Study of ultrafast intense laser science with long-wavelength infrared free-electron laser pulses

京都大学の自由電子レーザー（KU-FEL）では、運転条件を選ぶことで、超放射FELの動作が可能であり、この時、数周期の振動電場のみを含む超短光パルスが生成される。令和4年度の研究では、KU-FELにおいて、長波長赤外（8-10μm）の波長領域にて、超短FELパルスを生成し、これを気体中で集光することで、長波長赤外パルスによる気体の電離実験を行った。また、この実験結果を再現する数値解析を行った。KU-FELの熱陰極運転（光パルスの繰り返しが2856 MHz）では、FELパルスを気体中で集光した時に放電音を伴う発光が観測されていた。この放電発光のメカニズムを明らかにするため、アルゴンを例にとって、分子の励起、電離、電離電子の加熱、拡散、再結合といった素過程を含む電離シミュレーションコードを作成し、実験結果の再現を試みた。その結果、実験で観測された放電発光は、複数パルスにまたがって進展するカスケード電離として説明できることがわかった。FELパルスによる電子増倍がパルス間の拡散、再結合による電子減少を上回る時に、カスケード電離がパルス列とともに成長し放電発光に至る様子が数値シミュレーションで示された。気体圧力が大きくなるにつれて放電頻度が高くなる、FELマクロパルスのピーク前後で放電発光が起こる、アルゴンの発光スペクトルに励起状態の遷移に対応するピークが見られるといった実験結果は、数値シミュレーションの結果と矛盾しない。また、ガスチャンバーの清浄度を変えた実験から、カスケード電離の種電子が気体中の浮遊粒子の電離によることを示唆する結果を得た。光陰極運転（29.75 MHz）にてFELパルスを気体中に集光した時に放電発光が起こらないのは、パルス間の電子拡散のためであると考えてよい。

京都大学の自由電子レーザー（KU-FEL）では、運転条件を選ぶことで、超放射FELの動作が可能であり、この時、数周期の振動電場のみを含む超短光パルスが生成される。令和4年度の研究では、KU-FELにおいて、長波長赤外（8-10μm）の波長領域にて、超短FELパルスを生成し、これを気体中で集光することで、長波長赤外パルスによる気体の電離実験を行った。また、この実験結果を再現する数値解析を行った。KU-FELの熱陰極運転（光パルスの繰り返しが2856 MHz）では、FELパルスを気体中で集光した時に放電音を伴う発光が観測されていた。この放電発光のメカニズムを明らかにするため、アルゴンを例にとって、分子の励起、電離、電離電子の加熱、拡散、再結合といった素過程を含む電離シミュレーションコードを作成し、実験結果の再現を試みた。その結果、実験で観測された放電発光は、複数パルスにまたがって進展するカスケード電離として説明できることがわかった。FELパルスによる電子増倍がパルス間の拡散、再結合による電子減少を上回る時に、カスケード電離がパルス列とともに成長し放電発光に至る様子が数値シミュレーションで示された。気体圧力が大きくなるにつれて放電頻度が高くなる、FELマクロパルスのピーク前後で放電発光が起こる、アルゴンの発光スペクトルに励起状態の遷移に対応するピークが見られるといった実験結果は、数値シミュレーションの結果と矛盾しない。また、ガスチャンバーの清浄度を変えた実験から、カスケード電離の種電子が気体中の浮遊粒子の電離によることを示唆する結果を得た。光陰極運転（29.75 MHz）にてFELパルスを気体中に集光した時に放電発光が起こらないのは、パルス間の電子拡散のためであると考えてよい。