(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０.５から５０テラヘルツの電磁波を増幅する電磁波増幅器であって、
所定の誘電率をもつ高誘電率部（２１）と、前記高誘電率部（２１）に比べて低い誘電率をもつ低誘電率部（２２）とが交互に配置されると共に、中心部が真空にされ、電磁波を閉じ込めて、この電磁波を軸方向に伝搬させる同軸型多層膜（２）と、
前記同軸型多層膜（２）の中心部に向かう電子ビーム（１０１）を発生する発生手段（１）とを備え、
前記同軸型多層膜（２）の中心部の中心軸に沿って、前記発生手段（１）からの電子ビーム（１０１）を伝搬させると共に、前記同軸型多層膜（２）中を前記電子ビーム（１０１）の進行方向と同一方向に電磁波を伝播させて当該電磁波の位相速度を前記電子ビーム（１０１）の速度と一致させることにより、電磁波の増幅を行うことを特徴とする電磁波増幅器。
【請求項２】
前記低誘電率部（２２）は真空によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波増幅器。
【請求項３】
０.５から５０テラヘルツの電磁波を発振する電磁波発振器であって、
所定の誘電率をもつ高誘電率部（２１）と、前記高誘電率部（２１）に比べて低い誘電率をもつ低誘電率部（２２）とが交互に配置されると共に、中心部が真空にされ、電磁波を閉じ込めて、この電磁波を軸方向に伝搬させる同軸型多層膜（２）と、
前記同軸型多層膜（２）の中心部に向かう電子ビーム（１０１）を発生する発生手段（１）と、
前記発生手段（１）からの電子ビーム（１０１）の導入に干渉しないように、前記同軸型多層膜（２）の両端面に設置された反射鏡（３、４）とを備え、
前記同軸型多層膜（２）の中心部の中心軸に沿って、前記発生手段（１）からの電子ビーム（１０１）を伝搬させると共に、前記反射鏡（３、４）によって形成される共振器中で電磁波ノイズを種にして発生する電磁波の前記電子ビーム（１０１）の進行方向と同一方向の位相速度を前記電子ビーム（１０１）の速度と一致させることにより、電磁波の発振を行うことを特徴とする電磁波発振器。
【請求項４】
前記反射鏡（３、４）は導体壁により形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電磁波発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主に０.５［THz］から５０［THz］程度のテラヘルツ帯高周波の電磁波の増幅器および発振器の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
０.５［THz］から５０［THz］程度のテラヘルツ帯高周波では、自由電子レーザ装置が実用化されて運用されている。この自由電子レーザ装置は、少なくとも１０［MeV］以上の高エネルギー電子ビームを発生する電子加速器と、数メートル以上の周期的交番磁界を発生するアンジュレータとを備えている。そして、自由電子レーザ装置は、電子加速器によって加速した電子ビームを、アンジュレータの発生した磁場を通すことによって、レーザ光を発振する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の自由電子レーザ装置には、次のような問題がある。この装置には、少なくと１０［MeV］以上の高エネルギー電子ビームを発生する電子加速器と、数メートル以上の周期的交番磁界を発生するアンジュレータとが必要であるため、装置本体だけでも１０［ｍ］程度の規模となる。また、自由電子レーザ装置は大量の放射線を発生するため、厚さ１［ｍ］以上のコンクリート壁などによる放射線遮蔽が必要となる。このコンクリート壁を含めると、自由電子レーザ装置はさらに大型化する。
【０００４】
つまり、自由電子レーザ装置は、大型であり、かつ極めて高価である。さらに、放射線発生装置として厳しい運用管理が、自由電子レーザ装置に求められる。この結果、一般には自由電子レーザ装置の導入が難しいという問題がある。
【０００５】
この発明は、前記の課題を解決し、小型で運用が簡便なテラヘルツ帯高周波の電磁波増幅器および電磁波発振器を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、０.５から５０テラヘルツの電磁波を増幅する電磁波増幅器であって、所定の誘電率をもつ高誘電率部と、前記高誘電率部に比べて低い誘電率をもつ低誘電率部とが交互に配置されると共に、中心部が真空にされ、電磁波を閉じ込めて、この電磁波を軸方向に伝搬させる同軸型多層膜と、前記同軸型多層膜の中心部に向かう電子ビームを発生する発生手段とを備え、前記同軸型多層膜の中心部の中心軸に沿って、前記発生手段からの電子ビームを伝搬させると共に、前記同軸型多層膜中を前記電子ビームの進行方向と同一方向に電磁波を伝播させて当該電磁波の位相速度を前記電子ビームの速度と一致させることにより、電磁波の増幅を行うことを特徴とする電磁波増幅器である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の電磁波増幅器において、前記低誘電率部は真空によって形成されていることを特徴とする。
【０００７】
前記構成によれば、同軸型多層膜の各層の膜厚や膜間隔は、ほぼ電磁界の波長程度の大きさであり、例えばテラヘルツ帯高周波の領域では、百マイクロメータ程度である。この同軸型多層膜の中に閉じこめられた電磁波は軸方向に伝搬することができる。そして、この電磁波は、進行波管と同様な原理により、併走する電子ビームと強く相互作用をし、その強度を増す。
【０００８】
一般に、進行方向に電界成分をもつ電磁波と、それに併走する電子ビームとが同時に存在する系において、電磁波の位相速度が電子ビームの速度と一致する場合、電磁波と電子ビーム粗密波とが常に同じ位相関係を保ったまま相互作用を行う。したがって、この位相関係がお互いの波を強め合うような条件になっている場合、正帰還がかかり、電磁波と電子ビーム粗密波とは伝搬とともに増幅していく。
【０００９】
本発明では、同軸型多層膜による電磁波閉じ込めと、真空中の電子ビームを用いているため、ＴＨｚ以上のテラヘルツ帯高周波における電磁波増幅の阻害要因であるジュール損失や散乱損失が非常に少なく、小型で効率の良いテラヘルツ帯高周波電磁波の増幅器が期待される。
【００１０】
請求項３の発明は、０.５から５０テラヘルツの電磁波を発振する電磁波発振器であって、所定の誘電率をもつ高誘電率部と、前記高誘電率部に比べて低い誘電率をもつ低誘電率部とが交互に配置されると共に、中心部が真空にされ、電磁波を閉じ込めて、この電磁波を軸方向に伝搬させる同軸型多層膜と、前記同軸型多層膜の中心部に向かう電子ビームを発生する発生手段と、前記発生手段からの電子ビームの導入に干渉しないように、前記同軸型多層膜の両端面に設置された反射鏡とを備え、前記同軸型多層膜の中心部の中心軸に沿って、前記発生手段からの電子ビームを伝搬させると共に、前記反射鏡によって形成される共振器中で電磁波ノイズを種にして発生する電磁波の前記電子ビームの進行方向と同一方向の位相速度を前記電子ビームの速度と一致させることにより、電磁波の発振を行うことを特徴とする電磁波発振器である。
請求項４の発明は、請求項３に記載の電磁波発振器において、前記反射鏡は導体壁により形成されていることを特徴とする。
【００１１】
前記構成によれば、同軸型多層膜の両端を導体壁などによる反射鏡で閉鎖し、共振器を形成すると入力信号がなくとも、空間に存在する微弱な電磁波ノイズを種にして増幅が再帰的に行われ、レーザー的な電磁波発振が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
【００１３】
［実施の形態１］
この実施の形態による電磁波増幅器を図１に示す。ここでは、図１の系における電磁波増幅過程をテラヘルツ帯高周波領域にて具体的に説明する。この電磁波増幅器は、発生手段１と同軸型多層膜２とを備えている。
【００１４】
発生手段１は、同軸型多層膜２の中心部に向かう電子ビーム１０１を発生する。発生手段１および同軸型多層膜２は、真空中に配置されている。また、電子ビーム１０１の発散を抑制するために、発生手段１や同軸型多層膜２には、その外部に設置されたソレノイドコイルのような電磁石（図示を省略）、あるいは永久磁石（図示を省略）により、電子ビーム進行方向の磁場が与えられていることが好ましい。発生手段１は、電子ビーム１０１を発生するために、例えば電子銃（図示を省略）を備えている。また、発生手段１は、発生した電子ビーム１０１を加速するための加速装置（図示を省略）を備えている。
【００１５】
同軸型多層膜２は、異なる誘電率を持つ２種以上の誘電体により構成されると共に、中心部が真空となっている。この実施の形態では、同軸型多層膜２は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、高誘電率部２１、低誘電率部２２および中心真空部２３で構成される。同軸型多層膜２では、高誘電率部２１と低誘電率部２２とが交互に配置されている。この実施の形態では、同軸型多層膜２は、５層の高誘電率部２１と４層の低誘電率部２２とで構成されているが、高誘電率部２１および低誘電率部２２の層数は任意である。ただし、高誘電率部２１および低誘電率部２２の層数が多くなると、電磁波増幅器の増幅度が飽和する。したがって、高誘電率部２１および低誘電率部２２の層数は、電磁波増幅器の増幅度が飽和に達する値で充分である。
【００１６】
高誘電率部２１は誘電率２.２５の物質で構成され、低誘電率部２２および中心真空部２３は真空にて構成されるものとする。低誘電率部２２が真空であるので、高誘電率部２１は、同軸型多層膜２の両端面に設けられた梁（図示を省略）によって支持されている。また、中心真空部２３の半径をｒ０＝９１［μm］、高誘電率部２１の各膜厚をdＨ＝７９［μm］、低誘電率部２２の各膜厚をｄＬ＝１１９［μm］とする。
【００１７】
このような構造の同軸型多層膜２の中を軸方向Ａに伝搬する電磁波のうち、同軸型多層膜２の軸上に軸方向Ａの電界成分を持つ伝搬モードが電子ビーム１０１に進行方向粗密を与える。このようなモードのうち、最も電子ビーム１０１と効率的に相互作用をするものは、いわゆる円筒金属導波管におけるＴＭ０１的な電磁界分布を持つモードである。このモードの同軸型多層膜２の軸近傍における電磁界分布は、ほぼ図３（ａ）および図３（ｂ）のようになっている。
【００１８】
上述したように、電磁波は電子ビーム１０１と等しい位相速度を持つ必要がある。電磁波の位相速度等を考察するには、伝搬定数に対する周波数をプロットした、いわゆる分散関係図を用いると便利である。図１の系におけるＴＭ０１的電磁波の分散関係の計算結果を図４の実線にて示す。計算は３次元時間領域有限差分法（ＦＤＴＤ法）にて求めた。
【００１９】
このような分散関係図では、位相速度Vｐは原点と所望の点を繋ぐ直線の傾きで示される。そして、光速ｃは図中の点線で、また電子ビーム１０１の速度Ｖｅは常に光速よりも小さい傾きを持つ、原点を通る直線で表される。たとえば、ここで１.５［MeV］の電子ビームを想定すると、この電子は光速の０.９４倍の速度を持つので、速度Ｖｅは図４の一点鎖線で示すことができる。
【００２０】
この分散関係図から分かるように、１.５［MeV］の電子を用いた場合、この系は１.０［THz］周辺で電磁波の位相速度が電子ビームの速度に一致し、電磁波の増幅の可能性が見いだせる。具体的な増幅率の見積もりは、粒子加速器における連続ビーム進行方向不安定性の理論が適用できる［A. Hofmann, "SINGLE-BEAM COLLECTIVE PHENOMENA - LONGITUDINAL", CERN 77-13, p.139 (1977) ］。この論理をこの実施の形態の系に適合させると、単位長あたりの電磁界振幅増幅率ｇ［1/m］は次の式１で表される。
【式１】
0003627860.tif 000002
【００２１】
ここで、ｅ＝１.６０２×１０−１９［C］は単位電荷量、ｍｅ＝９.１１×１０−３１［kg］は電子の質量である。また、κ、γ、υｅは同軸型多層膜内における電磁波の伝搬定数、ローレンツ係数、および電子の速度である。この実施の形態では、伝搬定数はκ＝２.３１×１０４［radians／m］、ローレンツ係数はγ＝２.９４、電子の速度はυｅ＝０.9４ｃ＝２.８２×１０８［m/s］である。ただし、ｃ＝２.９９８×１０８［m/s］は光速である。
【００２２】
また、式１では、Ｚは単位長さ当たりの結合インピーダンスと呼ばれるものであり、電子ビーム１０１と電磁界の相互作用の強さと位相関係を同時に与える量である。そして、このＺの虚部Ｉｍ（Ｚ）が負であれば、式１にて電磁界振幅増幅率ｇが正の値になり、増幅作用が実現される。
【００２３】
この結合インピーダンスＺは、電磁波導波構造（この実施の形態では同軸型多層膜２）内で電子ビーム１０１を伝搬させる数値計算により求めることができる。この結合インピーダンスＺを時間領域有限差分法にて求めた結果を図５に示す。図５から判るように、電磁波の位相速度が電子ビーム１０１の速度と一致する１.０［THz］周辺では、結合インピーダンスＺの虚部は負の値の最大値を示し、その値はＩｍ（Ｚ）＝−１.５０×１０６［Ω/m］である。
【００２４】
そして、式１の中のＩは電子ビーム１０１の電流値である。この実施の形態では、電流値の値として１［A］を仮定する。この値は、パルス的にではあるが、従来の加速器技術で容易に発生できる値である。
【００２５】
これらの値を用いて式１を計算すると、単位長さ当たりの電磁界振幅増幅率はｇ＝５３.２［1/m］となる。これは１［m］の長さで電磁波の振幅が１.２７×１０２３倍にも増幅される事を意味する。より具体的な例でいえば、６.５［cm］の同軸型多層膜２にて３０［dB］の電力増幅が可能であることを示している。
【００２６】
このように、この実施の形態では、異なる誘電率を持つ２種類以上の物質により構成された、中心部が真空となっている同軸型多層膜１を備える。そして、その中心軸に沿って電子ビーム１０１を伝搬させる。これによって、電子ビーム１０１に沿って入射された電磁波は、同軸型多層膜２内を電子ビームとともに伝搬するに従って、図２（ｂ）に示すように、指数関数的に増幅される。つまり、同軸型多層膜２による電磁波閉じ込め、および、真空中の電子ビームを用いているために、ＴＨｚ以上のテラヘルツ帯高周波における電磁波増幅の阻害要因であるジュール損失や散乱損失が非常に少なく、効率の良いテラヘルツ帯高周波電磁波の増幅器を実現することができる。
【００２７】
また、この実施の形態によれば、６.５［cm］の同軸型多層膜２にて３０［dB］の電力増幅が可能であり、小型で運用が簡便なテラヘルツ帯高周波の電磁波増幅器を提供することが可能である。
【００２８】
［実施の形態２］
この実施の形態による電磁波発振器を図６に示す。この電磁波発振器は、発生手段１、同軸型多層膜２および反射鏡３、４を備えている。なお、図６では、先に説明した図１と同一または同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けて、その説明を省略している。
【００２９】
この実施の形態では、図１の系を進歩させ、同軸型多層膜２の両端面に、電子ビーム１０１の導入に干渉しないような形状の反射鏡３、４を設置している。ここでは、例として電子ビーム１０１の導入用に微小な開口部３１、４１が設けられた導体板を、反射鏡３、４として用いている。このような系は、いわゆるファブリ・ぺロー型共振器であるので、電磁的ノイズを初期入力とし、反射鏡３、４によって再帰的な増幅が繰り返される。つまり、図７に示すように、電磁波は軸方向Ａおよびこの逆方向Ｂに伝搬され、これによって、この系はレーザー発振状態となる。
【００３０】
レーザ発振条件としては、同軸型多層膜２の両端の反射鏡３、４における電磁波の損失よりも大きい増幅率が、電子ビーム１０１と電磁波の相互作用にて与えられればよい。ここでは、端面の反射鏡３、４に微小な開口部３１、４１が開いているので、この穴から外部への放射が最も大きな損失要因と考えられる。この反射鏡一枚当たりの損失率は、近似的に、同軸型多層膜２の最内円筒部の断面積に対する開口部面積との比と考えてもよいであろう。そして、電子ビーム１０１の導入部である開口部３１の半径を、前記最内円筒部の半径の半分の値とすれば、反射鏡一枚当たり０.２５（すなわち２５［％］）の損失が見積もられる。この系では二枚の反射鏡（反射鏡３、４）があるので、全損失は（１−０.２５）２〜０.４４、すなわち４４［％］になるであろう。したがって、増幅率としては４４［％］以上あればよい。余裕をみて１００［％］の増幅率を必要とすると、共振器長は、約６.５［mm］となり、まったく実用的な範囲に納まる。
【００３１】
この共振器長は通常の自由電子レーザにおける共振器長（通常、３［m］以上）に比べると２〜３桁小さく、テラヘルツ帯高周波用レーザ発振器の大幅な小型化が期待される。
【００３２】
このように、この実施の形態では、異なる誘電率を持つ２種類以上の物質により構成された、中心部が真空となっている同軸型多層膜２を備える。そして、その中心軸に沿って電子ビーム１０１を伝搬させる。さらに、同軸型多層膜２の両端面に、電子ビーム１０１の導入に干渉しないような反射鏡３、４を設置している。つまり、同軸型多層膜２の両端を導体壁などによる反射鏡３、４で閉鎖し、共振器を形成すると、入力信号がなくとも、空間に存在する微弱な電磁波ノイズを種にして、増幅が再帰的に行われ、レーザー的な電磁波発振が可能となる。
【００３３】
以上、この発明の実施の形態１、２について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。
【００３４】
たとえば、実施の形態１、２の同軸型多層膜２は真空と誘電率２.２５の物質により構成しているが、この誘電率は加工性の良い二酸化珪素を例として想定したものに過ぎない。同軸型多層膜２の材質としては、電気的絶縁性および想定周波数電磁波の透過性を兼ね備えるあらゆる誘電体が利用可能である。たとえば、高誘電率部２１の材質として、SiO２、Si、GaAs、InPなどがある。また、低誘電率部２２の材質として、高誘電率部２１の材質がSiO２に比べて大きい場合、SiO２などがある。
【００３５】
また、実施の形態１、２の同軸型多層膜２は真空と一種類の誘電体のみによる構成であったが、電子ビーム１０１が伝搬する中心部を真空に保つ条件下にて、中心部以外を真空以外の２種類以上の誘電体にて構成してもよい。この構成によって、電磁波閉じ込め機能を保つことができるため、前記の機能が実現可能であることは明らかである。
【００３６】
また、実施の形態１、２では、電子ビーム１０１のエネルギーを１.５［MeV］にして本発明の機能を説明しているが、本質的には電子ビームの速度と電磁波の位相速度が一致すればよいので、電子ビーム１０１のエネルギーはこの条件を満たす範囲にて適用可能である。ただし、電子ビーム発散の防止効果等を、より具体的に考慮すると、電子ビームエネルギーは１００［keV］以上であることが好ましい。
【００３７】
また、実施の形態２の、同軸型多層膜２の端面に反射鏡３、４を設置した系については、電子ビーム１０１の通過のために、反射鏡３、４に開口部３１、４１を設けているが、電子ビーム１０１のエネルギーが充分高く（例えば、１０［MeV］以上）、かつ、反射鏡３、４の厚さが充分薄ければ（例えば、１０［μm］以下）、電子ビーム１０１の散乱が十分少ないので、反射鏡３、４に開口部３１、４１を設ける必要はない。
【００３８】
また、実施の形態２の、同軸型多層膜２の端面に反射鏡３、４を設置した系については、反射鏡３、４が同軸型多層膜２の端面に接した状態で設置されているが、この反射鏡３、４の設置位置は、反射率の低下が電磁波発振を妨げない範囲で、同軸型多層膜２の端面から離れていてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によれば、同軸型多層膜の中心軸に沿って、電子ビームを伝搬させることにより、テラヘルツ帯高周波の電磁波の増幅、発振を行う。これによって、電子ビームと電磁波の相互作用領域の小型化、および電子ビームのエネルギーの低減を可能にし、小型で運用が簡便なテラヘルツ帯高周波用の電磁波増幅器および電磁波発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による電磁波増幅器の構成を示す構成図である。
【図２】図１の同軸型多層膜を示す図であり、（ａ）は同軸型多層膜の側面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面を示す断面図を含む図である。
【図３】図１の同軸型多層膜の中心部断面におけるＴＭ０１的電磁波の電磁界分布を説明する説明図であり、（ａ）は同軸型多層膜の側面図、（ｂ）は（ａ）のII−II断面を示す断面図である。
【図４】図１の同軸型多層膜におけるＴＭ０１的電磁波の伝搬特性、および実施の形態１の機能の動作条件を説明するための分散関係図である。
【図５】図１の同軸型多層膜の中心軸上に電子ビームを伝搬させた場合の進行方向結合インピーダンスを示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２による電磁波発振器の構成を示す構成図である。
【図７】図６の同軸型多層膜を示す図である。
【符号の説明】
１  発生手段
２  同軸型多層膜
２１  高誘電率部
２２  低誘電率部
２３  中心真空部
３、４  反射鏡
３１、４１  開口部
１０１  電子ビーム
【図１】
0003627860.tif 000003
【図２】
0003627860.tif 000004
【図３】
0003627860.tif 000005
【図４】
0003627860.tif 000006
【図５】
0003627860.tif 000007
【図６】
0003627860.tif 000008
【図７】
0003627860.tif 000009