(57)【要約】【課題】  簡便に電子ビームの高品質化を図ることができる電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生方法を提供する。【解決手段】  本発明の一態様にかかる電子銃１００は、レーザ光が入射してきた方向に向けて電子を放出する電子銃であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光が入射し、入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材と、前記導光部材から出射した光を屈折する中空のレンズと、前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備えるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光が入射してきた方向に向けて電子を放出する電子銃であって、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光が入射し、入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材と、
前記導光部材から出射した光を屈折する中空のレンズと、
前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備える電子銃。
【請求項２】
前記導光部材が、光の偏波面を保ちながら伝播する偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルを有し、
前記導光部材の出射端面における前記偏光保存軸の方向が、出射位置に応じて異なっていることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
前記偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっていることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
【請求項４】
前記偏光保存軸の方向が、放射状になっていることを特徴とする請求項２、又は３に記載の電子銃。
【請求項５】
前記導光部材を出射するレーザ光が全体としてラジアル方向に偏光するように、前記偏波面保存軸が配置されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電子銃。
【請求項６】
前記導光部材の内側に金属パイプが設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子銃。
【請求項７】
前記金属パイプが電子をその阻止能で止められる厚さになっていることを特徴とする請求項６に記載の電子銃。
【請求項８】
前記金属パイプが厚さ５ｍｍ以上の銅によって形成されることを特徴とする請求項６、又は７に記載の電子銃。
【請求項９】
前記レンズが、中空のアキシコンレンズであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電子銃。
【請求項１０】
前記レーザ光源と前記導光部材との間に、前記レーザ光源からのレーザ光を円環ビームにする円環ビーム生成手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電子銃。
【請求項１１】
前記レンズの中空部分に、金属パイプが設けられている請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電子銃。
【請求項１２】
前記レーザ光を前記導光部材の方向に反射する中空ミラーを備え、
前記中空ミラーが、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成されている請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電子銃。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の電子銃を備え、
前記電子銃で発生した電子ビームが前記レンズ、及び導光部材の中空部分を通過して、試料に入射する電子顕微鏡。
【請求項１４】
フォトカソードから放出された電子ビームを試料に入射する電子顕微鏡であって、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、
前記レーザ光源から前記偏光変換素子を介して入射したレーザ光を屈折する中空のレンズと、
前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備える電子顕微鏡。
【請求項１５】
前記偏光変換素子が、レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように変換する請求項１４に記載の電子顕微鏡。
【請求項１６】
フォトカソードに光を照射して、電子を発生させる電子発生方法であって、
入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材に光を入射させるステップと、
前記導光部材から出射した光を中空のレンズによって屈折させるステップと、
前記レンズで屈折した光を、フォトカソードに入射させるステップと、を備える電子発生方法。
【請求項１７】
前記導光部材が、光の偏波面を保ちながら伝播する偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルを有し、
前記導光部材の出射端面における前記偏光保存軸の方向が、出射位置に応じて異なっていることを特徴とする請求項１６に記載の電子発生方法。
【請求項１８】
前記偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっていることを特徴とする請求項１７に記載の電子発生方法。
【請求項１９】
前記偏光保存軸の方向が、放射状になっていることを特徴とする請求項１６、又は１７に記載の電子発生方法。
【請求項２０】
前記導光部材を出射するレーザ光が全体としてラジアル方向に偏光するように、前記偏波面保存軸が配置されていることを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の電子発生方法。
【請求項２１】
前記導光部材の内側に金属パイプが設けられていることを特徴とする請求項１６乃至２０のいずれか１項に記載の電子発生方法。
【請求項２２】
前記金属パイプが電子をその阻止能で止められる厚さになっていることを特徴とする請求項２１に記載の電子発生方法。
【請求項２３】
前記金属パイプが厚さ５ｍｍ以上の銅によって形成されることを特徴とする請求項２１、又は２２に記載の電子発生方法。
【請求項２４】
前記レンズが、中空のアキシコンレンズであることを特徴とする請求項１６乃至２３のいずれか１項に記載の電子発生方法。
【請求項２５】
前記導光部材に入射する光が、円環状の光ビームになっていることを特徴とする請求項１６乃至２４のいずれか１項に記載の電子発生方法。
【請求項２６】
前記レンズの中空部分に、金属パイプが設けられている請求項１６乃至２５のいずれか１項に記載の電子発生方法。
【請求項２７】
前記レーザ光を中空ミラーによって、前記導光部材の方向に反射し、
前記中空ミラーが、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成されている請求項１６乃至２６のいずれか１項に記載の電子発生方法。
【請求項２８】
ガラス基板の一面を除いた全面を金属粘土で覆うステップと、
前記金属粘土中のつなぎ材を取り除くステップと、を備える中空ミラーの製造方法。
【請求項２９】
ガラス基板に貫通穴を設けるステップと、
前記貫通穴を有するガラス基板の全面に金属薄膜を形成するステップと、を備える中空ミラーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生方法に関し、特に詳しくはフォトカソードを用いた電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡、Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）、逆コンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線パルス光源、高繰り返しフェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）などの電子源として、電子銃が用いられている。例えば、電子顕微鏡の性能は、電子銃に応じて変化する。例えば、電子顕微鏡の空間分解能は、電子銃で発生する電子ビームのエミッタンス等によって変化する。また、電子顕微鏡の繰り返し周波数は、電子ビームの繰り返し周波数に応じて変化する。従って、電子顕微鏡の性能を向上するためには、電子銃から放出される電子ビームを高品質化することが必要となる。
【０００３】
電子銃を電子放出の観点から分類すると、熱カソード電子銃、フォトカソード電子銃、及び電界放出型電子銃の３種類に分かれる。熱カソード電子銃は熱エネルギーにより電子放出を行う。フォトカソード電子銃は光電効果によって電子放出を行う。電界放出型電子銃は、高電界（１ＧＶ／ｍ以上）をカソードに印加することで電子を放出する。また、電子銃を電子加速方式から分類すると、ＲＦ電子銃と、ＤＣ電子銃の２つに分かれる。ＲＦ電子銃は、共振器空胴の助けを借りてマイクロ波（ＲＦ）により電子を加速する。ＤＣ電子銃は、対向する電極間に電圧を印加してＤＣ的（場合によりインパルス的）に電子を加速する。ビーム電流が大きい場合、フォトカソードとＲＦ加速方式の組み合わせ、並びに、熱カソードとＤＣ加速方式の組み合わせが一般的である。これは、両者の性質を合わせられるので相性がよいためである。また、電子ビームの重要な特性として、エミッタンスや輝度等が挙げられる。従って、低エミッタンスで高輝度な高品質電子ビームを安定して発生させることができる電子銃の開発が望まれている。
【０００４】
フォトカソードＲＦ電子銃は、熱カソードＤＣ電子銃、及び電界放出型電子銃に比べて、（１）低エミッタンス化が可能であること、（２）光源の強度を制御することで容易に電子ビームの輝度を調整することができるため、制御性に優れていること、などの利点を有している。現在、世界最高輝度のパルス電子ビームは、フォトカソード電子銃により得られている。フォトカソード電子銃では、フォトカソードにレーザ光を照射して、電子を発生させている。
【０００５】
フォトカソード電子銃を用いる場合、レーザ光のパルスを整形することによって、電子バンチを所望の形状にすることができる。すなわち、パルス形状を整形することで、電子ビームの高品質化を図ることができる。このため、レーザ光のパルスを所望の形状に整形することが望まれている。例えば、パルススタッカーを用いてレーザ光を円筒形状に整形する技術が開示されている（非特許文献１）。ここで、パルススタッカーは、波長板と偏光ビームスプリッタで構成されている（非特許文献２）。そして、偏光ビームスプリッタキューブにより、各偏光成分（Ｓ偏光とＰ偏光）に分岐する。そして、分岐されたパルス光に光路長差を与えて、合成用の偏光ビームスプリッタで合成する。上記の文献では、３段分のスタックを用いているため、８つの分岐パルス光が重ね合わされている。このようなパルススタッカーでは、例えば、縦方向（光軸と平行方向）に関するパルス整形が可能になる。すなわち、分岐されたパルスレーザ光に与える光路長を調整することによって、縦方向に関してパルスを整形することができる。さらに、特許文献１に示すようなパルスレーザ光を用いた加工方法において、加工形状を制御するため、パルス光を所望の形状に整形することが望まれている。
【０００６】
パルスを整形する場合、実際に測定されたパルス形状に基づいて調整が行われる。レーザ光のパルス形状を測定する場合には、横方向（光軸と垂直な方向）のパルス形状は、例えば、ビームプロファイラーやＣＣＤカメラなどで測定することができる。また、縦方向のパルス形状は、例えば、ストリークカメラなどで測定することができる。
【０００７】
高調波で作る短パルス紫外レーザ光は、一般的に空間的に不均一である。すなわち、光の進行方向と垂直な面における分布が不均一になっている。また、レーザ光には、干渉性があるため、細かいノイズが電子ビームのプロファイルに表れてしまう。非特許文献１では、空間分布を均一にするため、補償ミラーが利用されている。
【０００８】
補償ミラーは、可変形ミラー（ＤＭ：Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ  Ｍｉｒｒｏｒ）であり、例えば、ミラーの表面（反射面）形状を変更するために複数の電極（チャンネル）を有している。そして、それぞれの電極に印加する電圧を調整することにより、波面の形状が変化する。ミラーの表面形状を遺伝的アルゴリズム等の援用により最適化制御することにより、光学系の波面の補正や、反射ビームの方向、形状を制御できる。
【０００９】
【非特許文献１】冨澤宏光「加速器の要求に堪えるレーザ光源を目指して〜フォトカソードＲＦ電子銃用レーザ光源開発〜」加速器Ｖｏｌ３，Ｎｏ３，２００６（２５１−２６２）
【非特許文献２】株式会社ルミネックスホームページ[平成２０年６月１６日検索]、インターネット〈http://www.luminex.co.jp/〉パルススタッカーキット
【特許文献１】特開２００２−２０５１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１の方法では、制御が煩雑になってしまうおそれがある。例えば、最適化アルゴリズムなどを用いて、補償ミラーの各電極に印加する電圧を求めている。すなわち、補償ミラーを制御するために、自動最適化プログラムを作成する。さらに、自動最適化プログラムで最適化した電圧を、例えば、遺伝的アルゴリズムなどの最適化アルゴリズムに基づいて、各電極に供給するための構成が必要になってしまう。また、厳密な意味での再現性が難しい。よって、電子ビームを高品質化するための制御が煩雑になってしまうおそれがある。
【００１１】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、簡便に電子ビームの高品質化を図ることができる電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様にかかる電子銃は、レーザ光が入射してきた方向に向けて電子を放出する電子銃であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光が入射し、入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材と、前記導光部材から出射した光を屈折する中空のレンズと、前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備えるものである。これにより、フォトカソード上での光の空間分布を均一化することができる。よって、低エミッタンスの電子ビームを得ることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記導光部材が、光の偏波面を保ちながら伝播する偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルを有し、前記導光部材の出射端面における前記偏光保存軸の方向が、出射位置に応じて異なっていることを特徴とするものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００１４】
本発明の第３の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっていることを特徴とするものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００１５】
本発明の第４の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記偏光保存軸の方向が、放射状になっていることを特徴とするものである。これにより、カソード表面において、Ｚ方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００１６】
本発明の第５の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記導光部材を出射するレーザ光が全体としてラジアル方向に偏光するように、前記偏波面保存軸が配置されていることを特徴とするものである。これにより、カソード表面において、Ｚ方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００１７】
本発明の第６の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記導光部材の内側に金属パイプが設けられていることを特徴とするものである。これにより、電子ビームなどの放射線によって、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
【００１８】
本発明の第７の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記金属パイプが電子をその阻止能で止められる厚さになっていることを特徴とするものである。これにより、電子ビームなどの放射線によって、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
【００１９】
本発明の第８の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記金属パイプが厚さ５ｍｍ以上の銅によって形成されることを特徴とするものである。これにより、電子ビームなどの放射線によって、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
【００２０】
本発明の第９の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記レンズが、中空のアキシコンレンズであることを特徴とするものである。これにより、焦点深度を深くすることができ、空間分布をより均一にすることができる。
【００２１】
本発明の第１０の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記レーザ光源と前記導光部材との間に、前記レーザ光源からのレーザ光を円環ビームにする円環ビーム生成手段が設けられていることを特徴とするものである。これにより、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
【００２２】
本発明の第１１の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記レンズの中空部分に、金属パイプが設けられているものである。これにより、レンズが着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
【００２３】
本発明の第１２の態様にかかる電子銃は、上記の電子銃であって、前記レーザ光を前記導光部材の方向に反射する中空ミラーを備え、前記中空ミラーが、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成されているものである。これにより、安定して電子ビームを輸送することができる。
【００２４】
本発明の第１３の態様にかかる電子顕微鏡は、上記の電子銃を備え、前記電子銃で発生した電子ビームが前記レンズ、及び導光部材の中空部分を通過して、試料に入射するものである。これにより、電子ビームを効率よく搬送することができ、空間分解能を向上することができる。
【００２５】
本発明の第１４の態様にかかる電子銃は、フォトカソードから放出された電子ビームを試料に入射する電子顕微鏡であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、前記レーザ光源から前記偏光変換素子を介して入射したレーザ光を屈折するレンズと、前記レンズによって屈折されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備えるものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００２６】
本発明の第１５の態様にかかる電子顕微鏡は、上記の電子顕微鏡であって、前記偏光変換素子が、レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように変換するものである。これにより、カソード表面において、Ｚ方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００２７】
本発明の第１６の態様にかかる電子発生方法は、フォトカソードに光を照射して、電子を発生させる電子発生方法であって、入射光が全反射を繰り返しながら内部を伝播する中空の導光部材に光を入射させるステップと、前記導光部材から出射した光を中空のレンズによって屈折させるステップと、前記レンズで屈折した光を、フォトカソードに入射させるステップと、を備えるものである。これにより、フォトカソード上での光の空間分布を均一化することができる。よって、低エミッタンスの電子ビームを得ることができる。
【００２８】
本発明の第１７の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記導光部材が、光の偏波面を保ちながら伝播する偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルを有し、前記導光部材の出射端面における前記偏光保存軸の方向が、出射位置に応じて異なっていることを特徴とするものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００２９】
本発明の第１８の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっていることを特徴とするものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００３０】
本発明の第１９の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記偏光保存軸の方向が、放射状になっていることを特徴とするものである。これにより、カソード表面において、Ｚ方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００３１】
本発明の第２０の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記導光部材を出射するレーザ光が全体としてラジアル方向に偏光するように、前記偏波面保存軸が配置されていることを特徴とするものである。これにより、カソード表面において、Ｚ方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００３２】
本発明の第２１の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記導光部材の内側に金属パイプが設けられていることを特徴とするものである。これにより、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
【００３３】
本発明の第２２の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記金属パイプが電子をその阻止能で止められる厚さになっていることを特徴とするものである。これにより、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
【００３４】
本発明の第２３の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記金属パイプが厚さ５ｍｍ以上の銅によって形成されることを特徴とするものである。これにより、導光部材が着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
【００３５】
本発明の第２４の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記レンズが、中空のアキシコンレンズであることを特徴とするものである。これにより、焦点深度を深くすることができ、空間分布をより均一にすることができる。
【００３６】
本発明の第２５の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記導光部材に入射する光が、円環状の光ビームになっていることを特徴とするものである。これにより、電子ビームを効率よく搬送することができる。
【００３７】
本発明の第２６の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記レンズの中空部分に、金属パイプが設けられているものである。これにより、レンズが着色するのを防ぐことができる。よって、効率よくレーザ光を伝播させることができる。
前記レーザ光を中空ミラーによって、前記導光部材の方向に反射し、
【００３８】
本発明の第２７の態様にかかる電子発生方法は、上述の電子発生方法であって、前記中空ミラーが、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成されているものである。これにより、安定して電子ビームを輸送することができる。
【００３９】
本発明の第２８の態様にかかる中空ミラーの製造方法は、ガラス基板の一面を除いた全面を金属粘土で覆うステップと、前記金属粘土中のつなぎ材を取り除くステップと、を備えるものである。これにより、電子ビームの経路中に配置することができる中空ミラーを簡便に製造することができる。
本発明の第２９の態様にかかる中空ミラーの製造方法は、ガラス基板に貫通穴を設けるステップと、前記貫通穴が設けられたガラス基板の全面に金属薄膜を形成するステップと、を備えるものである。これにより、電子ビームの経路中に配置することができる中空ミラーを簡便に製造することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、簡便に電子ビームの高品質化を図ることができる電子銃、電子顕微鏡、及び電子発生方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００４２】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかる電子銃について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１にかかる電子銃１００の構成を模式的に示す図である。本実施の形態にかかる電子銃１００は、レーザ光５０がカソードに入射することによって、電子を発生するフォトカソード電子銃である。そして、電子銃１００で発生した電子ビーム６０は、マイクロ波源３１からのマイクロ波によって加速される。なお、本実施の形態にかかる電子銃１００は、反射型のフォトカソードを有している。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。従って、フォトカソード２５からは、レーザ光５０が入射してきた方向に向けて電子が放出する。
【００４３】
電子銃１００は、レーザ光源１１、アキシコンレンズ１３、アキシコンレンズ１４、ミラー２１、導光部材２２、レンズ２３、共振器２４、フォトカソード２５、マイクロ波源３１を有している。なお、ミラー２１、導光部材２２、レンズ２３、共振器２４、フォトカソード２５が真空チャンバー２０内に配設されている。従って、ミラー２１、導光部材２２、レンズ２３、共振器２４、フォトカソード２５は超高真空中に配置されている。
【００４４】
レーザ光源１１は、直線偏光のレーザ光５０を出射する。レーザ光源１１としては、例えば、再生増幅器付きのＴｉ：ＳａｐｐｈｉｒｅレーザやＹＡＧレーザを用いることができる。たとえば、ＹＡＧレーザの第４高調波やチタンサファイアレーザの第３高調波を用いることができる。もちろん、使用するレーザ光源１１、及びレーザ波長は特に限定されるものではなく、フォトカソード２５の仕事関数等に応じて選択することができる。レーザ光源１１からはパルス光が出射する。なお、パルススタッカーを用いて、レーザ光源１１からのパルス光のパルス幅を伸長してもよい。
【００４５】
レーザ光源１１からの光ビームは、平行光束となって、１対のアキシコンレンズ１３、１４に入射する。アキシコンレンズ１３、１４は、円錐形状になっている。レーザ光５０は、１対のアキシコンレンズ１３、１４によって屈折され、輪状のビームに変換される。すなわち、アキシコンレンズ１４から出射したレーザ光５０の断面は、中空のリング状になっている。このように、１対のアキシコンレンズ１３、１４は、レーザ光５０から円環ビームを生成する。アキシコンレンズ１４からは、平行な光束が出射する。なお、１対のアキシコンレンズ１３、１４以外の構成で円環ビームを生成してもよい。例えば、１つのアキシコンレンズと１つの球面レンズとによって、円環ビームを生成することができる。このように、１枚以上のアキシコンレンズを用いることで、レーザ光強度の低下を防ぐことができる。あるいは、リング状のスリット（輪帯）を用いてもよい。このように、レーザ光源１１からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段を設けることによって、レーザ光５０を効率よく利用することができる。また、円環ビーム変換手段は、大気中に設けることが好ましい。
【００４６】
アキシコンレンズ１４からのレーザ光５０は、ミラー２１に入射する。ミラー２１は、レーザ光５０の光軸に対して４５°傾斜している。従って、ミラー２１は、レーザ光５０を、フォトカソード２５の方向に反射する。ミラー２１からのレーザ光５０は、導光部材２２に入射する。ミラー２１は、電子ビーム６０を通過するため、中空になっている。
【００４７】
導光部材２２は、屈折率の高い透明部材である。従って、導光部材２２に入射したレーザ光は、導光部材２２の内部で全反射を繰り返して伝播していく。これにより、光の空間分布を均一化することができ、例えば、電子ビームをフラットトップ形状にすることができる。また、導光部材２２は、電子ビーム６０を通過するため、中空になっている。すなわち、導光部材２２の断面は、リング状になっている。導光部材２２としては、円環カレイドスコープや、複数のファイバを束ねたファイバーバンドルを用いることができる。導光部材２２をビームホモジナイザーとして用いることで、プロファイルを均一化することができる。なお、導光部材２２の構成については、後述する。
【００４８】
導光部材２２から出射したレーザ光５０は、レンズ２３に入射する。レンズ２３は、中空のアキシコンレンズである。アキシコンレンズを用いることで、ベッセルビーム整形することができる。よって、焦点深度が深くなり、フォトカソード２５上での空間プロファイルを均一化することができる。レーザ光５０は、レンズ２３によって屈折され、フォトカソード２５に入射する。すなわち、レンズ２３は、レーザ光５０を集光して、フォトカソード２５に照射する。レンズ２３は、光軸上にレーザ光５０を集光する。フォトカソード２５は、レンズ２３によるレーザ光のクロッシングポイントに配置されている。すなわち、円環状の光ビームが光ビームの光軸上に集束する。この集束位置で、光ビームのスポットが最小となる。そして、この集束位置に、フォトカソード２５が配置されている。
【００４９】
ミラー２１、導光部材２２、及びレンズ２３は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。すなわち、電子ビームの経路に沿った貫通穴が開けられることで、ミラー２１、導光部材２２、及びレンズ２３が中空になっている。そして、ミラー２１、導光部材２２、及びレンズ２３の中空部分となる貫通穴を電子ビームが通過する。ここでは、中空部分の断面が円形になっている。そして、中空部分の中心が、レーザ光５０の光軸、及び電子ビーム６０の光軸と一致している。また、アキシコンレンズ１３、１４によって、レーザ光５０が輪状になっている。このため、中空のミラー２１、導光部材２２、及びレンズ２３を用いた場合でも、レーザ光のほとんどがフォトカソード２５に入射する。換言すると、ミラー２１、及びレンズ２３は、輪状のレーザ光５０に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光５０は、ミラー２１、及びレンズ２３の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光５０のほとんどがフォトカソード２５に入射する。従って、レーザ光５０の利用効率の低下を防ぐことができる。なお、中空部分の断面形状は、円形に限られるものではなく。すなわち、電子ビーム６０を通過できるものであればよい。例えば、中空部分の断面形状を矩形状にしてもよい。
【００５０】
レンズ２３を通過したレーザ光５０は、共振器２４の開口部に入射する。レーザ光５０を共振器２４の空胴部分を通過して、フォトカソード２５に入射する。レーザ光５０は、レンズ２３によって、フォトカソード２５の表面に集光されている。すなわち、レンズ２３の焦点位置にフォトカソード２５の表面が配置されている。従って、レーザ光５０の集光点は、フォトカソード２５の表面となる。フォトカソード２５にレーザ光５０が入射すると、光電効果によって、電子が発生する。なお、レーザ光５０の光軸は、フォトカソード２５の表面と垂直になっている。すなわち、ミラー２１はフォトカソード２５に対して４５°傾斜している。
【００５１】
フォトカソード２５としては、金や銅やマグネシウムなどの金属カソードを用いることができる。また、フォトカソード２５の材料として、ダイアモンドなどを用いてもよい。さらには、ＣＳ２ＴｅやＮａ２ＫＳｂ等をフォトカソード２５として用いてもよい。もちろん、フォトカソード２５の材料は特に限定されるものではない。
【００５２】
共振器２４には、マイクロ波源３１で発生したマイクロ波が入射されている。共振器２４は、空胴共振器であり、入力されたマイクロ波に応じた定在波を発生する。すなわち、ＲＦ共振器である共振器２４には、フォトカソード２５で発生した電子を加速するための電場が発生している。フォトカソード２５で発生した電子は、共振器２４内の電場で加速される。すなわち、所定の速度の電子ビーム６０となって共振器２４から出射する。ここでは、共振器２４で発生する定在波に応じて、レーザ光パルスのタイミングを調整する。すなわち、マイクロ波源３１からのマイクロ波とレーザ光のパルスを同期させる。これにより、共振器２４内に加速電場が生じているタイミングで、フォトカソード２５から電子が発生する。従って、電子ビーム６０が効率よく加速される。そして、加速された電子ビーム６０は、ミラー２１、導光部材２２、及びレンズ２３の中空部分を通過する。これにより、電子ビーム６０に対して外乱が生じるのを防ぐことができる。すなわち、電子ビーム６０がミラー２１や導光部材２２やレンズ２３などの構造物を通過しなくなる。ミラー２１、導光部材２２、及びレンズ２３が電子ビーム６０と干渉しない。このため、電子ビーム６０の品質の劣化を防ぐことができる。
【００５３】
次に、導光部材２２の構成について、図２を用いて説明する。図２は、導光部材２２の構成を示す図であり、図２（ａ）が導光部材２２の正面図を示し、図２（ｂ）が導光部材２２の側面断面図を示している。なお、図２において、Ｚ方向がレーザ光５０の伝播方向を示し、Ｘ方向及びＹ方向がＺ方向と垂直な方向になっている。すなわち、Ｚ方向がレーザ光５０の光軸と平行になっており、ＸＹ平面が光軸と垂直な平面になっている。Ｘ方向、及びＹ方向は互いに直交する方向である。
【００５４】
図２（ａ）に示すように、導光部材２２は中空のロッド形状になっており、その中空部分を電子ビーム６０が通過する。導光部材２２は、円筒形状をしているため、導光部材２２のＸＹ断面はリング状になっている。ＸＹ平面における導光部材２２の外周面、及び内周面は、円形になっている。そして、円形の外周面、及び内周面の中心が、レーザ光５０、及び電子ビーム６０の光軸と一致している。すなわち、円筒状の導光部材２２がレーザ光５０の光軸に沿って配置されている。導光部材２２は、真空よりも屈折率の高い透明部材である。例えば、導光部材２２の材料としては、石英、ガラス、樹脂などを用いることができる。真空中での取り扱いを考慮して、石英の円管パイプを用いることが好ましい。例えば、合成石英パイプを用いることで、波長１９０ｎｍ〜１１００ｎｍまで使用範囲を広くすることができ、将来的には、１５０ｎｍ以上での応用が可能となる。
【００５５】
導光部材２２は、入射端面２２ａが斜めになっている。すなわち、入射端面２２ａがＸＹ面から傾斜するように、導光部材２２の一端がカットされている。これにより、Ｚ方向と平行に伝播する光が、入射端面２２ａにおいて屈折される。導光部材２２内で伝播方向が変わり、導光部材２２の外周面、又は内周面に入射する。そして、導光部材２２の側面（外周面及び内周面）において全反射される。入射光は導光部材２２の内部で全反射を繰り返して、伝播する。そして、導光部材２２の出射端面２２ｂから出射する。従って、導光部材２２の出射端面２２ｂでは光の空間強度分布が均一されている。導光部材２２が光の空間分布を均一化する均一化部になっている。すなわち、導光部材２２の出射端面２２ｂにおける光強度の空間分布は均一になっている。出射端面２２ｂから光は広がって出射される。出射端面２２ｂの形状を屈曲させて、レンズとして機能させてもよい。これにより、導光部材２２の出射端面２２ｂから出射される光の拡がりを低減することができる。入射端面２２ａの傾斜角度は、側面への入射角などに基づいて設定すればよい。これにより、効率よく伝播させることができる。なお、レーザ光が広がって、入射端面２２ａに入射する場合は、入射端面２２ａを傾斜させなくてもよい。
【００５６】
さらに、導光部材２２には、中空の金属パイプ２７が設けられている。金属パイプ２７は、円筒状であり、その外径が導光部材２２の内径と略等しくなっている。そして、金属パイプ２７は、導光部材２２の中空部分に配設される。すなわち、金属パイプ２７と導光部材２２とが同軸上に配置される。金属パイプ２７は、例えば、銅等の金属によって形成されている。そして、金属パイプ２７の内側を通過している電子が導光部材２２に入射しないように、金属パイプ２７の厚さを厚くする。例えば、６ＭｅＶの電子の場合、金属パイプ２７となる銅の厚さは５ｍｍ以上とすることが好ましい。これにより、金属の阻止能で、電子を止めることができる。すなわち、金属パイプはその阻止能で電子を止められる厚さにする。従って、金属パイプ２７の肉厚は、電子の阻止能に応じて選択すればよい。
【００５７】
導光部材２２の内周面が金属パイプ２７によって保護されるため、散乱した電子が導光部材２２に入射するのを防ぐことができる。これにより、石英にカラーセンターができるのを防ぐことができる。すなわち、導光部材２２が着色することによって光が吸収されるのを防ぐことができる。よって、効率よく、フォトカソード２５に光を入射させることができる。また、通常の高周波電子銃では、電子のエネルギーが最大６ＭｅＶ程度なので、厚さ５ｍｍ以上の銅を用いれば、電子の入射による導光部材２２の着色を確実に防ぐことができる。よって、レーザ光を効率よく伝播させることができる。これにより、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００５８】
また、レンズ２３やミラー２１についても、電子ビームから保護することが好ましい。さらには、暗電流（ダークカレント）がレンズ２３、ミラー２１、導光部材２２に入射するのを防ぐ必要がある。従って、電子ビームの軌道、暗電流の軌道が当たらない領域に透明な光学部材が来るように中空部分を大きくする。特にレンズ２３は、カソード２５に最も近い。このため、電子ビームや暗電流がレンズ２３に当たらないようにすることが重要になる。例えば、レンズ２３についても中空部分に金属パイプを設けることで、保護することができる。すなわち、保護パイプを用いることで、電子ビームや暗電流の電子がレンズ２３に入射するのを防ぐことができる。レンズ２３の保護パイプについても厚さ５ｍｍ以上の銅で形成することが好ましい。このように、金属パイプを設けて、電子を金属パイプの中空部分を通過させる。こうすることで、透明材質からなる透過型光学系を用いた場合でも、カラーセンターの発生を低減することができる。
【００５９】
また、ミラー２１の表面全体を金属で形成するとともに、ミラー２１の中空部分を電子ビームの光軸から９ｍｍ以上離すことが好ましい。これにより、ウェークフィールドの影響を低減することができる。電子ビームが力を受けて品質が悪化するのを防ぐことができる。例えば、金属壁があるところを電子ビームが通過すると、電子と反対向きに鏡像電荷が金属壁を走る。このために、それらから電子ビームが影響を受けてしまう。電子ビーム進行方向に完全に軸対象の金属パイプで途中に全く段差のない境界条件にすることで、この影響を低減することができるが、こうすることは困難である。従って、本実施の形態では、この影響を避けるためには金属壁を十分に離すようにする。すなわち、金属で覆われたミラー２１を、電子ビームの光軸から離すように配置している。電子ビームバンチの電荷密度やβ関数にもよるが、ここでは、電子ビームから見込んだ中空部分の直径を２０ｍｍとしてる。これにより、安定して電子ビームを輸送することができる。
【００６０】
なお、ミラー２１として、金属ミラーでなく誘電多層膜ミラーを用いることによって、ウェークフィールドの影響を低減することができる。しかしながら、カラーセンターが発生してしまうため、誘電多層膜ミラーを用いることが困難である。すなわち、電子ビームの指向性が高い場合でも、暗電流が誘電多層膜ミラーに入射するとチャージアップしてしまう。それにより電子ビームがクーロン力を受けて曲げられてしまうおそれもある。さらに、ミラー２３上にチャージアップした電荷によって放電が起きてしまうおそれがある。放電が起きることで電子ビームの軌道が撥ねるように変わってしまう。電子ビームの位置が飛び跳ねるように変化してしまうため、高分解能を要求される電子顕微鏡などへの応用へは適していない。
【００６１】
これらを防ぐためには、ミラー２３を構成するガラス基板を金属ですべて覆うか、全て金属で基板を作る必要がある。研磨精度を上げた全金属性のミラーが本来は理想的である。しかし、金属を研磨してミラーを作った場合には面精度が良いものを得る事が困難である。そこで、本実施の形態では、ガラス基板を金属ですべて覆う方法を採用している。これは金箔などを接着剤を用いて貼るとその有機溶剤が真空中で脱ガスしてしまい、さらには空気だまりができた状態で真空中に入れると空気だまりが破裂して脱ガスの原因になってしまい、真空悪化を引き起こしてしまうおそれがるためである。
【００６２】
全面を金属で覆う中空ミラーの作り方について説明する。例えば、金属粘土（http://www.silver-clay.com/）を用いることができる。そして、金属粘土のつなぎ材（バインダー）を飛ばすことで、９９.９％の純度の銀や金を作る事ができる。具体的な工程は、中空の透明なガラス基板に金属を蒸着などして、光学金属ミラー面を形成する。金属粘土で光学金属ミラー面以外全ての面を粘土でカバーする。ここでは、ガラス基板の内側と外側の側面を粘土で覆う。すなわち、中空部分の内周面まで金属粘土を塗布する。これにより、銀や金などの金属でガラス基板全面が覆われる。そして、オーブンを用いて、例えば、銀の場合、６００℃で焼いて、金属粘土中のつなぎ材を取り除く。その後に紫外レーザ用ミラーにはアルミミラーの光学コーティングを、可視〜赤外用ミラーには金コートを施す。これにより、全面オールメタルの中空ミラーを作成することができる。この中空ミラーをミラー２１として用いる。このように、中空ミラーは、金属で全面が覆われたガラス基板によって構成する。なお、保護コートなしのアルミ蒸着したミラーを先に作り、金箔をミラー基板のミラー出ない部分に貼り付けて、金属カバーするようにしてもよい。これにより、ミラー２１のチャージアップを防ぐことができ、安定したビーム輸送が可能となる。
【００６３】
このように、中空のミラー２３を作成する場合、中空状のガラス基板を用意する。すなわち、円形にくり抜かれたガラス基板を用意する。そして、ガラス基板の反射面となる一面を除いた全面を金属粘土で覆う。金属粘土中のつなぎ材を取り除く。そして、反射面となる面に金属膜を蒸着する。こうすることで、簡便に中空ミラーを作成することができる。
なお、ガラス基板の全面を金属薄膜で覆うようにしてもよい。この場合、ガラス基板に貫通穴を設ける。そして、貫通穴を有するガラス基板の全面に金属薄膜を蒸着などによって形成する。これにより、電子ビームの経路中に配置することができる中空ミラーを簡便に製造することができる。
【００６４】
なお、導光部材２２は、空間分布を均一化できる長さとする。また、導光部材２２の外径、及び内径は、レーザ光５０のスポット径に応じて設定する。すなわち、リング状のレーザ光が導光部材２２からはみ出さないようにする。導光部材２２、及び金属パイプ２７の内径は、電子ビーム６０が通過できる大きさとする。すなわち、金属パイプ２７の内径を、電子ビーム６０のスポット径よりも十分大きくする。
【００６５】
導光部材２２を光路中に設けることで、レーザ光の空間分布を均一化することができる。スペックルなどの影響を低減することができ、ＸＹ平面におけるレーザ光の強度分布が均一になる。そして、均一化された光を集光して、フォトカソードに入射させる。これにより、電子ビームのエミッタンスを小さくすることができる。すなわち、フォトカソード２５に均一な光が入射するため、フォトカソード２５から放出される電子の空間分布を均一化することができる。これにより、空間電荷効果を抑制することができ、エミッタンスを低減することができる。
【００６６】
さらに、導光部材２２の波長分散によって、パルス幅を伸長することができる。例えば、導光部材２２が非線形分散効果を有する石英ロッドの場合、石英の非線形分散効果により広帯域化し、ロッドの長さに比例してパルス幅が長くする。導光部材２２の分散と光路差を利用して、パルス光を必要なパルス幅に伸長することができる。最適なパルス幅になるように、導光部材２２の長さを選択する。
【００６７】
導光部材２２を中空にすることで、電子ビーム６０の径路中に、導光部材２２を配置することができる。すなわち、真空チャンバー２０内に導光部材２２を配置することができる。これにより、真空中に、導光部材２２を配置することができるため、導光部材２２をフォトカソード２５の近くに配置することができる。導光部材２２からフォトカソード２５までの距離を短くすることができ、装置構成を簡素化することができる。導光部材２２から広がって出射する光を、フォトカソード２５上に効率よく集光することができる。すなわち、導光部材２２を真空中に配置することで、導光部材２２から光が広がって出射する場合でも、導光部材２２からレンズ２３までの距離を短くすることができる。還元すると、レンズ２３からフォトカソード２５までの距離を長くすることができる。これにより、作動距離の長いレンズ２３を用いることができる。よって、簡便に高品質の電子ビーム６０を得ることができる。
【００６８】
なお、電子ビーム６０の経路中に存在するミラー２１、導光部材２２、及びレンズ２３は、真空中に配置される。すなわち、ミラー２１、導光部材２２、及びレンズ２３は真空チャンバー２０内に配設される。従って、アキシコンレンズ１４からのレーザ光５０は、真空チャンバー２０の側壁に設けられたウィンドウ（図示せず）を介して、ミラー２１に入射する。
【００６９】
このようにして得られた電子ビーム６０は、所定の経路を通過して、Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）、逆コンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線パルス光源、フェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）などに利用される。さらに、上記の電子銃１００を、レーザ加工装置やレーザエッチング装置に用いてもよい。例えば、電子銃１００を電子顕微鏡に用いることで、空間分解能を向上することができる。この場合、電子ビーム６０をプローブビームとして、試料に照射する。電子ビーム６０のエミッタンスが小さければ、スポットサイズを小さくすることができる。従って、試料上における電子ビーム６０のスポットサイズを小さくできるため、より空間分解能を向上することができる。
【００７０】
また、本実施の形態にかかる電子銃は、特に、シングルショットの時間分解電子顕微鏡に好適である。シングルショットの時間分解電子顕微鏡では、空間電荷効果の影響が大きい。そのため、空間的に均一な光を照射することで、空間電荷効果を低減することができる。よって、プロファイルがフラットトップの電子ビームを発生させることができる。
【００７１】
円環状のアキシコンレンズを用いて、導光部材２２からのレーザ光をベッセルビーム整形している。このため、空間的に均一なフラットトップ化を図ることができる。よって、空間プロファイルの均一化のための最適化アルゴリズムが不要となる。可変形ミラー及びその最適化アルゴリズムが不要となるため、装置構成を簡素化することができる。すなわち、複雑な制御なしで、空間分布を均一化することができる。このように、上記の電子発生方法により、高品質の電子ビームを得ることができる。
【００７２】
発明の実施形態２．
本実施の形態にかかる電子銃１００について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態にかかる電子銃１００の構成を示す図である。本実施の形態では、アキシコンレンズ１４とミラー２１の間に、偏光変換素子１５、及び偏光調整素子１６が設けられている。偏光変換素子１５、及び偏光調整素子１６は大気中に設けられている。また、本実施の形態では、導光部材２２が設けられていない。なお、これら以外の基本的構成は、実施の形態１と同様であるため、重複する部分については説明を省略する。
【００７３】
レーザ光源１１からは直線偏光のレーザ光５０が出射する。レーザ光源１１を出射したレーザ光５０は、実施の形態１と同様にアキシコンレンズ１３、１４で屈折して、円環ビームとなる。アキシコンレンズ１４から出射したレーザ光５０は、偏光変換素子１５に入射する。偏光変換素子１５は、レーザ光５０に入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、偏光変換素子１５は、入射位置に応じて異なる位相だけ光を遅延する。偏光変換素子１５から出射したレーザ光５０は、偏光変換素子１５における入射位置に応じて、異なる偏光方向になっている。偏光変換素子１５としては、例えば、ナノフォトン社製のＺｐｏｌを用いることができる。この偏光変換素子１５は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラジアル偏光に変換する。正確には、偏光変換素子１５に直線偏光のレーザ光５０を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となる。すなわち、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。この偏光変換素子１５を、レンズ２３と組み合わせることで、Ｚ方向（光軸方向）に大きな電場成分を持つＺ偏光を生成することができる。Ｚ偏光に変換されたレーザ光５０は、光の進行方向に振動する。この偏光変換素子１５、及びＺ偏光については、後述する。
【００７４】
偏光変換素子１５からのレーザ光５０は、偏光調整素子１６に入射する。偏光調整素子１６は、偏光変換素子１５によって変換されたレーザ光の偏光状態を調整する。偏光調整素子１６は、上記のＺ方向に大きな電場を持つＺ偏光が生成される位置を調整する。これにより、例えば、フォトカソード表面においてＺ偏光が生成されるように調整することができる。偏光調整素子１６は、偏光調整用電源１９に接続されている。そして、偏光調整用電源１９の電圧を制御することによって、偏光を電気的に調整することができる。なお、偏光調整素子１６については、後述する。
【００７５】
偏光調整素子１６を通過したレーザ光５０は、ミラー２１に入射する。そして、ミラー２１で反射されたレーザ光は、実施の形態１と同様に、レンズ２３に入射する。なお、本実施の形態では、レンズ２３として、アキシコンレンズではなく、中空の球面レンズ、又は非球面レンズを用いている。レンズ２３で集光されたレーザ光は、フォトカソード２５に入射する。
【００７６】
本実施の形態では、偏光変換素子１５を用いてＺ偏光を発生させている。レーザ光５０によるＺ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Ｚ偏光をフォトカソード２５の表面に入射している。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム６０を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム６０を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中で安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃１００を実現することができる。
【００７７】
次に、直線偏光をＺ偏光に変換するための偏光変換素子１５について、図４〜図６を用いて説明する。図４（ａ）は、偏光変換素子１５の構成を模式的に示す平面図である。図４（ｂ）は、偏光変換素子１５を通過したレーザ光５０の偏光状態を説明するための図である。図４（ｃ）は、偏光変換素子１５を通過したレーザ光５０の別の偏光状態を説明するための図である。図５は、偏光変換素子１５、及びレンズ２３によって変化する偏光状態を説明するための斜視図である。図６は、偏光変換素子１５、及びレンズ２３によって変化する偏光状態を説明するための側面図である。なお、図５、及び図６では、説明の簡略化のため、偏光変換素子１５、及びレンズ２３のみを示し、その他の構成部品（例えば、ミラー２１、偏光調整素子１６等）については省略している。また、図４〜図６では、レーザ光５０の進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面をＸＹ平面としている。Ｘ方向、及びＹ方向は互いに直交する方向である。
【００７８】
まず、図４を用いて偏光変換素子１５の構成について説明する。偏光変換素子１５は、例えば、ガラス等からなる透明基板の上に波長板を設けることによって形成される。偏光変換素子１５は、放射状に分割された４つの領域を有している。図４（ａ）に示すように、この４つの領域を分割領域１５ａ〜分割領域１５ｄとする。すなわち、偏光変換素子１５は、４つの分割領域１５ａ〜１５ｄを備えている。ここでは、上側に分割領域１５ａが配置され、下側に分割領域１５ｂが配置され、左側に分割領域１５ｃが配置され、右側に分割領域１５ｄが配置されている。分割領域１５ａ〜１５ｄは、中心点に対して対称に分割されている。従って、４つの分割領域１５ａ〜１５ｄは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された４つの領域が分割領域１５ａ〜１５ｄとなる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域１５ａ〜１５ｄは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域１５ａ〜１５ｄのそれぞれは、中心点に対応する内角が９０°の扇形となる。
【００７９】
分割領域１５ａ〜１５ｄにはそれぞれ異なる方向の光学軸を有する１／２波長板が設けられている。すなわち、分割領域１５ａ〜１５ｄ毎に、光の振動方向が異なっている。図４（ａ）には、分割領域１５ａ〜１５ｄにおける光学軸が矢印で示されている。ここで、それぞれの分割領域の光学軸は、隣の分割領域の光学軸から４５°ずれている。すなわち、Ｙ軸の方向を基準とすると、図４に示すように、分割領域１５ａにおける波長板の光学軸の角度は０°となり、分割領域１５ｂの光学軸は９０°となり、分割領域１５ｃの光学軸は−４５°となり、分割領域１５ｄの光学軸は４５°となっている。
【００８０】
従って、中心点に対して互いに対向する分割領域に設けられている１対の波長板は、光学軸が直交する。例えば、分割領域１５ａの光学軸は０°であり、分割領域１５ａに対向する分割領域１５ｂの光学軸は９０°となっている。また、分割領域１５ｃの光学軸と、分割領域１５ｄの光学軸は、互いに直交している。換言すると、互いに対向する分割領域に設けられている一対の波長板において、光学軸の角度の差が９０°となっている。このように、分割領域１５ａ〜１５ｄの中心点を挟んで対角に配置された一対の分割領域には、光学軸が９０°異なる波長板が設けられる。
【００８１】
１／２波長板は、入射光に１／２波長の位相差を与えて出射する。従って、直線偏光の方位が１／２波長板における光学軸に対して成す角度をθとすると、１／２波長板を通過した光は、元の直線偏光から２θだけ回転した直線偏光の光となる。例えば、１／２波長板の光学軸と、直線偏光の偏光軸とが４５°ずれている場合、１／２波長板は、偏光軸が９０°ずれた直線偏光を出射する。
【００８２】
図４（ｂ）では、偏光軸がＹ方向に沿った方向である直線偏光が入射した場合を示している。すなわち、Ｙ方向と平行な方向の偏光面を有するレーザ光５０が入射すると、図４（ｂ）に示す偏光状態となる。従って、入射偏光方位が０°の直線偏光が入射した時に出射される出射光の偏光方位について説明する。すなわち、分割領域１５ａの光学軸と、入射光の偏光軸が一致している場合について説明する。図４（ｂ）には、各分割領域から出射される出射光の偏光軸が矢印でそれぞれ示されている。分割領域１５ａ〜分割領域１５ｄから出射される直線偏光の偏光軸は放射状になっている。
【００８３】
具体的には、中心点に対して対向する一対の分割領域から出射される直線偏光の偏光軸が平行になっている。そして、対向する一対の分割領域では振動方向が反対になっている。また、隣接する分割領域から出射される光の偏光軸は９０°ずれている。例えば、分割領域１５ａ及び分割領域１５ｂから出射する光の偏光軸は、０°である。また、分割領域１５ｃ及び分割領域１５ｄから出射される光の偏光軸は、９０°である。従って、入射位置に応じて偏光軸の角度が変化して、出射偏光変位が放射状となる。このように、偏光変換素子１５は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態になるよう制御する。
【００８４】
上記の偏光変換素子１５に直線偏光を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となるよう制御することができる。具体的には、レーザ光５０の光軸と、偏光変換素子１５の中心点を一致させる。そして、分割領域１５ａの光学軸と直線偏光の偏光軸を一致させる。このようにすることで、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。また、上記の偏光変換素子１５に対して偏光軸がＸ方向の直線偏光を入射することによって、偏光軸が円形に近い形状となる。従って、アジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、アジマス偏光に近似する擬似アジマス偏光にすることができる。このときのＸＹ平面における偏光軸の分布は図４（ｃ）に示すようになる。なお、上記の説明では、４分割の偏光変換素子１５について説明したが、分割数はこれに限られるものではない。例えば、２分割や８分割の偏光変換素子１５を用いることもできる。
【００８５】
偏光変換素子１５の分割数を増加させることによって、よりラジアル偏光又はアジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、分割領域の数を増やすこと偏光軸がよりなめらかに変化する。換言すると、分割数を無限大にすると、理想的なラジアル偏光状態又は理想的なアジマス偏光状態を生成することができる。さらに、電場ベクトルのＺ成分を高くするためには、分割数を８以上とすることが好ましく、１６以上とすることがより好ましい。
【００８６】
具体的には、例えば、分割数が１６の場合、波長板の光学軸を隣の分割領域から１１．２５°ずらす。これにより、対向する分割領域で、光学軸が直交する。そして、この偏光変換素子１５に一定角度の偏光軸を入射させると、直線偏光が擬似ラジアル偏光又は擬似アジマス偏光となって出射される。
【００８７】
次に、偏光変換素子１５とレンズ２３とを組み合わせてＺ偏光を生成する点について、説明する。図５、及び図６に示すように、偏光変換素子１５によって擬似ラジアル偏光を生成する。すなわち、図４（ｂ）に示したように、対向する分割領域では、振動方向が１８０°反対向きになっている。すなわち、偏光変換素子１５を通過することによって、偏光軸が放射状になっている。このような偏光状態のレーザ光５０をレンズ２３で集光する。
【００８８】
偏光変換素子１５を光路上に配置すると、上側の分割領域１５ａを透過した光と下側の分割領域１５ｂを透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上下に対向した配置された分割領域１５ａと分割領域１５ｂとで光の位相が１８０°ずれる。レーザ光５０から直線偏光が出力されているとすると、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。直線偏光が偏光変換素子１５を通過した場合、分割領域１５ａと分割領域１５ｂとでは、電気ベクトルの位相が１８０°ずれることになる。すなわち上の分割領域１５ａと下の分割領域１５ｂとで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の分割領域１５ａと下の分割領域１５ｂとでは、偏光方向が反対方向となる。すなわち、上の分割領域１５ａを透過した光と下の分割領域１５ｂを透過した光とは同じ直線上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。偏光方向が、出射端面の中心に対して対称になっている。
【００８９】
次に、図５、及び図６を用いて、Ｚ偏光を生成する方法について説明する。図５、及び図６の矢印はその位置における電気ベクトルの振動方向を模式的に示したものである。上述のように偏光変換素子１５を透過する前のレーザ光は直線偏光であるので全て同じ方向（Ｙ方向）に電気ベクトルが振動している。そして、偏光変換素子１５を通過することによって、その位置に応じて電気ベクトルの振動方向が変化する。図６に示すように、上の分割領域１５ａを透過した光の電気ベクトルは上方向に振動している。一方、下の分割領域１５ｂを透過した光の電気ベクトルは下方向に振動している。なお、図６において、レンズ２３が中空となっていないが、実際には中空となっている。
【００９０】
次に偏光変換素子１５を透過した光がレンズ２３によりフォトカソード上に集光された状態について、図６を用いて詳細に説明する。ここでは光の電気ベクトルの振動方向を光の進行方向に対して垂直な方向の成分（Ｙ方向）と平行な方向の成分（Ｚ成分）に分けて考える。なお、図６において、光の進行方向に対して垂直な方向（Ｙ方向）を上下方向とし、光の進行方向に対して平行な方向（Ｚ方向）を左右方向として説明する。
【００９１】
上の分割領域１５ａを透過した光はレンズ２３により下方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は図６に示すように右斜め上となる。中心を透過した光はレンズ２３により屈折されないので、振動方向はそのまま上方向のままである。下の分割領域１５ｂを透過した光はレンズ２３により上方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は右斜め下となる。このように位置に応じて異なる振動方向を持つ光がフォトカソード上に集光される。
【００９２】
レンズ２３を透過した後において、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域１５ａでは右斜め上で、下の分割領域１５ｂでは右斜め下であるため、上下方向の成分がそれぞれ反対である。これにより、フォトカソード２５上に集光された状態において、電気ベクトルの振動方向における上下方向の成分は、打ち消し合う。従って、光の進行方向と垂直方向の電気ベクトルの成分はほぼ０となる。すなわち、フォトカソード上において、光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動しなくなる。
【００９３】
一方、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域１５ａでは右斜め上で、下の分割領域１５ｂでは右斜め下であるため、左右方向の成分が同じ右方向である。これにより、電気ベクトルの左右方向の成分については、上の分割領域１５ａと下の分割領域１５ｂとで強め合う。従って、光の進行方向と平行方向の電気ベクトルの成分は右方向に強調される。すなわち、光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動していることになる。このように偏光変換素子１５によって位相がずれたレーザ光をレンズ２３で集光することによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、レーザ光５０をフォトカソード２５に照射することができる。なお、Ｚ方向の電場強度成分は、レンズ２３の焦点距離やＮＡ（開口数）によって変化する。例えば、Ｚ方向の電場強度成分は開口数のほぼ４乗に比例する。すなわち、焦点距離が短く、ＮＡが大きいレンズ２３を用いることによって、Ｚ方向の電場強度成分を増加させることができる。従って、アキシコンレンズよりも球面レンズや非球面レンズを用いることが好ましい。
【００９４】
本実施の形態では、偏光変換素子１５を用いてＺ偏光を発生させている。レーザ光５０によるＺ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Ｚ偏光をフォトカソード２５の表面に入射している。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム６０を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム６０を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中で安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃１００を実現することができる。
【００９５】
このように、Ｚ偏光のレーザ光５０がフォトカソード２５に入射する。よって、フォトカソード表面には、Ｚ方向に強い電場が発生する。これにより、フォトカソード２５の実効的な仕事関数を低下させることができる。例えば、フォトカソード表面において１ＧＶ／ｍ程度の電場を発生させると、実効的な仕事関数をｅＶ単位で下げることができる。よって、銅等の安定な金属材料をカソード材料に用いた場合でも、長波長のレーザ光で電子が発生する。量子効率を向上することができる。
【００９６】
次に、偏光調整素子１６について説明する。偏光調整素子１６は、電気光学素子であり、偏光調整用電源１９から印加された電圧に基づいて、偏光変換素子１５で生成された偏光状態を調整する。偏光調整素子１６は、例えば、ＢＢＯなどの透明な電気光学結晶を有している。そして、電気光学結晶を図４（ａ）で示した分割領域毎に配置して、領域毎に独立して電圧を印加する。具体的には、電場の強さに比例して屈折率が変化するポッケルスセルが設けられている。あるいは、偏光調整素子１６として、液晶光学素子などを用いてもよい。そして、偏光調整用電源１９によって印加する電圧を制御することで、偏光状態を調整することができる。これにより、偏光方向のずれを低減し、よりラジアル偏光に近づけることができる。すなわち、各分割領域における偏光方向を、図４（ｂ）に示す偏光方向に近づけることができる。なお、偏光変換素子１５のみで、フォトカソード２５上におけるＺ方向の電場を大きくすることができる場合、偏光調整素子１６を用いなくてもよい。
【００９７】
本実施の形態にかかる電子銃１００では、実効的な仕事関数を低下させることができる。これにより、低パワーのレーザ光を用いることができ、フォトカソード２５に与えるダメージを低減することができる。すなわち、１バンチに含まれる電子数が高い場合でも、高パワーのレーザ光を用いる必要がなくなる。フォトカソード２５に与えられるダメージを低減することができる。これにより、繰り返し周波数を高くすることができる。フォトカソード２５に損傷が生じるのを防ぐことができる。よって、フォトカソード２５の寿命を長くすることができる。本実施の形態では、反射型フォトカソードでなく、透過型フォトカソードを用いてもよい。なお、レンズ２３に入射する光はラジアル偏光になっていなくてもよい。すなわち、偏光変換素子１５によって、ラジアル偏光に近づいていればよい。
【００９８】
発明の実施の形態３．
本実施の形態に係る電子銃について、図７を用いて説明する。図７は、電子銃１００の全体構成を示す図である。本実施の形態にかかる電子銃１００は、導光部材２２として、偏波面保存ファイバが束ねられた偏波面保存ファイバーバンドルが用いられている。そして、偏光変換素子１５ではなく、偏波面保存ファイバーバンドルを用いてＺ偏光を生成している。すなわち、導光部材２２が偏光変換素子１５の機能を果たしている。なお、導光部材２２以外の構成は、実施の形態１で示した電子銃１００と同じである。従って、実施の形態１、２で説明した内容と重複する部分については、説明を省略する。
【００９９】
実施の形態１と同様に、直線偏光のレーザ光５０がミラー２１で反射されて、導光部材２２に入射する。そして、導光部材２２によって、直線偏光を、ラジアル偏光に変換している。そして、導光部材２２によってラジアル偏光になったレーザ光が、レンズ２３に入射する。そして、レンズ２３で集光されて、フォトカソード２５に入射する。フォトカソード２５上では、レーザ光５０が、Ｚ偏光になっている。なお、レンズ２３は、Ｚ方向の電場を強くするため、アキシコンレンズではなく、球面レンズ、ＧＲＡＤＩＵＭ（登録商標）等の屈折率分布型レンズ、または非球面レンズ等になっている、
【０１００】
次に、導光部材２２である偏波面保存ファイバーバンドルについて、図８、及び図９を用いて説明する。図８は、導光部材２２を示す斜視図であり、通過するレーザ光５０の偏光状態を模式的に示している。図９は、導光部材２２の入射端面２２ａ、及び出射端面２２ｂを示す平面図であり、導光部材２２の各端面での偏波面の方向を模式的に示している。すなわち、入射端面２２ａ、及び出射端面２２ｂにおける偏光保存軸の方向が矢印で示されている。この偏光軸の方向の直線偏光が偏波面保存ファイバーの内部を伝搬していく。
【０１０１】
図８に示すように、円筒状の偏波面保存ファイバーバンドルが導光部材２２となっている。すなわち、複数の偏波面保存ファイバーが束ねられることによって、偏波面保存ファイバーバンドルが構成される。そして、導光部材２２は、実施の形態１と同様に中空になっている。従って、レーザ光５０の光軸５１上には、偏波面保存ファイバーが設けられていない。偏波面保存ファイバーに入射した光は、偏波面が保存された状態で伝搬していく。すなわち、偏波面保存ファイバーの偏光保存軸と平行な偏波面のレーザ光が伝搬していく。
【０１０２】
そして、偏波面保存ファイバーの偏光保存軸を徐々に変化させていくことによって、ラジアル偏光になる。すなわち、偏波面保存ファイバーをねじることで、偏光保存軸の方向を変えることができる。入射端面２２ａから出射端面２２ｂに向かうにつれて偏波面保存ファイバーをよじっていくと、偏光保存軸の方向が回転する。従って、入射端面２２ａと出射端面２２ｂとの間で、偏光保存軸の方向を変えることができる。ここでは、ＸＹ平面における位置に応じて、偏光保存軸の方向を調整している。すなわち、偏波面保存ファイバをねじる角度を、ＸＹ面における位置に応じて変えている。導光部材２２の出射端面２２ｂにおける偏波面の方向が、出射位置に応じて異なっている。これにより、ラジアル偏光となるように、光の偏光状態を制御することができる。
【０１０３】
ここで、偏波面保存ファイバーによって保存される偏波面の方向について、図９を用いて説明する。図９（ａ）に示すように、入射端面２２ａを４つの分割領域２８ａ〜２８ｄに分割して説明する。上側に分割領域２８ａが配置され、下側に分割領域２８ｂが配置され、左側に分割領域２８ｃが配置され、右側に分割領域２８ｄが配置されている。分割領域２８ａ〜２８ｄは、中心点に対して対称に分割されている。従って、４つの分割領域２８ａ〜２８ｄは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された４つの領域が分割領域２８ａ〜２８ｄとなる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域２８ａ〜２８ｄは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域２８ａ〜２８ｄのそれぞれは、中心点に対応する内角が９０°の扇形となる。
【０１０４】
同様に、出射端面２２ｂを分割領域２９ａ〜２９ｄに分割して、説明する。すなわち、図９（ｂ）に示すように、出射端面２２ｂを４つに分割する。上側に分割領域２９ａが配置され、下側に分割領域２９ｂが配置され、左側に分割領域２８ｃが配置され、右側に分割領域２８ｄが配置されている。従って、入射端面２２ａの分割領域２８ａが出射端面２２ｂの分割領域２９ａに対応する。すなわち、分割領域２８ａに入射した光は、分割領域２９ａから出射する。同様に、入射端面２２ａの分割領域２８ｂが出射端面２２ｂの分割領域２９ｂに対応し、入射端面２２ａの分割領域２８ｃが出射端面２２ｂの分割領域２９ｃに対応し、入射端面２２ａの分割領域２８ｄが出射端面２２ｂの分割領域２９ｄに対応する。分割領域２８ｂに入射した光は分割領域２９ｂから出射し、分割領域２８ｃに入射した光は分割領域２９ｃから出射し、分割領域２８ｄに入射した光は、分割領域２９ｄから出射する。
【０１０５】
入射端面２２ａでは、全ての分割領域２８ａ〜２８ｄで、偏光保存軸の方向が一致している。すなわち、入射端面２２ａでは、全ての偏波面保存ファイバーの偏光保存軸が同じ方向になっている。ここでは、偏光保存軸が上方向（＋Ｙ方向）になっている。この方向は、レーザ光５０の偏光方向と一致している。すなわち、レーザ光５０の偏波面と分割領域２８ａ〜分割領域２８ｄの偏光保存軸の方向が平行になっている。これにより、効率よく、光が伝搬していく。
【０１０６】
出射端面２２ｂでは、各分割領域２９ａ〜２９ｄの偏光保存軸が異なっている。分割領域２９ａでは、偏光保存軸が上方向（＋Ｙ方向）になり、分割領域２９ｂでは、偏光保存軸が下方向（−Ｙ方向）になっている。また、分割領域２９ｃでは、偏光保存軸が左方向（−Ｘ方向）になり、分割領域２９ｄでは、偏光保存軸が右方向（＋Ｘ方向）になっている。従って、偏光変換素子１５と同様に、ラジアル偏光にすることができる。すなわち、光軸を挟んで対向する位置では、偏光方向が反対になる。偏光保存軸の方向が、出射端面の中心に対して対称になっている。
【０１０７】
たとえば、入射端面２２ａと出射端面２２ｂとの間で、分割領域２８ｂ、２９ｂに含まれる偏波面保存ファイバーを１８０°ねじり、分割領域２８ｃ、２９ｃに含まれる偏波面保存ファイバーを−９０°ねじり、分割領域２８ｄ、２９ｄに含まれる偏波面保存ファイバーを＋９０°ねじることで、図９に示すような偏光保存軸を得ることができる。よって、容易にラジアル偏光を得ることができる。
【０１０８】
そして、ラジアル偏光のレーザ光がレンズ２３で集光されると、実施の形態２で説明したように、フォトカソード２５上でＺ偏光となる。レーザ光５０によるＺ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Ｚ偏光をフォトカソード２５の表面に入射している。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム６０を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム６０を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中に開放しても安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃１００を実現することができる。また、繰り返し周波数を高くすることができる。このように、偏波面保存ファイバーバンドルを用いることで、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
【０１０９】
また、導光部材２２に含まれる偏波面保存ファイバー内で、レーザ光が全反射を繰り返して伝搬する。これにより、出射端面２２ｂにおける光の空間分布を均一化することができる。偏波面保存ファイバーバンドルを用いることで、実施の形態１と同様に、低エミッタンスの電子ビーム６０を生成することができる。なお、レンズ２３に入射する光はラジアル偏光になっていなくてもよい。すなわち、偏光変換素子１５によって、ラジアル偏光に近づいていればよい。なお、本実施の形態では、入射端面２２ａが傾斜していなくてもよい。
【０１１０】
発明の実施の形態４．
本実施の形態にかかる電子顕微鏡について図１０を用いて説明する。図１０は、電子顕微鏡２００の全体構成を示す図である。本実施の形態では、実施の形態１で示した電子銃１００を用いている。すなわち、電子顕微鏡２００は、実施の形態１に係る電子銃１００を有している。ここでは、電子顕微鏡２００が透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）であるとして説明する。電子顕微鏡２００は、試料４３を観察するため、電子銃１００に加えて、電子レンズ４１、偏向器４２、及び検出器４４を有している。
【０１１１】
電子銃１００のフォトカソード２５で発生した電子は、共振器２４で加速される。加速された電子ビーム６０は、レンズ２３、導光部材２２、及びミラー２１の中空部分を通過する。そして、この電子ビーム６０は、電子顕微鏡２００に設けられている電子レンズ４１で集束される。電子レンズ４１は、電子ビーム６０の経路中に電場、又は磁場を発生させて、電子ビーム６０を集束する。
【０１１２】
偏向器４２は、電子ビーム６０の経路中に電場、又は磁場を発生させて、電子ビーム６０を偏向する。電子ビーム６０は、偏向器４２で偏向されて、観察対象となる試料４３に入射する。すなわち、偏向器４２は、Ｘ方向、及びＹ方向に電子ビーム６０を偏向する。これにより、試料４３の所望の位置に電子ビーム６０を入射させることができる。すなわち、試料４３の任意の箇所における観察が可能となる。
【０１１３】
試料４３の構成成分や構造に応じて、電子の透過量が異なる。従って、電子ビーム６０の透過像によって、試料４３を観察することができる。試料４３を通過した電子ビーム６０が２つの電子レンズ４１によって集束される。偏向器４２は電子ビーム６０を偏向する。そして、偏向器４２で偏向された電子ビーム６０は、電子レンズ４１で集束される。試料４３を透過した電子ビーム６０は、３つの電子レンズ４１によって拡大して投影される。電子レンズ４１で集束された電子ビーム６０が検出器４４に入射する。検出器４４は、発光体、及びカメラなどを有している。たとえば、電子ビーム６０が蛍光板に入射すると、蛍光が発生する。その蛍光をＣＣＤカメラなどで検出する。ＣＣＤアレイに、偏向器４２で振り分けて、後にデータを再構成することで、時分割データを取得する。ＣＣＤカメラには、ゲート付きＣＣＤを用いることが好ましい。これにより、試料４３を拡大して観察することができる。なお、検出器４４として裏面入射ＣＣＤ、ＨＰＤ（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＭＡＰｓ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｉｘｅｌ  ｓｅｎｓｏｒ）等を用いてもよい。
【０１１４】
上記の電子顕微鏡２００では、電子銃が低エミッタンスの電子ビーム６０を放出する。よって、試料４３上において、電子ビーム６０のビームスポットを小さくすることができる。例えば、電子ビームのスポット直径を約１０μｍ程度にすることができる。これにより、電子顕微鏡２００の分解能を向上することができる。
【０１１５】
なお、電子顕微鏡２００の構成は、上記のものに限られるものではない。例えば、図１０では、４つの電子レンズ４１が設けられているが、電子レンズ４１の数は特に限定されるものではない。すなわち、１又は複数の電子レンズ４１が、真空チャンバー２０内に配置されていればよい。
【０１１６】
また、電子顕微鏡２００を、シングルショットの時間分解ＴＥＭとしてもよい。すなわち、１パルスのレーザ光が入射したときに発生する電子を用いて観察を行う。シングルショットで時間分解能を向上するためには、１バンチ内の電子数を増加させる必要がある。このため空間電荷効果が問題となるが、本実施の形態にかかる電子顕微鏡２００では均一な空間分布の光がフォトカソード２５に入射しているため、空間電荷効果を低減することができる。たとえば、試料４３表面において、１０７個／１μｍ角程度の電子密度を実現することができる。また、時間分解ＴＥＭとする場合、フォトカソード２５として、高量子効率（ＱＥ）で波長３００〜４００ｎｍ動作のものを用いることが好ましい。また、空間電荷効果を抑制するために、導光部材２２でパルス幅を伸長するようにしてもよい。シングルショットとして場合、例えば、ｍｓｅｃ〜μｓｅｃ領域の時間分解能で観察することが可能になる。
【０１１７】
発明の実施の形態５．
本実施の形態にかかる電子顕微鏡２００について、図１１を用いて説明する。図１１は、電子顕微鏡２００の全体構成を示す図である。本実施の形態では、実施の形態２にかかる電子銃を用いている。すなわち、電子顕微鏡２００は、実施の形態２に係る電子銃１００を有している。ここでは、電子顕微鏡２００が透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）であるとして説明する。電子ビーム６０の経路は、実施の形態４にかかる電子顕微鏡２００と同様であるため、重複する部分の説明を省略する。
【０１１８】
本実施の形態にかかる電子顕微鏡２００において、高繰り返しを実現するための構成について説明する。ここでは、実施の形態２で説明したように、Ｚ偏向を用いているため、レーザ光の繰り返し周波数を高くすることができる。従って、フォトカソード２５から放出される電子の繰り返し周波数を高くすることができる。
【０１１９】
本実施の形態では、試料４３を透過した電子ビーム６０を偏向器４２によって偏向している。これにより、検出器４４における電子ビーム６０の入射位置が変わる。偏向器４２は、コントローラ４５によって制御されている。コントローラ４５は、レーザ光源１１から出射するパルス光と同期するように、偏向器４２を制御している。これにより、異なるバンチが、検出器４４のＣＣＤカメラ上で、異なる位置に入射する。試料４３上の異なる箇所の拡大画像をカメラの１フレームで取得することができる。よって、時分割で観察することができ、繰り返し周波数を高くすることができる。このように、時分割の場合、最後段の偏向器４２で検出器４４の受光素子アレイの各部分に振り分けて撮像する。すなわち、各アドレスに時系列の番号が与え、後でデータを並べ替える。これにより、高繰り返しで撮像することができる。
【０１２０】
繰り返し周波数を高くするため、電子顕微鏡２００を超電導電子顕微鏡としている。すなわち、共振器２４を超伝導のＲＦ空洞としている。超伝導のＲＦ空胴では、これまでに技術が蓄積されているＬバンド（１．３ＧＨｚ）を選択する。この場合、最大１．３ＧＨｚの連続繰り返し運転が可能となる。そして、連続運転用空洞として、３０〜４０ＭＶ/ｍの加速性能がある単空胴か、２０ＭＶ/ｍの多連空胴を用いる。高繰返し・大電流・高品質電子源を実現するため、Ｚ偏光を用いる。電子をフォトカソード２５から加速する電子銃の形式として、超伝導高周波（ＲＦ）フォトカソード電子源とフォトカソード直流（ＤＣ）電子源の２つが選択肢としてある。この電子源を実現するためには高効率かつ長寿命のフォトカソード２５はこの両者に共通の技術開発課題であるが、高効率（高量子効率）はレーザＺ偏光で誘導されるショットキー効果で実現し、長寿命は金属カソードを用いることで実現する。
【０１２１】
ここで注意することは、もし、レーザＺ偏光で誘導されるショットキー効果を有効利用するには、照射するレーザは１００フェムト秒以下のパルスとしなければならないことである。Ｚ偏光を用いないで、３次元理想形状の１０〜４０ｐｓ（理想的なパルス幅は高周波フォトカソード電子源の場合、使用する周波数（ＳバンドやＬバンド）などによる）のレーザパルスをカソードに照射しても良いが、現状では１．３ＧＨｚの高繰り返しレーザの個々のパルスエネルギーの強度が足りなくなる。この場合はショットキー効果も期待出来ないこともあり、１〜１０％程度の量子効率の高量子効率（高ＱＥ）カソードが必要になる。
【０１２２】
１．３ＧＨｚの高繰り返しレーザ光源１１は、ファイバーレーザベースになるが、ＣＷのＹｂ:ファイバーレーザの２倍高調波（ＳＨＧ）をポンプ光として、フォトニッククリスタル結晶によるスーパーコンティニュウムまたはフェムト秒チタンサファイヤをシード光とするＮＯＰＡにより、広帯域増幅し圧縮してフェムト秒の１．３ＧＨｚの高繰返しレーザを生成する。このレーザについては、以下の文献に記載されている。（Ｈ.  Ｔｏｍｉｚａｗａ  ａｎｄ  Ｖｉｒｔｕａｌ  ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  ＬＡＡＡ  （Ｌａｓｅｒ−ａｉｄｅｄ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ），＜Ｐｒｏｐｏｓａｌ  ｏｆ Ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ  ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ  ｌｉｇｈｔ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  ｂｏｔｈ ＥＲＬ  ＆  ＩＬＣ  ｐｒｏｊｅｃｔｓｃ,Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｐｏｒｔ  ２００６−００３，  ＳＰｒｉｎｇ８  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｓｅｒｉｅｓ,  Ａｕｇｕｓｔ  ２００６  （ｉｎ  Ｊａｐａｎｅｓｅ）。
【０１２３】
エネルギー効率と波長が長いという点で、Ｙｂ:ファイバーレーザに劣るがＥｒ:ファイバーレーザであれば、そのままフェムト秒で発振できる。なお、これらの対比は以下の文献にまとめられている。Ｈ.  Ｔｏｍｉｚａｗａ,  Ｓ.Ｋａｗａｔｏ,  Ｓ.  Ｍａｔｓｕｂａｒａ，  ＜Ｐｒｏｐｏｓａｌ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ  ｌｉｇｈｔ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｌｉｎａｃ  （ＥＲＬ）ｃ,  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ２００６−００２，  ＳＰｒｉｎｇ８  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｓｅｒｉｅｓ,  Ｍａｙ  ２００６  （ｉｎ  Ｊａｐａｎｅｓｅ）。
【０１２４】
電子ビームパルス幅１０〜４０ｐｓｅｃ、電荷量２００ｐＣ以下のパルスからなる大電流マイクロ電子バンチビーム列を、高品質（規格化エミッタンス〜０．２ｍｍ・ｍｒａｄ）に維持し、１．３ＧＨｚの整数分の一の高繰り返しで生成できる。そのような高繰返し・大電流・高品質電子源を用いたレーザ駆動・時分割電子顕微鏡を実現する。超伝導の高効率であるという特性を活かした連続運転は、高繰り返しで高品質ビームを得る上で本質的に重要である。超伝導高周波空胴の連続運転によって初めて実現される繰り返しの高い高輝度の光パルスを用いることで、極めて微細なものが非常に速く変化する様子をコマ送りのように詳しく連続的に観察することができる。」
【０１２５】
なお、電子顕微鏡２００の構成は、実施の形態４、５で示したものに限られるものではない。すなわち、実施の形態１〜３で示した電子顕微鏡１００を様々な種類の電子顕微鏡に適用することができる。さらに、各実施の形態を適宜、組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の実施形態１にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図２】実施形態１にかかる電子銃に用いられる導光部材の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態１にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図４】実施の形態２にかかる電子銃に用いられる偏光変換素子の構成を示す図である。
【図５】偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す斜視図である。
【図６】偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す側面図である。
【図７】本発明の実施形態３にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図８】実施形態３にかかる電子銃に用いられる導光部材の構成を模式的に示す図である。
【図９】実施形態３にかかる電子銃に用いられる導光部材の偏波方向を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の実施形態４にかかる電子顕微鏡の構成を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施形態５にかかる電子顕微鏡の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１１  レーザ光源
１３  アキシコンレンズ
１４  アキシコンレンズ
１５  偏光変換素子
１５ａ〜１５ｈ  分割領域
１６  偏光調整素子
１９  偏光調整用電源
２０  真空チャンバー
２１  ミラー
２２  導光部材
２２ａ  入射端面
２２ｂ  出射端面
２３  レンズ
２４  共振器
２５  フォトカソード
２７  金属パイプ
２８ａ〜２８ｈ  分割領域
３１  マイクロ波源
４１  電子レンズ
４２  偏向器
４３  試料
４４  検出部
４５  コントローラ
５０  レーザ光
６０  電子ビーム
１００  電子銃
２００  電子顕微鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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