초록 ▼

한국원자력연구소에서는 1999년 12월 28일에 세계에서 처음으로 마이크로트론이라고 하는 소형 가속기를 이용하여 원적외선 영역의 자유전자레이저를 개발하는데 성공하였다．한편， 적외선의 넓은 파장 영역에서 동작하는 고출력의 자유전자레이저를 개발하기 위한 기반 시설인 대전류 전자빔 가속 장치와 조전도 가속기를 보유 또는 개발하고 있다．
이러한 배경을 가지고 세계적인 수준의 광대역 자유전자레이저 시설 및 사용자 중심 연구실을 구죽 하고자 2000년 6월부터 국가지정연구실 사업을 주진하게 되었으며，1단계 2년 (2000년 6월~ 200

한국원자력연구소에서는 1999년 12월 28일에 세계에서 처음으로 마이크로트론이라고 하는 소형 가속기를 이용하여 원적외선 영역의 자유전자레이저를 개발하는데 성공하였다．한편， 적외선의 넓은 파장 영역에서 동작하는 고출력의 자유전자레이저를 개발하기 위한 기반 시설인 대전류 전자빔 가속 장치와 조전도 가속기를 보유 또는 개발하고 있다．
이러한 배경을 가지고 세계적인 수준의 광대역 자유전자레이저 시설 및 사용자 중심 연구실을 구죽 하고자 2000년 6월부터 국가지정연구실 사업을 주진하게 되었으며，1단계 2년 (2000년 6월~ 2002년 6월）동안 넓은 원적외선 파장영역에서 동작하는 우수한 성능의 자유전자레이저를 사용자 중심의 연구에 활용할 수 있게 개발하는 것을 주요 연구 내용으로 삼았다．참고로 2단계에서는 개발된 원적외선 자유 전자레이저를 실제로 기조 응용연구에 활용하면서，고출력 중적외선 자유전자레이저의 핵심 기술을 개 발하는 것을 주요 연구 내용으로 하고 있다．
사용자 중심의 레이저로 개발하기 위해서는 장치의 특성을 정확히 분석해야한다．원적외선은 새로운 빛의 영역이므로 상용화된 계측기나 광학물질을 찾기가 힘들다．특히，흡수율，반사율，굴절률과 같은 일반적인 특성이 잘 알려진 물질을 찾는 것도 힘들다．그러므로，우수한 성능의 계측기를 개발하였으며，사용 가능한 광학 물질의 특성을 직접 측정해서 확인하였다． 이러한 계측기와 도구를 사용해서 개발된 자유전자레이저의 출력과 분광 특성을 면밀히 살펴보는 연구를 수행하였다．그리고，레이저가 더 안정되고 우수한 특성을 가질 수 있는 방안을 모색하였다．동시에，사용자 중심의 연구가 가능하도록 레이저빔을 실험 공간까지 전송하게 하고，더 넣은 파장 영역에서 레이저가 동작하도록 마이크로트론 가속기와 레이저 발진기의 성능을 개선하는 연구를 수행하였다．한편，2단계를 대비하여 고출력 중적외선 자유전자레이저 시스템의 개념 설계를 수행하며， 핵심 장치의 사양을 결정하였다． 그리고， 2단계 개발 예정인 장치와 같이 출력이 높은 경우에 발생하는 불안정성에 관한 문제나 파장을 더욱 넓히기 위한 방안 등， 문제 해결과 성능 개선을 위한 방안도 함께 모색하여 전쳬 연구사업의 목표를 충실히 달성할 수 있도록 하였다．

Abstract ▼

The free electron laser at KAERI has been developed since 1992. The first lasing of the compact FIR FEL driven by microtron successfully achieved in December 28th, 1999, for the first time in the world. Moreover, high current electron accelerator arid superconducting RF linac have been developed for

The free electron laser at KAERI has been developed since 1992. The first lasing of the compact FIR FEL driven by microtron successfully achieved in December 28th, 1999, for the first time in the world. Moreover, high current electron accelerator arid superconducting RF linac have been developed for high power free electron laser in a wide band of IR wavelengths.
This background drives us to perform the project of National Research Laboratory from June, 2000, to establish the best user facility of “Broadband Free Electron Laser” in the world. During the first two-year stage (June, 2000
June, 2002), main subject is to develop a high-performance Free Electron Laser operating in the wide range of FIR wavelengths and to utilize for many applications and researches. In the second stage, we plan to utilize the free electron laser we developed for researches and studies in basic applications as well as to develop essential technologies needed for high power IR FELs.
To develop a laser for user, its characteristic must be rigorously analyzed. However, it is hard to find commercial detectors or optical components and materials, since FIR is a new regime in lasers. It is also difficult to find materials with known optical properties, foe example, absorption and reflection coefficients, the index of refraction. High-performance detectors or measuring system should be developed and properties of usable optical materials should be analyzed and verified. By using detectors and tools we developed, we tried
to measure lasing power arid spectrum of the FEL developed arid to find the methods to stabilize it in order to have a better performance. Meanwhile, the transport system of FIR FEL has been developed to deliver the FEL to the experimental table for users. The performance of microtron and FIR FEL should be improved for the generation in a much wider range of the wavelength.
In preparation for the second stage of the project, high power MIR FEL system is conceptually designed and main specifications is determined. We also studied the possible problems of instabilities, which is essential for high power FELs, and paid close attention on developments of the skills to expand the wavelength range and to improve and solve the problems.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발 개요...23
• 제 1 절 연구개발의 목적...23
• 제 2 절 연구개발의 필요성...23
• 제 3 절 연구개발 목표 및 범위...24
• 제 4 절 앞으로의 전망...25
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...27
• 제 1 절 국내외 자유전자레이저 발전 기술 개발 현황...27
• 제 2 절 국내외 자유전자레이저 시설 현황...29
• 제 3 절 국내외 자유전자레이저 이용 현황 ...35
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...37
• 제 1 절 KAERI 원적외선 자유전자레이저...37
• 1. 마그네트론 구동형 마이크로트론...38
• 2. Undulator...38
• 3. 광학 공진기...39
• 제 2 절 마이크로트론 전자빔 특성 및 안정화...41
• 1. 전자빔 반복률 불안정성 측정 및 안정화...41
• 2. 에너지 가변에 따른 전자빔의 특성...42
• 3. Undulator 자발방출광의 coherent 효과 측정 및 분석...43
• 제 3 절 KAERI 원적외선 자유전자레이저 발진석...45
• 1. 마이크로트론형 원적외선 자유전자레이저 발진 특성...45
• 2. 원적외선 자유전자레이저의 출력 특성 측정 및 안정화...48
• 3. 원적외선 자유전자레이저의 스펙트럼 특성 및...54
• 4. 원적외선 자유전자레이저의 공간 분포...56
• 5. 장파장에서의 Cohheent radiatton 및 고조파...57
• 제 4 절 빔 진단 및 측정 장치 설계 및 제작...59
• 1. 원적외선 레이저 선폭 측정 장치 살계 및 제작...59
• 2. 전자빔 반복을 불안정성 측정 장치...60
• 3. 광대역 고감도 원적외선 검출 장치...62
• 제 5 절 전자빔 에너지 가변 장치...65
• 1. 전자빔 에너지 가변 장치 개선 목적...65
• 2. 전자빔 에너지 가변 장치 살계 및 제작...65
• 제 6 절 원적외선 자유전자레이저 전송 장치...66
• 1. 원적외선 전송 시스템 설계...66
• 2. 원적외선 전송 효율 및 레이저빔의 공간 분포...69
• 제 7 절 고출력 중적외선 자유전자레이저 시스템 개념 설계 및 요소기술 개발...70
• 1. 중적외선 자유전자레이저 시스템 개념 설계...70
• 2. 중적외선 발진의 simulation 연구...73
• 3. 중적외선 자유전자레이저용 undulator 설계...74
• 제 8 절 자유전자레이저 성능 고도화 기술의 이론적 연구...75
• 1. 고조파 발진의 simulatton 연구...75
• 2. 고조파 발생용 undulator 설계...76
• 3. 에너지 회수형 선형가속기 (Energy recovery linac) 시스템에서의 위상차 변화에 따른 에너지 회수 성능에 관한 simulation 연구...77
• 4. Wakefield에 의한 전자빔 불안정성에 관한 simulatton 연구...78
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...81
• 제 1 절 계획대비 목표달성도...81
• 제 2 절 대표적인 성공사례...83
• 제 3 절 기타 계획하지 않은 연구성과...84
• 제 4 절 관련분야에 대한 공헌도...85
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...87
• 제 1 절 광대역 파장가변 원적외선 레이저 이용 및 이용자 구축...87
• 제 2 절 광대역 파장가변 원적외선 레이저 개발 가술의 상업화...87
• 제 3 절 Coherent Radiation 방출 특성을 이용한 파장가변 원적외선 레이저의 100-800 $\muM$영역으로의 광대역화...87
• 제 4 절 중적외선 자유전자레이저 개발...87
• 제 6 장 연구개발과정 에서 수집한 해외과학기술정보...89
• 제 7 장 참고문헌...91