(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーの自己発振増幅を行うため、少なくとも、励起レーザー光源と、ＲＦ強度変調器、ファイバ増幅器１、光共振器、調整ケーブル、及びファイバ増幅器２が順番に環状に連結して成る光周回路と、及び該光周回路の外に連結されて設けられたバースト増幅のためのレーザー耐久性のレーザーパルスの入射角が垂直でない４枚鏡の光共振器である外部共振器から成り、
前記外部共振器のフィードバック信号を前記光周回路内の前記光共振器のフィードバック信号から生成させることにより前記外部共振器によるバースト増幅時に共鳴が自動的に維持することができ、且つ、前記外部共振器内のレーザーパルスが前記光周回路のループに戻ることのないように構築された装置であって、
前記光周回路においてレーザーの自己発振増幅が起動されることによって前記光共振器に増幅レーザーが蓄積され、
この蓄積レーザーの一部が前記レーザー耐久性の外部共振器に伝送され、
該外部共振器において自動光共振方式によるバースト増幅と蓄積が行われる一方、該外部共振器に蓄積されたレーザーパルスが前記光周回路のループに戻ることなく外部共振器に大強度のレーザー光が蓄積され、
前記外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われることを特徴とする
レーザーコンプトン散乱装置。
【請求項２】
レーザーの自己発振増幅を行うため、少なくとも、励起レーザー光源と、ＲＦ強度変調器、ファイバ増幅器１、光共振器、調整ケーブル、及びファイバ増幅器２が順番に環状に連結して成る光周回路と、及び該光周回路の外に順番に連結されて設けられたレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性のレーザーパルスの入射角が垂直でない４枚鏡の光共振器である外部共振器から成り、
前記外部共振器のフィードバック信号を前記光周回路内の前記光共振器のフィードバック信号から生成させることにより前記外部共振器によるバースト増幅時に共鳴が自動的に維持することができ、且つ、前記外部共振器内のレーザーパルスが前記光周回路のループに戻ることのないように構築された装置であって、
前記光周回路においてレーザーの自己発振増幅が起動されることによって前記光共振器に増幅レーザーが蓄積され、
この蓄積レーザーの一部が前記レーザー増幅手段に伝送され、該レーザー増幅手段によって増幅され、
この増幅されたレーザーが前記レーザー耐久性の外部共振器に伝送され、
該外部共振器において自動光共振方式によるバースト増幅と蓄積が行われる一方、該外部共振器に蓄積されたレーザーパルスが前記光周回路のループに戻ることなく外部共振器に大強度のレーザー光が蓄積され、
前記外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われることを特徴とする
レーザーコンプトン散乱装置。
【請求項３】
レーザーの自己発振増幅を行うため、少なくとも、励起レーザー光源と、ＲＦ強度変調器、ファイバ増幅器１、レーザー耐久性の光共振器、調整ケーブル、及びファイバ増幅器２が順番に環状に連結して成る光周回路と、及び該光周回路の外に順番に連結されて設けられたレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性のレーザーパルスの入射角が垂直でない４枚鏡の光共振器である外部共振器から成り、
前記外部共振器のフィードバック信号を前記光周回路内の前記レーザー耐久性の光共振器のフィードバック信号から生成させることにより前記外部共振器によるバースト増幅時に共鳴が自動的に維持することができ、且つ、前記外部共振器内の反射レーザーパルスが前記光周回路のループに戻ることのないように構築された装置であって、
前記光周回路においてレーザーの自己発振増幅が起動されることによって前記レーザー耐久性の光共振器に増幅レーザーが蓄積され、
この蓄積レーザーの一部が前記レーザー増幅手段に伝送され、該レーザー増幅手段によって増幅され、
この増幅されたレーザーが前記レーザー耐久性の外部共振器に伝送され、
該外部共振器において自動光共振方式によるバースト増幅と蓄積が行われる一方、該外部共振器に蓄積されたレーザーパルスが前記光周回路のループに戻ることなく外部共振器に大強度のレーザー光が蓄積され、
前記外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われることを特徴とする
レーザーコンプトン散乱装置。
【請求項４】
レーザーの自己発振増幅を行うため、少なくとも、励起レーザー光源と、ＲＦ強度変調器、ファイバ増幅器１、光共振器、調整ケーブル、及びファイバ増幅器２が順番に環状に連結して成る光周回路と、該光周回路の外に順番に連結されて設けられたレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性のレーザーパルスの入射角が垂直でない４枚鏡の光共振器である外部共振器と、及び前記光共振器と前記レーザー耐久性の外部共振器との間に介挿された、光周回路にある光共振器からのパルス信号を検出し外部共振器にフィードバックするフィードバック検出系及び補正ボードＦＰＧＡから成り、
前記外部共振器のフィードバック信号を前記光周回路内の前記光共振器のフィードバック信号から生成させることにより前記外部共振器によるバースト増幅時に共鳴が自動的に維持することができ、且つ、前記外部共振器内のレーザーパルスが前記光周回路のループに戻ることのないように構築された装置であって、
前記光周回路においてレーザーの自己発振増幅が起動されることによって前記光共振器に増幅レーザーが蓄積され、
この蓄積レーザーの一部が前記レーザー増幅手段に伝送され、該レーザー増幅手段によって増幅され、
この増幅されたレーザーが前記レーザー耐久性の外部共振器に伝送され、
前記フィードバック検出系及び補正ボードにより、該外部共振器において自動光共振方式によるバースト増幅と蓄積が行われる一方、該外部共振器に蓄積されたレーザーパルスが前記光周回路のループに戻ることなく外部共振器に大強度のレーザー光が蓄積され、
前記外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われることを特徴とする
レーザーコンプトン散乱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バースト増幅によって大強度レーザーパルスを生成し蓄積できるようにした新規のレーザーコンプトン散乱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザーコンプトン散乱を利用した小型Ｘ線発生装置の開発が行われている。レーザーコンプトン散乱とは、パルスレーザーと電子ビームの電子との衝突によってＸ線が発生することである。そのため、レーザーコンプトン散乱を行うためには１パルス当たりの強度（パルス強度）が非常に高いレーザーの生成と蓄積が必要である。通常、レーザーコンプトン散乱によって１０ｋｅＶ程度の準単色Ｘ線を発生させるのに必要なレーザーのパルス強度は１００マイクロジュール程度あればよいが、産業利用性が高い５０ｋｅＶ以上の高輝度準単色Ｘ線を発生させるのに必要なレーザーのパルス強度は、少なくとも１ミリジュール程度である。
【０００３】
従来、レーザーを生成する手段としてファイバ増幅器や光共振器が知られている。ファイバ増幅器を用いるレーザー生成は、誘導放射物質をドープさせた光ファイバに励起レーザーを入射することによって行われる。ファイバ増幅器を用いる方法は、原理的にはファイバを長くすることによって増幅率を大きくすることは可能ではあるが、共鳴状態がファイバの熱膨張や振動などによって簡単に失われるので、レーザー強度は、あまり高くできない。
【０００４】
ファイバ増幅器を用いる方法として、例えば、循環型の多段ファイバ増幅器が提案されている（特許文献１）。これは、同方向ポンピングされた段と逆方向ポンピングされた段との間に減衰器を置くことによって段間のポンピングエネルギーの伝送及び後の段から前の段への信号エネルギーの伝送を阻止する方法である。上記減衰器は、現在でいう光アイソレータに相当するものである。しかし、この方法では、ファイバの熱膨張や振動を抑制することに限界があるので、レーザー強度は、あまり高くできない。
【０００５】
ファイバ増幅器を用いる方法として、例えば、ファイバ増幅器と数十ＧＨｚ帯で駆動するＲＦ（高周波）強度変調器とファブリペロ型フィルタやバンドパスフィルタ等とから構成される高調波モード同期ファイバレーザーや再生モード同期ファイバレーザー等の色々なリングファイバレーザーが、光通信用パルスレーザー発振器の目的のために提案されている（特許文献２、非特許文献１〜２）。リングファイバレーザーは、原理的にはファイバを長くするほど増幅倍率を大きくできるので、数十メートルのファイバを用いた１０ｄＢ（１０倍増幅）程度の小型ファイバ増幅器から数十キロメートルのファイバを用いた４０ｄＢ（１万倍増幅）程度の大型のファイバ増幅器が製造されている。しかし、ファイバを長くするほど熱膨張の影響が大きくなるので、簡単に共鳴状態が失われるという問題がある。前記光通信用の高調波モード同期ファイバレーザーや再生モード同期ファイバレーザーは、熱膨張や振動による基本周波数と変調周波数のずれを抑制するために工夫されたものであるが、これによって生成されるレーザーのパルス強度は、ピコジュールレベルであることがわかる（非特許文献２）。光通信用パルスレーザー発振器は、情報信号伝送速度の高速化が目的（＝発振パルス数を数十ＧＨｚにすることが目的）であり、パルス強度の高いレーザーを生成するためのものではないからである。
【０００６】
他方、光共振器は、誘導放射によって発生するレーザーを向かい合う共振鏡によって反射させながら共振鏡面上のレーザー干渉によって増幅するレーザー増幅手段であり、共振鏡の反射率に依存してレーザーの蓄積を調整できる。光共振器を用いる方法は、原理的にはコンパクトな光共振器によってレーザーの増幅と蓄積が可能である。光共振器には、リング形状のファブリペロ型共振器や反射鏡を持つマイケルソン干渉計型共振器やフォックス・スミス干渉計型共振器等が知られている。
【０００７】
光共振器を用いる方法として、例えば、ファブリペロ型共振器や反射鏡を持つフォックス・スミス干渉計型共振器等とＧＨｚ帯で駆動するＲＦ強度変調器を用いた単純な構造の光伝送用レーザー発振器が提案されている（特許文献３）。この種のレーザー発振器は、熱変動による共振幅のずれ防止のため、発振出力を高くしてもパルス強度は、高々マイクロジュールレベルが限界であった。
【０００８】
光共振器を用いる方法として、例えば、共振鏡としての凹面鏡と共振鏡を機械的に制御するためのピエゾ調整器とを有するフォックス・スミス干渉計型の共振器を用いたＳｉｎｇｌｅ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙのレーザーパルスの生成が報告されている（非特許文献３）。この方法で生成されるレーザーの出力は、精々１５ｍＷであることが報告されている。
【０００９】
光共振器を用いる方法として、光共振器内に固体レーザー（誘導放出媒体）を設け、レーザーダイオードに電流注入を行うことにより発生させたポンピング光（励起レーザー）を前記固体レーザーに入射してレーザーを発生させることが提案されている（特許文献４）。この方法は、レーザーダイオードが安価で小型であるので、利用性の高いレーザー発生方法ではあるが、強いレーザーに対する劣化防止のための手段が講じられていないので、高強度のレーザー生成と蓄積が困難である。
【００１０】
光共振器を用いる方法として、ダイオードでポンピングされるレーザー増幅器が提案されている（特許文献５）。この増幅器は、レーザー活性固体媒体を内部に有する共振器内に強いサーマルレンズを設けることによって、レーザービームを該媒体に合焦させる装置である。しかし、この共振器は、強いレーザーに対する劣化防止のための手段が講じられていないので、高強度のレーザー生成と蓄積が困難である。
【００１１】
光共振器を用いる方法として、レーザーコンプトン散乱によるＸ線を発生させるために、大強度モードロック発振器と光共振器を用いてレーザーを生成する装置が提案されている（特許文献６）。しかし、大強度モードロック発振器は、非常に高価であり、発振器からのレーザーを光共振器に於いて安定に増幅するためには、非常に高度なフィードバック制御技術が必要であるために、精々１０００倍程度の増幅が限界であることから、この方法で生成可能なレーザーのパルス強度は、精々１００マイクロジュール程度であった。
【００１２】
光共振器を用いる方法として、複数の光共振器を直列に配置した多段増幅型レーザーシステムを半導体露光に用いることが提案されている（特許文献７）。この光共振器には、普通の反射鏡が使用されている。レーザーの増幅倍率は、反射鏡のレーザー耐久性と機械的な共鳴幅の制御精度によって制限されるので、この種の光共振器によるレーザー増幅倍率は、１０００倍以下である。
【００１３】
光共振器によるレーザーの増幅は、共振器長がレーザーの半波長の整数倍に合致する条件が満足されることによって行われる。これを定在波が立つという。定在波の共鳴幅は共振鏡の反射率で決まるので、高増幅率を得ようとして高反射率の鏡を使用する程、狭くなっていく。例えば、増幅率１０００倍の共振器では、共鳴幅は共振鏡の位置精度にしてサブナノメートル（１０−１０ｍ）になり、振動等の環境の擾乱で簡単に共鳴状態が失われる。レーザー共鳴状態を維持させるためには、共振鏡をピエゾ駆動にし、高度なフィードバック制御を行うことが必要とされる。しかし、従来の光共振器は、機械的な制御の限界上、安定に共鳴を維持できる技術的限界は増幅率１０００倍程度であった。
【００１４】
大強度のレーザーを生成させるには、大出力の励起レーザー光源と大型の光共振器と大出力の高周波発振器を組み合わせることによって可能ではあるが、装置全体が超大型になることから、産業利用には適さない。
【００１５】
以上のような状況の中で、本発明者らは、光共振器による増幅が光周回路のフィードバック機能によって自己発振的に繰り返される自己発振増幅機構を発明し、これによって光共振器に３０００倍程度の増幅強度を持つレーザーを蓄積することができる画期的なレーザー発生装置を提案した（特許文献８）。この装置によってパルス強度が１００マイクロジュール以上のレーザーを生成することができる。しかし、パルス強度が１ミリジュール以上のレーザーを生成することは非常に困難であった。
【００１６】
１ミリジュール程度のパルス強度を有するレーザーを生成できるレーザー生成装置の開発には、レーザー耐久性の共振鏡の課題もある。従来、耐レーザー性の共振鏡の材料には、半導体露光装置用の耐レーザー性の高い光学用合成石英ガラス（特許文献９）、耐レーザー損傷特性を有する屈折率の低い高純度シリカガラス材料（特許文献１０）、耐レーザー性の高い合成石英ガラス（特許文献１１）、耐レーザーに優れたエキシマレーザー用光学石英ガラス（特許文献１２）、耐レーザー性の良好なエキシマレーザー用積層金属膜（特許文献１３）、高屈折率の酸化タンタル薄膜と低屈折率のシリカ薄膜から成る誘電体多層膜（特許文献１４）、サファイア等のセラミック材料（特許文献１５）、単結晶酸化チタン薄膜や単結晶酸化ケイ素薄膜等のセラミック薄膜、単結晶ゲルマニウム、銅等の金属材料、単結晶酸化ゲルマニウム薄膜、単結晶ガリウム砒素薄膜、単結晶ガリウムインジウム砒素薄膜等の半導体材料、等が知られている。また、面発光型半導体レーザーなどの光デバイス中に、熱伝導性の高いダイヤモンド層を含む多層膜構造を多層膜反射ミラーとして形成することが提案されている（特許文献１６）。
【００１７】
しかし、本発明者らの実験によって、前記に挙げた材料から成る共振鏡や反射鏡の殆どが、３００マイクロジュール程度のパルス強度を有するレーザーの繰り返し共振によって破壊されることがわかった。
【００１８】
以上の説明のように、従来、光共振器やファイバ増幅器を用いた種々のレーザー生成装置は、材料加工用のレーザー生成装置や光通信用のレーザー発振器として知られているが、レーザーコンプトン散乱Ｘ線の生成の目的に利用できる大強度レーザーを発生可能な簡易で小型のレーザー生成装置を搭載したレーザーコンプトン散乱装置は、殆ど知られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特許公表平６−５０６０５９号公報
【特許文献２】特開２０００−２４４０４４号公報
【特許文献３】特開平６−３１８７５１号公報
【特許文献４】特開２００２−１４１５８９号公報
【特許文献５】特開平５−７５１８９号公報
【特許文献６】特開２００９−１６４８８号公報
【特許文献７】特開２０１１−１６６１６９号公報
【特許文献８】特開２０１１−０３５３３１号公報
【特許文献９】特開２０１０−１５００９７号公報
【特許文献１０】特開２０１０−１５５７７８号公報
【特許文献１１】特開２００９−１９０９５８号公報
【特許文献１２】特開２０００−１９１３２９号公報
【特許文献１３】特開平１０−１６０９１５号公報
【特許文献１４】特開２００６−３０２８８号公報
【特許文献１５】特開２００４−３５６４７９号公報
【特許文献１６】特開平１０−２３３５５８号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】G. T. Harvey, L. F. Mollenauer, Harmonically mode-locked fiber ringlaser with an internal Fabry-Perot stabilizer for soliton transm, OPTICSLETTERS, 1993. 01. 15, Vol. 18, No. 2, pp. 107-109
【非特許文献２】O. G. Okhotnikov and M. Guina, Stable single- and dual-wavelengthfiber laser mode locked and spectrum shaped by a Fabry-Perot saturableabsorber, OPTICS LETTERS, 2000. 11. 15, Vol. 25, No. 22, pp. 1624-1626
【非特許文献３】P. W. Smith, Stabilized single-frequency output from a long lasercavity, IEEE Journal of Quantum Electronics, 1965. 11, Vol. QE-1, No. 8, pp.343-348
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、バースト増幅によって大強度レーザーバルスの生成及び蓄積ができる簡易で小型のレーザーコンプトン散乱装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、自己発振増幅によるレーザー増幅手段と、及び、更に高い増幅が可能なレーザー耐久性の外部共振器とを連動させることによって、外部共振器においてバースト増幅が可能であり、これによって自己発振増幅だけによる増幅よりも予想外の驚くほど高い増幅が可能であることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００２３】
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、
１．
レーザーの自己発振増幅を行うため、少なくとも、励起レーザー光源と、ＲＦ強度変調器、ファイバ増幅器１、光共振器、調整ケーブル、及びファイバ増幅器２が順番に環状に連結して成る光周回路と、及び該光周回路の外に連結されて設けられたバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器から成る装置であり、
前記光周回路においてレーザーの自己発振増幅が起動されることによって前記光共振器に増幅レーザーが蓄積され、この蓄積レーザーの一部が前記レーザー耐久性の外部共振器に伝送され、該外部共振器においてバースト増幅と蓄積が行われ、
該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われることを特徴とするレーザーコンプトン散乱装置の構成とした。
２．
レーザーの自己発振増幅を行うため、少なくとも、励起レーザー光源と、ＲＦ強度変調器、ファイバ増幅器１、光共振器、調整ケーブル、及びファイバ増幅器２が順番に環状に連結して成る光周回路と、及び該光周回路の外に順番に連結されて設けられたレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器から成る装置であり、
前記光周回路においてレーザーの自己発振増幅が起動されることによって前記光共振器に増幅レーザーが蓄積され、この蓄積レーザーの一部が前記レーザー増幅手段に伝送され、該レーザー増幅手段によって増幅され、この増幅されたレーザーが前記レーザー耐久性の外部共振器に伝送され、該外部共振器においてバースト増幅と蓄積が行われ、
該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われることを特徴とするレーザーコンプトン散乱装置の構成とした。
３．
レーザーの自己発振増幅を行うため、少なくとも、励起レーザー光源と、ＲＦ強度変調器、ファイバ増幅器１、レーザー耐久性の光共振器、調整ケーブル、及びファイバ増幅器２が順番に環状に連結して成る光周回路と、及び該光周回路の外に順番に連結されて設けられたレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器から成る装置であり、
前記光周回路においてレーザーの自己発振増幅が起動されることによって前記レーザー耐久性の光共振器に増幅レーザーが蓄積され、この蓄積レーザーの一部が前記レーザー増幅手段に伝送され、該レーザー増幅手段によって増幅され、この増幅されたレーザーが前記レーザー耐久性の外部共振器に伝送され、該外部共振器においてバースト増幅と蓄積が行われ、
該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われることを特徴とするレーザーコンプトン散乱装置の構成とした。
【発明の効果】
【００２４】
本発明レーザーコンプトン散乱装置は、安定したレーザーの高倍率増幅が自己発振増幅によって行うことができる光共振器内蔵型の光周回路を作り、この光周回路の外にバースト増幅のための少なくともレーザー耐久性の外部共振器を設けているので、自己発振増幅によって作られた光周回路の高倍率増幅レーザーの一部が、レーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器において更に１万倍程度に増幅され蓄積されるので、該外部共振器に電子ビームを入射し、レーザーコンプトン散乱を行うことができる。本発明装置におけるレーザー耐久性の外部共振器には、レーザーのパルス強度が少なくとも１ミリジュール以上、出力が１０ＭＷ程度のレーザーを蓄積できることが確認されている。
【００２５】
また、本発明装置におけるレーザー耐久性の外部共振器として用いられる三次元又は二次元４枚鏡光共振器は、レーザーコンプトン散乱反応容器として最も好ましい。
【００２６】
また、本発明装置における光共振器内蔵の光周回路の自己発振増幅は非常にコンパクトな手段であるにもかかわらず、従来の大型の大強度モードロックレーザー発振器よりもそれ以上のより高強度のレーザーパルスを安定して発振できること、この大強度モードロックレーザーを光共振器に蓄積し、その一部を外付けの外部共振器によってバースト増幅し蓄積するという非常に高度なことを簡易にできる装置であることから、レーザーコンプトン散乱のために最も好ましい。そして、本発明装置は、超小型のレーザーコンプトン散乱装置として、いろいろな産業に幅広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概念図である。これは、光周回路の外にバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている例である。矢印は、光の流れを示す。他の図においても同じ。
【図２】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概念図である。これは、光周回路の外にレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている例である。
【図３】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概念図である。これは、光周回路にある光共振器としてレーザー耐久性の光共振器を用い、光周回路の外にレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている例である。
【図４】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、能動モードロック方式による自己発振増幅を行う光周回路の外にバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【図５】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、能動モードロック方式による自己発振増幅を行う光周回路の外にレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【図６】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、能動モードロック方式による自己発振増幅を行う光周回路の光共振器としてレーザー耐久性の光共振器を用い、光周回路の外にレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【図７】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、再生モードロック方式によって自己発振増幅を行う光周回路の外にバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【図８】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、再生モードロック方式によって自己発振増幅を行う光周回路の外にレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【図９】本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、再生モードロック方式によって自己発振増幅を行う光周回路にある光共振器としてレーザー耐久性の光共振器を用い、光周回路の外にレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【図１０】本発明におけるレーザー耐久性の外部共振器の一つを示す構造図である。
【図１１】本発明レーザーコンプトン散乱装置によるレーザーコンプトン散乱を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明におけるバースト増幅とは、短いパスで一瞬にして飛躍的に高い増幅を行うことを意味しており、具体的には、レーザーをレーザー耐久性の外部共振器によって爆発的に増幅、例えば、種レーザーを少なくとも数千倍程度からそれ以上の増幅率で増幅することであり、増幅の程度はレーザー耐久性の外部共振器よりも少ないもののレーザー耐久性の外部共振器の手前に設けたレーザー増幅手段によって非常に高い増幅を行うことでもある。
【００２９】
本発明レーザーコンプトン散乱装置は、少なくとも励起レーザー光源と、光共振器、ＲＦ強度変調器、調整ケーブル、及びレーザー増幅器から成る光周回路で自己発振増幅を起動することによって生成された高増幅倍率のレーザーの一部が、前記光周回路の外に設けられたバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器に入り、該共振器によって更に１万倍程度の増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われることに最大の特徴がある。
【００３０】
これは、「光周回路の外に設けられた外部共振器のフィードバック信号を光周回路内の光共振器のフィードバック信号から生成するので、そのため、外部共振器によるバースト増幅時も共鳴が自動的に維持できる」という、本発明装置が搭載する光増幅蓄積回路ならではの特徴によって成し遂げられるものである。
【００３１】
本発明においてバースト増幅のためにレーザー耐久性を有する外部共振器を用いる理由は、光周回路で生成する高増幅倍率のレーザーを外部共振器において更に１万倍程度の増幅と蓄積をするためには、光周回路にある光共振器よりも高いレーザー耐久性を持つ必要があるからである。本発明におけるレーザー耐久性の外部共振器としては、４枚鏡の光共振器が最も好ましい。４枚鏡の光共振器としては、三次元４枚鏡光共振器または二次元４枚鏡光共振器が最も好ましい。それは、レーザーパルスの入射角がミラーに対して垂直になっていないので、反射レーザーパルスが、光周回路のループに戻らないからである。そして、レーザー耐久性の外部共振器として三次元４枚鏡光共振器または二次元４枚鏡光共振器は、レーザーコンプトン散乱のための反応容器として最も好ましい。
【００３２】
また、本発明は、光周回路にある光共振器に蓄積されたレーザーが外付けのレーザー増幅手段によってさらに増幅され、外付けのレーザー耐久性の外部共振器に伝送されることもできる。レーザー耐久性の外部共振器の手前にレーザー増幅手段が設けられることによって、前記の「光周回路の外に設けられた外部共振器のフィードバック信号を光周回路内の光共振器のフィードバック信号から生成する」ことを非常に簡易に行うことができる。この方式は、いわば、光共振器の自動光共振方式である。この方式を搭載した本発明装置は、光周回路にある光共振器に蓄積されたレーザーが外付けのレーザー増幅手段によってさらに増幅されるのであるが、この増幅レーザーは、外付けのレーザー耐久性の外部共振器の共鳴条件を自然に満足しているので、該外部共振器によって難なく増幅及び蓄積が行えるという優れた特徴がある。
【００３３】
これは、光周回路にある光共振器からのパルス信号を検出しフィードバックするための、例えば、［λ／２ミラー→ポーラライズビームスプリッタ（ＰＢＳ）→Ｓ−ｗａｖｅ  ｐｏｌａｒｉｚｅｒ→フォトディテクタ→ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ→フォトディテクタ→Ｐ−ｗａｖｅ  ｐｏｌａｒｉｚｅｒ→ＰＢＳ］のフィードバック検出系を補正ボード（ＦＰＧＡ）に繋ぎ、これを外部共振器の共振器長と角度を調整するための位置調整手段及び角度調整手段に連結することによって、例えば、位置調整手段を０.１ｎｍの制御精度で難なく行うことができることから成し得る。外付けのレーザー増幅手段として大増幅が可能なコンパクトな増幅手段を用いることによってバースト増幅が可能であるので、レーザー耐久性の外部共振器の手前に上記のような増幅手段を設けることは、より好ましい。
【００３４】
また、本発明は、前記外付けのレーザー増幅手段及びレーザー耐久性の外部共振器が設けられるとともに、光周回路にある光共振器としてレーザー耐久性の外部共振器を用いることもできる。こうすることによって、光周回路にある光共振器もレーザー耐久性の外部共振器と同様にバースト増幅と蓄積ができる。その結果、外付けの外部共振器だけの場合よりも驚異的なパルス強度を有するレーザーをレーザー耐久性の外部共振器に蓄積することができるので、最も好ましい。
【００３５】
以下に図面を参照しつつ本発明の一側面を実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）として詳細に説明する。
【実施例】
【００３６】
図１は、本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概念図である。これは、自己発振増幅を行うための光周回路が作られ、この光周回路の外にバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が設けられ、自己発振増幅によって増幅された光周回路のレーザーが光共振器から外部共振器に入り、該外部共振器においてレーザーのバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００３７】
自己発振増幅を行うための光周回路は、少なくとも励起レーザー光源→ＲＦ強度変調器→ファイバ増幅器１→光共振器→調整ケーブル→ファイバ増幅器２→ＲＦ強度変調器がこの順番で環状に連結されて成る。そして、励起レーザー光源からファイバ増幅器２とＲＦ強度変調器間の光周回路に励起レーザーが入射される。矢印は、光の流れを示す。他の図においても同じ。なお、調整ケーブルとは、光周回路の光路長を微調整するためのものである。
【００３８】
図１において、自己発振増幅は、先ず励起レーザー光源から発せられた励起レーザーによってファイバ増幅器の自然放射が起こり、自然放射によって発生した光ノイズから始まる。ノイズ光のうちたまたま光共振器の共鳴幅に受け入れられたスペクトル成分が光共振器を通過する。これが、光周回路の周期で強度変調されるようにＭＨｚ帯のＲＦ強度変調器によって強制的（能動的）に強度変調される。
【００３９】
この強度変調されたレーザーが、所謂、種光である。この種光が、ファイバ増幅器１内で誘導放射を起こして新たなレーザーが発生し、ファイバ増幅器１を通過する間に次々と発生過程で増幅される。これを数１００ＭＨｚ（例えば３５７MHｚ）の繰り返しで動作する光共振器を通すと、光周回路を伝搬するレーザーパルスの繰り返しが、光共振器の繰り返しになる。
【００４０】
ここで、光周回路の周期は、数十ＭＨｚ（例えば３５.７MHｚ）であり、光共振器の繰り返しの整数分の１になるように調整されている。このように数１００ＭＨｚの光共振器を光周回路内に入れることによって、光周回路の周期が光共振器の周期に変換される。これによって、光共振器による増幅とファイバ増幅器１及び２による増幅とが自己発振によって協調的に行われるようになる。このことを自己発振増幅という。
【００４１】
この自己発振増幅は、ループ利得が１以上で始まり、釣り合い状態（ループ利得が１の状態）になるまで、数百ミクロ秒から数ミリ秒以内で行われる。この過程で、光共振器の例えば９０％反射率の光共振鏡によって共鳴状態を満足するレーザーを蓄積して、一部を透過させ、光周回路に戻す。光周回路に戻されたレーザーは、ファイバ増幅器１及び２で誘導放射を起こすので、誘導放射によるレーザーは、自然に光共振器の共鳴状態になっている。この増幅過程が自己発振増幅によってエンドレスに繰り返されるので、その結果、非常に強度の高いレーザーが光共振器に蓄積される。
【００４２】
そして、光共振器に蓄積されたレーザーの一部が外部共振器に入り、外部共振器においてバースト増幅され蓄積される。この光周回路では、外部共振器のフィードバック信号が光周回路にある光共振器の信号から生成されるので、バースト増幅時も共鳴が自動的に維持される。この装置では、種レーザーは、光周回路にあるファイバ増幅器及び光共振器によって約１０倍から約１０００倍程度増幅されるので、光共振器にはパルス強度が種レーザーの約１０倍から約１０３倍のレーザーが蓄積される。この蓄積レーザーの一部がバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器に入り、更に約１万倍程度増幅され得るので、外部共振器に種レーザーの約１０５から約１０７倍のパルス強度のレーザーを蓄積できる。
【００４３】
図２は、本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概念図である。これは、自己発振増幅を行うための光周回路が作られ、この光周回路の外にレーザー増幅手段とバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が設けられ、自己発振増幅によって増幅された光周回路のレーザーが光共振器からレーザー増幅手段に入り、該レーザー増幅手段によって増幅され、この増幅されたレーザーがレーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器においてレーザーのバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００４４】
この装置では、種レーザーが光周回路にあるファイバ増幅器及び光共振器で約１０倍から約１０００倍程度増幅され得るので、光共振器にはパルス強度が種レーザーの約１０倍から約１０３倍のレーザーが蓄積される。この蓄積レーザーの一部が光周回路の外に設けられたレーザー増幅手段に入り、該レーザー増幅手段によって約１０倍程度から約１万倍程度増幅される。この増幅されたレーザーがレーザー耐久性の外部共振器に入り、外部共振器において更に約１万倍程度増幅され得るので、外部共振器に種レーザーの約１０６倍から約１０１１倍のパルス強度のレーザーを蓄積できる。上記レーザー増幅手段としては、例えば増幅を段階的に行うことができる循環型でない多段ファイバ増幅器、レーザーダイオード励起ファイバ増幅器、レーザーダイオード励起固体レーザー、等を用いることができる。
【００４５】
図３は、本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概念図である。これは、自己発振増幅を行うための光周回路が作られ、光周回路にある光共振器としてレーザー耐久性の光共振器を用い、この光周回路の外にレーザー増幅手段とバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が設けられ、自己発振増幅によって増幅された光周回路のレーザーがレーザー耐久性の光共振器からレーザー増幅手段に入り、該レーザー増幅手段によって増幅され、この増幅されたレーザーがレーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器においてレーザーのバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００４６】
この装置では、種レーザーが光周回路にあるファイバ増幅器及びレーザー耐久性の光共振器で約１０倍から約１万倍程度増幅され得るので、光共振器にはパルス強度が種レーザーの約１０倍から約１０４倍のレーザーが蓄積される。この蓄積レーザーの一部が光周回路の外に設けられたレーザー増幅器に入り、該レーザー増幅器によって約１０倍程度から約１万倍程度増幅され、この増幅されたレーザーがレーザー耐久性の外部共振器に入り、外部共振器において更に約１万倍程度増幅され得るので、外部共振器に種レーザーの約１０６倍から約１０１２倍のパルス強度のレーザーを蓄積できる。
【００４７】
前記自己発振増幅は、ＲＦ強度変調器を能動モードロック方式にする場合と再生モードロック方式にする場合の二通りの方式によって行うことができる。能動モードロック方式とは、ＲＦ強度変調器を用い、光周回路にある光共振器を通過した共鳴種光を光周回路の周期で強度変調されるようにＭＨｚ帯のＲＦ強度変調器によって強制的（能動的）に強度変調することをいう。また、再生モードロック方式とは、自らの発振信号をフィードバック回路によって増幅・再生して作り、これをＲＦ強度変調器の駆動信号として用いることをいう。
【００４８】
図４は、本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、能動モードロック方式による自己発振増幅を行う光周回路の外にバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。この装置は、能動モードロック方式による自己発振増幅によって光周回路にある光共振器に蓄積されたレーザーの一部が、外付けのレーザー増幅器に入り、増幅されたのち、レーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器においてバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００４９】
この装置の能動モードロック方式による自己発振増幅は、例えば、励起レーザー光源ＬＤ→分波／合波器ＷＤＭ→ＲＦ強度変調器→ファイバ増幅器１→光共振器→調整ケーブル→ファイバ増幅器２が連結されて成る光周回路で行われる。
【００５０】
ＲＦ強度変調器としては、ＭＨｚ帯で駆動する強度変調器を用いる。ＭＨｚ帯で駆動する強度変調器を用いる主な理由は、レーザーコンプトン散乱のための電子ビームを生成するＲＦ加速器の駆動タイミングに合わせるためとレーザーのパルス強度を大きくするためである。ファイバ増幅器のファイバとしては、通常、Ｙｂがドープされたファイバを用いる。Ｙｂがドープされたファイバを用いる理由は、１０６４ｎｍのレーザーを効率的に誘導放射させるためである。
【００５１】
この装置で、例えば、パルス強度が１００ピコジュール程度の種レーザーをこの光周回路で自己発振増幅を行うと、光周回路にあるレーザー増幅器及び光共振器で約１０倍から約１０００倍程度増幅されるので、光共振器にはパルス強度が約１ナノジュールから約０.１マイクロジュールのレーザーが蓄積される。
【００５２】
この蓄積レーザーの一部がレーザー耐久性の外部共振器に入り、更に約１万倍程度増幅され得るので、該外部共振器にパルス強度が約１０マイクロジュールから約１ミリジュールのレーザーを蓄積できる。実験的には、外部共振器として光周回路にある光共振器と同じ光共振器を用いると、パルス強度が３００マイクロジュール程度に達した時に共振鏡の破壊が見られたが、レーザー耐久性の外部共振器を使用すると、パルス強度が１ミリジュールに達しても共振鏡の破壊は全くみられなかった。
【００５３】
図５は、本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、能動モードロック方式による自己発振増幅を行う光周回路の外にレーザー増幅器及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【００５４】
この装置は、光周回路にある光共振器に蓄積されたレーザーの一部が、外付けのレーザー増幅器に入り、該レーザー増幅器によって増幅が行われ、レーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器においてバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００５５】
外付けのレーザー増幅手段としては、例えば、増幅を段階的に行うことができる多段ファイバ増幅器（循環型ではない）、レーザーダイオード励起ファイバ増幅器、レーザーダイオード励起固体レーザー、等を用いることができる。例えば、［Ｐｒｅ−ａｍｐ．−Ｍａｉｎ  ａｍｐ．−Ｂｕｒｓｔ−ａｍｐ．］（このバーストは、誘導放射レーザーを爆発的に発生させることをいう）で構成されるレーザーダイオード励起ファイバ増幅器は、Ｐｒｅ−ａｍｐ．によって約１０倍程度の増幅、Ｍａｉｎ  ａｍｐ．によって約２０倍程度の増幅、Ｂｕｒｓｔ−ａｍｐ．によって約５０倍程度の増幅が可能（したがってトータル増幅は約１万倍程度）であるので、より好ましい。
【００５６】
この装置は、例えば、パルス強度が１ピコジュール程度の種レーザーをこの光周回路で自己発振増幅を行うと、光周回路にあるファイバ増幅器及び光共振器で約１０倍から約１０００倍程度増幅されるので、光共振器にはパルス強度が約１０ピコジュールから約１ナノジュールのレーザーを蓄積できる。この蓄積レーザーの一部が光周回路の外にあるレーザー増幅手段によって約１０倍程度から約１万倍程度増幅され、レーザー耐久性の外部共振器に入り、更に約１万倍程度増幅され得るので、該外部共振器にパルス強度が約１マイクロジュールから約１００ミリジュールのレーザーを蓄積できる。
【００５７】
図６は、本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、能動モードロック方式による自己発振増幅を行う光周回路の光共振器としてレーザー耐久性の光共振器を用い、光周回路の外にレーザー増幅手段及びバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【００５８】
この装置は、光周回路にあるレーザー耐久性の光共振器に大強度のレーザーが蓄積され、この蓄積レーザーの一部がレーザー増幅手段に入り、該レーザー増幅手段によって増幅され、このレーザーがレーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器においてバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００５９】
この装置は、例えば、パルス強度が０.１ピコジュール程度の種レーザーをこの光周回路で自己発振増幅を行うと、光周回路にあるファイバ増幅器及びレーザー耐久性の光共振器で約１０倍から約１万倍程度増幅されるので、該光共振器にはパルス強度が約１ピコジュールから約１ナノジュールのレーザーを蓄積できる。この蓄積レーザーの一部が光周回路の外にあるレーザー増幅手段によって約１０倍から約１万倍程度増幅され、レーザー耐久性の外部共振器に入り、更に約１万倍程度増幅され得るので、該外部共振器にパルス強度が約０.１マイクロジュールから約１００ミリジュールのレーザーを蓄積できる。
【００６０】
図７は、本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する図である。この装置は、再生モードロック方式によって自己発振増幅を行う光周回路の外にバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【００６１】
この装置は、再生モードロック方式によってレーザーが自己発振増幅され、増幅されたレーザーが光周回路にある光共振器に入り、該光共振器によって増幅と蓄積が行われ、この蓄積レーザーの一部が外付けのレーザー増幅器に入り、該レーザー増幅器によって増幅され、この増幅されたレーザーがレーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器においてバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００６２】
再生モードロック方式による自己発振増幅は、自らの発振信号をフィードバック回路によって増幅・再生して作り、これをＲＦ強度変調器の駆動信号として用いることに特徴がある。すなわち、１０％カプラから一部の光を取り出し、ＰＤ１でモニタし、ＰＤ１の電気信号をＲＦａｍｐ．で増幅し、例えば３５７MHｚ±７ＭＨｚのバンドパスフィルタＢＰＦにより、スーパーモードノイズのうち、成長させたい成分を取り出し、フェーズシフタで位相調整をした上で、ＲＦａｍｐ．で増幅し、ＲＦ強度変調器を駆動させる。この方式に依れば、発振周波数が変動しても、変調信号と周回長との関係は変わらないので、パルス発振が安定する利点がある。
【００６３】
図７の再生モードロック方式による自己発振増幅は、光周回路［光共振器→調整ケーブル→光アイソレータＰＩ１→ファイバ増幅器１→ＰＩ２→（励起レーザー光源→ＰＩ３）→分波／合波器ＷＤＭ→ＰＩ４→ＭＨｚ帯で駆動するＲＦ強度変調器→ＰＩ５→ファイバ増幅器２→ＰＩ６→１０％カプラ→光共振器］と、及び、この光周回路に分岐したフィードバック回路［１０％カプラ→フォトダイオードＰＤ１→スプリッタＳＰ１→ＲＦａｍｐ１→バンドパスフィルタＢＰＦ→フェーズシフタＰＳ→ＳＰ２→ＲＦａｍｐ２→ＭＨｚ帯で駆動するＲＦ強度変調器］によって行われる。上記のように、この再生モードロック方式のＲＦ強度変調器を用いても、能動モードロック方式と同様に、光共振器内に高増幅倍率のレーザーを蓄積することができる。
【００６４】
この装置は、例えば、パルス強度が約１００ピコジュール程度の種レーザーをこの光周回路で自己発振増幅を行うと、光周回路にあるファイバ増幅器及び光共振器で約１０倍から約１０００倍程度増幅されるので、光共振器にはパルス強度が約１ナノジュールから約０.１マイクロジュールのレーザーを蓄積できる。この蓄積レーザーの一部が光周回路の外にあるレーザー耐久性の外部共振器に入り、更に約１万倍程度増幅され得るので、外部共振器にパルス強度が約１０マイクロジュールから約１ミリジュールのレーザーを蓄積できる。
【００６５】
図８は、本発明バースト増幅レーザー生成装置の一つを説明する図である。この装置は、再生モードロック方式によって自己発振増幅を行う光周回路の外にレーザー増幅手段とバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【００６６】
この装置は、光周回路にある光共振器に蓄積されたレーザーの一部が、外付けのレーザー増幅器に入り、該レーザー増幅器によって増幅され、レーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器においてバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００６７】
この装置は、例えば、パルス強度が１ピコジュール程度の種レーザーをこの光周回路で自己発振増幅を行うと、光周回路にあるファイバ増幅器及び光共振器で約１０倍から約１０００倍程度増幅されるので、光共振器にはパルス強度が約１０ピコジュールから約１ナノジュールのレーザーが蓄積される。この蓄積レーザーの一部が光周回路の外にあるレーザー増幅手段によって約１０倍程度から約１万倍程度増幅され、レーザー耐久性の外部共振器に入り、更に約１万倍程度増幅され得るので、該外部共振器にパルス強度が約１マイクロジュールから約１００ミリジュールのレーザーを蓄積できる。
【００６８】
図９は、本発明レーザーコンプトン散乱装置の一つを説明する概略図である。この装置は、再生モードロック方式によって自己発振増幅を行う光周回路にある光共振器としてレーザー耐久性の光共振器を用い、光周回路の外にレーザー増幅手段とバースト増幅のためのレーザー耐久性の外部共振器が連結されて設けられている装置の例である。
【００６９】
この装置は、光周回路にあるレーザー耐久性の光共振器によって大強度のレーザーが蓄積され、この蓄積レーザーの一部がレーザー増幅手段に入り、該レーザー増幅手段によって増幅され、このレーザーがレーザー耐久性の外部共振器に入り、該外部共振器によってバースト増幅と蓄積が行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われる装置である。
【００７０】
この装置は、例えば、パルス強度が０.１ピコジュール程度の種レーザーをこの光周回路で自己発振増幅を行うと、光周回路にあるファイバ増幅器及びレーザー耐久性の光共振器で約１０倍から約１万倍程度増幅されるので、該光共振器にはパルス強度が１ピコジュールから約１ナノジュールのレーザーを蓄積できる。この蓄積レーザーの一部が光周回路の外にあるレーザー増幅手段によって約１０倍程度から約１万倍程度増幅され、レーザー耐久性の外部共振器に入り、更に約１万倍程度増幅され得るので、該外部共振器にパルス強度が約０.１マイクロジュールから約１００ミリジュールのレーザーを蓄積できる。
【００７１】
図１０は、本発明におけるレーザー耐久性の外部共振器の一例を示す概略図である。該外部共振器は、光共振器構造体（省略）内部の真空雰囲気中に設けられた一対の平面反射鏡と一対の凹面共振鏡と、平面反射鏡の角度調整手段（省略）と、共振器長調整手段（省略）と、光共振器構造体の外部に設けられたレーザーの入射又は出射の光路である二つの光路系（省略）と、電子−ビームの入射口（省略）と、衝突後の電子ビームの出射口（省略）と、レーザーコンプトン散乱によって発生するＸ線の取り出し口（省略）、等から構成される三次元又は二次元４枚鏡光共振器である。
【００７２】
共振器内部を真空にする理由は、１万倍という非常に高いレーザーの増幅を達成するためには、僅かの不純物や浮遊物質によりモードロックレーザーの共鳴が消失することを防ぐ必要があるからである。また、電子ビームとの衝突反応を真空中で行うためである。
【００７３】
上記二つの光路系は、それぞれ反射ミラー群とマッチングレンズ群とコリメータレンズ群から成り、共振器構造体の外側において、光共振器の凹面共振鏡の裏側からレーザーの入射又は出射を行える位置にそれぞれ配置されている。
【００７４】
平面反射鏡の角度調整手段及び共振器長調整手段は、平面反射鏡の裏面及び凹面共振鏡の裏面と共振器構造体との間に配置され、印可された電圧に応じて変形し、平面反射鏡及び凹面共振鏡の位置等を調整する手段である。平面反射鏡の角度調整手段及び共振器長調整手段としては、それぞれ高精度で制御が行える調整手段を用いるのが好ましい。
【００７５】
レーザーは、上記光路系を経て平面反射鏡の裏面に入射され、平面反射鏡から凹面共振器鏡に入射され、対向するもう一つの共振器鏡との間で反射と共振を受けながら蓄積され、共振器長調整手段によって位相を調整される。また、この動作と並行して、光共振器に蓄積されたレーザーの一部が、共振器鏡を透過させられ、共振器鏡の裏面から上記光路系を経て出射される。
【００７６】
図１０において、平面反射鏡は、モードロックレーザーを平行ビームにして凹面共振鏡に入射させるための反射鏡であり、凹面共振鏡への入射角を最適化するために必要な反射鏡である。光共振器内に一対の平面反射鏡とレーザー耐久性の一対の凹面共振鏡が共に三次元配置された三次元４枚鏡光共振器の構成は、従来の光共振器には殆ど見られない構成である。
【００７７】
図１０において、共振器長は、凹面共振鏡間のレーザービームのビームウエストをできるだけ小さくするように最適化される。凹面鏡間の中点におけるビームウエスト（ω０）は、レーザーの波長（λ）、共振器長（Ｌ）、及び凹面鏡の曲率半径（ρ）と式１の関係がある。
【００７８】
【数１】
0005975461.tif 000002
【００７９】
ビームウエストが小さいほどレーザーコンプトン散乱Ｘ線のフラックスは大きいので、ω０をできるだけ小さくするように共振器長を設定する。一方、曲率半径（ρ）は、ガウスビームを存在させる境界条件から求められる。本発明ではλ＝１０６４ｎｍのレーザーを用いている。Ｌは、モードロックレーザー（７１４ＭＨｚ）の共鳴条件から２１０ｍｍの整数倍である。Ｌをρに近づけるほどω０を小さくできるので、共振器長は、約１ｍ（ω０≒５０μｍ）とするのがよい。
【００８０】
図１０において、共振器の幅ｄと共振鏡に入射されるレーザーの入射角αは、凹面共振鏡による水平方向及び垂直方向の収束力が最大になるように最適化される。共振器の幅ｄは２４０ｍｍ程度、入射角αは０.２８ｒａｄｉａｎ程度が好ましい。
【００８１】
図１０において、共振鏡としては、レーザー耐久性の凹面共振鏡が用いられる。平面反射鏡も、レーザー耐久性の反射鏡を用いるのが好ましい。レーザー耐久性の凹面共振鏡としては、例えば、フッ素含有誘電体多層膜がコートされた鏡、単結晶ダイヤモンド薄膜がコートされた鏡が、好ましい。
【００８２】
フッ素含有誘電体多層膜がコートされた鏡としては、例えば、合成石英基板上に高屈折率のフッ素含有酸化チタン薄膜とシリカ薄膜が交互に蒸着された鏡を用いることができる。
【００８３】
単結晶ダイヤモンド薄膜がコートされた鏡は、例えば、石英基板やサファイア基板等の基板上にＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによってエピタキシャルダイヤモンド薄膜が形成された鏡を用いることができる。
【００８４】
本発明では、共振鏡のレーザー耐久性は、繰り返し周波数が３５７ＭＨｚ、パルス強度が約０.３ミリジュールのレーザーを一対の共振鏡に入れ１０分間共振後、破壊や損傷の程度を調べることによって評価できる。本発明では、この評価方法によって破壊や損傷が全く見られないものが好ましい。
【００８５】
図１０において、凹面共振鏡及び平面反射鏡の反射率は、モードロックレーザーの共鳴の鋭さ（Ｆｉｎｅｓｓｅ）を大きくするように最適化される。Ｆｉｎｅｓｓｅ（Ｆ）は、反射率（Ｒ）と式２の関係がある。
【００８６】
【数２】
0005975461.tif 000003
【００８７】
Ｒが大きいほどＦを大きくすることができる。反射率を大きくするもう一つの理由は、高強度のレーザー衝突によって凹面共振鏡の表面が損傷を受けるのを抑制する（レーザー耐久性を上げる）ためである。
【００８８】
一対の凹面共振鏡のうちの一つ及び一対の平面反射鏡のうちの一つは、それぞれ反射率が９９％以上であるのが好ましく、反射率が９９.９％以上１００％未満であるのがさらに好ましい。反射率が９９％以下であるとモードロックレーザーのＦｉｎｅｓｓｅの低下が大きくなり共振鏡表面でのレーザー衝突による悪影響が生じやすくなるので、９９％以上であるのが好ましく、反射率が９９.９％以上であればモードロックレーザーのＦｉｎｅｓｓｅを非常に大きくできるだけでなくレーザー衝突による悪影響を小さくできるのでさらに好ましい。また、反射率を１００％未満とするのは、光周回路の光共振器に蓄積されたレーザーを受光するためである。通常は、反射率が９９.９９％以上の共振鏡を用いる。
【００８９】
図１１は、本発明レーザーコンプトン散乱装置によるレーザーコンプトン散乱を説明する概略図である。図１１において、光周回路の外に設けられたレーザー耐久性の外部共振器に蓄積されたレーザーを、該外部共振器の中で、外部から外部共振器に入射された電子ビームに衝突させてＸ線を発生させる。光周回路にある光共振器と外部共振器の共振マッチングは、例えば、フィードバック検出系と補正ボードＦＰＧＡを介して行われる。発生したＸ線は、産業利用性が高い５０ｋｅＶ以上の高輝度準単色Ｘ線である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、光共振器とファイバ増幅器とＲＦ強度変調器とから成る光周回路が作られ、該光周回路の外にレーザー耐久性の外部共振器が連結されている装置であるので、光周回路で作られる安定した高増幅のレーザーが、さらに、外付けの外部共振器においてバースト増幅と蓄積とが行われ、該外部共振器の中でレーザーコンプトン散乱が行われるレーザーコンプトン散乱装置であるので、簡易で小型のレーザーコンプトン散乱装置として利用可能である。
【図１】
0005975461.tif 000004
【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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