザを透過する強度が変化する。チタンサファイア
レーザーのパルス幅は 100 fs 程度である一方、THzFEL のパルス幅は 1 から 20 ps 程度であると考えられるので、チタンサファイアレーザーパルスの光学遅延をスキャンしてポラライザ透過強度の変化を見ることにより、THz FEL のパルス幅を測定できることが期待される。
しかしながら測定を実施した結果、ショットごとの変化が非常に大きく、高精度に THz FEL のパルス幅を測定することが困難であった（Figure 2）。現在、この変動の原因を調査検討中である。従って今後、この大きな変動の原因を究明することが本実験を遂行する上で不可欠な課題である。

3.

レーザー駆動半導体スイッチによる単一テラヘルツ自由電子レーザーパルス
切り出し

THz FEL の高強度化により、発生させた THz 高電場に対する物質の非線形応答を研究する利用が進められている。現在の産研 THz FEL では 100 パルス程度の飽和した THz パルスが連続して試料に照射されており、物質によってはこの連続したパルスの総熱量による物質の変化が、高電場に対する非線形応答の結果を隠してしまう可能性がある。そのためこのような場合には、高強度単一 THz パルスの利用が望まれている。

Figure 3: Ti:Sapphire laser system in this experiment. (a)5 W, 532 nm cw solid-state laser (Spectra-Physics,Millennia V). (b) Mode-locked Ti:Sapphire laser
oscillator (Spectra-Physics, TSUNAMI). (c) 10 W, Qswitching laser (Spectra-Physics, Evolution-X). (d)Regenerative amplifier (Spectra-Physics, SpitFire).
切り出しのための半導体には GaAs ウェハと Siウェハを試験した。GaAs は直接遷移型半導体であり、高強度レーザーによってその表面を伝導帯へ励起した後、1 ns 程度でまた価電子帯に戻る[6]。そのため、単一 THz FEL パルスのみを切り出せることが期待される。一方、Si の場合は間接遷移型半導体であり、生成された伝導帯プラズマの再結合には 1 µs- 480 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2014-SAP015程度の時間を要する[7]。そのため、本研究の THz ることで THz パルスの時間幅を推定することができ
FEL に対しては数パルスが切り出されることが期待 る。その結果を Figure 6 に示し、20 ps 程度の拡がりされる。そこで、実際に Figure 4 に示したような実 であることが示唆され、この値は FEL を駆動してい験セットアップのもとで、THz FEL の半導体ウェハ る電子ビームパルスと同程度である。詳細な評価にによる切り出し試験実験を実施した。発生させた ついては今後の課題である。
THz FEL は水平方向に偏光しており、チタンサファイアレーザーを入射していないタイミングで半導体ウェハに THz 光の透過を最大化するために、ブリュースター角で THz 光を入射する配置としている。

Figure 4: Experimental layout for the laser-activatingswitch.
GaAs と Si をチタンサファイアレーザーで励起して 反 射 さ せ た THz FEL パ ル ス を 高 速 焦 電 素 子(Molectron P-5)で計測した結果を Figure 5 に示す。
GaAs の場合、期待通り単一パルスの切り出しが確認されている一方、Si の場合、数パルスのみが高い減衰率で切り出されている。この予想との差異の原因については今後の検討課題である。

Figure 5: Waveforms of the reflected THz pulses with
GaAs and Silicon (Resistivity 1,000 ohm-cm and10,000ohm-cm) wafers. Each waveform is averaged with10 shots.
さらに、チタンサファイアレーザーのパルスが100 fs 程度であるため、伝導帯プラズマの生成過程が十分に速いと仮定すると、光学遅延をスキャンす

Figure 6: Intensity variation of the reflected pulses withGaAs wafer by changing the optical delay of theTi:Sapphire laser pulse. It shows the slope with the time
duration of about 20 ps.

4.

まとめ

産研 THz FEL の特性評価と利用の多様化を目指して、チタンサファイアレーザーシステムとの組み合わせた試験研究を開始した。クロスコリレーションによる THz FEL パルスの時間特性評価については、出力信号の変動が大きく、まずその原因を究明することが解決すべき課題である。そのため、THz パルスとチタンサファイアレーザーパルスとの同期精度およびジッターの精密な評価も実施する必要がある。
レーザー励起半導体反射スイッチについては、
GaAs を用いることで単一 THz パルスを切り出すことが確認でき、THz パルスの時間幅評価につながる可能性を示唆できる。反射率の測定とレーザー強度依存性などの基本的特性評価を今後、早急に実施する予定である。
また今後、本研究で得られた単一 THz パルスの物質科学の利用研究へ供給していくことを検討している。
本研究の一部は JSPS 科研費 24310069、24651102の助成を受けたものである。

参考文献[1] K. Kawase et al., Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 726(2013), 96.
[2] J.-C. Diels and W. Rudolph, “Ultrashort Laser Pulse
Phenomena”, 2nd Ed. (2006), Elservier Inc.
[3] G.M.H. Knippels et al., Phys. Rev. Lett. 83 (1999), 1578.

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PASJ2014-SAP015[4] C. Winnewisser et al., Appl. Phys. Lett. 70 (1997), 3069.
[5] A. Saeki et al., Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 546(2005), 627.
[6] A.J. Alcock and P.B. Corkum, Can. J. Phys. 57 (1979),
1280.
[7] F.A. Hegmann and M.S. Sherwin, Proc. SPIE 2842 (1996),
doi:10.1117/12.262736.

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