高信頼性のフェムト秒増幅器がSwissFELの集中的なマルチユーザー研究プログラムを支援

Astrellaによる説明

「増幅器はすべてのユーザーに24時間完璧なパフォーマンスを提供する必要があります」。

— スチーブン・ジョンソン教授、グループリーダー、SwissFEL、PSI、スイス

 

課題

自由電子レーザ(FEL)は、長さが数百メートルもあり、マイクロ波からX線までの波長でフェムト秒単位の強いパルスを発生させる「ビッグサイエンス」の装置です。 SwissFELは、スイス北部のパウル・シェラー研究所(PSI)に設置された、X線パルスの発生に特化したFELで、 波長域は1 Å~70 Åです。 物理学、化学、バイオにおける超高速ダイナミクスを研究するためのマルチユーザー施設として、2016年から稼働しています。 ほとんどの実験は、2つのfsパルスと可変遅延を用いたポンププローブ法で行われています。 そのため、SwissFELチームは、FELからのX線プローブパルスと組み合わせてポンプとして使用するfsレーザを必要としていました。 求められたのは、特定の繰り返し周波数(100Hz)での高いパルスエネルギー、優れたビーム品質、高い信頼性でした。

ソリューション

SwissFELのスチーブン・ジョンソン教授は、「テラヘルツ波の生成など、非効率な非線形変換を行っても高いパルスエネルギーが得られるように、20ミリジュールのパルスエネルギーと高いビーム品質を求めていました。 つまり、チタンサファイア(Ti:S)増幅器です。 ただし、市販のTi:S増幅器の多くは1 kHz動作用に最適化されています。私たちのFELは100 Hzのパルスレートに設定されているので、この遅いレートに最適化された増幅器が欲しかったのです」。さらに、ジョンソン教授は信頼性が特に重要だったと指摘しています。 また、「数か月前から来訪者を予定し、わずか5日間で実験を行うという密度の濃いカレンダーを用意しています」と述べています。 増幅器はすべてのユーザーに24時間完璧なパフォーマンスを提供する必要があります。 予定外のダウンタイムは絶対に許されません。 そのため、カスタムレーザの性能と、成熟した商用レーザソースの信頼性を両立させたいと考えました」。PSIは、Coherentのウルトラファーストレーザの信頼性について経験があり、メンテナンスなどによるダウンタイムをなくすために冗長性を持たせて、100 Hzで20 mJを出力する改良型のLegend Elite増幅器を2台導入することを決定しました。

成果

ジョンソン教授は、この増幅器の信頼性は期待以上のものであると述べています。 彼はこの発言を裏付ける証拠として、SwissFELでの研究に基づいて発表された多様な論文の数々を挙げています。 これらの論文は、生物学者によるタンパク質の一過性の研究から、最終的にはより高速な電子デバイスにつながる可能性のある材料の高速偏光を研究する彼自身の研究まで、多岐にわたっています。 ただし、究極的な妥当性は、Swiss FELが(2020年に)Coherentの3台目のチタンサファイア増幅器を発注したことにあると言っても過言ではありません。

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