赤外自由電子レーザー研究センター

1. 自由電子レーザー (Free Electron Laser: FEL)の原理

電子を振動させると電磁波が発生します。その電子を光速近くまで加速すると、相対論の効果で電子から発する光は電子の進行方向に集中するとともに、ドップラー効果で波長が短くなります。このようにして得られる電磁波がいわゆる放射光(Synchrotron Radiation: 以下SRと略記)です。放射光はX線から赤外線までの広い波長領域で発生させることができるうえ、パワーが強く指向性が高いという特徴を持ちます。

【FEL装置概念図】

自由電子レーザー(Free Electron Laser: FEL)はこのSRをシード光としてレーザー発振を実現した装置です。FELの概念図を右に示します。電子銃から発せられた電子ビームを直線加速器で光速近くまで加速し、アンジュレータ(周期磁場)の中に通すと、電子ビームは周期磁場によって左右に振動します。この振動によって発生したSRと電子ビームが相互作用することで、下式を満足する特定の波長の光が増幅されます。

λs: 得られるFELの波長
λu: 周期磁場の周期長
γ: 電子ビームの加速エネルギーに比例
K: 周期磁場の磁束密度に比例

発生・増幅したSRは下流ミラーで反射して上流へ戻り、上流ミラーで再度反射して次の電子ビームと相互作用させます。これを1秒間に数千万回繰り返すことにより、SR光がミラー間に蓄積されていき、最終的には位相の揃ったレーザー光(FEL光)として取り出されます。

2. FELの特徴

FELの最大の特徴はその波長可変性です。FELでは特定のレーザー媒質を必要としないことから、他のレーザーでは得ることが困難な波長領域でも発振が可能です。また、電気エネルギーのみでレーザー光が得られるので、従来のレーザー装置のようにレーザー媒質の熱作用による出力制限がなく、大出力化が容易で連続運転性にも優れた光源であるといえます。さらに、パルス状のレーザー光を発振することができることも優れた特徴のひとつです。

3. FELの利用について

現在全世界で10を超えるFEL利用施設がありますが、その多くで赤外波長領域を発振する装置が運転されています。(世界のFEL施設・プロジェクトをまとめてあるサイトはこちら⇒外部へのリンクです。) 分子の振動準位間のエネルギー差や原子・分子の格子振動は赤外領域にあたり、分子や材料の性質を調べるうえで、この領域の光源の需要は大変高いといえます。また、特定のFEL波長を選んで分子に照射することで、ある結合を選択的に切断するという研究も報告されており、材料加工という観点からも、ナノテクノロジーやバイオテクノロジーといった先端科学技術分野においては不可欠な波長領域であるといえます。

この領域のハイパワー光源としては、これまで波長1µm領域のYAGレーザー及び10µm領域の炭酸ガスレーザーが主に使用されてきました。しかし、これらのレーザーは波長固定であり、光で生じる物理/化学変化を"制御する"という観点からは、物足りなさが否めませんでした。波長可変であるFELの最初の実用領域として赤外がターゲットとなったのは当然の流れであると考えられます。

さらに、FELはピコ秒オーダの短パルスで且つハイ・ピークパワーの光を得ることができます。格子振動で原子・分子結合を操作しようとした場合、格子振動のエネルギーが熱として散逸する(熱緩和プロセス)よりも短い時間で処理(いわゆる非熱加工)をしなければなりません。このような点からもFELの特性は非常に有用であるといえます。

下図には研究・開発・性能評価等でFELの利用が考えられる分野をまとめてみました。FELの利用範囲が多岐に渡っていることがわかります。

本センターでは国内外の学術研究者だけでなく、産業応用を志向する民間企業も広くユーザーとして受け入れています。FELの利用に興味をお持ちの方はセンター案内をご参照ください。また、利用研究、自由電子レーザーに関する技術的問合せも受け付けています。


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