(57)【要約】【課題】電子蓄積リング自由電子レーザーを用いたコヒーレント高調波発生法による真空紫外域のコヒーレント光の発生方法を採用すると共に、アンジュレータ部での電子バンチと光パルスの空間的な重なりを増大させ、マイクロバンチの形成を十分に行うことができる短波長コヒーレント高次高調波発生方法及び装置を提供する。【解決手段】電子蓄積リング自由電子レーザーを用いた短波長コヒーレント高次高調波発生方法において、光共振器内で電子バンチと光パルスを相互作用させて高次高調波波長成分を持つマイクロバンチ形成を誘起させ、かつ非対称共振器を用いて光を空間的に非対称なモードで共振させることによりマイクロバンチの形成を誘起させ、コヒーレント光強度を増大させることを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生方法。【選択図】  図１
2006253535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子蓄積リング自由電子レーザーを用いた短波長コヒーレント高次高調波発生方法において、光共振器内で電子バンチと光パルスを相互作用させて高次高調波波長成分を持つマイクロバンチ形成を誘起させ、かつ非対称共振器を用いて光を空間的に非対称なモードで共振させることによりマイクロバンチの形成を誘起させ、コヒーレント光強度を増大させることを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生方法。
【請求項２】
電子蓄積リング自由電子レーザー短波長コヒーレント高次高調波発生方法において、Qスイッチ制御に基づいて、電子蓄積リング内の共振器内出力を高め、電子バンチを光パルスと相互作用させて、高次高調波波長成分を持つマイクロバンチ形成を誘起させることを特徴とする請求項１記載の短波長コヒーレント高次高調波発生方法。
【請求項３】
電子蓄積リング自由電子レーザーを用いた短波長コヒーレント高次高調波発生方法において、電子蓄積リングを光クライストロンとRF（高周波）空洞から構成すると共に、光クライストロンを第一アンジュレータ、分散部及び第二アンジュレータから構成し、共振器内で電子バンチと光パルスを相互作用させてマイクロバンチ形成を誘起させるに際して、光共振器として非対称共振器を用いることにより、ビームウエスト位置を第一アンジュレータ内に設定し、第一アンジュレータ部での横方向の光パルス形状を小さくすると共に電子バンチとの重なりを大きくしてマイクロバンチ形成を誘起させ、コヒーレント光強度を増大させることを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生方法。
【請求項４】
真空紫外域の短波長のコヒーレント高次高調波を発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の短波長コヒーレント高次高調波発生方法。
【請求項５】
電子蓄積リングに自由電子レーザー装置及びQスイッチ制御装置を設けた短波長コヒーレント高次高調波発生装置において、前記自由電子レーザー装置に非対称共振器を配置し、光を空間的に非対称なモードで共振させることによりマイクロバンチの形成を誘起させ、コヒーレント光強度を増大させることを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生装置。
【請求項６】
電子蓄積リング自由電子レーザーを用いた短波長コヒーレント高次高調波発生装置において、光クライストロンとRF（高周波）空洞から構成された電子蓄積リング、第一アンジュレータと分散部と第二アンジュレータから構成された光クライストロン及び光共振器として非対称共振器を備え、該共振器内で電子バンチと光パルスを相互作用させてマイクロバンチ形成を誘起させるに際して、光共振器内のビームウエスト位置を第一アンジュレータ内に設定することを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生装置。
【請求項７】
非対称光共振器は一対の共振器ミラーからなり、該共振器ミラーの曲率半径を相互に異ならしめたことを特徴とする請求項５又は６記載の短波長コヒーレント高次高調波発生装置。
【請求項８】
一方が直径20〜40mmφの共振器ミラーと、他方が30〜50mmφの共振器ミラーからなることを特徴とする請求項７記載の短波長コヒーレント高次高調波発生装置。
【請求項９】
光共振器は共振器ミラーと穴開き共振器ミラーからなり、光共振器内で生成したコヒーレント光を前記穴開き共振器ミラーのミラーの穴から共振器外部に取出すことを特徴とする請求項７又は８記載の短波長コヒーレント高次高調波発生装置。
【請求項１０】
真空紫外域の短波長のコヒーレント高次高調波を発生させることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の短波長コヒーレント高次高調波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレント高次高調波をより効率よく発生することができる短波長コヒーレント高次高調波発生方法及びそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空紫外域の光源は、生体高分子の構造解析、磁性材料の材料分析、イメージング技術などの分野で用いられている。この分野では、連続波長可変の強力な真空紫外域の光源が求められている。
この波長帯域では、蓄積リングを利用した放射光を光源とする技術がある。この放射光を光源とする技術は、強度安定性及び高繰り返し周波数特性があるという、優れた性質を有しているので魅力的であるが、インコヒーレント光であるため強度に限界があるという問題を有している。
【０００３】
一方、蓄積リング自由電子レーザーはコヒーレント性に優れているので、高強度光生成の期待が持たれ、レーザー発振波長の広帯域化が進められている。
例えば、下記特許文献１では、周期毎に供給される電子バンチに基づいてレーザー光を発生する自由電子レーザー装置において、電子バンチが通過して周期毎に光パルスを発生するアンジュレータとこのアンジュレータを挟んで対向して配置した主共振器ミラーと、この主共振器ミラーから取出した光の波長を選択して再度主共振器ミラーに返す全反射ミラーからなる副共振器ミラーを設置し、副共振器内を往復する光の光路長が光パルス周期の整数倍とする狭帯域自由電子レーザー装置を開示している。この場合、光パルスが１０μｍ以上の赤外線領域の波長を持つものである。
【０００４】
また、下記特許文献２では、高速に近い速度を有する電子ビームをアンジュレータ又は光クライストロンで蛇行させて自由電子レーザーを発生した電子ビームを位相幅調整後、別に用意した電子加速器に入射させ、再加速又は減速させた電子ビームを、再度アンジュレータ又は光クライストロンで蛇行させて自由電子レーザーを発生させ、電子ビームを１度だけで捨てることなく繰り返し使用するという自由電子レーザー発生装置を開示している。
【０００５】
しかし、光共振器損失は150nmより短波長領域で急激に増大するため、それ以下の真空紫外域でのレーザー発振は困難であると考えられている。
この発振波長の限界を超えるために、紫外域で発生させた蓄積リング自由電子レーザーを電子バンチと相互作用させ、コヒーレント高調波発生法により真空紫外コヒーレント高次高調波を発生させる試みが行われている。
【０００６】
この電子蓄積リング自由電子レーザーを用いたコヒーレント高調波発生法による真空紫外域のコヒーレント光の発生方法は有効な手法であるが、アンジュレータ部での電子バンチと光パルスの空間的な重なりが小さく、マイクロバンチの形成が不十分にしか行われないため、発生できる光強度に限界があった。
【特許文献１】特開平９−２１４０７０号公報
【特許文献２】特開平６−２９６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題点をさらに解決することを目的とし、電子蓄積リング自由電子レーザーを用いたコヒーレント高調波発生法による真空紫外域のコヒーレント光の発生方法を採用すると共に、アンジュレータ部での電子バンチと光パルスの空間的な重なりを増大させ、マイクロバンチの形成を十分に行うことができる短波長コヒーレント高次高調波発生方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題に鑑み、本発明は、
１）電子蓄積リング自由電子レーザーを用いた短波長コヒーレント高次高調波発生方法において、光共振器内で電子バンチと光パルスを相互作用させて高次高調波波長成分を持つマイクロバンチ形成を誘起させ、かつ非対称共振器を用いて光を空間的に非対称なモードで共振させることによりマイクロバンチの形成を誘起させ、コヒーレント光強度を増大させることを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生方法
２）電子蓄積リング自由電子レーザー短波長コヒーレント高次高調波発生方法において、Qスイッチ制御に基づいて、電子蓄積リング内の共振器内出力を高め、電子バンチを光パルスと相互作用させて、高次高調波波長成分を持つマイクロバンチ形成を誘起させることを特徴とする上記１）記載の短波長コヒーレント高次高調波発生方法
３）電子蓄積リング自由電子レーザーを用いた短波長コヒーレント高次高調波発生方法において、電子蓄積リングを光クライストロンとRF（高周波）空洞から構成すると共に、光クライストロンを第一アンジュレータ、分散部及び第二アンジュレータから構成し、共振器内で電子バンチと光パルスを相互作用させてマイクロバンチ形成を誘起させるに際して、光共振器として非対称共振器を用いることにより、ビームウエスト位置を第一アンジュレータ内に設定し、第一アンジュレータ部での横方向の光パルス形状を小さくすると共に電子バンチとの重なりを大きくしてマイクロバンチ形成を誘起させ、コヒーレント光強度を増大させることを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生方法
４）真空紫外域の短波長のコヒーレント高次高調波を発生させることを特徴とする上記１）〜３）のいずれかに記載の短波長コヒーレント高次高調波発生方法
を提供する。
【０００９】
さらに、本発明は、
５）電子蓄積リングに自由電子レーザー装置及びQスイッチ制御装置を設けた短波長コヒーレント高次高調波発生装置において、前記自由電子レーザー装置に非対称共振器を配置し、光を空間的に非対称なモードで共振させることによりマイクロバンチの形成を誘起させ、コヒーレント光強度を増大させることを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生装置
６）電子蓄積リング自由電子レーザーを用いた短波長コヒーレント高次高調波発生装置において、光クライストロンとRF（高周波）空洞から構成された電子蓄積リング、第一アンジュレータと分散部と第二アンジュレータから構成された光クライストロン及び光共振器として非対称共振器を備え、該共振器内で電子バンチと光パルスを相互作用させてマイクロバンチ形成を誘起させるに際して、光共振器内のビームウエスト位置を第一アンジュレータ内に設定することを特徴とする短波長コヒーレント高次高調波発生装置
７）非対称光共振器は一対の共振器ミラーからなり、該共振器ミラーの曲率半径を相互に異ならしめたことを特徴とする上記５）又は６）記載の短波長コヒーレント高次高調波発生装置
８）一方が直径20〜40mmφの共振器ミラーと、他方が30〜50mmφの共振器ミラーからなることを特徴とする上記７）記載の短波長コヒーレント高次高調波発生装置
９）光共振器は共振器ミラーと穴開き共振器ミラーからなり、光共振器内で生成したコヒーレント光を前記穴開き共振器ミラーのミラーの穴から共振器外部に取出すことを特徴とする上記７）又は８）記載の短波長コヒーレント高次高調波発生装置
１０）真空紫外域の短波長のコヒーレント高次高調波を発生させることを特徴とする上記５）〜９）のいずれかに記載の短波長コヒーレント高次高調波発生装置
を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、光共振器として非対称共振器を用いるという、比較的簡単な光共振器の改良により、アンジュレータ部での横方向の光パルス形状を小さくでき、電子バンチとの重なりを大きし、その結果マイクロバンチの形成が効率よく行われ、コヒーレント高次高調波強度を増大させることができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、以下の説明に制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。
【００１２】
上記の通り、電子蓄積リング自由電子レーザーを用いたコヒーレント高調波発生法による真空紫外域のコヒーレント光の発生方法は有効な手法である。この方法においては、紫外域の自由電子レーザーを発生させるために光共振器が使用されており、光共振器としてこれまで対称共振器が用いられてきた。
この対称共振器を用いた場合は、当然ながらビームウエスト位置が光クライストロンの中心となり、アンジュレータ部での電子バンチと光パルスの空間的な重なりが小さくなるので、マイクロバンチの形成が不十分にしか行われない。したがって、発生できる光強度が十分に上がらないという問題があった。
【００１３】
一般に、光共振器としては対称共振器を用いることが常識である。対称共振器を用いた場合、ビームウエスト位置が光クライストロンの中心となり、それに起因してアンジュレータ部での電子バンチと光パルスの空間的な重なりが小さくなるという現象が起きるが、この問題に気付くことはなかった。
したがって、この対称共振器から非対称共振器への変換という操作及び機構の改変が、後述するように、コヒーレント光強度が一桁も増加するという現象が起きることについては、予想は全くできないものであった。
【００１４】
本発明の電子蓄積リング自由電子レーザーを用いた短波長コヒーレント高次高調波発生方法は、光共振器内で電子バンチと光パルスを相互作用させて高次高調波波長成分を持つマイクロバンチ形成を誘起させ、かつ非対称共振器を用いて光を空間的に非対称なモードで共振させることにより、マイクロバンチの形成を誘起させ、コヒーレント光強度を増大させることが可能となったのである。次に、本発明を、さらに詳しく説明する。
【００１５】
電子蓄積リングとして産業技術総合研究所のNIJI-IVを使用した。自由電子レーザーの発振波長を300nmとする。
以下の計算で使用する電子ビーム特性のパラメータを、次に示す。
電子エネルギー     ：340MeV
電流値             ：20mA
エネルギー広がり   ：2.6×10-4
電子バンチ長       ：21mm
ダンピング時間     ：30ms
【００１６】
曲率半径８ｍの対称共振器を用いた場合、自由電子レーザー利得は約10 %で共振器損失は約1.0%であった。共振器長は14.8mであり、自由電子レーザーのミクロパルスがこの共振器間を一往復するのかかる時間は99nsであった。
図１は、電子蓄積リング自由電子レーザーを用いたコヒーレント高調波発生法による真空紫外域コヒーレント光の発生装置の概念図である。
電子蓄積リング１は、光クライストロン(ETLOK-II)2と、RF（高周波）空洞３から構成されている。また、光クライストロン(ETLOK-II)2は、第一アンジュレータ４、分散部５及び第二アンジュレータ６からなる。電子蓄積リング１は電子ビームの断面積と発散が小さくなるように設計されている。
アンジュレータは電子の通路を挟んで対向する磁石からなり、電子の進行方向に交番磁界を形成する。すなわち、アンジュレータは周期的に極性の変る垂直磁場により電子ビームを横方向に振動させる。蓄積リングの電子ビームは、高周波加速システムによって数珠玉のように、一連の束（バンチ）になっているが、電子バンチ内の電子をこの交番磁界により蛇行運動させることにより、高光束・高輝度のシンクロトロン放射光をパルス状に発生させる。
【００１７】
コヒーレント高調波発生法による真空紫外域のコヒーレント光の発生方法においてピーク出力の高いレーザーが必要とされる。通常（Qスイッチ法を用いない）の自由電子レーザー発振の強度は、上記のレーザーとして不十分であり、マイクロバンチ形成を十分に誘起できないため、発生できるコヒーレント光強度が弱くなる。  したがって、自由電子レーザーのピーク出力を増大させるために、Qスイッチ法を用いるのが望ましいと言える。
具体的には、まず、Qスイッチ制御装置によりRF空洞に供給するRF周波数を、自由電子レーザー発振周波数からずらし、電子バンチと光パルスの重なりを小さくさせておく。次に、RF周波数を自由電子レーザー発振周波数に合わせると、電子バンチと光パルスの重なりが大きくなり急激に発振が始まり、高ピーク強度のレーザー出力が得られる。Qスイッチ法を用いることにより、通常の自由電子レーザー発振に比べ100-1000倍のピーク出力強度を得ることが可能となる。
【００１８】
自由電子レーザー装置Ａは、前記電子蓄積リング１、光クライストロン２及び光共振器Ｂによって構成され、光クライストロン２を電子バンチ７が通過する時に発生する自発放出光を光共振器Ｂにより蓄積しつつ光クライストロン２により増幅し、紫外域のレーザーを生成する。
符号１３は入射電子ビームを示す。光共振器は電子バンチが放射するシンクロトロン放射光を共振させる間に、供給される電子バンチと時間的及び空間的に重畳させ相互作用により光を増幅させる機能を有する。
【００１９】
実験により得られたレーザースペクトラムを、図２に示す。前記自由電子レーザー装置ＡおよびQスイッチ制御装置１２によりRF空洞３の周波数を変調することで、電子蓄積リング１内の共振器Ｂ内強度を高め紫外レーザー（自由電子レーザー光）１１を発生させ、高い繰り返し数(例えば10MHz程度)で電子バンチ７と光パルスを相互作用させ、前記光クライストロン２の第一アンジュレータ４内で、電子バンチ７内の電子のエネルギーを変調させる。
電子バンチ７が分散部を通過することにより、電子エネルギー変調を電子密度変調に変換し、電子バンチ７内に高次高調波波長成分を持つマイクロバンチが生成する。
【００２０】
このマイクロバンチした電子バンチ７が第二アンジュレータ６を通過する時に前記自由電子レーザー装置により生成された紫外レーザー波長に対して高次の高調波波長の真空紫外コヒーレント光が発生される。
光共振器Ｂは、例えば直径30mmφの共振器ミラー８と、直径40mmφに調節した穴開き共振器ミラー９からなり、光共振器Ｂ内で生成した真空紫外コヒーレント高調波（光）１０を前記穴開き共振器ミラー９のミラーの穴（穴直径0.3mmφ）から共振器Ｂ外部に取出す。前記共振器ミラー８と、穴開き共振器ミラー９の曲率半径を違う値にすることにより、従来の対称共振器を用いた手法に比べ効率よく真空紫外コヒーレント光１０を発生することができる。
通常、一方の共振器ミラーは直径20〜40mmφに、他方の共振器ミラーの直径を30〜50mmφの範囲に調節するのが好適である。しかし、この共振器ミラーの直径は、上記の範囲に限られることなく、装置設計に応じてこの範囲外の直径にすることも可能であることを知るべきである。本願発明は、それらの共振器ミラーの直径を全て包含するものである。
【００２１】
前記共振器ミラー８の曲率半径Ru と穴開き共振器ミラー９の曲率半径Rdの様々な組み合わせの場合に、期待される真空紫外コヒーレント光(波長100nm)強度の計算結果を図３に示す。
非対称共振器を用いることにより第一アンジュレータ４内での横方向の光パルス形状をより小さくでき、電子バンチとの重なりを大きくすることができるため電子エネルギー変調が効率よく行うことができることから、従来の対称共振器を用いる方法に比べコヒーレント光強度を増大させることが可能となる。
実際、図３に示す通り、強度が最大になる組み合わせは、Ru=６ｍ、Rd=９ｍの非対称共振器の場合であり、共振器内ピーク強度で約70mWの出力が得られた。
この値は、従来の対称共振器(Ru= Rd=8m)の強度（約７mW）と比較して１桁増大しているのが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、光共振器として非対称共振器を用いるという、比較的簡単な光共振器の改良により、アンジュレータ部での横方向の光パルス形状を小さくでき、電子バンチとの重なりが大きくなり、その結果マイクロバンチの形成が効率よく行われ、コヒーレント高次高調波強度を増大させることができるという優れた効果を有するので、短波長コヒーレント高次高調波発生方法及び装置として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】電子蓄積リング自由電子レーザーを用いたコヒーレント高調波発生法による真空紫外域コヒーレント光発生方法及び装置の概念図である。
【図２】自由電子レーザー装置により生成した紫外自由電子レーザーのスペクトラム（実験値）を示す図である。
【図３】共振器ミラーの曲率半径Ru と穴開き共振器ミラーの曲率半径Rｄの様々な組み合わせの場合において得られる真空紫外コヒーレント光(波長100nm)強度の計算結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
Ａ  自由電子レーザー装置
Ｂ  光共振器
１  電子蓄積リング
２  光クライストロン
３  RF空洞
４  第一アンジュレータ
５  分散器
６  第二アンジュレータ
７  電子バンチ
８  共振器ミラー
９  穴開き共振ミラー
１０  コヒーレント高調波
１１  自由電子レーザー光
１２  Ｑスイッチ制御装置
１３  入射電子ビーム
【図１】
2006253535.tif 000003
【図２】
2006253535.tif 000004
【図３】
2006253535.tif 000005