超短パルス電子ビームについて研究を行っています。アト秒領域のパルス幅を目標として、その発生方法やパルス圧縮法、パルス幅計測方法を研究しています。
Studies of femto/atto-second electron beam generation and evaluation are carried out.
極短パルス電子ビーム発生：磁気パルス圧縮では電子ビームエネルギーの違いにより、圧縮器出口への電子ビーム到達時刻を変化させます。電子ビームのエネルギーの違い、とは、つまり、電子ビームの速度の違いを意味します。予め進行方向にエネルギー変調を行う（先頭の電子は高いエネルギーを持ち、後方の電子は低いエネルギーを持つようにする）ことにより、磁気パルス圧縮器を通過すると、出口において先頭の電子と後方の電子が、中程の電子と同一時刻に揃うことから、パルス幅を短くできることを利用しています。専門的には、磁気パルス圧縮器により軸方向位相空間分布（横軸を位相もしくは時刻、縦軸を進行方向エネルギーとする電子の分布をプロットしたグラフ）の回転を利用しています。ごく簡単には、磁気パルス圧縮器で受ける磁場はおよそ同じなので、幾分エネルギーの高い（速度の高い）電子ビームは、幾分エネルギーの低い（速度の遅い）電子ビームよりも円運動の半径が大きくなります。この結果、図のように長い距離の軌道を描くこととなります。この軌道の距離の差が、磁気パルス圧縮器を通過した後に、先行する電子に後続の電子が追いつくようなエネルギー変調を行うことで、パルス圧縮を実現しています。本装置では、フェムト秒レーザーで発生させた光電子を、加速、パルス圧縮を行い、パルス幅<20 fsの電子ビーム発生を実現しています。
Magnetic bunch compression: Arrival time of electrons at a beam port is varied by the energy of the electrons in a magnetic bunch compressor. Energy modulation in the longitudinal direction leads to rotation of phase-space distribution which enables generation of electron beam of < 20 fs.
電子ビームパルス幅計測：電子ビームのパルス幅が極めて短くなると、そのパルス幅を計測することが難しくなります。また、計測対象のパルスの幅により、計測方法を変える必要もでてきます。従って、パルス幅を正しく計測・評価する方法も開発する必要があり、様々な方法が研究され、提案されています。計測装置として購入可能なフェムト秒ストリークカメラは高価ですが、装置としてよく知られた計測装置で、数100 fs程度までならば使うことができます。より短い電子ビームパルスのパルス幅を計測するには、偏向空洞、テラヘルツストリークカメラ、EOサンプリング（Electro-optic sampling）、CTR光の自己相関を利用した方法（例えば、マイケルソン干渉計を用いたインターフェログラムの計測）等が用いられています。ここで、EOサンプリングは、電子ビームのつくる電場により、EO結晶の偏光子としての性質が、結晶に電場が印加されているときだけ複屈折性が変わる現象（ポッケルス効果）を利用して、直線偏光のレーザー光パルスの透過の偏光成分変化を計測する方法です。電子ビームパルスを光パルスに変換し、パルス幅が同一または特定の関係となる場合、この光パルスのパルス幅を計測することで、電子ビームパルス幅を計測することもできます。以下に紹介するのは、マイケルソン干渉計をつかった自己相関法と、光伝導アンテナを使ったパルス幅計測法です。
コヒーレント遷移放射（CTR）：電子ビームパルスを金属などの境界面に入射すると、CTR(coherent transition radiation)と呼ばれる光が発生します。このとき、発生する光のパルス幅は、入射した電子ビームのパルス幅と同一で、CTR光の強度は発生させた電子ビームの電荷量の自乗と線形関係にあり、また、発生する光のスペクトル（どんな色の光がどんな強度の割合となっているか）は、電子ビームのパルス幅に依存することが知られています。CTRは電子ビームのパルス幅が短くなるほど短波長、つまり、光子エネルギーの大きな光が発生する、という特徴があります。長波長側は基本的には一様ですが、検出できる波長には限度があります。図のように100 fsの電子ビームなら、0.3 mm（1 THz）程度から強度の減少が始まり120 μm（2.4 THz）程度までの光が発生します。より短い電子ビームパルスの10 fs、1 fs、100 asならば、それぞれ、12 μm、1.2 μm、120 nm程度までの光が発生します。このように、電子ビームを光に変換して、その光をパルス幅計測に用いることができます。また、短パルス光発生源として電子ビームパルスを使うこともできます。
マイケルソン干渉計によるパルス幅計測：電子ビームパルス幅測定のためのマイケルソン干渉計を構築しています。電子ビームをCTRテラヘルツパルスに変換し、CTRを2光束に分けて、再度合流させる位相差を調整して、干渉（検出電磁波の強めあい、もしくは、弱めあい）を測定します。フェムト秒電子ビームが発生する電磁波をテラヘルツ帯（遠赤外・中赤外）の周波数領域で測定することが可能です。時間と強度の関係をインターフェログラムとして計測し、パルス幅を評価します。インターフェログラムの逆フーリエ変換による周波数スペクトルとして評価することもできます。
Measurement of electron bunch length: A Michelson interferometer for bunch length measurement has been developed. Femtosecond electron beams are characterized using THz (terahertz) frequency-domain measurement.
光伝導アンテナによるパルス幅測定：フェムト秒電子ビーム測定のための大口径光伝導アンテナを開発しています。光伝導アンテナは、半導体上の金属電極間にテラヘルツ波と同期したフェムト秒レーザーを照射して、電極から得られる電流を測定することにより、テラヘルツ波の波形を検出できる素子です。また、電極間に電圧を印可すればテラヘルツ波を発生することもできます。テラヘルツ検出の応用として、フェムト秒電子ビームが発生するテラヘルツ波の時間領域測定を行っています。
Devices to detect THz pulses: Large-area photoconductive antennas (PCAs) have been developed for measurement of THz pulses generated by femtosecond electron beam. Time-domain THz measurement for electron beam has been carried out.
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