(57)【要約】    【課題】サブミリ波−ミリ波の波長帯において蓄積リングを用いた大強度で安定な光源を提供することにある。    【解決手段】電子蓄積リングに自由電子レーザー装置およびＱスイッチ制御装置を設けた長波長コヒーレント光発生装置において、前記Ｑスイッチ制御装置により、自由電子レーザー装置をＱスイッチ法に基づいて駆動し、電子蓄積リング内の共振器内出力を高め、高い繰り返し数で電子バンチと光パルスを相互作用させてバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起させ、サブミリ波からミリ波程度の長波長のコヒーレント光を発生させる。【選択図】図５
2006196637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子蓄積リングに自由電子レーザー装置およびＱスイッチ制御装置を設けた長波長コヒーレント光発生装置において、
前記Ｑスイッチ制御装置により、自由電子レーザー装置をＱスイッチ法に基づいて駆動し、電子蓄積リング内の共振器内出力を高め、高い繰り返し数で電子バンチと光パルスを相互作用させてバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起させ、サブミリ波からミリ波程度の長波長のコヒーレント光を発生させることを特徴とする長波長コヒーレント光発生装置。
【請求項２】
前記Ｑスイッチ制御装置により、自由電子レーザーのパルス長を変化させ、バンチ形状の変形を受ける長さを変化させることを特徴とする請求項１記載の長波長コヒーレント光発生装置。
【請求項３】
前記Ｑスイッチ制御装置により、自由電子レーザーの最大強度を変化させ、バンチ形状の変形の度合いを変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の長波長コヒーレント光発生装置。
【請求項４】
前記電子蓄積リングに強磁場を有するウィグラーを挿入配置し、コヒーレント放射をより効率よく発生させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の長波長コヒーレント光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームによるコヒーレント放射光を利用した加速器関連技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明が目的としているサブミリ波−ミリ波は、光波と電磁波との中間帯に位置し、分光測定に適した光源が少なく、研究開発の遅れた領域であった。しかし最近では、通信やイメージング技術などの分野でこの波長帯が注目され始めており、高エネルギー電子バンチから放射されるコヒーレント放射や後進波管による発振、半導体等の電流スイッチングによって放射されるミリ波−サブミリ波を利用し、めざましく研究が進んでいる。
この波長帯の光源として、特に高エネルギー電子バンチからのコヒーレント放射は、大強度で連続スペクトルが得られるために有望視されている。高周波によって加速される電子バンチは通常ガウス分布をしているが、加速勾配を細工することや、高密度による電子間の反発によって、理想的なガウス分布からずれを生じることがある。電子バンチが偏向磁石などを通過して放射光を発生するのに伴い、この分布の形状によって特徴づけられるコヒーレント放射も発生することが知られている。コヒーレント放射は、バンチ長と同程度の波長以上で強い連続スペクトルを持ち、その強度はバンチ内の電子数の２乗に比例する。そのため、バンチ長が短くてピーク密度の大きいリニアックを用いた研究が既に数件行われており、大強度のサブミリ波−ミリ波が得られている。
【０００３】
蓄積リングを利用した放射光は繰り返し周波数が大きくかつ強度が安定しているので光源としては魅力的であるが、ミリ波のような長波長域では強度がかなり小さくなる。蓄積リング自由電子レーザーにおいても同様で、近年の研究により真空紫外域から赤外域に及ぶ広帯域化が進められてはいるが（下記特許文献１、特許文献２参照）、それ以上の長波長域での発振は困難である。そこで最近では、蓄積リングを周回する電子バンチに短パルスレーザーを打ち込み、バンチ波形を変形することでコヒーレント放射を発生させる試みも報告されているが、まだ具体的な研究方針、研究装置、研究成果等をうかがい知ることができるような報告は無く、更には実用化につながるような成果等も報告されていない。
【特許文献１】特開平０６−２９６３０号公報
【特許文献２】特開平０９−２１４０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ミリジュール程度の大強度サブミリ波−ミリ波を得ることが可能なリニアックを用いたコヒーレント放射はあるが、通常のマルチバンチ運転では大きな電荷量を得づらく、パルス当たりの強度を増すためにシングルバンチ運転が必要になる。だが、リニアックでシングルバンチ運転を行うと各バンチのエネルギーやバンチ波形を精度良く均一に揃えることが困難であり、結果としてコヒーレント放射の強度が安定しない。超伝導リニアックのような特殊な装置ではマルチバンチ運転でも充分な強度を得られるが、それでも２−３％程度の強度変動が生じている。
一方、電子蓄積リングの電子バンチに短パルスレーザーを相互作用させてバンチ波形にデップ（切り欠き）を作り、コヒーレント放射によって大強度サブミリ波−ミリ波を作るという提案もある。充分な強度を得るには大強度かつ高繰り返しのレーザーが必要であり、しかも電子バンチとレーザーとを高精度で同期を取らなければならないため、現状では大強度のサブミリ波−ミリ波を供給することは困難である。しかし、蓄積リングの電子バンチを利用するため、強度の安定性は高く、放射光など他の波長の光と組み合わせた利用も可能である。
以上のような状況から、サブミリ波−ミリ波の波長帯において蓄積リングを用いた大強度で安定な光源が切望されている。
【０００５】
本発明の目的は、要望に鑑み、サブミリ波−ミリ波の波長帯において蓄積リングを用いた大強度で安定な光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
最近、蓄積リング型自由電子レーザーが発振することで、周回する電子バンチの形状に強い変形を及ぼすことが報告されている。電子蓄積リングＮＩＪＩ−ＩＶを用いた自由電子レーザー装置でも、このバンチ波形の時間変化が観測され、特にＱスイッチを行ったときに強い変形が生じることが観測された。バンチ形状の変形は、バンチ長と自由電子レーザーのパルス長とによって変形を受ける長さが決められ、自由電子レーザーの強度によって変形の度合いが決められると考えられる。実際、Ｑスイッチを行わないマクロパルスモードでも、自由電子レーザーのパルス幅程度の波長で形状因子が自由電子レーザー発振時に２−３倍大きくなっている。これまでこのバンチ形状の変形による、電子バンチからの放射に対する考察はなされていなかったが、初めて我々のグループがミリ波の領域で強いコヒーレント放射を起こすことを指摘している。
さらに、このバンチ波形を積極的に利用できるように、長周期のウィグラーを蓄積リング内に挿入し、その自発放出光の共振波長で大きい形状因子を持つようにしてコヒーレント光を発生させ、サブミリワット程度のサブミリ波−ミリ波光源として使用することができる。
【０００７】
具体的な解決手段は、
（１）電子蓄積リングに自由電子レーザー装置およびＱスイッチ制御装置を設けた長波長コヒーレント光発生装置において、
前記Ｑスイッチ制御装置により、自由電子レーザー装置をＱスイッチ法に基づいて駆動し、電子蓄積リング内の共振器内出力を高め、高い繰り返し数（例えば、１０ＭＨｚ程度）で電子バンチと光パルスを相互作用させてバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起させ、サブミリ波からミリ波程度の長波長のコヒーレント光を発生させることを特徴とする。
（２）上記（１）記載の長波長コヒーレント光発生装置において、自由電子レーザーのパルス長を変化させ、バンチ形状の変形を受ける長さを変化させることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）記載の長波長コヒーレント光発生装置において、前記Ｑスイッチ制御装置により、自由電子レーザーの最大強度を変化させ、バンチ形状の変形の度合いを変化させることを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の長波長コヒーレント光発生装置において、前記電子蓄積リングに強磁場を有するウィグラーを挿入配置し、コヒーレント放射をより効率よく発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の長波長コヒーレント光発生装置は、これまで放射光施設では強い放射を得ることが難しかったサブミリ波−ミリ波の領域において、従来には無い高出力、例えばサブミリワット程度の安定したパルス光を供給できる。
これにより、この光源を利用したイメージングや分光測定に加えて、偏向磁石からの放射光のような放射光施設の他の光源と組み合わせたポンププローブ計測など、多彩で独特な応用が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明の実施例を説明し、本発明の効果を更に詳細に説明するが、これらの実施例は本発明を限定するものではない。
実施例：
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、自由電子レーザーの発振波長を３００ｎｍとする。実際の測定例を使用するため、電子ビーム特性としては真空チェンバー改修以前の値を使用し、以下の計算で使用する主なパラメータを表１に示す。
【００１０】
（表１）
電子エネルギー    ３１０ＭｅＶ
電流値            ７．１ｍＡ
バンチ内電子数    ４．４×１０９
エネルギー拡がり  ４．６×１０−４
ダンピング時間    ４０ｍｓ
共振器長は１４．８ｍとし、自由電子レーザーのミクロパルスはこの共振器間を一往復するのに９９ｎｓかかる。電流値が７．１ｍＡの時の自由電子レーザー利得は約３．６％であり、共振器損失は約２．０％であった。自由電子レーザーはＲＦ周波数変調によるＱスイッチによってマクロパルス的に発振すると仮定する。マクロパルスの繰り返しは、自由電子レーザーパルスの充分な強度が得られるように２５Ｈｚとする。
【００１１】
Ｑスイッチ運転を行うと、自由電子レーザー利得の抑制が解かれた後に自由電子レーザーミクロパルスが急激に増幅するため強度が大きくなり、電子バンチのバンチ長が増大する。そのため自由電子レーザー利得も減少して自由電子レーザー強度も急激に減少する。バンチ長はダンピング時間で特徴づけられる蓄積リングの放射減衰によって比較的ゆっくりと減少していく。
図１はＲＦ周波数変調によるＱスイッチ運転時のバンチ長の時間変化を表す図である。
図１には特性をプロットした点の近似直線を参考までに示す。
Ｑスイッチ運転時では自由電子レーザー強度が大きいために電子バンチとの相互作用が強く、電子バンチ波形が変形することが観測された。その波形を図２に示す。
図２はＱスイッチ運転時にバンチ長が最大となった時のバンチ波形を表す図である。
この図２には面積が等価なガウス分布（図２中の点線）も示しているが、約２５ｍｍごとにバンチ波形と交差（例えば、Ａ点）していることに気づく。この長さは、おおよそＱスイッチング運転時に自由電子レーザーが存在する長さに相当している（半値全幅は２４ｍｍ）。さらに、５ｍｍ程度の細かいモジュレーション（例えば、領域Ｂ）が誘起されていることも観測できた。測定系の分解能はおよそ１ｍｍであった。Ｑスイッチを用いない通常のパルスモードでもこのようなバンチ波形の変形を生じるが、変形の程度は弱いことが観測されている。
【００１２】
バンチ波形の変形により、偏向磁石にてコヒーレント放射を生じさせることが期待できる。偏向磁石の真空チェンバーの内径は３６＊１６０ｍｍであるので、カットオフ周波数は４ＧＨｚ程度であり、９ｍｍ以上の波長の光は真空チェンバーから射出できないので無視して良い。Ｑスイッチ運転時において、バンチ長が最大となった時間について、バンチ波形から計算した形状因子（形状因子とは名前の通り、ある波長においてバンチ形状が原因で生じるコヒーレント放射の度合いを表現し、バンチ内電子の縦方向分布関数をフーリエ変換することで与えられ、０から１までの値を持つ。）を図３に示す。図３は図２に示したバンチ波形から計算された形状因子の波長依存性を示した図である。
バンチ波形の変形は、時間が経つにつれガウス分布（図２中の点線）に近づいていき、図３のように強く変形を受けているのは１ｍｓ程度である。比較のため、Ｑスイッチをかける直前の形状因子を図４に示しておく。図４はＱスイッチをかける直前のバンチ波形から計算された形状因子の波長依存性を示した図である。
【００１３】
図３と図４を比較すると、Ｑスイッチをかける直前の形状因子は、バンチ長が短いために波長７ｃｍを超える領域では０．０１以上になり比較的大きく、波長1ｃｍ以下の領域ではなだらかに減少して１０−５程度であることがわかる。一方でバンチ長が最大の時の形状因子には、波長５ｍｍと２５ｍｍ付近にピーク（Ｃ点、Ｄ点）があることがわかる。これらのピークは上述した自由電子レーザーによる電子バンチ波形の変形によってもたらされたと考えられる。真空チェンバーのカットオフがあるため、実際に観測可能なのは波長５ｍｍのコヒーレント放射である。このとき、形状因子が１０−４を超えるため、通常の放射光より大きな出力を期待できる。電流値７．１ｍＡの場合は、リング一周に渡る波長５ｍｍのコヒーレント放射の全放射は１％の波長幅で６８mＷである（形状因子を１．４´１０−４で計算した）。アパーチャーを３０ｍｍに取った場合は、およそ０．２７mＷの出力を得ることができる。
【００１４】
実験で使用したＱスイッチはＲＦ周波数変調であったため、電子バンチと自由電子レーザーパルスとの同期がゆっくりとずれ、自由電子レーザーの半値全幅が２４ｍｍとかなり大きくなっていた。共振光の光量を調整するＱスイッチを用いた場合には、半値全幅をその１／５程度である４−５ｍｍまで狭めることができる（このための手段として、発明者らの特願２００４−０５５１０６を用いることができる）。この場合、自由電子レーザー発振によって与えられた電子バンチ波形の変形も、同じ程度に狭いピッチになる。そこで、実験で得られた形状因子を自由電子レーザーのパルス幅の圧縮率でスケーリングし、波長１ｍｍに対して形状因子が１．４´１０−４であると仮定する。一般に放射光強度は赤外以上の長波長域では短波長になるほど増大し、波長の−４／３乗に比例する。アパーチャーを３０ｍｍに取った場合の出力はおよそ２．３mＷである。また、電子バンチのバンチ長は電子エネルギーや高調波キャビティによって調整できるため、自由電子レーザーのパルス幅を調整すると、広い領域でコヒーレント放射を調整得ることができる。
コヒーレント放射の出力を効率よく得るためには、バンチ波形が自由電子レーザーによって変形を受けた後に、ウィグラーで、長波長コヒーレント光を強力にする。ＮＩＪＩ−ＩＶでは短波長用光クライストロンが挿入されている直線部にはスペースがないため、ここでは図５のように反対側の直線部にウィグラーを挿入する。
【００１５】
図５はＦＥＬ発生装置と長波長コヒーレント光増幅のためのウィグラーを同時に蓄積リングへ挿入した概念図である。
図５において、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と、長波長用ウィグラー４からなる。
自由電子レーザー装置５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１１ａ及び１１ｂによって構成され、光クライストロンを電子バンチが通過することにより自発放出光が発生し、その特定の波長の光を光共振器内にて閉じこめつつ光クライストロンによって増幅することにより、レーザー光を生起するように機能する。
Ｑスイッチ制御装置１０は、共振器ミラー１１ａ、共振光量調整型Ｑスイッチ素子１２、共振器ミラー１１ｂ、高速時間応答光検出器１３、Ｑスイッチ制御装置１４からなり、その反射光学系は前記光クライストロンの光路と一致させて設ける。Ｑスイッチ制御装置１０は、高速時間応答光検出器１３の出力を取り込み、共振光量調整型Ｑスイッチ素子１２を制御して、
【００１６】
（１）電子蓄積リング１内の共振器内出力を高め、高い繰り返し数（例えば、１０ＭＨｚ程度）で電子バンチと光パルスを相互作用させてバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起させ、サブミリ波からミリ波程度の長波長のコヒーレント光を発生させる。
（２）自由電子レーザーのパルス長を変化させ、バンチ形状の変形を受ける長さを変化させる。
（３）自由電子レーザーの最大強度を変化させ、バンチ形状の変形の度合いを変化させる。
ウィグラーの磁石配列は、例えば、図５のとおりである。
電子蓄積リング１に自由電子レーザー装置５及びＱスイッチ制御装置１０を設けた長波長コヒーレント光発生装置において、前記Ｑスイッチ制御装置１０により自由電子レーザー装置５をＱスイッチ法に基づいて駆動して共振器内出力を格段に高め、単位時間当たり高い繰り返し数で電子バンチと光パルスとを相互作用させることによりバンチ形状の歪みによるコヒーレント放射を誘起する。
【００１７】
ここで図５に示したように、コヒーレント放射の形状因子が極大となる波長に放射光の基本波の波長を合わせたウィグラーがあると、ウィグラーにより電子の周期的な振動からの放射が干渉して、より強力なサブミリ波からミリ波程度の長波長コヒーレント光を発生させることができる。
さらに、前記Ｑスイッチ制御装置１０によって自由電子レーザーのパルス長を変化させることで、バンチ形状の変形を受ける長さを変化させ、同時にウィグラーの共振波長を調整することで、コヒーレント放射の波長を制御できる。同様に、前記Ｑスイッチ制御装置１０によって自由電子レーザー最大強度を変化させることで、バンチ形状の変化の度合いを調整し、発生するコヒーレント放射強度を制御することも可能である。
ウィグラーの仕様を以下の表２のように仮定する。
【００１８】
（表２）
周期長      ４００ｍｍ
周期数      ６
ピーク磁場  １．６Ｔ
Ｋ値        ６０
この場合、立体角１０ｍ×ｒａｄ２かつエネルギー幅１％あたりのコヒーレント放射強度は１７μＷを見込むことができる。コヒーレント放射は電流の２乗に比例するため、電流値が２０ｍＡの時にはサブミリワットの光源になると期待できる。さらにサブミリ波の領域では、ウィグラーの周期数とＫ値を小さくできるため、より大きな出力を得ることが見込める。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＲＦ周波数変調によるＱスイッチ運転時のバンチ長の時間変化を表す図である。
【図２】Ｑスイッチ運転時にバンチ長が最大となった時のバンチ波形を表す図である。
【図３】図２に示したバンチ波形から計算された形状因子の波長依存性を示した図である。
【図４】Ｑスイッチをかける直前のバンチ波形から計算された形状因子の波長依存性を示した図である。
【図５】ＦＥＬ発生装置と長波長コヒーレント光増幅のためのウィグラーを同時に蓄積リングへ挿入した概念図である。
【符号の説明】
【００２０】
１    電子蓄積リング
２    光クライストロン
３    ＲＦ空洞
４    長波長用ウィグラー
５    自由電子レーザー装置
１０    Ｑスイッチ装置
１１ａ、１１ｂ    共振器ミラー
１２    共振光量調整Ｑスイッチ素子
１３    高速時間応答光検出器
１４    Ｑスイッチ制御装置  
【図１】
2006196637.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006196637.tif 000006
【図５】
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