理研ら，FELにおける光のすり抜け現象制御に成功

理化学研究所（理研），高輝度光科学研究センター，兵庫県立大学は，自由電子レーザー（FEL）における光スリッページ現象（光が電子をすり抜けて前方へ進む現象）の観測と制御に成功した（ニュースリリース）。

FELは，加速器で生成される高エネルギー電子ビームを発振媒体とするレーザー。発振波長に原理的な制約がない一方，光スリッページ（光のすり抜け＝光が電子よりもわずかに前方へ進む現象）が短パルス化を阻害する。

研究グループは2015年，光スリッページを制御し単一サイクルFEL（発光している間に光の波が1回だけ振動する光）発振を可能とする基本原理を見いだし，この方式に基づく新たなFEL光源の実用化を目指してきた。

今回，兵庫県立大学の加速器のレーストラック型の蓄積リングに，直線部に電子ビームを24回蛇行させるための周期磁場発生装置2台（上流側をモジュレータ，下流側をラディエータと呼ぶ）と，大きく1回蛇行させるための電磁石を置き，その上流側に波長800nmの近赤外短パルスレーザー（シード光）を設置した。

蓄積リングを周回する電子ビームと同期してシード光をモジュレータに入射することで，電子ビームに周期800nmで濃淡が発生する。これがラディエータを通過する際にコヒーレント光を生成することで発振する。

コヒーレント光の波長はラディエータの磁場を調整することで離散的に選択できる。コヒーレント光を精度よく計測するためにシード光を波長的に分離する必要があるのと，高調次数の増加に伴ってコヒーレント光の強度が低下するため，実験では400nm（高調次数n=2）を選択した。

研究グループは，まず光スリッページ現象を観測するために，中空ファイバ法によって圧縮したパルス長12fsのシード光を利用してコヒーレント光を生成し，スペクトルを計測した。この結果，コヒーレント光のバンド幅が7nmであることを確認した。

次に，基本原理である光スリッページ制御を実証するために，蛇行軌道の振幅が徐々に増大し，入口と出口で11%の振幅差が生じるようにモジュレータおよびラディエータを調整し，それ以外は同じ条件でコヒーレント光を生成した。

この結果，バンド幅が20nm程度に広がっていること，すなわち，パルス長の伸長が大幅に抑制されていることを確認した。

この成果は，単一サイクルFELの実用化や，X線FEL施設を利用した，未知の超高速現象の解明に貢献するものだとしている。