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がんまこうじょう
5 years ago
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1 レーザーコンプトン散乱装置用タイミング同期レーザー産業技術総合研究所小林洋平吉富大鳥塚健二

2 レーザーコンプトン散乱フォトカソード用レーザー電子加速器 fs X 線フォトカソード ~ 基準発振器衝突用レーザー全てのタイミング同期を取る必要があるタイミングデリバリ

3 必要なレーザー技術フォトカソード用レーザー波長カソード材料による (ERL( では ~800nm) 平均パワー繰り返しによる (ERL( では >30 W) 繰り返し (ERL( では 1.3GH GHz) パルス幅フェムト秒衝突用レーザー Ti:sapphire レーザーの CPA システムタイミング同期フェムト秒精度での異なるレーザーのタイミング同期タイミングデリバリ ~ ~ km,, ~ 20 fs

4 アウトラインコンプトン用タイミング同期実験 GHz レーザーと 119 MHz レーザーとの 5fs タイミング同期異なる波長の超高精度タイミング同期実験 Ti:sapphire レーザーと Cr:forsterite レーザーとのアト秒アト秒タイミング同期 Cr:forsterite レーザーと Er:fiber レーザーとの 3fs タイミング同期 YbYbファイバー増幅実験 100-MHz フェムト秒パルス列の 7W 7 増幅エンハンスメント共振器の可能性コンプトン散乱実験の秘密兵器になるか?

5 タイミング同期フォトカソード用レーザーと応用実験用レーザーとのタイミング同期要望は何 fs? 異なる繰り返し周波数のレーザー間の同期遠方のレーザー間の同期これらを解決する必要がある以前 FESTA と共同で行ったまさにこの用途のタイミング同期実験を紹介する

6 2.856 GHz 119MHz レーザーのタイミング同期 MHz laser PD PD BPF 24th harmonic Phase detector BPF Fundamental Stretcher MHz PZT driver SFG LF OSC PM 119MHz laser DL PM 2856MHz PZT controller D/A dt A/D Reference Voltage PD: photodiode, BPF : Bandpass filter, SFG: sum-frequency generation, LF: 400nm line filter, PM: photomultiplier, OSC: oscilloscope, DL: delay line. T. Yanagida, Y. Kobayashi, K. Maeda, S. Ito, F. Sakai, K. Torizuka, and A. Endo: Proc. SPIE 5194 (2003) 149[AIP].

7 電気の PLL 制御だけの場合相関光を用いた時間ジッター計測結果フォトダイオードによる光検出測定帯域最大 300 khz 測定帯域時間ジッター 300 khz Hz 5.7 fs 30 khz Hz 6.3 fs 3 khz 25 mhz 4.9 fs Intensity (a.u.) Intensity (a.u.) fs Delay (fs) 相互相関光のプロファイル Time (sec) 帯域 3 khz での測定結果 T. Yanagida, Y. Kobayashi, K. Maeda, S. Ito, F. Sakai, K. Torizuka, and A. Endo: Proc. SPIE 5194 (2003) 149[AIP].

8 発生したドリフトのようす Intensity (a.u.) Intensity (a.u.) Delay (fs) 掃引相互相関波形 Time (min) ドリフトの観測 5 15 min / 100 fs 原因として考えられるもの温度変化による光学定盤や RF ケーブルの伸縮位相比較器の基準参照電圧の変動 1 度で 10^-5 : 1km なら 10mm=30 ps. 10fs に抑えるためには 0.3mK 以内! タイミングデリバリの難しいポイント

9 長時間同期 (+ 相関光フィードバック ) RMS jitter < 4 fs (50 Hz サンプリング ) 同期精度を維持したまま 1 時間以上の運転が可能になった 2 台のチタンサファイアレーザーはタイミング同期できる長距離の問題は依然残る

10 Control of Ti:sapphire and Cr:forsterite laser NIST, coherent synthesis (< ms) A. Bartels, et. al. Opt. Lett. 29, 403 (2004) MIT 0.3-fs timing jitter,, phase relation observation T. Schibli et. al. Opt. Lett. 28, 947 (2003) AIST 1-fs timing jitter (2002), phase control (2003) 0.1-fs timing jitter D. Yoshitomi et. al. Opt. Lett. 30, 1408 (2005) Tight optical phase locking (>3000 s) Y. Kobayashi et. al. Opt. Lett. 30, 2496 (2005) TiS CrF 0.8μm 1.2μm λ t

11 Passively synchronized two-wavelength wavelength laser Nd:YVO4CM CrF CM SESAM CM PZT CM OC 5% CM Nd:YVO4 SH CM TiS CM 60cm CM CM CM OC 1.5% BBO SFG Intensity (a.u.) FWHM ~ 62nm Intensity (a.u.) FWHM ~ 41nm Wavelength (nm) Wavelength (nm)

12 Movie of passive synchronization Changing the cavity length by PZT, Two-wavelength laser Ch2 PD TiS PZT Ch1 PD CrF Oscilloscope How about the timing jitter?

13 Timing jitter in various observation bandwidths 1kHz BW 100kHz BW 1MHz BW passive + active rms = 63 as passive + active rms = 91 as passive + active rms = 97 as Delay (1fs/div) passive only rms = 548 as Delay (1fs/div) passive only rms = 92 as Delay (1fs/div) passive only rms = 109 as Time (s) Time (ms) Time (μs) Slow jitter (1kHz BW) was significantly reduced by by active control! ± 18 18as (10mHz 100kHz )) 126 ± as as (10mHz 1MHz) D. Yoshitomi et. al. Opt. Lett. 30, 1408 (2005)

14 光位相同期もできる Digital PD, Loop filter, PZT EOM drivers div div Amp SG Amp Amp BPF LPF RF SA Counter, VSA PMT PR CM CM CrF CM HR CM TiS HR Pol. HR HR CM HR OC TiS BBO Delay HM EOM CM CM CM CM PZT OC CrF BBO Delay BBO

15 Optical phase control RF spectrum of locked beat This work (2005) Span 1 Hz Intensity [dbm] Previous work in 2003 Span 1 MHz Span 1MHz RBW 3kHz sweep time ~0.2 sec. ave. 10 (2sec.) FWHM <RBW Relative Intensity (db) Span 1Hz RBW 600uHz FWHM ~ RBW Frequency [x10 6 Hz ] 3-kHz line width x10 6 Frequency (Hz) 600-μHz line width is limited by RBW Y. Kobayashi et. al. Opt. Lett. 30, 2496 (2005)

16 ファイバーレーザーのタイミング同期 Timing control Master clock Timing or clock delivery Mode-locked Fiber laser Precise timing control of the fiber laser is required for clock delivery in a short range application (10-km region). 10-fs timing jitter with active control was demonstrated [*] How How precise can we control the timing jitter? [*] D. D. Hudson, et. al., Opt. Lett. 31, 1951 (2006).

17 我々独自の技術 - 受動タイミング同期 master slave Pulse timing of fiber laser is passively locked to the master laser by cross-phase modulation. Intensity fluctuation of the sum frequency corresponds to the timing fluctuation.

Results -Timing synchronization Picture of master (upper) and slave (lower) pulses Tolerance of cavity mismatch Rep. Freq. (Hz) - 81.

18 Results -Timing synchronization Picture of master (upper) and slave (lower) pulses Tolerance of cavity mismatch Rep. Freq. (Hz) MHz End Mirror Position (μm) Repetition rate of fiber laser is synchronized to that of master laser. Tolerance is ~ 400 Hz.

19 Result - Timing jitter BBO PMT OSC+FFT 10 Jitter PSD (fs 2 /Hz) Frequency (Hz) rms jitter (fs) 2 Hz- 100 khz 3.7 Hz 100 khz D. Yoshitomi et. al. Opt. Lett.

20 Yb ファイバー発振器及び増幅器ーフォトカソード用レーザー YDF Yb: ファイバーレーザー発振器 Pump LD SHG >10 W 10 W@500 スケーラビィリテイー : 現状では 100W それ以上は LD とファイバーの開発が必要

21 nm のためには OPA 発振器 Yb ファイバーレーザー増幅器 Yb ファイバー OPA BBO Yb doped fiber GHz-Ti:sapphire Yb ファイバータイミング同期発振器 Pump LD SHG BBO

22 Yb ファイバー増幅器 pump LD 980nm 25W 100MHzYb ガラスレーザー発振器 λ/2 λ/4 isolator single-mode double-clad YDF DM out

23 Yb ファイバー増幅器チタンサファイアレーザーシード 100MHz 繰り返しYbファイバアンプ平均出力 7 W パルスエネルギー 70 nj パルス幅 ( 圧縮後 ) 114 fs 大沼他 2006 年秋季応用物理学会 1p-W-7

24 エンハンスメントキャビティー GHz 発振器 + 増幅器キャビティー Q=1000 なら 1000 倍のパルスエネルギー GHz 10W なら 10nJ キャビティー内では 10 μj 電子バンチ例えば T. Schibli et. al., CLEO2007 postdeadline paper

25 Mode-locked laser Time domain Femtosecond frequency comb T Δφ τ Pulse train t frequency domain δ f rep Δν frequency comb [*] f rep : repetition rate, Δν: spectrum width, δ: offset frequency f Comparable to hundred-thousand narrow cw lasers! Frequency ruler, precision measurement- Frequency, timing, clock deliveries. [*] D. J. Jones, et al., Science, 288, (2000) 635

26 Cavity mode and frequency comb frequency comb δ f rep Δν FSR f δ=0 Cavity mode f オフセット周波数と繰り返し周波数の 2 自由度をロックする必要がある

27 加速器のシステムに必要と思われるレーザー ERL Enhancement cavity 0.8ミクロン? レーザー 3 タイミング同期 ( 検出器 ) 加速用 RFアンプマスター発振器? >km ファイバーリンクタイミングデリバリフォトカソード 1ミクロン? nm? レーザー 1 タイミング同期レーザー 2 1.5ミクロン

28 現状と課題タイミング同期 fs レベル GHz- z-yb 発振器高出力 Yb ファイバーアンプタイミングデリバリー

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untitled ファイバーレーザーや固体レーザー発振器のフェムト秒タイミング同期とその応用産業技術総合研究所小林洋平ガスレーザーレーザーの種類と特徴高出力狭帯域大きい制御性エキシマ He-Ne CO2 アルゴンなど半導体レーザー小型波長可変高出力デザインできない >500fs GaAs InGaAs など固体レーザー高出力広帯域超短パルス