光学レーザー特性
極短パルスで高輝度なXFELパルスを利用する実験として、ポンププローブ計測が多く行われています。それらの実験の多くでは、XFELに加えて光学レーザーが利用されます。本ページでは、SACLAに設置されている各種光学レーザーの特性について紹介します。
フェムト秒レーザーシステム
温度制御されたレーザーハッチ1（LH1）にTi:Sapphireレーザーをベースとしたチャープパルス増幅システム（CPA: Chirped Pulse Amplifier）が導入されています。このレーザーシステムは下図に示されているBL3の各実験ハッチの他、BL1での実験にも利用されます。レーザー利用条件は、使用する実験ハッチにより異なります。
いずれの実験ハッチで使用する場合にも、タイミングモニターによる相対到達時刻の計測が可能です。XFELとフェムト秒レーザーパルスの到達時刻は、光学遅延ステージ及び電気遅延回路を使用して調整します。各実験ハッチに設置した光学遅延ステージを使用する場合には、6.7 fsステップ、最大 2 nsの時間遅延が可能です。電気遅延回路を使用する場合には、1 psステップ、最大 0.9 msの時間遅延が可能です。
参考文献:
T. Togashi et. al., Appl. Sci. 10, 7934 (2020).
EH2@BL3 使用可能なフェムト秒レーザーの詳細
| 基本波 | 2倍波 | 3倍波 | 4倍波 | |
| Wavelength | 800 nm | 400 nm | 267 nm | 200 nm |
| Pulse Energy (Max.) | ~12 mJ | ~0.5 mJ | ~0.2 mJ | ~0.02 mJ |
| Pulse Duration | ~40 fs | ~30 fs | ~50 fs | |
| Rep. Rate | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz |
上記に加え、光パラメトリック増幅器（OPA: Optical Parametric Amplifier）からの光を利用可能です。使用可能な波長域は0.25-2.6 µmで、下図のようにパルスエネルギーは波長に依存します。
なお、このレーザーシステムは、XFELに対して50 fs（rms）程度の同期精度を実現しています。
EH4c@BL3 使用可能なフェムト秒レーザーの詳細
| 基本波 | 2倍波 | 3倍波 | 4倍波 | |
| Wavelength | 800 nm | 400 nm | 267 nm | 200 nm |
| Pulse Energy (Max.) | ~12 mJ | ~0.5 mJ | ~0.2 mJ | ~0.02 mJ |
| Pulse Duration | ~40 fs | ~30 fs | ~50 fs | |
| Rep. Rate | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz |
なお、このレーザーシステムは、XFELに対して50 fs（rms）程度の同期精度を実現しています。
EH4a@BL1 使用可能なフェムト秒レーザーの詳細
| 基本波 | 2倍波 | 3倍波 | 4倍波 | |
| Wavelength | 800 nm | 400 nm | 267 nm | 200 nm |
| Pulse Energy (Max.) | ~12 mJ | ~0.5 mJ | ~0.2 mJ | ~0.02 mJ |
| Pulse Duration | ~40 fs | ~30 fs | ~50 fs | |
| Rep. Rate | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz |
上記に加え、光パラメトリック増幅器（OPA: Optical Parametric Amplifier）からの光を利用可能です。使用可能な波長域は0.25-2.6 µmで、下図のようにパルスエネルギーは波長に依存します。
なお、このレーザーシステムは、XFELに対して300 fs（rms）程度の同期精度を実現しています。
ナノ秒レーザー
EH3内の温度制御されたブースに、ナノ秒レーザーシステムが導入されています。これらのナノ秒レーザーシステムは、EH3における各種実験で利用可能です。
EH3@BL2 使用可能なナノ秒レーザーの詳細
ナノ秒レーザーとして、Amplitude社製 MiniliteとEkspla社製 NT232が使用できます。
| グリーンレーザー Minilite, Continuum |
光パラメトリック発振器* NT232, Ekspla |
|
| Wavelength | 532 nm | 532 nm |
| Max. Pulse Energy | ~20 µJ | 波長に依存（下図参照） |
| Pulse Duration | 3-5 ns | 2-5 ns |
| Rep. Rate | 10 Hz | 30 Hz |
*光パラメトリック発振器（OPO: Optical Parametric Oscillator）のパルスエネルギーは波長に依存します。
ハイパワーレーザー
SACLA-SPring-8 相互利用施設に、２種類のハイパワーレーザーシステム（ハイパワーナノ秒レーザー、ハイパワーフェムト秒レーザー）が導入されています。これらのハイパワーレーザーはそれぞれ、EH5におけるハイパワーナノ秒レーザー利用実験、EH6における500TWレーザー利用実験に供されます。
これらのハイパワーレーザーを利用した実験を計画されている場合は、利用可能なレーザー条件などについて、課題申請前にXFEL利用研究推進室まで必ずお問い合わせください。
※ハイパワーナノ秒レーザー装置は、大阪大学が中心となって整備されました。
EH5@BL3 使用可能なハイパワーナノ秒レーザーの詳細
| ハイパワーナノ秒レーザー | |
| Wavelength | 532 nm |
| Pulse Energy (Max.) | >10 J （5 ns矩形波、サンプル上において） |
| Pulse Duration | 3-10 ns |
| Rep. Rate | 0.1 Hz |
EH6@BL2 使用可能なハイパワーフェムト秒レーザーの詳細
| ハイパワーフェムト秒レーザー | |
| Wavelength | 800 nm |
| Pulse Energy (Max.) | ~10 J* |
| Pulse Duration (Typ.) | ~40 fs |
| Rep. Rate | 1 Hz |
*記されているエネルギーはパルス圧縮前の値です。
Special Characteristics of Optical Lasers
Pump-probe measurements are often performed in experiments using ultra-short pulses and high-intensity XFEL pulses. Many of these experiments use optical lasers as well as XFEL. This page will introduce the characteristics of various optical lasers installed at SACLA.
Femtosecond laser system
The temperature-controlled Laser Hutch 1 (LH1) is equipped with a Ti:Sapphire laser-based Chirped Pulse Amplifier system (CPA). This laser system can be used for experiments in BL1 in addition to the BL3 experimental hutches shown in the figure below. Laser usage conditions vary depending on the experimental hutch used.
The timing monitor can measure the relative arrival time when used in any of the experimental hutches. The arrival time of the XFEL and femtosecond laser pulses are adjusted using an optical delay stage and electrical delay circuits. When using the optical delay stage installed in the experimental hutches, a time delay of up to 2 ns is possible in 6.7 fs steps. When using an electrical delay circuit, a time delay of up to 0.9 ms is possible in 1 ps steps.
References:
T. Togashi et. al., Appl. Sci. 10, 7934 (2020).
Details on the available femtosecond laser at EH2@BL3
| Fundamental Wave | 2nd Order Harmonic | 3rd Order Harmonic | 4th Order Harmonic | |
| Wavelength | 800 nm | 400 nm | 267 nm | 200 nm |
| Pulse Energy (Max.) | ~12 mJ | ~0.5 mJ | ~0.2 mJ | ~0.02 mJ |
| Pulse Duration | ~40 fs | ~30 fs | ~50 fs | |
| Rep. Rate | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz |
In addition to the above, light from the Optical Parametric Amplifier (OPA) is available. The available wavelength range is 0.25-2.6 µm, and the pulse energy depends on the wavelength as shown in the figure below.
This laser system achieves a synchronization accuracy of approximately 50 fs (rms) with respect to the XFEL.
Details on the available femtosecond laser at EH4c@BL3
| Fundamental Wave | 2nd Order Harmonic | 3rd Order Harmonic | 4th Order Harmonic | |
| Wavelength | 800 nm | 400 nm | 267 nm | 200 nm |
| Pulse Energy (Max.) | ~12 mJ | ~0.5 mJ | ~0.2 mJ | ~0.02 mJ |
| Pulse Duration | ~40 fs | ~30 fs | ~50 fs | |
| Rep. Rate | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz | 60 Hz |
This laser system achieves a synchronization accuracy of approximately 50 fs (rms) with respect to the XFEL.
Details on the available femtosecond laser at EH4a@BL1
Nanosecond laser
A nanosecond laser system has been installed inside the temperature-controlled booth at EH3. This nanosecond laser system can be used for various experiments at EH3.
Details on the available nanosecond laser at EH3@BL2
The Minilite made by Amplitude and the NT232 made by Ekspla can be used as the nano femtosecond laser.
| Green Laser Minilite, Continuum |
Optical Parametric Oscillator * NT232, Ekspla |
|
| Wavelength | 532 nm | 532 nm |
| Max. Pulse Energy | ~20 µJ | Wavelength dependent (see figure below) |
| Pulse Duration | 3-5 ns | 2-5 ns |
| Rep. Rate | 10 Hz | 30 Hz |
* The pulse energy of the Optical Parametric Oscillator (OPA) depends on the wavelength.
High-Power Laser
Two types of high-power laser systems (The high-power nanosecond laser and the high-power femtosecond laser) have been installed at the SACLA-SPring-8 mutual use facility. Both of these high-power lasers are used in high-power femtosecond laser experiemnts at EH5 and 500TW laser experiments at EH6.
If you are planning an experiment using these high-power lasers, please contact the XFEL Utilization Division for information on the available laser conditions before applying.
※ The high-power nanosecond laser equipment was developed at Osaka University.
Details on the available high-power nanosecond laser at EH5@BL3
| High-Power Nanosecond Laser | |
| Wavelength | 532 nm |
| Pulse Energy (Max.) | >10 J （10 ns rectangular wave） |
| Pulse Duration | 3-10 ns |
| Rep. Rate | 0.1 Hz |
Details on the available high-power femtosecond laser at EH6@BL2
| High-Power Femtosecond Laser | |
| Wavelength | 800 nm |
| Pulse Energy (Max.) | ~10 J* |
| Pulse Duration (Typ.) | ~40 fs |
| Rep. Rate | 1 Hz |
* The energy shown is the value before pulse compression.