FEL-HHG 概念図

上の図は本プロジェクトで目指す最終形を示した概念図です。

電子加速器から供給した電子ビームを使って、中赤外自由電子レーザを発振させ、それをガスターゲットに集光して高次高調波発生によりアト秒硬X線を発生させます。

高次高調波発生では発生するX線の強度や最大光子エネルギーが励起中赤外パルスの電場波形に依存するため、電場波形を安定化するCEP安定レーザを外部から種光として打ち込むことを考えています。

現在は電子ビームの持続時間の短い常伝導加速器を用いて要素技術開発および実証実験研究を行っていますが、将来的には電子ビームを数十MHzの繰り返しでCW的に供給可能な超伝導加速器を用いることで、超高繰り返しのアト秒硬X線源が実現可能であると考えられます。

ただ、これまで中赤外自由電子レーザから発生したFELパルスの強度が不十分であるため、FELパルスを用いた高次高調波発生を観測した例はありません。

そこで、本プロジェクトではまず、京都大学エネルギー理工学研究所のKU-FELと日本大学量子科学研究所のLEBRA-FELを用いて、FELパルス強度の飛躍的な増大に向けた研究開発を行っています。

KU-FELでは、電子ビームに含まれる電子の量を増大させ、レーザ増幅率を増大させることで、電子からレーザへの変換効率を向上させると共に、パルス長を短縮し、FELパルス強度の大幅な増大を目指します。

LEBRA-FELでは、外部光蓄積共振器を用いて複数のパルスを重畳し、この光蓄積共振器から瞬間的に光を外部に取り出すことで、FELパルス強度の大幅な増大を目指します。

本プロジェクト開始前のKU-FELの最大変換効率は5.5%でしたが、本プロジェクトで装置のアップグレードを行い、電荷量を3.5倍に増やすことで、変換効率を9.4%まで向上させる事に成功しています。

また、同時に光強度を約7倍に増強することに成功している。

今後は新しい電子銃を導入し、更に電子ビームの品質を向上させることで、変換効率を更に2倍に増大させると共に、大幅な光強度の増強を計画しています。