広波長域自由電子レーザーによる高輝度短パルス赤外光源の開発

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本研究は、産業科学研究所のLバンド電子ライナックの高輝度な電子ビームを利用し、既存の他のレーザーの開発が特に困難な赤外の広い波長域(10〜60μm)において高輝度短パルスの自由電子レーザー(FEL)光源の基礎を確立する目的で行われた。その結果次のような成果が得られた。(1)波長10μmでの発振に必要なエネルギーの電子ビームを得るために、FETで増幅する電子銃パルサーを開発した。その結果、バーストモードでの入射が可能になった。(2)長い波長では、光共振器の内部でFELが回折して失われる。この損失を押さえるために、既存の光共振器および光輸送系を大きさに余裕を持たせるように改良した。(3)10〜60μmの波長域に対応する光学系を準備した。(4)波長30〜40μmにおいて、比較的速い応答特性を持った光検出器を用いてFELの精度良い計測を行った。最大のピーク出力は8.3MWと世界的にも最大級であることが明らかになった。またFELの利得および光共振器内での光の損失を測定した。(5)本実験で得られた増幅率および光共振器の損失をシミュレーションの結果と比較し、非常に良い一致を得た。本研究の結果、発振波長10〜60μmの広い波長域でFELが得られる高輝度パルス赤外光源の基礎が確立した。波長範囲はさらに150μmにまで広げることが可能である。このような広い波長域を満足するFEL装置は例がない。FELには、波長可変、ピコ秒短パルス、高ピーク出力、電子ビームとの同期等の特徴があり、今後この光源を利用した新しい基礎研究を推進する。