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

长波长红外自由电子激光脉冲超快强激光科学研究

基本信息

批准号：
22H03881
负责人：
羽島良一
金额：
$ 11.23万
依托单位：
National Institutes for Quantum Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

京都大学的自由电子激光器（KU-FEL）可以通过选择操作条件来运行超级辐射的FEL，此时，仅产生了只有几个周期的振荡电场的超短脉冲。在2022年的研究中，KU-FEL在长波长红外（8-10μM）波长范围内产生了超短的FEL脉冲，然后浓缩在气体中，从而使用长波长红外脉冲进行了气体电离实验。另外，进行数值分析以重现该实验的结果。在KU-FEL的热阴极操作（光脉冲的重复为2856 MHz）中，当将FEL脉冲浓缩在气体中时，发射伴随着排出噪声。为了阐明排放排放的机制，我们创建了一个电离模拟代码，其中包括基本过程，例如分子激发，电离，电离电子的加热，扩散和重组，以氩气为例，并试图重现实验结果。结果，发现在实验中观察到的排放发射可以描述为沿多个脉冲进行的级联电离。数值模拟显示，当由于FEL脉冲引起的电子乘法超过脉冲之间的扩散和重组引起的电子还原时，级联电离如何与脉冲序列一起增长，并导致排放发射。实验结果，例如随着气压的增加，排放频率的增加，放电发射发生在Fel大孔的峰值附近，并且在氩气发射光谱中看到了与激发态过渡的峰，这与数值模拟的结果一致。此外，改变毒气室清洁度的实验产生了结果，这表明级联电离的种子电子是由气体中悬浮颗粒电离引起的。可以认为，当光（29.75 MHz）期间FEL脉冲集中到气体中时，没有发生放电发射的原因是由于脉冲之间的电子扩散引起。