JP4431723B2 - Long wavelength coherent light generator - Google Patents

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Description

本発明は、電子ビームによるコヒーレント放射光を利用した加速器関連技術に関する。   The present invention relates to an accelerator related technique using coherent radiation by an electron beam.

本発明が目的としているサブミリ波−ミリ波は、光波と電磁波との中間帯に位置し、分光測定に適した光源が少なく、研究開発の遅れた領域であった。しかし最近では、通信やイメージング技術などの分野でこの波長帯が注目され始めており、高エネルギー電子バンチから放射されるコヒーレント放射や後進波管による発振、半導体等の電流スイッチングによって放射されるミリ波−サブミリ波を利用し、めざましく研究が進んでいる。
この波長帯の光源として、特に高エネルギー電子バンチからのコヒーレント放射は、大強度で連続スペクトルが得られるために有望視されている。高周波によって加速される電子バンチは通常ガウス分布をしているが、加速勾配を細工することや、高密度による電子間の反発によって、理想的なガウス分布からずれを生じることがある。電子バンチが偏向磁石などを通過して放射光を発生するのに伴い、この分布の形状によって特徴づけられるコヒーレント放射も発生することが知られている。コヒーレント放射は、バンチ長と同程度の波長以上で強い連続スペクトルを持ち、その強度はバンチ内の電子数の2乗に比例する。そのため、バンチ長が短くてピーク密度の大きいリニアックを用いた研究が既に数件行われており、大強度のサブミリ波−ミリ波が得られている。
The submillimeter wave-millimeter wave targeted by the present invention is located in the intermediate band between the light wave and the electromagnetic wave, and there are few light sources suitable for spectroscopic measurement, and it was a region where research and development was delayed. Recently, however, this wavelength band has begun to attract attention in fields such as communication and imaging technology. Millimeter waves emitted by coherent radiation emitted from high-energy electron bunches, oscillation by backward wave tubes, and current switching of semiconductors, etc. Sub-millimeter waves are being used for remarkable research.
As a light source in this wavelength band, coherent radiation from a high-energy electron bunch is particularly promising because a continuous spectrum can be obtained with high intensity. Electron bunches accelerated by a high frequency usually have a Gaussian distribution, but there are cases where a deviation from an ideal Gaussian distribution occurs due to the crafting of the acceleration gradient or the repulsion between electrons due to high density. It is known that coherent radiation characterized by the shape of this distribution is also generated as the electron bunches pass through a deflecting magnet or the like to generate radiation. Coherent radiation has a strong continuous spectrum above the wavelength of the bunch length, and its intensity is proportional to the square of the number of electrons in the bunch. Therefore, several studies using a linac with a short bunch length and a high peak density have already been conducted, and a high-intensity submillimeter wave-millimeter wave has been obtained.

蓄積リングを利用した放射光は繰り返し周波数が大きくかつ強度が安定しているので光源としては魅力的であるが、ミリ波のような長波長域では強度がかなり小さくなる。蓄積リング自由電子レーザーにおいても同様で、近年の研究により真空紫外域から赤外域に及ぶ広帯域化が進められてはいるが(下記特許文献1、特許文献2参照)、それ以上の長波長域での発振は困難である。そこで最近では、蓄積リングを周回する電子バンチに短パルスレーザーを打ち込み、バンチ波形を変形することでコヒーレント放射を発生させる試みも報告されているが、まだ具体的な研究方針、研究装置、研究成果等をうかがい知ることができるような報告は無く、更には実用化につながるような成果等も報告されていない。
特開平06−29630号公報 特開平09−214070号公報
Synchrotron radiation using a storage ring is attractive as a light source because of its high repetition frequency and stable intensity, but the intensity is considerably reduced in a long wavelength region such as millimeter waves. The same applies to storage ring free electron lasers. Although broadband research from the vacuum ultraviolet region to the infrared region has been promoted in recent years (see Patent Document 1 and Patent Document 2 below), It is difficult to oscillate. Recently, attempts have been made to generate coherent radiation by irradiating an electron bunch around the storage ring with a short pulse laser and deforming the bunch waveform. However, there are still specific research policies, research equipment, and research results. There are no reports that can be used to find out, and there have been no reports of results that could lead to practical use.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-29630 JP 09-2104070 A

ミリジュール程度の大強度サブミリ波−ミリ波を得ることが可能なリニアックを用いたコヒーレント放射はあるが、通常のマルチバンチ運転では大きな電荷量を得づらく、パルス当たりの強度を増すためにシングルバンチ運転が必要になる。だが、リニアックでシングルバンチ運転を行うと各バンチのエネルギーやバンチ波形を精度良く均一に揃えることが困難であり、結果としてコヒーレント放射の強度が安定しない。超伝導リニアックのような特殊な装置ではマルチバンチ運転でも充分な強度を得られるが、それでも2−3%程度の強度変動が生じている。
一方、電子蓄積リングの電子バンチに短パルスレーザーを相互作用させてバンチ波形にデップ(切り欠き)を作り、コヒーレント放射によって大強度サブミリ波−ミリ波を作るという提案もある。充分な強度を得るには大強度かつ高繰り返しのレーザーが必要であり、しかも電子バンチとレーザーとを高精度で同期を取らなければならないため、現状では大強度のサブミリ波−ミリ波を供給することは困難である。しかし、蓄積リングの電子バンチを利用するため、強度の安定性は高く、放射光など他の波長の光と組み合わせた利用も可能である。
以上のような状況から、サブミリ波−ミリ波の波長帯において蓄積リングを用いた大強度で安定な光源が切望されている。
Although there is coherent radiation using a linac capable of obtaining a high intensity submillimeter wave-millimeter wave of the order of millijoules, it is difficult to obtain a large amount of charge in normal multi-bunch operation, and a single bunch to increase the intensity per pulse Driving is necessary. However, when single bunch operation is performed with a linac, it is difficult to align the energy and bunch waveform of each bunch accurately and uniformly, and as a result, the intensity of coherent radiation is not stable. A special device such as a superconducting linac can obtain a sufficient strength even in multi-bunch operation, but still has a strength fluctuation of about 2-3%.
On the other hand, there is also a proposal that a short pulse laser interacts with an electron bunch of an electron storage ring to create a dip (notch) in the bunch waveform and generate a high intensity submillimeter wave-millimeter wave by coherent radiation. In order to obtain sufficient intensity, a high-intensity and high-repetition laser is required, and the electronic bunch and the laser must be synchronized with high precision. At present, a high-intensity submillimeter-millimeter wave is supplied. It is difficult. However, since the electron bunch of the storage ring is used, the intensity is highly stable, and it can be used in combination with light of other wavelengths such as synchrotron radiation.
Under the circumstances as described above, a strong and stable light source using a storage ring in the submillimeter wave-millimeter wave wavelength band is desired.

本発明の目的は、要望に鑑み、サブミリ波−ミリ波の波長帯において蓄積リングを用いた大強度で安定な光源を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a high-intensity and stable light source using a storage ring in a submillimeter wave-millimeter wave wavelength band.

最近、蓄積リング型自由電子レーザーが発振することで、周回する電子バンチの形状に強い変形を及ぼすことが報告されている。電子蓄積リングNIJI−IVを用いた自由電子レーザー装置でも、このバンチ波形の時間変化が観測され、特にQスイッチを行ったときに強い変形が生じることが観測された。バンチ形状の変形は、バンチ長と自由電子レーザーのパルス長とによって変形を受ける長さが決められ、自由電子レーザーの強度によって変形の度合いが決められると考えられる。実際、Qスイッチを行わないマクロパルスモードでも、自由電子レーザーのパルス幅程度の波長で形状因子が自由電子レーザー発振時に2−3倍大きくなっている。これまでこのバンチ形状の変形による、電子バンチからの放射に対する考察はなされていなかったが、初めて我々のグループがミリ波の領域で強いコヒーレント放射を起こすことを指摘している。
さらに、このバンチ波形を積極的に利用できるように、長周期のウィグラーを蓄積リング内に挿入し、その自発放出光の共振波長で大きい形状因子を持つようにしてコヒーレント光を発生させ、サブミリワット程度のサブミリ波−ミリ波光源として使用することができる。
Recently, it has been reported that the storage ring-type free electron laser oscillates and strongly deforms the shape of the circulating electron bunch. Even in the free electron laser device using the electron storage ring NIJI-IV, this time change of the bunch waveform was observed, and it was observed that a strong deformation occurred particularly when the Q switch was performed. It is considered that the deformation of the bunch shape is determined by the length of the bunch and the pulse length of the free electron laser, and the degree of deformation is determined by the strength of the free electron laser. Actually, even in the macro pulse mode in which the Q switch is not performed, the form factor becomes 2-3 times larger at the time of free electron laser oscillation at the wavelength of the pulse width of the free electron laser. Until now, no consideration has been given to the emission from the electron bunch due to the deformation of the bunch shape, but for the first time, our group points out that strong coherent radiation occurs in the millimeter wave region.
Furthermore, in order to actively use this bunch waveform, a long-period wiggler is inserted into the storage ring to generate a coherent light having a large form factor at the resonance wavelength of the spontaneous emission light, and a sub milliwatt. It can be used as a submillimeter wave-millimeter wave light source.

具体的な解決手段は、
(1)電子蓄積リングに自由電子レーザー装置およびQスイッチ制御装置を設けた長波長コヒーレント光発生装置において、
前記Qスイッチ制御装置により、自由電子レーザー装置をQスイッチ法に基づいて駆動し、電子蓄積リング内の共振器内出力を高め、高い繰り返し数(例えば、10MHz程度)で電子バンチと光パルスを相互作用させてバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起させ、サブミリ波からミリ波程度の長波長のコヒーレント光を発生させることを特徴とする。
(2)上記(1)記載の長波長コヒーレント光発生装置において、自由電子レーザーのパルス長を変化させ、バンチ形状の変形を受ける長さを変化させることを特徴とする。
(3)上記(1)又は(2)記載の長波長コヒーレント光発生装置において、前記Qスイッチ制御装置により、自由電子レーザーの最大強度を変化させ、バンチ形状の変形の度合いを変化させることを特徴とする。
(4)上記(1)乃至(3)のいずれか1項記載の長波長コヒーレント光発生装置において、前記電子蓄積リングに強磁場を有するウィグラーを挿入配置し、コヒーレント放射をより効率よく発生させることを特徴とする。
The specific solution is
(1) In a long wavelength coherent light generator in which a free electron laser device and a Q switch control device are provided in an electron storage ring,
The Q-switch control device drives the free electron laser device based on the Q-switch method to increase the output in the resonator in the electron storage ring, and the electron bunches and optical pulses are mutually reciprocated at a high repetition rate (for example, about 10 MHz). It is characterized in that coherent radiation due to bunch-shaped distortion is induced to generate coherent light having a long wavelength from submillimeter wave to millimeter wave.
(2) The long-wavelength coherent light generator according to (1) is characterized in that the pulse length of the free electron laser is changed to change the length subjected to deformation of the bunch shape.
(3) In the long wavelength coherent light generator according to (1) or (2) above, the maximum intensity of the free electron laser is changed by the Q switch control device, and the degree of deformation of the bunch shape is changed. And
(4) In the long wavelength coherent light generator according to any one of the above (1) to (3), a wiggler having a strong magnetic field is inserted and arranged in the electron storage ring to generate coherent radiation more efficiently. It is characterized by.

本発明の長波長コヒーレント光発生装置は、これまで放射光施設では強い放射を得ることが難しかったサブミリ波−ミリ波の領域において、従来には無い高出力、例えばサブミリワット程度の安定したパルス光を供給できる。
これにより、この光源を利用したイメージングや分光測定に加えて、偏向磁石からの放射光のような放射光施設の他の光源と組み合わせたポンププローブ計測など、多彩で独特な応用が可能になる。
The long-wavelength coherent light generator according to the present invention is a stable pulsed light having a high output, for example, about a sub-milliwatt, which has not been available in the past, in the sub-millimeter-millimeter wave region where it has been difficult to obtain strong radiation in a synchrotron radiation facility. Can supply.
As a result, in addition to imaging and spectroscopic measurement using this light source, various and unique applications such as pump probe measurement combined with other light sources of a radiant light facility such as radiated light from a deflecting magnet become possible.

次に、本発明の実施例を説明し、本発明の効果を更に詳細に説明するが、これらの実施例は本発明を限定するものではない。
実施例:
電子蓄積リングとして産業技術総合研究所のNIJI−IVを使用し、自由電子レーザーの発振波長を300nmとする。実際の測定例を使用するため、電子ビーム特性としては真空チェンバー改修以前の値を使用し、以下の計算で使用する主なパラメータを表1に示す。
Next, examples of the present invention will be described, and the effects of the present invention will be described in more detail. However, these examples do not limit the present invention.
Example:
NIJI-IV of National Institute of Advanced Industrial Science and Technology is used as the electron storage ring, and the oscillation wavelength of the free electron laser is set to 300 nm. In order to use an actual measurement example, values before the vacuum chamber modification are used as the electron beam characteristics, and main parameters used in the following calculation are shown in Table 1.

(表1)
電子エネルギー 310MeV
電流値 7.1mA
バンチ内電子数 4.4×10
エネルギー拡がり 4.6×10−4
ダンピング時間 40ms

共振器長は14.8mとし、自由電子レーザーのミクロパルスはこの共振器間を一往復するのに99nsかかる。電流値が7.1mAの時の自由電子レーザー利得は約3.6%であり、共振器損失は約2.0%であった。自由電子レーザーはRF周波数変調によるQスイッチによってマクロパルス的に発振すると仮定する。マクロパルスの繰り返しは、自由電子レーザーパルスの充分な強度が得られるように25Hzとする。
(Table 1)
Electron energy 310MeV
Current value 7.1mA
Number of electrons in the bunch 4.4 × 10 9
Energy spread 4.6 × 10 −4
Damping time 40ms

The resonator length is 14.8 m, and it takes 99 ns for a free electron laser micropulse to make one round trip between the resonators. When the current value was 7.1 mA, the free electron laser gain was about 3.6%, and the resonator loss was about 2.0%. It is assumed that the free electron laser oscillates in a macro pulse manner by a Q switch based on RF frequency modulation. The repetition of the macro pulse is 25 Hz so that sufficient intensity of the free electron laser pulse can be obtained.

Qスイッチ運転を行うと、自由電子レーザー利得の抑制が解かれた後に自由電子レーザーミクロパルスが急激に増幅するため強度が大きくなり、電子バンチのバンチ長が増大する。そのため自由電子レーザー利得も減少して自由電子レーザー強度も急激に減少する。バンチ長はダンピング時間で特徴づけられる蓄積リングの放射減衰によって比較的ゆっくりと減少していく。
図1はRF周波数変調によるQスイッチ運転時のバンチ長の時間変化を表す図である。
図1には特性をプロットした点の近似直線を参考までに示す。
Qスイッチ運転時では自由電子レーザー強度が大きいために電子バンチとの相互作用が強く、電子バンチ波形が変形することが観測された。その波形を図2に示す。
図2はQスイッチ運転時にバンチ長が最大となった時のバンチ波形を表す図である。
この図2には面積が等価なガウス分布(図2中の点線)も示しているが、約25mmごとにバンチ波形と交差(例えば、A点)していることに気づく。この長さは、おおよそQスイッチング運転時に自由電子レーザーが存在する長さに相当している(半値全幅は24mm)。さらに、5mm程度の細かいモジュレーション(例えば、領域B)が誘起されていることも観測できた。測定系の分解能はおよそ1mmであった。Qスイッチを用いない通常のパルスモードでもこのようなバンチ波形の変形を生じるが、変形の程度は弱いことが観測されている。
When the Q-switch operation is performed, the free electron laser micropulse is rapidly amplified after the suppression of the free electron laser gain is released, so that the intensity increases and the bunch length of the electron bunch increases. As a result, the free electron laser gain also decreases and the free electron laser intensity also decreases rapidly. The bunch length decreases relatively slowly due to the radiative decay of the storage ring, which is characterized by the damping time.
FIG. 1 is a diagram showing the change over time of the bunch length during Q-switch operation by RF frequency modulation.
FIG. 1 shows an approximate straight line for plotting characteristics for reference.
It was observed that the interaction with the electron bunch was strong because the free electron laser intensity was high during Q-switch operation, and the electron bunch waveform was deformed. The waveform is shown in FIG.
FIG. 2 is a diagram showing a bunch waveform when the bunch length becomes maximum during the Q switch operation.
FIG. 2 also shows an equivalent Gaussian distribution (dotted line in FIG. 2), but notices that it intersects with the bunch waveform (for example, point A) every about 25 mm. This length roughly corresponds to the length in which the free electron laser exists during Q-switching operation (full width at half maximum is 24 mm). Furthermore, it was observed that a fine modulation of about 5 mm (for example, region B) was induced. The resolution of the measurement system was approximately 1 mm. Even in a normal pulse mode that does not use the Q switch, such deformation of the bunch waveform occurs, but it has been observed that the degree of deformation is weak.

バンチ波形の変形により、偏向磁石にてコヒーレント放射を生じさせることが期待できる。偏向磁石の真空チェンバーの内径は36*160mmであるので、カットオフ周波数は4GHz程度であり、9mm以上の波長の光は真空チェンバーから射出できないので無視して良い。Qスイッチ運転時において、バンチ長が最大となった時間について、バンチ波形から計算した形状因子(形状因子とは名前の通り、ある波長においてバンチ形状が原因で生じるコヒーレント放射の度合いを表現し、バンチ内電子の縦方向分布関数をフーリエ変換することで与えられ、0から1までの値を持つ。)を図3に示す。図3は図2に示したバンチ波形から計算された形状因子の波長依存性を示した図である。
バンチ波形の変形は、時間が経つにつれガウス分布(図2中の点線)に近づいていき、図3のように強く変形を受けているのは1ms程度である。比較のため、Qスイッチをかける直前の形状因子を図4に示しておく。図4はQスイッチをかける直前のバンチ波形から計算された形状因子の波長依存性を示した図である。
The deformation of the bunch waveform can be expected to generate coherent radiation with the deflecting magnet. Since the inside diameter of the vacuum chamber of the deflecting magnet is 36 * 160 mm, the cutoff frequency is about 4 GHz, and light with a wavelength of 9 mm or more cannot be emitted from the vacuum chamber and can be ignored. The shape factor calculated from the bunch waveform for the time when the bunch length is maximum during Q-switch operation (as the name suggests, the shape factor expresses the degree of coherent radiation caused by the bunch shape at a certain wavelength. FIG. 3 shows that the vertical distribution function of the inner electrons is given by Fourier transform and has a value from 0 to 1. FIG. 3 is a diagram showing the wavelength dependence of the shape factor calculated from the bunch waveform shown in FIG.
The deformation of the bunch waveform approaches the Gaussian distribution (dotted line in FIG. 2) as time passes, and it is about 1 ms that is strongly deformed as shown in FIG. For comparison, the form factor immediately before the Q switch is applied is shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing the wavelength dependence of the shape factor calculated from the bunch waveform immediately before applying the Q switch.

図3と図4を比較すると、Qスイッチをかける直前の形状因子は、バンチ長が短いために波長7cmを超える領域では0.01以上になり比較的大きく、波長1cm以下の領域ではなだらかに減少して10−5程度であることがわかる。一方でバンチ長が最大の時の形状因子には、波長5mmと25mm付近にピーク(C点、D点)があることがわかる。これらのピークは上述した自由電子レーザーによる電子バンチ波形の変形によってもたらされたと考えられる。真空チェンバーのカットオフがあるため、実際に観測可能なのは波長5mmのコヒーレント放射である。このとき、形状因子が10−4を超えるため、通常の放射光より大きな出力を期待できる。電流値7.1mAの場合は、リング一周に渡る波長5mmのコヒーレント放射の全放射は1%の波長幅で68mWである(形状因子を1.4´10−4で計算した)。アパーチャーを30mmに取った場合は、およそ0.27mWの出力を得ることができる。 Comparing FIG. 3 and FIG. 4, the shape factor immediately before applying the Q switch is relatively large, being 0.01 or more in the region exceeding the wavelength 7 cm due to the short bunch length, and gradually decreasing in the region having the wavelength 1 cm or less. It can be seen that it is about 10 −5 . On the other hand, it can be seen that the shape factor when the bunch length is maximum has peaks (points C and D) near wavelengths of 5 mm and 25 mm. These peaks are considered to be caused by the deformation of the electron bunch waveform by the above-described free electron laser. Due to the vacuum chamber cutoff, what is actually observable is coherent radiation with a wavelength of 5 mm. At this time, since the form factor exceeds 10 −4 , an output larger than that of normal radiation can be expected. In the case of a current value of 7.1 mA, the total radiation of the coherent radiation having a wavelength of 5 mm over the entire circumference of the ring is 68 mW with a wavelength width of 1% (the shape factor is calculated by 1.4′10 −4 ). When the aperture is set to 30 mm, an output of about 0.27 mW can be obtained.

実験で使用したQスイッチはRF周波数変調であったため、電子バンチと自由電子レーザーパルスとの同期がゆっくりとずれ、自由電子レーザーの半値全幅が24mmとかなり大きくなっていた。共振光の光量を調整するQスイッチを用いた場合には、半値全幅をその1/5程度である4−5mmまで狭めることができる(このための手段として、発明者らの特願2004−055106を用いることができる)。この場合、自由電子レーザー発振によって与えられた電子バンチ波形の変形も、同じ程度に狭いピッチになる。そこで、実験で得られた形状因子を自由電子レーザーのパルス幅の圧縮率でスケーリングし、波長1mmに対して形状因子が1.4´10−4であると仮定する。一般に放射光強度は赤外以上の長波長域では短波長になるほど増大し、波長の−4/3乗に比例する。アパーチャーを30mmに取った場合の出力はおよそ2.3mWである。また、電子バンチのバンチ長は電子エネルギーや高調波キャビティによって調整できるため、自由電子レーザーのパルス幅を調整すると、広い領域でコヒーレント放射を調整得ることができる。
コヒーレント放射の出力を効率よく得るためには、バンチ波形が自由電子レーザーによって変形を受けた後に、ウィグラーで、長波長コヒーレント光を強力にする。NIJI−IVでは短波長用光クライストロンが挿入されている直線部にはスペースがないため、ここでは図5のように反対側の直線部にウィグラーを挿入する。
Since the Q switch used in the experiment was RF frequency modulation, the synchronization between the electron bunch and the free electron laser pulse was slowly shifted, and the full width at half maximum of the free electron laser was as large as 24 mm. When a Q switch that adjusts the amount of resonance light is used, the full width at half maximum can be reduced to about 1/5, which is 4-5 mm (as a means for this, the inventors' Japanese Patent Application No. 2004-055106). Can be used). In this case, the deformation of the electron bunch waveform given by the free electron laser oscillation becomes a narrow pitch as well. Therefore, the shape factor obtained in the experiment is scaled by the compression ratio of the pulse width of the free electron laser, and it is assumed that the shape factor is 1.4′10 −4 for a wavelength of 1 mm. In general, the intensity of radiated light increases as the wavelength becomes shorter in the longer wavelength region than infrared, and is proportional to the fourth power of the wavelength. The output when the aperture is 30 mm is approximately 2.3 mW. Further, since the bunch length of the electron bunch can be adjusted by the electron energy and the harmonic cavity, the coherent radiation can be adjusted in a wide region by adjusting the pulse width of the free electron laser.
In order to efficiently obtain the output of coherent radiation, a long wavelength coherent light is strengthened by a wiggler after the bunch waveform is deformed by a free electron laser. In NIJI-IV, since there is no space in the straight line portion where the short wavelength optical klystron is inserted, a wiggler is inserted in the opposite straight line portion as shown in FIG.

図5はFEL発生装置と長波長コヒーレント光増幅のためのウィグラーを同時に蓄積リングへ挿入した概念図である。
図5において、電子蓄積リング1は、光クライストロン(ETLOK−II)2と、RF(高周波)空洞3と、長波長用ウィグラー4からなる。
自由電子レーザー装置5は、前記電子蓄積リング1、光クライストロン2及び光共振器11a及び11bによって構成され、光クライストロンを電子バンチが通過することにより自発放出光が発生し、その特定の波長の光を光共振器内にて閉じこめつつ光クライストロンによって増幅することにより、レーザー光を生起するように機能する。
Qスイッチ制御装置10は、共振器ミラー11a、共振光量調整型Qスイッチ素子12、共振器ミラー11b、高速時間応答光検出器13、Qスイッチ制御装置14からなり、その反射光学系は前記光クライストロンの光路と一致させて設ける。Qスイッチ制御装置10は、高速時間応答光検出器13の出力を取り込み、共振光量調整型Qスイッチ素子12を制御して、
FIG. 5 is a conceptual diagram in which a FEL generator and a wiggler for long-wavelength coherent light amplification are simultaneously inserted into a storage ring.
In FIG. 5, the electron storage ring 1 includes an optical klystron (ETLOK-II) 2, an RF (high frequency) cavity 3, and a long wavelength wiggler 4.
The free electron laser device 5 is composed of the electron storage ring 1, the optical klystron 2, and the optical resonators 11a and 11b, and spontaneous emission light is generated when an electron bunch passes through the optical klystron, and light having a specific wavelength. Is amplified by an optical klystron while confining in the optical resonator, thereby functioning to generate laser light.
The Q switch control device 10 includes a resonator mirror 11a, a resonance light quantity adjustment type Q switch element 12, a resonator mirror 11b, a fast time response light detector 13, and a Q switch control device 14, and its reflection optical system is the optical klystron. It is provided so as to coincide with the optical path. The Q switch control device 10 takes in the output of the high-speed time response photodetector 13 and controls the resonance light quantity adjustment type Q switch element 12,

(1)電子蓄積リング1内の共振器内出力を高め、高い繰り返し数(例えば、10MHz程度)で電子バンチと光パルスを相互作用させてバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起させ、サブミリ波からミリ波程度の長波長のコヒーレント光を発生させる。
(2)自由電子レーザーのパルス長を変化させ、バンチ形状の変形を受ける長さを変化させる。
(3)自由電子レーザーの最大強度を変化させ、バンチ形状の変形の度合いを変化させる。
ウィグラーの磁石配列は、例えば、図5のとおりである。
電子蓄積リング1に自由電子レーザー装置5及びQスイッチ制御装置10を設けた長波長コヒーレント光発生装置において、前記Qスイッチ制御装置10により自由電子レーザー装置5をQスイッチ法に基づいて駆動して共振器内出力を格段に高め、単位時間当たり高い繰り返し数で電子バンチと光パルスとを相互作用させることによりバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起する。
(1) The output in the resonator in the electron storage ring 1 is increased, and the electron bunch and the optical pulse are caused to interact at a high repetition rate (for example, about 10 MHz) to induce coherent radiation due to the bunch-shaped distortion. It generates coherent light with a wavelength as long as millimeter waves.
(2) The pulse length of the free electron laser is changed to change the length of deformation of the bunch shape.
(3) The maximum intensity of the free electron laser is changed to change the degree of deformation of the bunch shape.
The wiggler magnet arrangement is, for example, as shown in FIG.
In the long-wavelength coherent light generator in which the electron storage ring 1 is provided with the free electron laser device 5 and the Q switch control device 10, the free electron laser device 5 is driven by the Q switch control device 10 based on the Q switch method to resonate. The coherent radiation due to the distortion of the bunch shape is induced by interacting the electron bunch and the optical pulse at a high repetition rate per unit time with a significant increase in the internal power.

ここで図5に示したように、コヒーレント放射の形状因子が極大となる波長に放射光の基本波の波長を合わせたウィグラーがあると、ウィグラーにより電子の周期的な振動からの放射が干渉して、より強力なサブミリ波からミリ波程度の長波長コヒーレント光を発生させることができる。
さらに、前記Qスイッチ制御装置10によって自由電子レーザーのパルス長を変化させることで、バンチ形状の変形を受ける長さを変化させ、同時にウィグラーの共振波長を調整することで、コヒーレント放射の波長を制御できる。同様に、前記Qスイッチ制御装置10によって自由電子レーザー最大強度を変化させることで、バンチ形状の変化の度合いを調整し、発生するコヒーレント放射強度を制御することも可能である。
ウィグラーの仕様を以下の表2のように仮定する。
Here, as shown in FIG. 5, if there is a wiggler that matches the wavelength of the fundamental wave of the radiated light to the wavelength at which the form factor of coherent radiation is maximized, the wiggler interferes with radiation from periodic oscillations of electrons. Thus, it is possible to generate a stronger, long-wavelength coherent light of submillimeter wave to millimeter wave.
Furthermore, by changing the pulse length of the free electron laser by the Q switch control device 10, the length subjected to the deformation of the bunch shape is changed, and at the same time, the resonance wavelength of the wiggler is adjusted to control the wavelength of the coherent radiation. it can. Similarly, by changing the maximum intensity of the free electron laser by the Q switch control device 10, it is possible to adjust the degree of change in the bunch shape and control the intensity of the coherent radiation generated.
The wiggler specification is assumed as shown in Table 2 below.

(表2)
周期長 400mm
周期数 6
ピーク磁場 1.6T
K値 60

この場合、立体角10m×radかつエネルギー幅1%あたりのコヒーレント放射強度は17μWを見込むことができる。コヒーレント放射は電流の2乗に比例するため、電流値が20mAの時にはサブミリワットの光源になると期待できる。さらにサブミリ波の領域では、ウィグラーの周期数とK値を小さくできるため、より大きな出力を得ることが見込める。
(Table 2)
Period length 400mm
Number of cycles 6
Peak magnetic field 1.6T
K value 60

In this case, the coherent radiation intensity per solid angle of 10 m × rad 2 and energy width of 1% can be expected to be 17 μW. Since coherent radiation is proportional to the square of the current, it can be expected to be a sub-milliwatt light source when the current value is 20 mA. Further, in the submillimeter wave region, the number of wiggler periods and the K value can be reduced, so that a larger output can be expected.

RF周波数変調によるQスイッチ運転時のバンチ長の時間変化を表す図である。It is a figure showing the time change of the bunch length at the time of Q switch operation by RF frequency modulation. Qスイッチ運転時にバンチ長が最大となった時のバンチ波形を表す図である。It is a figure showing a bunch waveform when bunch length becomes the maximum at the time of Q switch operation. 図2に示したバンチ波形から計算された形状因子の波長依存性を示した図である。It is the figure which showed the wavelength dependence of the form factor calculated from the bunch waveform shown in FIG. Qスイッチをかける直前のバンチ波形から計算された形状因子の波長依存性を示した図である。It is the figure which showed the wavelength dependence of the form factor calculated from the bunch waveform just before applying Q switch. FEL発生装置と長波長コヒーレント光増幅のためのウィグラーを同時に蓄積リングへ挿入した概念図である。It is the conceptual diagram which inserted the wiggler for a FEL generator and long wavelength coherent optical amplification into the storage ring simultaneously.

符号の説明Explanation of symbols

1 電子蓄積リング
2 光クライストロン
3 RF空洞
4 長波長用ウィグラー
5 自由電子レーザー装置
10 Qスイッチ装置
11a、11b 共振器ミラー
12 共振光量調整Qスイッチ素子
13 高速時間応答光検出器
14 Qスイッチ制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electron storage ring 2 Optical klystron 3 RF cavity 4 Long wavelength wiggler 5 Free electron laser apparatus 10 Q switch apparatus 11a, 11b Resonator mirror 12 Resonance light quantity adjustment Q switch element 13 High-speed time response photodetector 14 Q switch control apparatus

Claims (4)

電子蓄積リングに自由電子レーザー装置およびQスイッチ制御装置を設けた長波長コヒー
レント光発生装置において、
前記Qスイッチ制御装置により、自由電子レーザー装置をQスイッチ法に基づいて駆動し
、電子蓄積リング内の共振器内出力を高め、電子バンチと光パルスとの相互作用を繰り返すことによって生じるバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起させ、サブミリ波からミリ波程度の長波長のコヒーレント光を発生させることを特徴とする長波長コヒーレント光発生装置。
In a long wavelength coherent light generator provided with a free electron laser device and a Q switch control device in an electron storage ring,
By the Q switch control device, a free electron laser device is driven based on the Q switch method, the output in the resonator in the electron storage ring is increased, and the bunch shape generated by repeating the interaction between the electron bunch and the optical pulse is generated. A long-wavelength coherent light generator that induces coherent radiation due to distortion and generates long-wavelength coherent light of about submillimeter waves to millimeter waves.
前記Qスイッチ制御装置により、自由電子レーザーのパルス長を変化させ、バンチ形状の
変形を受ける長さを変化させることを特徴とする請求項1記載の長波長コヒーレント光発
生装置。
The long-wavelength coherent light generator according to claim 1, wherein the Q-switch control device changes a pulse length of a free electron laser to change a length subjected to deformation of a bunch shape.
前記Qスイッチ制御装置により、自由電子レーザーの最大強度を変化させ、バンチ形状の
変形の度合いを変化させることを特徴とする請求項1又は2記載の長波長コヒーレント光
発生装置。
3. The long-wavelength coherent light generator according to claim 1, wherein the Q-switch control device changes the maximum intensity of the free electron laser to change the degree of deformation of the bunch shape.
前記電子蓄積リングに強磁場を有するウィグラーを挿入配置し、コヒーレント放射をより
効率よく発生させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の長波長コヒー
レント光発生装置。
4. The long wavelength coherent light generator according to claim 1, wherein a wiggler having a strong magnetic field is inserted and arranged in the electron storage ring to generate coherent radiation more efficiently.
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