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しょうりいざわ
5 years ago
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1 超短電子バンチ計測のための超広帯域 EO プローブ光開発小川奏 2013 年 1 月 10 日第 10 回高輝度高周波電子銃研究会 SPring-8

2 研究の目的超短電子バンチを高時間分解能非破壊リアルタイムシングルショットで3 次元バンチ形状計測するためのEOサンプリング計測技術開発 1) 試験加速器 SCSSで精度の高いシーディングを行う ( 電子バンチとシード光 (HHG) の3 次元オーバーラップ確認 ) 2)SACLAの30 fs (FWHM) 電子バンチを計測する ( 高時間分解能 ) 発表の概要 1) スペクトラルデコーディングEOサンプリング計測と実験結果 2)SACLAの30 fs (FWHM) 電子バンチを計測するために必要な技術開発 3 次元計測が可能な (4ch x2) 同時計測分光システム開発高時間分解能のための超広帯域プローブ光開発 3) まとめ

3 1-1) スペクトラルデコーディング EO サンプリング計測

4 電気光学 (Electro-Optic) 効果による電場計測非破壊でのシングルショット計測が可能 I. Wilke et al., Phys. Rev. Lett., 88 (2002) EO material polarizer Laser pulse Electric field Electron bunch Laser pulse 電子バンチのクーロン電場が印加された時に非線形結晶 (EO 結晶 ) の屈折率状態が変化電子ビームと同期させたプローブレーザーの偏光状態の変化を検出する現在最高で 110 fs(fwhm) 程度の時間分解能 G. Berden et al., Phys. Rev. Lett., 99 (2007) 大きく分けてテンポラルデコーディングスペクトラルデコーディングスペイシャルデコーディングの 3 つの手法がある

5 EO サンプリングの計測方式バンチ形状計測 ( デコーディング ) 手法の比較 (a) テンポラルデコーディング : プローブレーザーの時間波形クロスコリレータなどで計測 (b) スペクトラルデコーディング : プローブレーザーのスペクトル波形を計測 (c) スペイシャルデコーディング : 結晶に斜入射したプローブレーザーの空間分布を計測 (a) EO material polarizer (c) Laser pulse Laser pulse Electric field Laser pulse polarizer Electron bunch (b) polarizer Electron bunch Laser pulse Laser pulse Electron bunch

6 3 次元計測を行う必要性からスペクトラルデコーディング方式を採用スペクトラルデコーディングにはプローブレーザー光にチャープパルスが必要電場強度の時間変化を周波数領域に変換しているバンチ長より長いチャープパルスが必要バンチ長よりあまりに長いチャープパルスは分解能を悪化させる計測には高分解能を持った分光器が必要スペクトラルデコーディングの時間分解能 T フーリエの不確定性の関係 τ 0 : フーリエ限界パルス幅 ft 0 τ c : チャープパルス幅 c 時間領域 EO 信号パルス幅 τ s スペクトル領域 EO 信号の本来のバンド幅 ω ω s c τ τ s c プローブレーザー幅 τ c バンド幅が狭い場合 τ s ω s < (gauss) ω EO 信号の計測するバンド幅 ω s

7 1-2) スペクトラルデコーディング法 EO サンプリング計測実験とその結果

8 SCSS におけるシード FEL 実験 SCSS 試験加速器 SCSS SACLA SPring-8

9 シードのための EO サンプリング計測システム SCSS 試験加速器でのシード XFEL と EO サンプリング計測のセットアップチタンサファイアレーザーガラスブロック DAZZLER λ/2 波長板偏光子レーザー高次高調波 ( シード光 ) 真空管電子バンチ高次高調波発生ファイバー分光器 ZnTe 結晶アンジュレータ加速器 EO 計測用チャンバー電子エネルギー電子バンチ電荷 250 MeV 220 pc シード / プローブレーザー帯域 9 / 5 nm (FWHM) バンチ幅 600 fs (FWHM) シード / プローブレーザーパルス幅 0.15 / 5 ps (FWHM) シード光と電子バンチの時間オーバーラップをモニターする

10 EO サンプリング計測結果レーザーのタイミングを変えて EO 信号の変化を計測した Candox TDU Delay 1,112, ps 1,112, ps 1,112, ps ps / 29.7 nm = 0.64 ps/nm Wavelength [nm]

11 EO Wavelength [nm] 時間ドリフト効果のフィードバック結果 EO サンプリング信号によるドリフトのフィードバックが可能に ~ 30 ps TDU delay time [ps] : /01/01 14:00 16:00 Time 802 実験パラメータ SCSS 電子バンチ :500 fs FWHM プローブ光帯域 :9 nm FWHM プローブ光パルス幅 :4.8 ps = 4800 fs チャープレート :533 fs/nm プローブ光帯域 9 nm 時のフーリエ限界パルス :105 fs 分解能 R = 4800 fs x 105 fs = 708 fs

12 2) 30 fs(fwhm) 電子バンチ計測のための研究開発

13 SACLA の 30 fs 電子バンチを計測する到達時間時間形状空間位置をリアルタイムかつ非破壊でモニターし続ける 3 次元電子バンチ (3D Bunch Charge Distribution:3D-BCD) モニター線形チャープスペクトル 4. ラジアル偏光 5. 円環ビーム電子バンチ超広帯域増幅 3. AO 変調器ラジアル偏光化素子アキシコンレンズ対 2. PCF 1. レーザー発振器 6. EO 結晶 8. バンドルファイバー 7. 偏光子 10. CCD カメラ

14 プローブ光の現状と 30 fs 計測のために必要なスペック計測器の分解能 SCSS 電子バンチ :300 fs FWHM プローブ光帯域 :30 nm FWHM プローブ光パルス幅 ( 線形チャープ ):5 ps FWHM チャープレート :163 fs/nm SACLA 電子バンチ :30 fs FWHM プローブ光帯域 :300 nm FWHM プローブ光パルス幅 ( 線形チャープ ):300 fs FWHM チャープレート :1 fs/nm 時間分解能プローブ光パルス幅 :3 ps = 3000 fs プローブ光帯域 30 nm 時のフーリエ限界パルス :30 fs 分解能 R = 3000 fs x 30 fs = 300 fs プローブ光パルス幅 :300 fs プローブ光帯域 300 nm 時のフーリエ限界パルス :3.3 fs 分解能 R = 300 fs x 3.3 fs = 31.5 fs

15 30 fs 電子バンチ 3D-BCD モニターのための要素技術開発ラジアル偏光円環ビームによるオーバーラップ計測技術開発高速応答有機結晶(DAST) によるEOサンプリング計測 8ch 同時計測が可能な高分解分光計測技術開発高い時間分解能を得るための>300 nm 超広帯域プローブ光発生フラットトップなスペクトルとリニアな周波数チャープ(2 次分散 ) S/N 改善のためのプローブ光の超広帯域増幅

16 有機 EO 結晶である DAST 結晶について ZnTe や GaP と比較して非線形係数が高く広帯域 (1-30THz) で使用可能であるためフェムト秒の高時間分解能化が可能になると期待される DAST:n 1 =2.4, n 2 =1.68, n 3 =1.62, r 11 =77pm/V, r 21 =42pm/V, r 13 DAST 結晶が溶けないエポキシ系接着剤バックシールでホルダに固定した真空度は Pa に達した 2010 年度までの実験では信号は計測できなかった 2011 年度に SCSS 試験加速器での実験で世界初の電子バンチ計測に成功 ( 超高速応答性を示唆するブロードにングを観測 ) nc ZnTe: 1.4mm away DAST: 2.0mm away

17 30 fs 電子バンチ 3D-BCD モニターのための要素技術開発ラジアル偏光円環ビームによるオーバーラップ計測技術開発高速応答有機結晶(DAST) によるEOサンプリング計測 8ch 同時計測が可能な高分解分光計測技術開発高い時間分解能を得るための>300 nm 超広帯域プローブ光発生フラットトップなスペクトルとリニアな周波数チャープ(2 次分散 ) S/N 改善のためのプローブ光の超広帯域増幅

18 空間計測 ( 伝搬位置とバンチ形状計測 ) 多点で同時に計測することで得られた信号強度の方位角方向ごとの違いから電子バンチの通過位置とバンチ形状を検出する EO 結晶電子バンチ中心を通過中心からずれて通過形状が楕円形 1 mmth ZnTe SACLA: 100 pc, 30 fs (FWHM) 原理実証実験では 4 個の結晶を使用最終的には 8 個の結晶を使用する各結晶で得られる信号強度 2 3 I I0 sin ( n0r41erd)

19 最大 8ch 同時計測のための結晶ホルダー & 分光器 8 軸結晶ホルダーチャンバー全体ファイバーバンドル分光器分光器 (Oriel MS257):f = mm 回折格子サイズ 50 mm x 50 mm 電子ビーム Image Intensifire + CCD カメラ

20 バンドルファイバーを用いた 8ch 同時計測システム各 EO 信号を CCD の異なるトラックに入射読み出すことが可能 CCD(iStar 320T): サイズ 18 mm x 6.7 mm(690x255 pixel) Pixel サイズ 2.6 µm ( 正方形 ) 最小ゲート時間 < 2 ns Image Intensifire サイズ : 17~18 mm CCD イメージ分光器ファイバー白色光源を用いた動作テスト結果広帯域光バンドパスフィルター白色 LED 白熱灯 CCD イメージスペクトル

21 30 fs 電子バンチ 3D-BCD モニターのための要素技術開発ラジアル偏光円環ビームによるオーバーラップ計測技術開発高速応答有機結晶(DAST) によるEOサンプリング計測 8ch 同時計測が可能な高分解分光計測技術開発高い時間分解能を得るための>300 nm 超広帯域プローブ光発生フラットトップなスペクトルとリニアな周波数チャープ(2 次分散 ) 高 S/N 比のためのプローブ光の超広帯域増幅

22 高分解能のための超広帯域プローブ光発生ハイパワー発振器とフォトニックファイバーによる超広帯域光発生 Ti:Sapphire 発振器 (800 nm 5 MHz 最大エネルギー 400 nj) の光をフォトニックファイバーに入射し超広帯域プローブ光 ( 目標値 :>350 nm) を発生させる実験を行っている Ti:Sapphire 発振器 λ =800nm PCF λ =630nm~980nm DAZZLER + Grism EO プローブへフォトニッククリスタルファイバー (PCF) コア径 5 µm 入力パワー :100 mw

=630nm~980nm DAZZLER + Grism EO プローブへ DAZZLER 任意の強度変調位相変調がかけられる Grism=Grating+Prism

23 リニアチャープでフラットトップなプローブ光開発 AO 変調器と Grism による波形整形と分散補償フォトニックファイバーによって得られた超広帯域光を AO 変調器 (DAZZLER) によって波形整形を行い Grism を用いた分散補償でリニアなチャープにする実験も行っている Ti:Sapphire 発振器 λ =800nm PCF λ =630nm~980nm DAZZLER + Grism EO プローブへ DAZZLER 任意の強度変調位相変調がかけられる Grism=Grating+Prism Dispersion GVD TOD Bulk glass low >0 >0 Prism pair very low <0 <0 Grating pair high <0 >0 Grism pair high <0 <0

24 DAZZLER による波形整形整形前整形後 Wavelength [nm]

25 DAZZLER による波形整形整形前整形後谷の深くない波形が望ましいチューニング or 増幅で埋める Wavelength [nm]

26 チャープスキャン法による位相計測 DAZZLER で 2 次分散をスキャンしながら 2 倍高調波の強度スペクトルから位相を計測する手法波長 400 nm でのスキャン結果波長と 2 次分散量の二次元データ形状などから位相がわかる

27 分散ごとの位相計測結果の変化 fs fs fs fs fs fs 4

28 8ch 同時計測に必要なパルスエネルギー分光器 +CCD 光エネルギー :E = hν = hλ /c(2.48x10-19 J@800 nm) 透過率 : ~ % 拡散板 : ~ 10 % スリット : ~ 30 % 分光器 : ~ 15 % CCD の量子効率 :3 %(InGaAs: nm) CCD 1 ピクセルあたりの波長 :0.66 nm 必要フォトン数 :1000 カウント以上 2.8 pj/nm 必要波長帯域 300 nm では 0.8 nj トータル 6.4 nj(0.8 nj x 8ch) のパルスエネルギーが必要 ( 円環ビームに対する開口率 :30 %~50 %) システム全体の透過率 DAZZLER: 回折効率 20 % スペクトル整形効率 > 10 % Grism 対 : 透過率 40 % 2~3 µj 必要 ( 余裕を見て 10 µj 以上 )

29 位相整合角 [ 度 ] 超広帯域増幅励起光を 460nm とすることで 630nm からの超広帯域 OPA が可能 Nd:YAG λ =532nm Ti:Sapphire Osc. λ =800nm PCF DAZZLER + Grism λ =630nm~980nm BBO λ =920nm λ =630nm~980nm SHG λ =460nm BBO 励起光波長 460nm での位相整合条件の計算波長 [µm] この増幅によりスペクトルの谷を埋め 10 µj のパルスエネルギーを得る

30 まとめ電子バンチを非破壊リアルタイムシングルショットで高分解能 EO サンプリング計測を行うための技術開発を行っている試験加速器 SCSSにおいて実験を行い EO 計測結果からシードのタイミングへフィードバックが可能になった 3 次元 EO 計測のためにファイバーバンドル分光器を用いた8ch(4ch x2) 同時計測用分光システムを開発中高時間分解能のために帯域 >350 nmの超広帯域プローブ光を開発しているまた 8ch 同時計測に必要な数 µjのパルスエネルギーを得るための増幅システムも準備中

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