(57)【要約】【課題】  良好な特性の放射光を効率良く生成することが可能な放射光生成装置を提供する。【解決手段】  互いに可干渉性を有する２本の光ビームＬ１、Ｌ２を供給する光ビーム供給部１０と、放射光の生成に用いられる相互作用領域５０を含む放射光生成部２０と、相互作用領域５０に対して荷電粒子群Ｃを供給する荷電粒子供給部３０とによって放射光生成装置１Ａを構成する。そして、放射光生成部２０において、相互作用領域５０内で交差するように２本の光ビームＬ１、Ｌ２を入射させ、それらの光ビームが干渉して形成される電磁場で荷電粒子群Ｃを加速することによって放射光Ｒを生成する。【選択図】  図１
2006267068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに可干渉性を有する２本の光ビームを供給する光ビーム供給手段と、
放射光の生成に用いられる相互作用領域を含む放射光生成部と、
前記相互作用領域に対して荷電粒子群を供給する荷電粒子供給手段とを備え、
前記放射光生成部において、前記相互作用領域内で交差するように前記光ビーム供給手段からの前記２本の光ビームを入射させ、それらの光ビームが干渉することにより形成される電磁場で前記荷電粒子供給手段からの前記荷電粒子群を加速することによって、前記荷電粒子群からの放射光を生成することを特徴とする放射光生成装置。
【請求項２】
前記２本の光ビームは、前記相互作用領域内で、概対向して交差するように入射させられることを特徴とする請求項１記載の放射光生成装置。
【請求項３】
前記２本の光ビームは、前記相互作用領域への入射タイミングが合うように供給された２本の光パルスビームであることを特徴とする請求項１または２記載の放射光生成装置。
【請求項４】
前記荷電粒子群は、前記相互作用領域への到達タイミングが前記２本の光パルスビームの前記入射タイミングと合うようにパルス的に供給されることを特徴とする請求項３記載の放射光生成装置。
【請求項５】
前記２本の光パルスビームのそれぞれは、パルス幅が１００ｆｓ以下であることを特徴とする請求項３または４記載の放射光生成装置。
【請求項６】
前記２本の光パルスビームのそれぞれは、ピーク出力が１ＴＷ以上であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項記載の放射光生成装置。
【請求項７】
前記２本の光ビームは、その一方が左回り円偏光の光ビーム、他方が右回り円偏光の光ビームであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の放射光生成装置。
【請求項８】
前記２本の光ビームは、その両方が左回り円偏光の光ビーム、またはその両方が右回り円偏光の光ビームであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の放射光生成装置。
【請求項９】
前記放射光生成部は、前記光ビーム供給手段からの前記２本の光ビームのそれぞれを前記相互作用領域へと集光する集光光学系を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の放射光生成装置。
【請求項１０】
前記荷電粒子供給手段は、前記荷電粒子群として電子群を供給する電子供給手段であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の放射光生成装置。
【請求項１１】
前記放射光生成部において生成される前記放射光は、パルス幅が１００ｆｓ以下のパルス放射光であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の放射光生成装置。
【請求項１２】
前記光ビーム供給手段は、前記放射光生成部へと供給される前記２本の光ビームに加えて、荷電粒子生成用の光ビームを前記荷電粒子供給手段へと供給することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の放射光生成装置。
【請求項１３】
前記荷電粒子供給手段は、前記荷電粒子生成用の光ビームを入射させ、光電変換によって前記荷電粒子群として電子群を生成する電子生成手段を有することを特徴とする請求項１２記載の放射光生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子群を加速することによって放射光を生成する放射光生成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子シンクロトロンを利用した放射光施設は、Ｘ線領域から赤外領域までの広いスペクトル範囲で光を供給可能なものとして用いられている。特に、硬Ｘ線領域においては、現在のところ、通常の放電管等では得られないような高輝度で、指向性が良く、偏光性を有するという特徴を持った唯一の光源である（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１３３６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、充分に短波長な硬Ｘ線領域の放射光を得ようとする場合、放射光の生成に用いられる電子群を充分な高エネルギーに加速する必要があるため、電子加速器を含む放射光施設が大型施設になる。このような大型の放射光施設は、その建設やメンテナンスなどの点で問題がある。また、多くのグループが共同で施設を利用するため、各利用者に割り当てられる利用時間が制限されるなどの問題もある。
【０００４】
一方、テーブルサイズなどの小型の光源として、レーザ光源を基本とするものが用いられている。また、レーザ光は、それ自体は一般には狭帯域でその波長も限られているが、例えば、レーザ光と伝播媒質との間での非線形相互作用を利用してレーザ光の波長を変換する技術が知られている。
【０００５】
そのような波長変換技術としては、例えば高調波生成、光パラメトリック発振がある。これらの技術によれば、レーザ光を非線形光学結晶に通すことで、広い範囲で波長変換を行うことが可能である。しかしながら、このような方法においても、用いるレーザ光や非線形光学結晶の特性などによる制約から、変換によって得られる波長が例えば近紫外〜近赤外の範囲に限られるという問題がある。また、近年、比較的高強度のフェムト秒レーザ光を希ガス中で集光させて伝播させることにより、１００次以上の高調波を生成可能であることが示されている。しかしながら、この場合でも、軟Ｘ線領域を超えるほどの短波長化は実現されていない。
【０００６】
また、例えば、高強度のレーザ光を固体ターゲットに集光して照射することにより、プラズマが生成されることが知られている。このとき、生成されたプラズマ中では電子の高加速度運動が起きているため、Ｘ線の輻射が発生する。しかしながら、このプラズマ中での電子運動は乱雑な運動であるため、得られるＸ線の質は、例えば放電管と同程度のものとなる。また、プラズマ中の電子に対し、例えば直線偏光で単一の高強度超短光パルスビームを照射することで電子にさらなる加速度を付与する方法も検討されている。しかしながら、このような方法では、実効的に光強度の勾配に比例する力であるポンデロモーティブ力の影響を強く受けるため、光強度が最も大きい領域には電子が存在しなくなり、電子に加速度を付与する効率が小さくなる。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、良好な特性の放射光を効率良く生成することが可能な放射光生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明による放射光生成装置は、（１）互いに可干渉性を有する２本の光ビームを供給する光ビーム供給手段と、（２）放射光の生成に用いられる相互作用領域を含む放射光生成部と、（３）相互作用領域に対して荷電粒子群を供給する荷電粒子供給手段とを備え、（４）放射光生成部において、相互作用領域内で交差するように光ビーム供給手段からの２本の光ビームを入射させ、それらの光ビームが干渉することにより形成される電磁場で荷電粒子供給手段からの荷電粒子群を加速することによって、荷電粒子群からの放射光を生成することを特徴とする。
【０００９】
上記した放射光生成装置においては、位相やタイミングについて一定の相関を有する可干渉な２本の光ビームを用い、それらが交差するように概対向入射させることによって相互作用領域内で特異な電磁場を形成する。そして、この特異な電磁場に対して荷電粒子群を供給し、荷電粒子群をこの特異な電磁場によって加速することで放射光を生成している。このような構成によれば、２本の光ビームにより、荷電粒子に加速度を付与する上で効果的な電磁場を形成することができる。また、ポンデロモーティブ力の影響も抑えることができ、電磁場の振幅が大きい領域にも充分な数の荷電粒子を存在させることができる。したがって、良好な特性の放射光を効率良く生成することが可能となる。また、２本の光ビームについては、相互作用領域内で、概対向して交差するように入射させられることが好ましい。
【００１０】
ここで、放射光の生成に用いられる２本の光ビームは、相互作用領域への入射タイミングが合うように供給された２本の光パルスビームであることが好ましい。このように、高強度の光パルスビームを用いることにより、相互作用領域内において放射光を好適に生成することができる。また、このように光パルスビームを用いる場合、荷電粒子群については、相互作用領域への到達タイミングが２本の光パルスビームの入射タイミングと合うようにパルス的に供給されることが好ましい。
【００１１】
また、この場合、２本の光パルスビームのそれぞれは、パルス幅が１００ｆｓ以下であることが好ましい。あるいは、２本の光パルスビームのそれぞれは、ピーク出力が１ＴＷ以上であることが好ましい。このような特性を有する高ピーク出力の超短光パルスビームを用いることにより、相互作用領域内での放射光の生成効率を向上することができる。
【００１２】
２本の光ビームは、その一方が左回り円偏光の光ビーム、他方が右回り円偏光の光ビームであることが好ましい。あるいは、２本の光ビームは、その両方が左回り円偏光の光ビーム、またはその両方が右回り円偏光の光ビームであることが好ましい。このような２本の円偏光の光ビームを用いることにより、相互作用領域内において、放射光の生成に用いられる電磁場を好適に形成することができる。
【００１３】
また、放射光生成部は、光ビーム供給手段からの２本の光ビームのそれぞれを相互作用領域へと集光する集光光学系を有することが好ましい。これにより、相互作用領域内で交差するときの２本の光ビームの強度、及びそれによって形成される電磁場の振幅を充分に大きくすることができる。
【００１４】
また、荷電粒子供給手段は、荷電粒子群として電子群を供給する電子供給手段であることが好ましい。電子は質量が小さい荷電粒子であるため、電磁場によって加速することで放射光を生成する上で好適である。
【００１５】
本装置の放射光生成部において生成される放射光は、パルス幅が１００ｆｓ以下のパルス放射光であるという有用な性質を有することが可能となる。このようなパルス放射光としては、例えば、フェムト秒（ｆｓ）領域、アト秒（ａｓ）領域、あるいはさらにゼプト秒（ｚｓ）領域の超短パルスのパルス放射光がある。
【００１６】
また、荷電粒子群の供給を好適に行うために、光ビーム供給手段は、放射光生成部へと供給される２本の光ビームに加えて、荷電粒子生成用の光ビームを荷電粒子供給手段へと供給する構成としても良い。このような構成によれば、放射光の生成に用いられる２本の光ビームに対して、光ビームに同期した荷電粒子群を供給することができる。この場合の具体的な構成としては、例えば、荷電粒子供給手段は、荷電粒子生成用の光ビームを入射させ、光電変換によって荷電粒子群として電子群を生成する電子生成手段を有する構成を用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、互いに可干渉性を有する２本の光ビームを用い、それらが交差するように概対向入射させることによって相互作用領域内で特異な電磁場を形成し、荷電粒子群をこの電磁場によって加速することで放射光を生成することにより、良好な特性の放射光を効率良く生成することが可能な放射光生成装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面とともに本発明による放射光生成装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１９】
図１は、本発明による放射光生成装置の第１実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態による放射光生成装置１Ａは、荷電粒子群を電磁場によって加速することで放射光を生成させるものであり、光ビーム供給部１０と、放射光生成部２０と、荷電粒子供給部３０とを備えている。
【００２０】
光ビーム供給部１０は、放射光の生成に用いられる光ビームを供給するための光ビーム供給手段である。具体的には、光ビーム供給部１０は、互いに可干渉性を有する第１光ビームＬ１と、第２光ビームＬ２との２本の光ビームを供給する。これらの光ビームＬ１、Ｌ２は、互いの位相関係が所定の条件を満たすようになっており、荷電粒子群を加速する電磁場を形成するために用いられる。
【００２１】
光ビーム供給部１０からの２本の光ビームＬ１、Ｌ２は、それぞれ所定の導光光学系を介して放射光生成部２０へと入射される。放射光生成部２０は、内部の所定位置に設定された相互作用領域５０を含んでいる。この相互作用領域５０は、放射光生成部２０内において、光ビームと荷電粒子との相互作用により放射光の生成が生じる空間領域である。光ビームＬ１、Ｌ２は、放射光生成部２０に対し、相互作用領域５０内で交差するように入射される。図１では、放射光生成部２０において、光ビームＬ１、Ｌ２が対向して進行するように入射して、相互作用領域５０内で交差する例を示している。
【００２２】
放射光生成部２０の相互作用領域５０内においては、上記のように互いに可干渉性を有する光ビームＬ１、Ｌ２が交差することにより、光ビームＬ１、Ｌ２が干渉して所定の電磁場が形成される。また、この相互作用領域５０に対し、荷電粒子供給部３０は、荷電粒子群Ｃを供給する。荷電粒子供給部３０から放射光生成部２０へと入射された荷電粒子群Ｃは、相互作用領域５０内において、光ビームＬ１、Ｌ２によって形成された電磁場で加速される。本放射光生成装置１Ａにおいては、この荷電粒子群Ｃのこの電磁場による加速により、放射光Ｒが生成されて出力される。
【００２３】
本実施形態による放射光生成装置１Ａの効果について説明する。
【００２４】
図１に示した放射光生成装置１Ａにおいては、位相やタイミングについて一定の相関を有する可干渉な２本の光ビームＬ１、Ｌ２を用い、それらが交差するように放射光生成部２０へと入射させて相互作用領域５０内で特異な電磁場を形成する。そして、この特異な電磁場に対して荷電粒子供給部３０から荷電粒子群Ｃを供給し、荷電粒子群Ｃをこの電磁場によって加速することで放射光Ｒを生成している。
【００２５】
このような構成によれば、光ビーム供給部１０から供給される２本の光ビームＬ１、Ｌ２の干渉を利用して、荷電粒子群Ｃの荷電粒子に加速度を付与して放射光Ｒを生成させる上で効果的な電磁場を形成することができる。また、この構成では、実効的に光強度の勾配に比例する力であるポンデロモーティブ力の影響も抑えることができ、相互作用領域５０内において、電磁場の振幅が大きい領域にも充分な数の荷電粒子を存在させることができる。したがって、良好な特性の放射光Ｒを効率良く生成することが可能となる。
【００２６】
可干渉性を有する光ビームＬ１、Ｌ２を供給するための光ビーム供給部１０の構成としては、様々な構成を用いることができる。図２は、図１に示した放射光生成装置１Ａに用いられる光ビーム供給部１０の構成例を示すブロック図である。
【００２７】
図２の構成例（ａ）においては、光ビーム供給部１０は光源１０ａ、及び光ビーム分岐部１０ｂによって構成されている。この場合、光源１０ａから出力される単一の光ビームが分岐光学系からなる光ビーム分岐部１０ｂで分岐されることにより、互いに可干渉性を有する２本の光ビームＬ１、Ｌ２が供給される。また、構成例（ｂ）においては、光ビーム供給部１０はタイミング調整部１０ｃ、第１光源１０ｄ、及び第２光源１０ｅによって構成されている。この場合、タイミング調整部１０ｃからのタイミング指示信号や位相調整信号等によって駆動制御された光源１０ｄ、１０ｅからそれぞれ出力される光ビームにより、互いに可干渉性を有する２本の光ビームＬ１、Ｌ２が供給される。
【００２８】
また、放射光生成部２０に対する光ビームＬ１、Ｌ２の導光、入射光学系の構成、及び相互作用領域５０に対する光ビームＬ１、Ｌ２の入射条件等についても、様々な構成、条件を用いて良い。例えば、図１においては、上記したように光ビームＬ１、Ｌ２が対向して進行する例を示したが、これらの光ビームＬ１、Ｌ２は完全に対向して入射する構成ではなくても、相互作用領域５０内で好適に電磁場を形成することが可能な範囲内で、ある程度互いに傾いた状態で入射する構成であっても良い。
【００２９】
また、放射光生成部２０は、光ビーム供給部１０からの２本の光ビームＬ１、Ｌ２のそれぞれを相互作用領域５０へと集光する集光光学系を有することとしても良い。このような集光光学系を設けることにより、相互作用領域５０内で交差するときの２本の光ビームＬ１、Ｌ２の強度（パワー密度）、及びそれによって形成される電磁場の振幅を充分に大きくすることができる。
【００３０】
また、放射光Ｒの生成に用いられる荷電粒子群Ｃについては、荷電粒子供給部３０は、荷電粒子群Ｃとして電子群を供給する電子供給部であることが好ましい。電子は質量が小さい荷電粒子であり、相互作用領域５０内において、光ビームＬ１、Ｌ２によって形成された電磁場によって加速することで放射光Ｒを生成する上で好適である。すなわち、質量が小さい電子は、電磁場によって大きい加速度を得ることができ、また、光速近くまでの速さを獲得しやすいことから、容易に光生成電磁場に追従して運動することができるという利点を有する。ただし、全ての荷電粒子は、電磁場によって加速を受けるため、どのような荷電粒子集団でも放射光生成用の荷電粒子群Ｃに用いることが可能である。
【００３１】
ここで、放射光Ｒの生成に用いられる２本の光ビームＬ１、Ｌ２は、相互作用領域５０への入射タイミングが合うように光ビーム供給部１０から供給された２本の光パルスビームであることが好ましい。このように、光パルスビームを用いることにより、相互作用領域５０内において放射光を好適に生成することができる。また、このように光パルスビームを用いた場合、放射光Ｒとしてパルス状の放射光を得ることができる。
【００３２】
このように、光ビームＬ１、Ｌ２として光パルスビームを用い、相互作用領域５０において光ビームＬ１、Ｌ２の入射タイミングを合わせる場合、入射タイミングの調整等を行うため、光ビーム供給部１０から放射光生成部２０への光ビームＬ１、Ｌ２の導光光学系の一方または両方に可変遅延光学系を設けることが好ましい。また、可変遅延光学系以外のタイミング調整手段を設けても良い。また、このように光パルスビームを用いる場合、荷電粒子群Ｃについては、相互作用領域５０への到達タイミングが２本の光パルスビームの入射タイミングと合うようにパルス的に供給されることが好ましい。
【００３３】
また、この場合、２本の光パルスビームのそれぞれは、パルス幅が１００ｆｓ以下であることが好ましい。あるいは、２本の光パルスビームのそれぞれは、ピーク出力が１ＴＷ以上であることが好ましい。このような特性を有する高出力の超短光パルスビームを用いることにより、相互作用領域５０内での放射光Ｒの生成効率を向上することができる。なお、パルス状の放射光Ｒの生成や放射光Ｒの生成効率等にこだわらないならば、放射光生成用の光ビームＬ１、Ｌ２としては、連続光ビームを用いても良い。
【００３４】
本装置１Ａの放射光生成部２０において生成される放射光Ｒは、パルス幅が１００ｆｓ以下のパルス放射光であるという有用な性質を有することが可能となる。このようなパルス放射光としては、例えば、フェムト秒（ｆｓ）領域、アト秒（ａｓ）領域、あるいはさらにゼプト秒（ｚｓ）領域の超短パルスのパルス放射光がある。上記構成の放射光生成装置１Ａによれば、このような超短パルス放射光の生成が可能である。例えば、光ビーム供給部１０から供給される光ビームＬ１、Ｌ２としてフェムト秒領域のパルス幅を有するパルスレーザ光を用いれば、フェムト秒領域の放射光バーストが得られる。
【００３５】
図１に示した放射光生成装置１Ａにおける放射光Ｒの生成について、さらに具体的に説明する。放射光生成装置１Ａにおいては、上記したように、互いに可干渉性を有する２本の光ビームＬ１、Ｌ２によって相互作用領域５０内に形成される特異な電磁場を利用して放射光Ｒを生成する。この電磁場は、対向して進行しつつ交差する２つの光による定常的で特異な電磁場（定在波）となる。
【００３６】
ここで、以下においては、特に高性能な小型放射光生成装置を実現可能な例として、光ビームＬ１、Ｌ２がともに円偏光の光ビームである場合について主に考察する。簡単のため、２本の光ビームＬ１、Ｌ２の波長及び強度が等しく、波長純度が高いものとする。また、光ビームＬ１、Ｌ２の相互作用領域５０への入射条件については、平面波と見なせるような２本の円偏光の光ビームが対向して進行する状態を考える。また、光ビームの進行方向を±ｚ方向とし、ｚ方向に直交する２方向をｘ方向、ｙ方向とする。
【００３７】
ここで、円偏光における２通りの電磁場の回転の向きに対し、どちらを左回り、右回りと呼ぶかについては、定義による任意性がある。ここでは、電磁場の観測面に対して、光ビームが垂直で裏側に向かっているとき、観測面上を電磁場が時計回りに回る状態を右回りの円偏光、反時計回りに回る状態を左回りの円偏光とする。ただし、以下の議論においては、この左回り、右回りの定義については本質的には問題とならない。
【００３８】
なお、光ビーム供給部１０においてレーザ光源を用いた場合、レーザ光は通常直線偏光を有しているが、例えば、レーザ光の導光光路上に１／４波長板（λ／４板）を配置することにより、円偏光の光ビームに変換することが可能である。
【００３９】
図３は、２本の光ビームＬ１、Ｌ２によって形成される電磁場について示す図である。
【００４０】
まず、２本の光ビームＬ１、Ｌ２が、その一方が左回り円偏光の光ビーム、他方が右回り円偏光の光ビームである場合について考える。この場合、光ビームＬ１、Ｌ２によって形成される電磁場は、図３のグラフ（ａ）に示すように、電場Ｅ及び磁場Ｂがｚ軸に垂直であって振幅が図示の特徴を有する正弦波的な定在波となる。
【００４１】
この定在波では、空間的な一周期分の長さは入射した光ビームの波長と一致する。電場Ｅ及び磁場Ｂは同一平面内にあり、それぞれの振幅を表す正弦波の位相が波長の１／４だけずれた関係となる。また、この正弦波的な定在波は、時間ｔの経過とともにｚ軸の回りを回転する。この時間変化の周期は、入射した光ビームの周波数の逆数と一致する。
【００４２】
次に、２本の光ビームＬ１、Ｌ２が、その両方が左回り円偏光の光ビーム、またはその両方が右回り円偏光の光ビームである場合について考える。この場合、光ビームＬ１、Ｌ２によって形成される電磁場は、図３のグラフ（ｂ）に示すように、電場Ｅ及び磁場Ｂがｚ軸に垂直であって振幅が図示の特徴を有する螺旋状の定在波となる。
【００４３】
この定在波では、形成される螺旋のピッチは入射した光ビームの波長と一致する。電場Ｅ及び磁場Ｂの振幅が形成する螺旋は、半径を除いて一致する。また、この螺旋状の定在波は、半径を除いて空間的に固定されたものとなるが、その振幅を表す螺旋の半径は、時間ｔの経過とともに調和振動を行う（半径が調和振動で負の値をとる場合は、ベクトルが逆向きになっている状態を表すものとする）。この調和振動の周期は、入射した光ビームの周波数の逆数と一致する。また、この調和振動は、電場Ｅ及び磁場Ｂに対し、互いの位相がπ／２だけずれたものである。
【００４４】
図３を参照して上述したように、２本の光ビームＬ１、Ｌ２は、その一方が左回り円偏光の光ビーム、他方が右回り円偏光の光ビームであることが好ましい。あるいは、２本の光ビームは、その両方が左回り円偏光の光ビーム、またはその両方が右回り円偏光の光ビームであることが好ましい。このような２本の円偏光の光ビームを用いることにより、相互作用領域５０内において、放射光Ｒの生成に用いられる電磁場を好適に形成することができる。
【００４５】
なお、図３のグラフ（ａ）、（ｂ）に示した例では、いずれの場合も定在波における電場Ｅと磁場Ｂとが平行になっている。また、電磁場で加速された荷電粒子群Ｃからは放射光Ｒがあらゆる方向に放射されるが、特に、グラフ（ａ）の例ではｚ軸に垂直な方向、グラフ（ｂ）の例ではｚ軸の方向（光ビームの伝播軸方向）が放射の強い方向となる。また、光ビーム供給部１０から供給される円偏光の光ビームについては、完全な円偏光でなくても、上記した定在波が充分に明確に形成される程度の状態であれば良い。
【００４６】
上記のように、放射光生成部２０の相互作用領域５０内で２本の光ビームＬ１、Ｌ２によって定在波が形成される場合、荷電粒子群Ｃは、定在波での電場Ｅと磁場Ｂの配置から決まる加速度を受ける。特に、光ビームＬ１、Ｌ２がともに円偏光の光ビームであると、上記したように電場Ｅと磁場Ｂとが平行になるため、荷電粒子はｖ×Ｂの効果を受けることなく電場Ｅの方向へと加速される。
【００４７】
具体的には、図３のグラフ（ａ）に示した例では、電場Ｅがｚ軸を中心に回転している状態のため、荷電粒子の運動も回転運動となる。一方、グラフ（ｂ）に示した例では、ｚ軸方向の各位置において電場Ｅが一定方向に振動している状態のため、荷電粒子の運動も振動運動となる。いずれの例においても、入射する光ビームＬ１、Ｌ２の強度が充分に大きいときには、荷電粒子は大きな加速度で運動することとなる。これにより、荷電粒子群Ｃから高強度の放射光Ｒが生成される。また、本放射光生成装置１Ａで生成される放射光Ｒの特性については、光ビーム供給部１０、放射光生成部２０、及び荷電粒子供給部３０の構成によってその特性を制御することが可能である。
【００４８】
また、相互作用領域５０内での２本の光ビームＬ１、Ｌ２の交差については、光ビームの断面は有限の大きさであるため、上記した定在波が形成される２本の光ビームの空間的な重なりが充分に確保されるように調整を行うことが好ましい。また、２本の光ビームが光パルスビームである場合には、その時間的な重なり部分のみに定在波が形成される。したがって、必要に応じて、２本の光ビームのタイミング調整を行うことが好ましい。
【００４９】
本発明による放射光生成装置の具体的な構成について、さらに説明する。
【００５０】
図４は、放射光生成装置の第２実施形態を示す構成図である。本実施形態による放射光生成装置１Ｂは、図１に示した放射光生成装置１Ａの具体的な構成例を示すものとなっている。
【００５１】
本構成例においては、光ビーム供給部１０は、レーザ光源１１と、半透鏡１２と、導光光学系１３、１４と、１／４波長板１３ａ、１４ａとを有して構成されている。光ビームを出力するレーザ光源１１としては、例えば、中心波長８４０ｎｍ、パルス半値全幅４．７ｆｓ、ピーク出力２ＴＷの光パルスビームを出力可能なフェムト秒テラワットレーザ光源を用いることができる。また、レーザ光源１１から出力される光ビームは、直線偏光を有している。なお、このような高ピーク出力のレーザ光源も、現在ではテーブルサイズで入手することが可能である。
【００５２】
レーザ光源１１からの光ビームに対し、放射光生成用の２本の光ビームＬ１、Ｌ２へと分岐する分岐光学系として機能する半透鏡１２が配置されている。図４においては、半透鏡１２で反射された光が第１光ビームＬ１、半透鏡１２を透過した光が第２光ビームＬ２となっている。また、このとき、分岐された２本の光ビームＬ１、Ｌ２は、それぞれピーク出力が１ＴＷとなっている。
【００５３】
また、これらの第１光ビームＬ１及び第２光ビームＬ２に対し、光ビームＬ１、Ｌ２を放射光生成部２０へと所定の条件で導くため、それぞれ第１導光光学系１３及び第２導光光学系１４が設置されている。これらの導光光学系１３、１４は、好適に配置された反射鏡を用いて構成されている。また、本構成例においては、光ビームＬ２に対する導光光学系１４に可変遅延光学系１４ｂが設けられており、導光光学系１３、１４の間での光ビームＬ１、Ｌ２の光路長差が変更可能となっている。この可変遅延光学系１４ｂは、２本の光パルスビームＬ１、Ｌ２の相互作用領域５０への入射タイミングを調整するタイミング調整手段として機能する。
【００５４】
半透鏡１２で反射された光ビームＬ１は、導光光学系１３を通過し、導光光学系１３の後段に配置された１／４波長板１３ａによって円偏光の光ビームへと変換された後、放射光生成部２０へと導かれる。また、半透鏡１２を透過した光ビームＬ２は、可変遅延光学系１４ｂを含む導光光学系１４を通過し、導光光学系１４の後段に配置された１／４波長板１４ａによって円偏光の光ビームへと変換された後、放射光生成部２０へと導かれる。
【００５５】
放射光生成部２０においては、光ビームＬ１、Ｌ２、及び荷電粒子群の間における相互作用を効率良く実現するために、真空チャンバ２１を用いている。この真空チャンバ２１内は、真空ポンプ２２により、例えば１０−３Ｐａ台以下の真空状態に保持されている。真空ポンプ２２としては、例えばターボ分子ポンプとドライポンプとの組合せによる真空系を用いることができる。
【００５６】
また、本構成例の放射光生成部２０では、光ビーム供給部１０から入射される２本の円偏光の光ビームＬ１、Ｌ２のそれぞれを相互作用領域５０へと集光する集光光学系が設けられている。具体的には、図４に示すように、光ビームＬ１、Ｌ２に対し、光ビームＬ１を所定の領域へと集光する軸外し放物面鏡２３、及び光ビームＬ２を所定の領域へと集光する軸外し放物面鏡２４が真空チャンバ２１内に配置されている。また、これらの軸外し放物面鏡２３、２４は、光ビームＬ１、Ｌ２の幾何光学的集光点が概一致するように構成されている。これにより、２本の円偏光の光ビームＬ１、Ｌ２が時間的、空間的に重なるように交差して定在波が形成される空間領域が、放射光生成部２０での相互作用領域５０となる。
【００５７】
ここで、相互作用領域５０における光ビームの集光直径は、例えば３μｍ程度とすることができる。また、フェムト秒領域の光パルスビームを用いる場合、光ビームＬ１、Ｌ２が相互作用領域５０での集光点に到達するタイミングを精度良く一致させる必要がある。このような場合、上記した可変遅延光学系１４ｂを用いることにより、２本の光ビーム間でのタイミングが調整可能となっている。なお、このようなタイミング調整は、２本の光ビームＬ１、Ｌ２の少なくとも一方について行うことが可能になっていれば良い。
【００５８】
放射光生成部２０を構成する真空チャンバ２１に対し、光ビーム供給部１０とは反対側に電子供給部６０が設置されている。電子供給部６０は、真空チャンバ２１内の相互作用領域５０に対して荷電粒子群Ｃとして電子群Ｄを供給するものであり、図１における荷電粒子供給部３０に相当する。
【００５９】
本構成例においては、この電子供給部６０は、電子群Ｄを形成する電子を出射する熱陰極６１、熱陰極６１と相互作用領域５０との間に配置された２つの開口部材６２、６３、及び熱陰極６１からみて相互作用領域５０を挟む位置に配置された陽極６５によって構成されている。また、熱陰極６１の周囲は、開口部材６２、６３を介して真空チャンバ２１の内部と接続されているため、真空状態に保持されている。
【００６０】
熱陰極６１から出射された電子集団は、開口部材６２、６３にそれぞれ設けられた開口を通過することによってビーム状にコリメートされ、放射光生成用の電子群Ｄとして相互作用領域５０へと供給される。この電子群Ｄは、光ビームＬ１、Ｌ２が存在しない場合には、相互作用領域５０を通過して陽極６５へと入射する。また、光ビームＬ１、Ｌ２が存在して放射光生成用の電磁場が形成されている場合には、その電磁場によって相互作用領域５０内で電子群Ｄが加速され、放射光Ｒが生成されて出力される。
【００６１】
すなわち、図４に示した構成では、２本の円偏光の光ビームＬ１、Ｌ２が時間的、空間的に重なる領域において、図３のグラフ（ａ）、（ｂ）に示したような電磁場が光ビームのパルス幅に応じた時間だけ形成される。そして、この電磁場で電子群Ｄが加速されることによって、放射光Ｒが生成される。これにより、小型で良好な性能を有する放射光生成装置が実現される。
【００６２】
放射光Ｒの生成に用いられる光ビームＬ１、Ｌ２の円偏光の回転の向きについては、１／４波長板１３ａ、１４ａのそれぞれの回転角度の調整によって、左回りまたは右回りのいずれにも設定することができる。したがって、相互作用領域５０内に形成される電磁場については、図３のグラフ（ａ）、（ｂ）のいずれの電磁場とすることも可能である。なお、放射光Ｒについては、上述したように光ビームの円偏光の状態によって、強度の放出方向依存性が異なるため、図４においては図示していない。
【００６３】
光ビームＬ１、Ｌ２の一方が左回り円偏光、他方が右回り円偏光である場合、放射光Ｒの強度は、相互作用領域５０で交差する光ビームに対して垂直方向に放出される成分において最も大きくなる。図５は、そのような放射光Ｒの光ビームに対して垂直方向に放出された成分について、放射光強度のスペクトル特性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は光子エネルギー（ｋｅＶ）を示し、縦軸は放射光分光強度（ａ．ｕ．）を示している。
【００６４】
図５に示すグラフＡ１が縦方向に幅を持っているようにみえるのは、入射した光ビームの高次高調波のピークが並んでいるためである。グラフ中で右上に挿入されているグラフＡ２は、グラフＡ１の原点近傍の一部を拡大したものであるが、横軸方向に等間隔のピークが並んでいることがわかる。また、このエネルギースペクトルを示すグラフＡ１より、数１０ｋｅＶ以上の硬Ｘ線領域にわたる広帯域のスペクトルを有する放射光Ｒが生成されていることがわかる。放射光スペクトルの包絡線の半値幅は約８ｋｅＶである。
【００６５】
図６は、放射光Ｒの上記成分に関する放射光強度の時間変化を示すグラフである。ここで、放射光生成用の２本の光ビームＬ１、Ｌ２の円偏光の状態については、図５のときと同様である。ただし、ここでは、相互作用領域５０に存在する電子の数を１個と仮定している。このグラフにおいて、横軸は放射光Ｒの上記成分を観測するための観測点での時間（ｆｓ）を示し、縦軸は放射光強度（ａ．ｕ．）を示している。また、横軸の時間については、相互作用領域５０で交差する光ビームＬ１、Ｌ２の包絡線が完全に重なるときに放出される放射光が観測点において観測されるときを時間の原点としている。
【００６６】
また、図６中に示す２つのグラフＢ１、Ｂ２のうち、Ｂ１は放射光強度を線形表示した場合（左側縦軸）のグラフ、Ｂ２は放射光強度を対数表示した場合（右側縦軸）のグラフである。また、グラフ中で右下に挿入されているグラフＢ３は、グラフＢ１の原点近傍における最大放射ピークを含む一部を拡大したものである。
【００６７】
このグラフＢ１、Ｂ２より、得られる放射光Ｒの時間特性において、いくつかの鋭いピークが生じていることがわかる。また、拡大したグラフＢ３より、最大放射ピークの半値全幅が１３０ｚｓ（ゼプト秒）であることがわかる。ここで、１３０ｚｓのフーリエ限界パルスを生成するために必要なスペクトル幅が、上記した放射光スペクトルの半値幅と略合致している点も注目に値する。すなわち、位相の揃った高次高調波生成によって、ゼプト秒パルスが得られたとみなすこともできる。
【００６８】
図６に示したグラフでは、上記したように相互作用領域５０に存在する電子の数を１個と仮定しているが、実際に相互作用領域５０で得られる放射光は、相互作用領域５０に存在する多数個の電子からの全体としての放射光の重ね合わせとなる。したがって、このような放射光Ｒの上記成分においては、その全体の特性は図６に示した時間特性が鈍ったものとなる。ただし、この放射光Ｒの上記成分においても超短パルス的特性が得られることはいうまでもない。また、上記した例では、２本の光ビームＬ１、Ｌ２の一方を左回り円偏光、他方を右回り円偏光とし、放射光Ｒの光ビームに対して垂直方向に放出される成分について示したが、光ビームＬ１、Ｌ２の両方を左回り円偏光、または両方を右回り円偏光とし、放射光Ｒの光ビームの伝播方向に放出される成分についても、同様に超短パルス的特性を有するものとなる。また、これらの放射光の上記成分以外の成分においても、フェムト秒域の特性が得られることはいうまでもない。
【００６９】
図７は、放射光生成装置の第３実施形態を示す構成図である。本実施形態による放射光生成装置１Ｃは、図１に示した生成装置１Ａの具体的な構成の他の例を示すものとなっている。
【００７０】
本構成例においては、光ビーム供給部１０は、図４に関して上述したレーザ光源１１、半透鏡１２、導光光学系１３、１４、及び１／４波長板１３ａ、１４ａに加えて、一部透過鏡１５と、導光光学系１６とを有して構成されている。一部透過鏡１５は、レーザ光源１０と半透鏡１２との間の光路上に配置されており、一部透過鏡１５で反射された光が導光光学系１６を介して半透鏡１２に到達するようになっている。また、導光光学系１６には、タイミング調整用の可変遅延光学系１６ａが設けられている。
【００７１】
また、レーザ光源１１からの光ビームは、その一部が一部透過鏡１５を透過して導光光学系１７へと分岐される。この一部透過鏡１５で分岐された光ビームＬ３は、荷電粒子供給部３０において、荷電粒子生成用の光ビームとして用いられる。また、導光光学系１７は、好適に配置された反射鏡を用いて構成されている。
【００７２】
放射光生成部２０を構成する真空チャンバ２１に対し、光ビーム供給部１０とは反対側に電子供給部７０が設置されている。本構成例においては、この電子供給部７０は、電子群Ｄを形成する電子を出射する光電陰極７１、光電陰極７１と相互作用領域５０との間に配置された２つの開口部材７２、７３、及び光電陰極７１からみて相互作用領域５０を挟む位置に配置された陽極７５によって構成されている。また、光電陰極７１の周囲は、開口部材７２、７３を介して真空チャンバ２１の内部と接続されているため、真空状態に保持されている。
【００７３】
このような構成において、一部透過鏡１５で分岐された荷電粒子（電子）生成用の光ビームＬ３は、導光光学系１７を介して荷電粒子供給部３０である電子供給部７０へと供給され、光電陰極７１へと入射する。光電陰極７１は、入射した光ビームＬ３に対し、光電変換によって電子群Ｄを生成する電子生成手段として機能する。
【００７４】
光電陰極７１から出射された電子集団は、開口部材７２、７３にそれぞれ設けられた開口を通過することによってビーム状にコリメートされ、放射光生成用の電子群Ｄとして相互作用領域５０へと供給される。この電子群Ｄは、光ビームＬ１、Ｌ２が存在しない場合には、相互作用領域５０を通過して陽極７５へと入射する。また、光ビームＬ１、Ｌ２が存在して放射光生成用の電磁場が形成されている場合には、その電磁場によって相互作用領域５０内で電子群Ｄが加速され、放射光Ｒが生成されて出力される。
【００７５】
図７に示した構成例においては、電子群Ｄなどの荷電粒子群Ｃの供給について、光ビーム供給部１０が、放射光生成部２０へと供給される２本の光ビームＬ１、Ｌ２に加えて、荷電粒子生成用の光ビームＬ３を荷電粒子供給部３０へと供給している。このような構成によれば、放射光Ｒの生成に用いられる２本の光ビームＬ１、Ｌ２に対して、光ビームに同期した荷電粒子群Ｃを好適に供給することができる。例えば、２本の光ビームＬ１、Ｌ２が光パルスビームである場合、相互作用領域５０に対して、光パルスビームに同期したパルス状の電子群Ｄを供給することが可能となる。
【００７６】
また、このような構成では、光ビームＬ１、Ｌ２が相互作用領域５０での集光点に到達するタイミングと、電子群Ｄが相互作用領域５０に到達するタイミングとを精度良く一致させる必要がある。これに対して、図７においては、可変遅延光学系１６ａを用いることにより、光ビーム及び電子群間でのタイミングが調整可能となっている。これにより、相互作用領域５０内に放射光生成用の電磁場が形成される前後の時刻においてのみ電子群Ｄを供給することができ、時間的に無駄がない電子供給を行うことが可能となる。なお、このような光ビーム及び電子群間でのタイミング調整を行うための光学遅延については、光ビームＬ３に対して行う構成であっても良い。
【００７７】
図８は、放射光生成装置の第４実施形態を示す構成図である。本実施形態は、図４及び図７に示した実施形態の放射光生成装置の変形例を示すものとなっている。また、この図８においては、光ビーム供給部１０及び荷電粒子供給部３０等については図示を省略している。
【００７８】
本変形例の放射光生成部２０では、光ビーム供給部１０から入射される２本の円偏光の光ビームＬ１、Ｌ２のそれぞれを相互作用領域５０へと集光する集光光学系として、軸外し放物面鏡２５、２６が真空チャンバ２１内に配置されている。また、真空チャンバ２１内には、軸外し放物面鏡２５、２６と相互作用領域５０との間の所定位置に、それぞれ光ビームＬ１、Ｌ２の光路を直角に曲げるための反射鏡２７、２８が設けられている。
【００７９】
このような構成は、光ビームＬ１、Ｌ２の両方を左回り円偏光、または両方を右回り円偏光とし、放射光Ｒのうち光ビームの伝播方向に放出される成分を利用する場合に特に有効である。この場合、反射鏡２７、２８としては、光ビームＬ１、Ｌ２を反射するとともに、主にＸ線領域の電磁波によって構成される放射光Ｒを透過させることが可能な薄型反射鏡を用いることが好ましい。
【００８０】
また、図８の構成では、荷電粒子供給部３０の配置については、例えば図８の紙面に垂直方向に荷電粒子群Ｃを飛ばすような配置とすることが可能である。すなわち、図４に示した電子供給部６０の構成を例にとると、図８の紙面に対して表側に手前から順に熱陰極６１、開口部材６２、６３が並び、裏側に陽極６５を配置する構成が可能である。また、光ビームの伝播等を妨げない限り、これ以外の配置を用いても良い。
【００８１】
本発明による放射光生成装置は、上記した実施形態、及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図４及び図７に示した構成例では荷電粒子群Ｃとして電子群Ｄを用いているが、電子以外の荷電粒子を用いた場合でも同様の構成が可能である。また、光ビーム供給部に用いられる光源については、上記したパルスレーザ光源以外にも、必要に応じて様々な光源を用いて良い。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、良好な特性の放射光を効率良く生成することが可能な放射光生成装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】放射光生成装置の第１実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】光ビーム供給部の構成例を示すブロック図である。
【図３】２本の光ビームによって形成される電磁場について示す図である。
【図４】放射光生成装置の第２実施形態を示す構成図である。
【図５】放射光の強度スペクトルを示すグラフである。
【図６】放射光強度の時間変化を示すグラフである。
【図７】放射光生成装置の第３実施形態を示す構成図である。
【図８】放射光生成装置の第４実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
【００８４】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…放射光生成装置、１０…光ビーム供給部、１１…フェムト秒レーザ光源、１２…半透鏡、１３、１４…導光光学系、１３ａ、１４ａ…１／４波長板、１４ｂ…可変遅延光学系、１５…一部透過鏡、１６、１７…導光光学系、１６ａ…可変遅延光学系、２０…放射光生成部、２１…真空チャンバ、２２…真空ポンプ、２３、２４…軸外し放物面鏡、２５、２６…軸外し放物面鏡、２７、２８…反射鏡、５０…相互作用領域、
３０…荷電粒子供給部、６０…電子供給部、６１…熱陰極、６２、６３…開口部材、６５…陽極、７０…電子供給部、７１…光電陰極、７２、７３…開口部材、７５…陽極、
１０ａ…光源、１０ｂ…光ビーム分岐部、１０ｃ…タイミング調整部、１０ｄ…第１光源、１０ｅ…第２光源、Ｌ１…第１光ビーム、Ｌ２…第２光ビーム、Ｌ３…荷電粒子生成用の光ビーム、Ｒ…放射光、Ｃ…荷電粒子群、Ｄ…電子群。
【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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