Microsoft PowerPoint 高周波電子銃提出用-冨澤

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint 高周波電子銃提出用-冨澤"

しじんがうん
7 years ago
Views:

レーザパルス形状の最適化トランスバース ( 空間 ) および時間プロファイルパルス計測技術と最適化フィードバック 3 3

1 フォトカソードレーザ光源パルスの 3D 整形技術と今後の展開レーザパルス形状 (3 次元 ) の整形技術開発を中心として冨沢宏光 (JASRI 加速器部門 ) 1 SPring-8 における RF 電子銃用レーザ光源開発の歴史 2 円筒型パルス形状レーザ源開発レーザパルス形状の最適化トランスバース ( 空間 ) および時間プロファイルパルス計測技術と最適化フィードバック 3 3 次元円筒型パルス整形のまとめ 4 レーザ光源の干渉性を利用するか殺すか? Z 偏光レーザ源開発と平面レーザ電界放出型電子銃ファイバーバンドル整形とラジアル偏光利用

2 SPring-8 RF 電子銃の歴史 1996 Study of photocathode RF guns started for the next generation photon source 1999 First beam test with YLF laser system 2001 New Ti:Sapphire laser system installed Emittance 2.3 πmm nc (pulse width: 5 ps) with homogenizing in Spatial profile (using Microlens array) Cartridge type cathode development started New gun & laser test room constructed and an accelerating structure installed Maximum field of 190 MV/m at cathode Laser was stabilized with fundamental) for 1.5 Month (Laser Oscillator itself: 0.3% p-p for 4.5 months) D-laser shaping system was completed.(pulse stacking rods) Emittance 1.4 πmm nc (pulse width: 10 ps) with 3D-Cillindlical laser pulse (Flattop SP (DM); Square TP (PS)) 2007 Axicon lens pair-hollow beam incidence system with 3Dlaser shaping was developed. Z-pol. gun was proposed.

3 フォトカソード RF 電子銃の開発の戦略地図低エミッタンスビーム生成にはレーザ高度化 (3D パルス整形 ) が必須! RF 電子銃はその要素技術であるはその要素技術である光源光源カソード RF 空胴とそこで生成された電子ビームの評価をするための極低エミッタンスの測定方法の開発が必要であるの開発が必要であるレーザ RF 空胴カソード F: 環境の安定化時 / 空プロファイル自動整形 P: 小型レーザ装置 & 最適整形テスト用単空胴電子銃実用 RF 電子銃高安定低 QE 金属カソード透過型高 QE 半導体カソード RF 電子銃システムエミッタンスモニタ極低エミッタンス測定方法の確立

4 実用に堪える高輝度電子源としてのフォトカソードには今までのような瞬間風速値としての低エミッタンス競争は改めるべきで電子生成のメカニズムの解明から根本的な考察をすべきである 1 フォトカソード用レーザ光源パルスは常に再現できること 2 光電効果には干渉性のあるレーザ光源は最適? 3 カソードでの光電効果の正確な物理モデルの構築レーザパルス形状は電子ビームバンチ形状ではないカソードの応答性とスペックルの影響を考察すべきカソードの物理の理解なくして初期条件が決定するわけもなく現状でシミュレーションと一致するほうがおかしい ( シミュレーションの収束の問題とは別に ) 4 カソードレーザ光源 RF 空胴を正確な物理的な知見から融合的に最適化すべきと思う

SPring-8 RF 電子銃用レーザ源の構成 790 nm 4nJ 20 fs 790 nm 300 ps DAZZLER 790 nm 2790 mjnm 300 2mJps 300 ps 790 nm 30 mj 790 300 nm ps 40 mj 300 ps 790 nm 790 20 mj nm 20 mj 50 40 fs fs 263 263 nm nm 850 200 uj

5 SPring-8 RF 電子銃用レーザ源の構成 790 nm 4nJ 20 fs 790 nm 300 ps DAZZLER 790 nm 2790 mjnm 300 2mJps 300 ps 790 nm 30 mj nm ps 40 mj 300 ps 790 nm mj nm 20 mj fs fs nm nm uj μj fsps Mode-locked Ti:Sapphire oscillator Stretcher Regeneration amplifier Multipass amplifier Compressor THG + Stretcher 532 nm 5W(CW ) Diode-pumped Frequency-doubled Nd:YVO4 Laser 40 mj 532 nm Q-Switched Frequency-doubled Nd:YAG Laser 140 mj 時間プロファイル整形 : 石英ロッドStretcher or SLM 空間プロファイル整形 : Microlens array or DM ps

6 円筒型レーザパルス整形システム UV- Laser source (total stability!) Laser Pulse Energy : Pointing Stability & Reproducible Timing Jitter < 1 ps Temporal Profile: Pulse duration: 2.5 ~ 20 ps Spatial Profile: Distribution: Flattop Deformable Mirror Gaussian UV- Pulse Stacker Pulse duration: 2.5 ps Pulse duration: 10 ps Diameter:1 mm DAZZLER Pulse Stacker 10 pps Deformable Mirror Deformable Mirror Flattop Streak Image of stacked pulses Pulse Stacker (3 stages)

7 3 次元的レーザパルス整形システム DAZZLER: micro pulse shaping THG UV-Pulse Stacker: macro pulse shaping Deformable mirror: transverse shaping Normal incidence to the cathode

8 レーザ源の安定化重要性信頼性のある実験データを得るために営業運転を行なう加速器用として不安定要因と対策オシレータの光共振器長 ( 光路長 ) の変化レーザ用励起光源のレーザ結晶照射位置の変化増幅器種光の入射軸変化環境安定化および機械的安定性 ( 耐温度耐振動 ) の向上オシレータのフィードバック制御ミラー等光学素子特性の経年変化結晶等の埃の焼き付きを防ぐため加湿による帯電防止

マルチバンチ対応可能な時間プロファイルの整形石英ロッドによる紫外レーザのパルス伸長入射したレーザパルスのスペクトルがまず石英の非線形分散効果により広帯域化し石英ロッドの長さに比例して伝搬中にパルス幅は伸びるレーザのエネルギーによってパルス長が異なるパルス長はパルスエネルギー依存時間プロファイル形状の調整不可石英板空間位相変調器を用いる方法

9 マルチバンチ対応可能な時間プロファイルの整形石英ロッドによる紫外レーザのパルス伸長入射したレーザパルスのスペクトルがまず石英の非線形分散効果により広帯域化し石英ロッドの長さに比例して伝搬中にパルス幅は伸びるレーザのエネルギーによってパルス長が異なるパルス長はパルスエネルギー依存時間プロファイル形状の調整不可石英板空間位相変調器を用いる方法レーザパルスのスペクトルに位相変調を与えパルス波形を自由に制御紫外レーザには非実用的赤外レーザに有効レーザパワーを 20% しか利用できず高効率高調波発生器が必要 UV-Laser Fluence [uj/cm2] パルススタッカーを用いる方法短パルスを次々に連ねて長いパルスを合成する方法パルススタッカー以降のパルス伸長を考慮した短パルスの生成が難しい調整は難しいが現状では矩形レーザパルスを生成する唯一の実用的方法

時間プロファイル整形用 SLM 比較 ~ どれもリフレッシュが必要 ~ Maker name Cyber Laser Inc.

T-UV200-300 wavelength 200 nm~ limited by gratings & optics 400 nm~ 400 nm~ 400 nm~ 350 nm~ 200~300nm

1 nm/pixel) 20% in IR depends on input bandwidth (20 nm) ~ 40% in IR depends on input bandwidth (20 nm) ~

nm) 30-50% in UV depends on shaping Damage threshold for amplified pulses (10 Hz) 1TW/cm 2 (100mJ/pulse)

(100μJ/ pulse) Operating speed 50ms 100 ms 100 ms 100 ms 500 ms 0.

10 時間プロファイル整形用 SLM 比較 ~ どれもリフレッシュが必要 ~ Maker name Cyber Laser Inc. CRI Meadlark Jenoptik Hamamatsu FASTLITE Product name SP8 test-slm SLM-128 SSP λ SLM640/12 X8267 T-UV wavelength 200 nm~ limited by gratings & optics 400 nm~ 400 nm~ 400 nm~ 350 nm~ 200~300nm transparency 99% 94% 90% 95% 90% (Reflective) 50% Total efficiency (0.1 nm/pixel) 20% in IR depends on input bandwidth (20 nm) ~ 40% in IR depends on input bandwidth (20 nm) ~ 70% in IR input bandwidth (< 26nm) ~ 70% in IR input bandwidth (< 64 nm) ~ 70% in IR input bandwidth (< 100 nm) 30-50% in UV depends on shaping Damage threshold for amplified pulses (10 Hz) 1TW/cm 2 (100mJ/pulse) 500MW/cm 2 (50μJ/ pulse) 500MW/cm 2 (50μJ/ pulse) 2 GW/cm 2 (100μJ/ pulse) 2GW/cm 2 (200μJ/ pulse) 1GW/cm 2 (100μJ/ pulse) Operating speed 50ms 100 ms 100 ms 100 ms 500 ms 0.04ms Pixel number None (No dead space) Others Whole system is packaged Only SLM Only SLM Only SLM Only SLM Whole system is packaged Fused silica type: Mechanical control Liquid crystal type Electrical addressed type AOPDF type

11 チャープパルススタッキング法カソード面で 2.5ps パルスになるよう最適のパルス長を選ぶ IN : 2 ps λ/2 Plate Pulse Doubler Unit S ( パルススタッカ及び輸送路でパルス伸長が起こるため ) S P S P S P P S 波と P 波を交互に並べることにより相互の干渉を防いでいる S P S P S P S P OUT : 20 ps 20 ps

12 UV レーザパルス (THG) の 3 次元形状 Flattop : φ0.8 mm Square pulse:10~20ps Deformable Mirror Pulse Stacker : 3 stages for 20 ps 2 stages for 10 ps

13 パルススタッカ法 - 結果パルススタッカの調整マイクロパルスがカソード面で2.5psのパルス幅になるよう DAZZLER で最適なチャープ量を与えた (DAZZLERでは微調設定が可能!) パルススタッカの調整は直接電子ビームを観測して行ったレーザ入射位相をビームエネルギー分散が大きくなる位相に調整しエネルギー分布から時間プロファイルを観る結果ほぼ理想的な矩形状の時間プロファイルを得ることに成功パルススタッカ調整中の電子ビームエネルギースペクトル左 : 分離しているマイクロパルス右 : マイクロパルスが重なって一つのパルスになる

SPring-8 RF 電子銃 - 超低エミッタンスへ Normalized Emittance [π mm mrad] 10 8 6 4 2 0 X エミッタンスの測定結果 10ps 15ps ビーム :26MeV DM

14 SPring-8 RF 電子銃 - 超低エミッタンスへ Normalized Emittance [π mm mrad] X エミッタンスの測定結果 10ps 15ps ビーム :26MeV DM によるプロファイル整形パルススタッカによる時間方向整形 20ps Charge/Bunch [nc] ビーム :3.1MeV マイクロレンズアレイによるプロファイル整形時間方向の整形なし (5ps 固定 ) 理想に近いレーザパルス形状安定なレーザ源

15 パルススタッキングロッド方式 Oscillator Dazzler 出願番号 : 特願発明者 : 冨澤宏光 (JASRI) Stretcher Amplifier Compressor THG Pulse stacker UV-pulse stacking rods 45 α-bbo UV-pulse stacking rods S P S P S P S P S P S P S P 20 ps 2.5 ps 20 mm ±0.1mm (10 ps ±50 fs) Angle of rotation 10 mm ±0.1mm (5 ps ±50 fs) mm ±0.1mm (2.5 ps ±50 fs) 17.6

16 UV パルス形状の計測フィードバックへ Oscillator Dazzler UV- & IR-DAZZLER feedback sys. Stretcher Amplifier Compressor THG Pulse stacker AOPDF SPIDER Feedback loop with Single-shot pulse characterization Courtesy of Fastlite

エミッタンスは 2πmm mrad@1nc を達成しかし Y エミッタンスは 1.

17 まとめ超低エミッタンスビーム生成を目指してレーザ源の改良を行ったレーザパルス 3 次元形状の最適化非線形空間電荷効果の少ないほぼ均一で対称な円筒形状ビームを世界で始めて実現したトランスバースプロファイル整形 : 可変形補償ミラー時間プロファイル整形 : パルススタッカ X エミッタンスは 2πmm mrad@1nc を達成しかし Y エミッタンスは 1.5 倍ほど大きい現在原因調査中レーザ源の長期安定化環境安定化および機械的安定性 ( 耐温度耐振動 ) の向上オシレータのフィードバック制御により 10 ヶ月以上の連続運転達成これによりテラワット級レーザ源を加速器用として実用運転する見通しが立った

さらなるフォトカソード発展のためにレーザような干渉性光源は光電効果に必要は本来ないはず光源としてはランプでもいいが短パルス電子ビーム生成とワーキングディスタンスを長くとる要請のためにレーザ光源を用いていると言える今一度コヒーレント光源使用の功罪を再考をすべきである 1 レーザ光のカソード面でのスペックルは熱エミッタンスを悪化しないか?

18 さらなるフォトカソード発展のためにレーザような干渉性光源は光電効果に必要は本来ないはず光源としてはランプでもいいが短パルス電子ビーム生成とワーキングディスタンスを長くとる要請のためにレーザ光源を用いていると言える今一度コヒーレント光源使用の功罪を再考をすべきである 1 レーザ光のカソード面でのスペックルは熱エミッタンスを悪化しないか? 短時間に変動すれば縦方向エミッタンスへの影響がないだろうか? スペックルキラーの必要性 ~ 皆さんも考えてみましょう ~ ファイバーバンドル整形法 2 レーザ光がコヒーレント光源であることを逆に積極的に利用できないか? 今のフォトカソード光源の使い方はレーザを有効利用しているのか? レーザ電場の積極的利用 Z 偏光 ( 極 ) 電子銃は可能?

19 ファイバーバンドル整形技術 UV ファイバーバンドルによる時空間同時プロファイル整形 ~~ エリプソイド整形 ~~ Ellipsoid ケーブルストランドマイクロレンズアレイ石英ファイバーバンドル

エリプソイド形状の整形実証試験公開番号 : 特開 2007 249059 発明の名称 :

20 エリプソイド形状の整形実証試験公開番号 : 特開発明の名称 : 光強度分布整形装置発明者 : 冨澤宏光 (JASRI) 佐々部順 ( 浜松ホトニクス ) Profile Data PC PC for control Deformable mirror and Evaluate resulting Laser Profile CCD sensor (LBA-PC) Fiber Bundle (0.5~1m) Lens Laser Light source (THG: 263nm) Deformable mirror

21 Water bag: Luiten スキーム ( エリプソイドの発展系?) フェムト秒レーザでのエリプソイドビーム生成 : フォトカソード自動的に 3 次元的に均一なエリプソイド形状のバンチに成長 Luiten, How to realize uniform 3-dimensional ellipsoidal electron bunches, Phys. Rev. Letters 93, (2004) Laser: 100 fs with parabolic transverse distribution with 1 mm radius Cornell DC gun with 500 kv, peak 5MV/m Bazarov, PRST-AB 8, (2005)

22 Z 偏光電子銃試験装置

23 ホロー集光レンズ微調ホルダー ( 真空仕様 ) Focusing hollow lens holder: NA= 0.1 Hollow lens position adjustment knob

24 ホローミラーホルダーチェンバー Hollow mirror holder (φ=20 mm) Axicon lens pair (λ/20)

25 分割位相板によるラジアル偏光生成 laser 分割波長板直線偏光ラジアル偏光 Z 偏光レーザ高電界を利用した超コンパクトマルチバンチフォトカソード電子銃の可能性出願番号 : 特願発明の名称 : 電子銃電子発生方法および偏光制御素子発明者 : 冨澤宏光 (JASRI) 小林実 ( ナノフォトン )

26 ラジアル偏光ビームの集光直線偏光ラジアル偏光 y y z z 焦点において光軸方向の電場成分が強めあう

27 各種金属カソードの仕事関数の電気陰性度依存性 1GV/m の電場が焦点で生じると仕事関数 ~2eV 程度を下げることが可能 Oscillator でも Z 偏極レーザ電場で金属カソードの仕事関数を ~2 ev 程度を下げることが可能!?

28 各種金属カソードの反射率の波長依存性

29 円環レーザビームへの変換はアキシコンレンズで行うここは超高真空中フォトカソード面入射レーザ偏光の方向円環レーザビーム

30 分割波長板方式の分割数依存性スケールバーは 790nm で 7.5μm (NA=0.1; Flattop) 分割波長板を用いてレーザを集光した場合の焦点近傍の電場強度 E 2 の分布 (a)2 分割 (b)4 分割 (c)8 分割 (d)16 分割 (e)32 分割 (f) 完全なラジアル偏光の場合

31 焦点位置での Z 偏光強度の円環比率依存性率 (Gaussian incidence) Comparison Z-polarization field dependency of R1/R0 ratio between Axicon lens pair (hollow beam generator) & simply masking central region(r1): The former is much efficient to convert to hollow beam.

32 ラジアルおよびアジマス偏光の生成 laser ZPol TM 直線偏光ラジアル偏光 (Z: 最大 ) ZPol TM laser 直線偏光アジマス偏光 (Z: ゼロ )

33 平面レーザ電界放出型電子銃透過型カソード式反射型カソード式 Z 偏光強度は波長 λ の 2 乗に反比例 Z 偏光強度はレンズの NA のほぼ 4 乗に比例 ( 焦点距離の 4 乗に反比例 )

34 まとめと考察フォトカソード表面において表面に垂直な電場を発生させることにより実効的な仕事関数を下げ従来よりも長い波長のレーザで金属カソードをドライブできる例えば銅カソードにおいては従来 288nm よりも短い波長の光源が必要であったがこの電子銃では倍波 (395nm) を光源に用いることができるまたダイアモンドを材料に用いたフォトカソードにおいては従来 226nm よりも短い波長の光源が必要であったが 3 倍波 (263nm) で可能実際には 1GV/m 以上が必要計算結果から円環ラジアル偏光レーザ (NA= % hollow ratio, inside-out Gaussian beam) を集光する場合基本波で 1.3 MW 倍波で 0.32 MW のピーク強度で 1GV/m の電場が焦点で生じ実効的な仕事関数 ~2eV 程度を下げることができる

untitled

untitled SPring-8 RFgun JASRI/SPring-8 6..7 Contents.. 3.. 5. 6. 7. 8. . 3 cavity γ E A = er 3 πε γ vb r B = v E c r c A B A ( ) F = e E + v B A A A A B dp e( v B+ E) = = m d dt dt ( γ v) dv e ( ) dt v B E v E