(57)【要約】【課題】レーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光に共振させるとともに、容易に切り替え可能な偏光レーザー発振を提供する。【解決手段】レーザーを３次元光共振器４に導き、３次元光共振器４に立体的に配置された１対の平面鏡２１、２２と１対の凹面鏡２３、２４とによって周回させるとともに、３次元光共振器４にランプ状の駆動電圧を印加して、ピエゾ素子２５を変形させ、平面鏡２１、２２、凹面鏡２３、２４によって形成される光路長を調整させながら、平面鏡２１から透過したレーザーをゼロクロスフィードバック信号生成器６に導いて、レーザーのＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の差分値が右偏光用のゼロクロス又は左偏光用のゼロクロスしているか否かを判定し、この判定結果に基づき、共振制御器８からピエゾ素子２５に印加されている駆動電圧の電圧値を固定させ、３次元光共振器４内に右偏光のレーザー又は左偏光のレーザーを共振させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源から出射されるレーザーを３次元光共振器に導き、この３次元光共振器に立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とによって周回させるとともに、前記３次元光共振器にランプ状の駆動電圧を印加して、圧電素子を変形させ、前記各凹面鏡、前記各平面鏡によって形成される光路長を調整させながら、
前記各凹面鏡、前記各平面鏡の何れかから透過したレーザーのＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の差分値が右偏光用のゼロクロス又は左偏光用のゼロクロスしているかどうかを判定し、この判定結果に基づき、前記駆動電圧の電圧値を固定し、
前記３次元光共振器内に右偏光のレーザー又は左偏光のレーザーを共振、蓄積させる、ことを特徴とする偏光レーザー発振方法。
【請求項２】
請求項１に記載の偏光レーザー発振方法において、
前記レーザー光源をモードロック発振させて、大強度パルスレーザーを出射させ、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上であるパルスレーザーを生成させる、ことを特徴とする偏光レーザー発振方法。
【請求項３】
請求項２に記載の偏光レーザー発振方法において、
前記レーザー光源をモードロック発振させて、パルスレーザーの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内の大強度パルスレーザーを出射させ、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させる、ことを特徴とする偏光レーザー発振方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の偏光レーザー発振方法において、
前記レーザー光源をモードロック発振させて、大強度パルスレーザーを出射させながら、
前記各平面鏡、前記各凹面鏡の何れかから透過したレーザーのＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の差分値が右偏光用のゼロクロス又は左偏光用のゼロクロスしているかどうかを判定し、この判定結果に基づき、右偏光用のゼロクロス、左偏光用のゼロクロスを交互に選択して、前記駆動電圧の電圧値を切り替え、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー、左偏光のパルスレーザーを交互に生成させる、ことを特徴とする偏光レーザー発振方法。
【請求項５】
前記レーザー光源のレーザー発振動作と、前記３次元光共振器の共振動作、高エネルギー電子ビーム発生装置の電子ビーム出射動作とを同期させるとともに、
請求項２、３、４の何れかに記載の偏光レーザー発振方法を用いて、前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーを生成させ、
さらに前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突させ、極短パルス偏光放射線を発生させる、ことを特徴とする偏光放射線発生方法。
【請求項６】
請求項５に記載の偏光放射線発生方法において、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させ、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させ、外部に取り出す、ことを特徴とする偏光放射線発生方法。
【請求項７】
請求項６に記載の偏光放射線発生方法において、
前記レーザー光源のレーザー発振動作と、前記３次元光共振器の共振動作、高エネルギー電子ビーム発生装置の電子ビーム出射動作とを同期させて、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーを生成させる、ことを特徴とする偏光放射線発生方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の偏光放射線発生方法において、
前記極短パルス偏光放射線は、Ｘ線又はγ線である、ことを特徴とする偏光放射線発生方法。
【請求項９】
ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器のうち、少なくとも何れかを持ち、ＣＷレーザー形式又はパルスレーザー形式のレーザーを生成するレーザー光源と、
前記レーザー光源から出射されるレーザーの偏光面、ビーム径を整える入射光学系と、
立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とを持ち、前記入射光学系から出射されるレーザーを取り込み、前記各平面鏡、前記各凹面鏡によって構成され、圧電素子によって、長さが調整された光路上を周回させながら、光路長に応じて、右円偏光又は左円偏光を選択して、蓄積する３次元光共振器と、
前記３次元光共振器内で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器と、
前記３次元光共振器内で共振しているレーザーのうち、前記各平面鏡、前記各凹面鏡の何れかを透過したレーザーをＰ偏光、Ｓ偏光に分離し、その強度を測定するとともに、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器と、
前記３次元光共振器で選択される右円偏光又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチと、
この偏光切替スイッチの出力、前記共振モニタ器の出力、前記ゼロクロスフィードバック信号生成器の出力に基づき、前記３次元光共振器に設けられた前記圧電素子の駆動電圧を制御して、前記光路長を調整させ、前記３次元光共振器内に右円偏光又は左円偏光のレーザーを選択的に、蓄積させる共振制御器と、
を備えたことを特徴とする偏光レーザー発振システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の偏光レーザー発振システムにおいて、
前記レーザー光源をモードロック発振させて、大強度パルスレーザーを出射させ、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させる、ことを特徴とする偏光レーザー発振システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の偏光レーザー発振システムにおいて、
前記レーザー光源をモードロック発振させて、パルスレーザーの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内の大強度パルスレーザーを出射させ、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させる、ことを特徴とする偏光レーザー発振システム。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の偏光レーザー発振システムにおいて、
前記レーザー光源をモードロック発振させて、大強度パルスレーザーを出射させながら、
前記共振制御器によって、前記各平面鏡、前記各凹面鏡の何れかから透過したレーザーのＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の差分値が右偏光用のゼロクロス又は左偏光用のゼロクロスしているかどうかを判定させ、この判定結果に基づき、右偏光用のゼロクロス、左偏光用のゼロクロスを交互に選択させて、前記駆動電圧の電圧値を切り替えさせ、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー、左偏光のパルスレーザーを交互に生成させる、ことを特徴とする偏光レーザー発振システム。
【請求項１３】
システムを同期させるのに必要な高周波信号を発生する高周波信号発生装置と、
加速器を持ち、前記高周波信号発生装置から出力される高周波信号と同期した高周波電圧を使用して、電子を加速させて、電子ビームを出射する高エネルギー電子ビーム発生装置と、
ＣＷレーザー発振器又はモードロックレーザー発振器を持ち、ＣＷ発振で得られたレーザー又は高周波信号発生装置から出力される高周波信号と同期したパルスレーザーを生成する、請求項９乃至１２の何れかに記載の偏光レーザー発振システムと、
前記偏光レーザー発振システムを構成する３次元光共振器内の衝突点で、ビームサイズが“１０μｍ”以下にされ、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーと前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームとを衝突させ、極短パルス偏光放射線を生成させる衝突チャンバと、
この衝突チャンバで生成された極短パルス偏光放射線を取り出すとともに、放射線量を測定する放射線検出装置と、
を備えたことを特徴とする偏光放射線発生システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の偏光放射線発生システムにおいて、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させ、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させ、外部に取り出す、ことを特徴とする偏光放射線発生システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の偏光放射線発生システムにおいて、
前記レーザー光源のレーザー発振動作と、前記３次元光共振器の共振動作、高エネルギー電子ビーム発生装置の電子ビーム出射動作とを同期させて、
前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーを生成させる、ことを特徴とする偏光放射線発生システム。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５の何れかに記載の偏光放射線発生システムにおいて、
前記極短パルス偏光放射線は、Ｘ線又はγ線である、ことを特徴とする偏光放射線発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー逆コンプトン散乱などを使用してＸ線を発生する小型Ｘ線源の偏光レーザー発振方法、偏光放射線発生方法及びその装置、システムに係わり、特に左右円偏光性を自由に、選択し得る偏光レーザー発振方法、偏光放射線発生方法及びそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー逆コンプトン散乱などを用いてＸ線を発生させる際に使用される偏光レーザー発振方法として、現在、レーザー発生器で得られたレーザーを光共振器に導いて、共振させ、強い偏光レーザーを発生させる方法が知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような偏光レーザー発生方法では、２枚の鏡を使用した光共振器で、レーザーの円偏光性を分離することができないことから、偏光子、ファラデー回転子、λ／４波長板などを使用して、円偏光を切り替えなければならず、その分だけ、調整が面倒であるという問題があった。
【０００４】
また、このような偏光レーザー発生方法では、偏光子、ファラデー回転子、λ／４波長板などを各々、調整して右円偏光、左円偏光を切り替えなければならないことから、切り替え速度を速くすることが難しいのみならず、純粋な円偏光レーザーであると保証することができないという問題があった。
【０００５】
さらに、このような偏光レーザー発生方法を使用した偏光レーザー発生装置は、装置全体が大型化してしまうことから、レーザー逆コンプトン散乱などを利用して、Ｘ線を発生するＸ線源に使用したとき、Ｘ線源が大型化してしまう。
【０００６】
このため、Ｘ線を使用し、磁性解析、生体の研究、創薬開発などで、偏光レーザー発生装置を内蔵したＸ線源を使用することが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑み、請求項１乃至４では、レーザー光源で得られたレーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、容易に切り替えさせることができる偏光レーザー発振方法を提供することを目的としている。
【０００８】
また、請求項５乃至８では、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを衝突させて、極短パルス偏光放射線を発生させることができる偏光放射線発生方法を提供することを目的としている。
【０００９】
また、請求項９乃至１２では、レーザー光源で得られたレーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光のうち、偏光切替スイッチで指定した一方に共振させることができるとともに、容易に切り替えさせることができる偏光レーザー発振システムを提供することを目的としている。
【００１０】
また、請求項１３乃至１６では、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを衝突させて、極短パルス偏光放射線を発生させることができる偏光放射線発生システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明は、請求項１の偏光レーザー発振方法では、レーザー光源から出射されるレーザーを３次元光共振器に導き、この３次元光共振器に立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とによって周回させるとともに、前記３次元光共振器にランプ状の駆動電圧を印加して、圧電素子を変形させ、前記各凹面鏡、前記各平面鏡によって形成される光路長を調整させながら、前記各凹面鏡、前記各平面鏡の何れかから透過したレーザーのＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の差分値が右偏光用のゼロクロス又は左偏光用のゼロクロスしているかどうかを判定し、この判定結果に基づき、前記駆動電圧の電圧値を固定し、前記３次元光共振器内に右偏光のレーザー又は左偏光のレーザーを共振、蓄積させることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２では、請求項１に記載の偏光レーザー発振方法において、前記レーザー光源をモードロック発振させて、大強度パルスレーザーを出射させ、前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上であるパルスレーザーを生成させることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項３では、請求項２に記載の偏光レーザー発振方法において、前記レーザー光源をモードロック発振させて、パルスレーザーの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内の大強度パルスレーザーを出射させ、前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項４では、請求項２又は３に記載の偏光レーザー発振方法において、前記レーザー光源をモードロック発振させて、大強度パルスレーザーを出射させながら、前記各平面鏡、前記各凹面鏡の何れかから透過したレーザーのＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の差分値が右偏光用のゼロクロス又は左偏光用のゼロクロスしているかどうかを判定し、この判定結果に基づき、右偏光用のゼロクロス、左偏光用のゼロクロスを交互に選択して、前記駆動電圧の電圧値を切り替え、前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー、左偏光のパルスレーザーを交互に生成させることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項５の偏光放射線発生方法では、前記レーザー光源のレーザー発振動作と、前記３次元光共振器の共振動作、高エネルギー電子ビーム発生装置の電子ビーム出射動作とを同期させるとともに、請求項２、３、４の何れかに記載の偏光レーザー発振方法を用いて、前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーを生成させ、さらに前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突させ、極短パルス偏光放射線を発生させることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項６では、請求項５に記載の偏光放射線発生方法において、前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させ、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させ、外部に取り出すことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項７では、請求項６に記載の偏光放射線発生方法において、前記レーザー光源のレーザー発振動作と、前記３次元光共振器の共振動作、高エネルギー電子ビーム発生装置の電子ビーム出射動作とを同期させて、前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーを生成させることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項８では、請求項６又は７に記載の偏光放射線発生方法において、前記極短パルス偏光放射線は、Ｘ線又はγ線であることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項９の偏光レーザー発振システムでは、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器のうち、少なくとも何れかを持ち、ＣＷレーザー形式又はパルスレーザー形式のレーザーを生成するレーザー光源と、前記レーザー光源から出射されるレーザーの偏光面、ビーム径を整える入射光学系と、立体的に配置された１対の平面鏡と１対の凹面鏡とを持ち、前記入射光学系から出射されるレーザーを取り込み、前記各平面鏡、前記各凹面鏡によって構成され、圧電素子によって、長さが調整された光路上を周回させながら、光路長に応じて、右円偏光又は左円偏光を選択して、蓄積する３次元光共振器と、前記３次元光共振器内で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器と、前記３次元光共振器内で共振しているレーザーのうち、前記各平面鏡、前記各凹面鏡の何れかを透過したレーザーをＰ偏光、Ｓ偏光に分離し、その強度を測定するとともに、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器と、前記３次元光共振器で選択される右円偏光又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチと、この偏光切替スイッチの出力、前記共振モニタ器の出力、前記ゼロクロスフィードバック信号生成器の出力に基づき、前記３次元光共振器に設けられた前記圧電素子の駆動電圧を制御して、前記光路長を調整させ、前記３次元光共振器内に右円偏光又は左円偏光のレーザーを選択的に、蓄積させる共振制御器とを備えたことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項１０では、請求項９に記載の偏光レーザー発振システムにおいて、前記レーザー光源をモードロック発振させて、大強度パルスレーザーを出射させ、前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項１１では、請求項１０に記載の偏光レーザー発振システムにおいて、前記レーザー光源をモードロック発振させて、パルスレーザーの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内の大強度パルスレーザーを出射させ、前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項１２では、請求項１０、１１の何れかに記載の偏光レーザー発振システムにおいて、前記レーザー光源をモードロック発振させて、大強度パルスレーザーを出射させながら、前記共振制御器によって、前記各平面鏡、前記各凹面鏡の何れかから透過したレーザーのＰ偏光成分、Ｓ偏光成分の差分値が右偏光用のゼロクロス又は左偏光用のゼロクロスしているかどうかを判定させ、この判定結果に基づき、右偏光用のゼロクロス、左偏光用のゼロクロスを交互に選択させて、前記駆動電圧の電圧値を切り替えさせ、前記３次元光共振器内に設定された衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー、左偏光のパルスレーザーを交互に生成させることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項１３の偏光放射線発生システムでは、システムを同期させるのに必要な高周波信号を発生する高周波信号発生装置と、加速器を持ち、前記高周波信号発生装置から出力される高周波信号と同期した高周波電圧を使用して、電子を加速させて、電子ビームを出射する高エネルギー電子ビーム発生装置と、ＣＷレーザー発振器又はモードロックレーザー発振器を持ち、ＣＷ発振で得られたレーザー又は高周波信号発生装置から出力される高周波信号と同期したパルスレーザーを生成する偏光レーザー発振システムと、前記偏光レーザー発振システムを構成する３次元光共振器内の衝突点で、ビームサイズが“１０μｍ”以下にされ、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーと前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームとを衝突させ、極短パルス偏光放射線を生成させる衝突チャンバと、この衝突チャンバで生成された極短パルス偏光放射線を取り出すとともに、放射線量を測定する放射線検出装置とを備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、請求項１４では、請求項１３に記載の偏光放射線発生システムにおいて、前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、前記高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、前記３次元光共振器内のパルスレーザーとを衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させ、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させ、外部に取り出すことを特徴としている。
【００２５】
また、請求項１５では、請求項１４に記載の偏光放射線発生システムにおいて、前記レーザー光源のレーザー発振動作と、前記３次元光共振器の共振動作、高エネルギー電子ビーム発生装置の電子ビーム出射動作とを同期させて、前記３次元光共振器内に設定された衝突点で、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーを生成させることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項１６では、請求項１３乃至１５の何れかに記載の偏光放射線発生システムにおいて、前記極短パルス偏光放射線は、Ｘ線又はγ線であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明による、請求項１の偏光レーザー発振方法では、レーザー光源で得られたレーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、容易に切り替えさせることができる。
【００２８】
また、請求項２の偏光レーザー発振方法では、レーザー光源で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、３次元光共振器内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることができる。
【００２９】
また、請求項３の偏光レーザー発振方法では、レーザー光源で得られた、パルスレーザーの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内の大強度パルスレーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、３次元光共振器内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることができる。
【００３０】
また、請求項４の偏光レーザー発振方法では、レーザー光源で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器に導いて、３次元光共振器内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光パルスレーザー、左偏光パルスレーザーを交互に生成させることができる。
【００３１】
また、請求項５の偏光放射線発生方法では、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを衝突させて、極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００３２】
また、請求項６の偏光放射線発生方法では、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００３３】
また、請求項７の偏光放射線発生方法では、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上であり、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００３４】
また、請求項８の偏光放射線発生方法では、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光状のＸ線又はγ線を発生させることができる。
【００３５】
また、請求項９の偏光レーザー発振システムでは、レーザー光源で得られたレーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光のうち、偏光切替スイッチで指定した一方に共振させることができるとともに、容易に切り替えさせることができる。
【００３６】
また、請求項１０の偏光レーザー発振システムでは、レーザー光源で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、３次元光共振器内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることができる。
【００３７】
また、請求項１１の偏光レーザー発振システムでは、レーザー光源で得られた、パルスレーザーの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内の大強度パルスレーザーを３次元光共振器に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、３次元光共振器内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることができる。
【００３８】
また、請求項１２の偏光レーザー発振システムでは、レーザー光源で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器に導いて、３次元光共振器内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光パルスレーザー、左偏光パルスレーザーを交互に生成させることができる。
【００３９】
また、請求項１３の偏光放射線発生システムでは、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを衝突させて、極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００４０】
また、請求項１４の偏光放射線発生システムでは、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８―２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００４１】
また、請求項１５の偏光放射線発生システムでは、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上であり、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる。
【００４２】
また、請求項１６の偏光放射線発生システムでは、３次元光共振器内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光状のＸ線又はγ線を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による偏光レーザー発振方法及びその装置の一形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す３次元光共振器の詳細な構成例を示す斜視図である。
【図３】本発明による偏光放射線発生方法、偏光放射線発生システムの一例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の非平面４枚ミラーリング光共振器の構成図である。
【図５】予備実験テストで使用したシステムのレイアウトを示す概略構成図である。
【図６】入射したレーザーが線形偏光を有する場合に観察できる典型的な信号の一例を示すグラフである。
【図７】“Ｒ1＝０．９９”、“Ｔ1＝０．０１”、“Ｒ＝０．９８”であるときにおける、関数“Ｆ（δ）＝Ｅr／Ｅi”をプロットしたものである。
【図８】“Ｒ1＝０．９９”、“Ｔ1＝０．０１”、“Ｒ＝０．９８”、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄ”にし、数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。
【図９】“Ｒ1＝０．９９９”、“Ｔ1＝０．００１”、“Ｒ＝０．９９８”、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄ”にし、数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。
【図１０】計算を確認するため、我々が作成した実験装置の概要を示す構成図である。
【図１１】図１０に示す３次元光共振器の共鳴点近傍で観測された信号を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
１．背景
高精度な光共振器は、さまざまな科学分野で使用されている。レーザー発振器からのレーザービームを光共振器に入射させることによって、ビームの強度を数段階上げることができる。加速器物理学の分野では、この技術は、レーザーコンプトン散乱方式に基づく小型のＸ線光源を開発するために必要とされる。
【００４５】
光共振器の共鳴は、鋭いピークに維持する必要があることから、サーボシステムの移動方向を制御するために使用可能な共鳴曲線から差分信号を得るためのさまざまな方式が開発されている。
【００４６】
広く利用されている方式の一つに、共鳴のピークの外側の周波数側波帯を導入し、反射波の位相シフトを測定する“Pound-Drever-Hall法”がある。別の方式としての“Tilt-locking method”では、基本的なモードと、より高い横モードとの間の干渉を利用して、反射波の位相シフトを検出する。また、“Hansch-Couillaud（ＨＣ）法”は、光共振器の内部に、複屈折材を載置させて、光共振器を共鳴偏光依存構造にし、共鳴で起きた位相シフトに起因する反射波の偏光変化を測定する。角度をつけて設置したミラーを使用するマルチミラー光共振器システムにおいては、たとえ２枚ミラーシステムであっても、ミラーの応力によって、線形偏光依存構造の特性が起こり得るため、“ＨＣ法”の変形は、付加的材料なくして、実現することができる。
【００４７】
３次元（非平面）構成の４枚ミラーリング光共振器は、光共振器の内部の１点に微小スポットを生成することができる。レーザーコンプトンＸ線源を使用すれば、４枚ミラーリング光共振器で、有効なレーザーエレクトロン交差を提供可能であり、生成Ｘ線性能（または収束性能）を改善することが可能となる。
【００４８】
非平面光共振器は、通常、３次元光路における画像の回転により、円偏光依存特性を有する。本発明者は、この円偏光依存特性を利用して、非平面光共振器の共鳴から差分信号を得るための新しい方法を提案する。この方法は、円偏光依存を有する“ＨＣ法”の変形である。
【００４９】
２．実験装置
（１）非平面光共振器の概略
図４は、本発明の非平面４枚ミラーリング光共振器の構成を示す。光路は、表面が辺“ａ”、“ａ”、“ｂ”を有する二等辺三角形である左右対称四面体の辺に沿っている。辺“ａ”は“４２０ｍｍ”、辺“ｂ”は“１００ｍｍ”である。各頂点“Ｐ1”、“Ｐ2”、“Ｐ3”、“Ｐ4”にある各ミラーは、この順に閉光共振器を形成する。頂点“Ｐ1”と頂点“Ｐ2”のミラーは平面鏡であり、頂点“Ｐ3”と頂点“Ｐ4”のミラーは凹形鏡である。この実験で使用した各ミラー（平面鏡、凹形鏡）は全て、反射率“９９％”、透過率“１％”である。点“Ｑ1”は頂点“Ｐ1”と頂点“Ｐ3”の中点である。点“Ｑ2”は、頂点“Ｐ2”と頂点“Ｐ4”の中点である。
【００５０】
（２）幾何学的位相の影響
非平面光共振器の独自性は、円偏光の共鳴の縮退、分離にあることから、次に述べる手順で、幾何学的位相の影響を調べた。
【００５１】
頂点“Ｐ2”での影響について、単位のベクトル“ｋ1”およびベクトル“ｋ2”は各々、頂点“Ｐ1”から頂点“Ｐ2”への光線および頂点“Ｐ2”から頂点“Ｐ3”の光線（入射光）である。
【数１】
2011035328.tif 000003
【００５２】
ここで、頂点“Ｐ2”および頂点“Ｐ3”における反射光の通常のベクトル“ｎ1”およびベクトル“ｎ2”は、次式で表すことができる。
【数２】
2011035328.tif 000004
【００５３】
そして、入射光および反射光を含む面は、単位の各ベクトル“ｋ1”、“ｋ2”と、通常のベクトル“ｎ1”、“ｎ2”との定義を使用し、次式に示すベクトル“ａ1”、“ａ2”で表すことができる。
【数３】
2011035328.tif 000005
【００５４】
ここで、ベクトル“ａ1”と、ベクトル“ａ2”との間の角度“α12”は、４枚ミラー光共振器の一辺で起きたイメージの回転であり、角度“α12”は次の式で算出することができる。
【数４】
2011035328.tif 000006
【００５５】
そして、このような非平面光共振器では、各反射点におけるイメージの回転が累積されることから、非平面光共振器内の光路を１周するとき、全体的な効果は角度“４α12”（以後、適時、これを幾何学的位相“φgeo”と呼ぶ）となる。また、イメージの回転は、回転偏光波の場合における位相シフトに相当する。また、右偏光および左偏光の位相シフトの符号は逆であるため、二つの円偏光の間の共鳴の減退を分割する。
【００５６】
例えば、角度“４α12”は、我々の提案する共振器では、“−０．０５７５ｒａｄ（２πの整数は無視する）”である。
【００５７】
（３）光共振器の共鳴の測定
本発明者は、予備実験テストを行って、我々の提案する光共振器の偏光特性を調べた。この際、作成したシステムのレイアウトを図５に示す。
【００５８】
この際、シングルモードＣＷレーザー（イノライト製、プロメーテウス・モデル）を光源として使用した。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で、入射するレーザー光の偏光を弁別した。入射レーザーが、光共振器、固有のモードに適合するようにレンズ（matching）対を配置した。光共振器（3D-4mirror cavity）に対する入射レーザーの入射位置と角度は、一対の平面鏡で調整した。光共振器鏡の一方（concave）は、ピエゾ素子（piezo）を持つ圧電制御ステージ上に装着して、光共振器の長さ（光路長）を変更できるようにした。光共振器の共鳴は、ピエゾ素子にランプ電圧（スロープ状に順次、高くなる電圧）を印加しつつ、ピンフォトダイオード（ＰＤ）で光共振器の透過レーザーを測定することによって判定した。
【００５９】
図６は、入射したレーザーが線形偏光を有する場合に観察できる典型的な信号を示す。ピエゾ素子を使って光共振器の光路長を走査させながら、光共振器の透過レーザーをフォトダイオードで測定したときのグラフです。上の図は、自由スペクトル範囲の全期間を示す。最も高いピークは、基本的な横モードに相当する。下の図は、基本的なモードのピークのうちの一つを拡大したものである。
【００６０】
この図６では、２つある共鳴ピークは、一方が右偏光に相当し、他方が左偏光に相当するダブルピーク構造になっている。入射したレーザーの線形偏光が２つの円偏光を同じ量だけ含んであるので、光共振器は、両共鳴条件に基づいて、わずかに異なる位相で共鳴する。
【００６１】
３．ロックする技術の方式
（１）計算
反射波の説明
光共振器では、各共鳴鏡における反射波の複素共振“Ｅr”は、次のように記述できる。
【数５】
2011035328.tif 000007
【００６２】
ここで、“Ｅi”は、入射波の複素共振、“Ｒ1”および“Ｔ1”は光共振器の入出射口に配置された共鳴鏡の反射率および透過率である。“Ｒ”は、“Ｆ＝π／（１−Ｒ）”で定義された光共振器のフィネス“（Ｆ）”との関連する値です。ここで、“Ｒ”は、４枚ミラー光共振器の場合と同じ精度を有する２枚ミラー光共振器で使用される共振鏡の反射率として考えることができる。また“δ”は、共鳴条件から導かれる位相差である。
【００６３】
図７は、“Ｒ1＝０．９９”、“Ｔ1＝０．０１”、“Ｒ＝０．９８”であるときにおける、関数“Ｆ（δ）＝Ｅr／Ｅi”をプロットしたものである。上の線は、位相差“δ”の実数部分を示し、下の線は位相差“δ”の虚数部分を示す。
【００６４】
３．１．２．偏光の説明
また、このような光共振器に対し、ジョーンズマトリックスを使用すると、波の偏光は次式を使用して、説明できる。
【数６】
2011035328.tif 000008
ここで、列ベクトル“Ｅ”のそれぞれの要素“Ｅp”、“Ｅs”は各々、Ｐ偏光、Ｓ偏光を表す。電界は、テーブルに対して平行、且つ垂直である。波がテーブル上に水平に載置した偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で分波されれば、二つの要素は別々に測定することができる。
【００６５】
円偏光波は次のように記述できる。
【数７】
2011035328.tif 000009
ここで、列ベクトル“ＥR”、“ＥL”は、それぞれ単位共振の右偏光、左偏光である。非平面光共振器の固有状態は円偏光に対応するので、入射波は、右偏光の単位共振“ＥR”と、左偏光の単位共振“ＥL”との重ね合わせとして好都合に記述できる。
【００６６】
また、テーブル面に対して４５度回転させた直線偏光の単位共振である列ベクトル“Ｅ45”は、次のように記述できる。
【数８】
2011035328.tif 000010
【００６７】
（２）提案するシステムの方式
上述した２．２の章で説明したように、付加的幾何学的位相により、右偏光および左偏光の共鳴条件は、反対の符号にシフトする。反射波の右偏光成分“ＥrR”、左偏光成分“ＥrL”は、付加的幾何学位相“φgeo”を用いて、次のように表わすことができる。
【数９】
2011035328.tif 000011
【数１０】
2011035328.tif 000012
【００６８】
ここで、数式８が入射波の場合、反射波の右偏光成分“ＥrR”、左偏光成分“ＥrL”は、光共振器内で、相互に作用し合う。結果生成される重ね合わせの反射波“Ｅr”は次式で表わされる。
【数１１】
2011035328.tif 000013
【００６９】
図８は、“Ｒ1＝０．９９”、“Ｔ1＝０．０１”、“Ｒ＝０．９８”、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄ”にし、この数式１１の列ベクトルで示される反射波“Ｅr”の成分“Ｅsr”、“Ｅpr”の差分信号“Ｅsr−Ｅpr”と、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”とを計算して、プロットしたものである。但し、図８では、図１０との関係を分かり易くするため、差分信号“Ｅsr−Ｅpr”として、“ＰＤ１−ＰＤ２”を表示し、加算信号“Ｅsr＋Ｅpr”として、“ＰＤ１＋ＰＤ２”を表示してある。
【００７０】
これは、我々のテスト対象となる光共振器の構成に相当するものであり、“Ｅsr−Ｅpr”は我々が提案している光共振器をロックするための差分信号である。
【００７１】
さらに、より精度を上げた場合の計算を図９に示す。これは、“Ｒ1＝０．９９９”、“Ｔ1＝０．００１”、“Ｒ＝０．９９８”、“φgeo＝−０．０５７５ｒａｄ”にしたときの計算例である。
【００７２】
これらの図８、図９から明らかなように、“ＰＤ１−ＰＤ２”で表示されている差分信号“Ｅsr−Ｅpr”は、共鳴のピークでゼロと交差する。さらに、ゼロと交差する差分信号“Ｅsr−Ｅpr”の符号（マイナスからプラスか、プラスからマイナスか）を選択することによって、右円偏光および左円偏光のどちらについても、円偏光共鳴の一つでシステムをロックすることが可能になる。
【００７３】
３．３．実験
計算を確認するため、本発明者は、図１０に示す装置を使って実験を行った。直線偏光波を３次元光共振器“3D-cavity”に入射させた。入射出口に配置された平面鏡“reflection”からの反射光（３次元光共振器“3D-cavity”内のレーザービーム）を偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”および２つのピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”から成る検知システム“detection system”に導いた。
【００７４】
ピンフォトダイオード“ＰＤ１”は、偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”の基準として、Ｐ偏光の強度“Ｅp”をモニタし、ピンフォトダイオード“ＰＤ２”はＳ偏光“Ｅs”の強度をモニタした。各ピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”からの信号は差分増幅器“differential amplifier”に供給し、差動電圧“Ｅs−Ｅp”を出力信号“output”として出力した。
【００７５】
検出システム“detection system”の入力側にあるλ／２波長板“λ／２”の角度を調整して、入射するレーザービームの偏光面と、検出システム“detection system”の偏光面とを整合させ、λ／２波長板“λ／２”と、３次元光共振器“3D-cavity”との距離が離れていても、２つのピンフォトダイオード“ＰＤ１”、“ＰＤ２”の出力がバランスするようにした。
【００７６】
この状況は、偏光ビームスプリッタ“ＰＢＳ”の入力側に入射するレーザービームが、数式８として表わされることに相当する。また、ピンフォトダイオード“ＰＤ０”を使って、３次元光共振器“3D-cavity”からの透過光（３次元光共振器“3D-cavity”内のレーザービーム）の強度を測定し、３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴状態をモニタした。
【００７７】
本発明者は、ピエゾ素子“piezo”で位置が調整される圧電制御ミラーを使って３次元光共振器“3D-cavity”の光路長をスキャンさせながら、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”を測定した。３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴点近傍で観測された信号を図１１に示す。一番下の線は、透過光を測定したピンフォトダイオード“ＰＤ０”の信号である。これは、３次元光共振器“3D-cavity”の共鳴点を示す。中央の線は、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”であり、この出力信号の形状は図８で計算した結果と一致する。差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”は、２つの共鳴点で各々、ゼロと交差し、それぞれの円偏光ピークの近傍で異なる符号となった。これにより、差分増幅器“differential amplifier”の出力信号“output”が各ゼロ交差点の何れか一方と一致するように、３次元光共振器“3D-cavity”の光路長を調整すれば、３次元光共振器“3D-cavity”が持つ２つの共鳴ピークのどちらか１つにロックさせることができる。
【００７８】
本発明では、このようなロック法を使用して、３次元光共振器“3D-cavity”が持つ２つの共鳴ピークのうちの１つにロックさせることにより、３次元光共振器“3D-cavity”を右偏光、左偏光のどちらでも、共鳴させ得るようにしている。
【００７９】
《第１形態》
図１は上述した原理を用いる、本発明による偏光レーザー発振方法、偏光レーザー発振システムの一形態を示す概略構成図である。
【００８０】
この図に示す偏光レーザー発振システム１は、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器を持ち、ＣＷレーザー又はパルスレーザーなどのレーザーを生成するレーザー光源２と、レーザー光源２から出射されるレーザーの偏光面、ビーム径を整える入射光学系３と、入射光学系３から出射されるレーザーを受光し、調整された光路長に応じて、右円偏光又は左円偏光を選択して、蓄積する３次元光共振器４と、３次元光共振器４内で共振しているレーザーの強度をモニタする共振モニタ器５と、３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーをＰ偏光、Ｓ偏光に分離し、その強度を測定するとともに、その差分値を求めて、ゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロスフィードバック信号生成器６と、３次元光共振器４で選択される右円偏光又は左円偏光を指定する指示信号を出力する偏光切替スイッチ７と、偏光切替スイッチ７の出力、共振モニタ器５の出力、ゼロクロスフィードバック信号生成器６の出力に基づき、３次元光共振器４の光路長を制御し、３次元光共振器４内に右円偏光又は左円偏光のレーザーを選択的に、蓄積させる共振制御器８とを備えており、偏光切替スイッチ７から出力される指示信号、共振モニタ器５のモニタ結果、ゼロクロスフィードバック信号生成器６から出力されるゼロクロス検出信号などに基づき、共振制御器８によって、レーザー光源２、３次元光共振器４を制御して、３次元光共振器４内に時間幅が３０ｐｓｅｃ以内、ビームサイズが“１０μｍ”以下、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上を有する左右どちらかの円偏光大強度パルスレーザーを発生させる。
【００８１】
レーザー光源２は、ＣＷレーザーを生成するＣＷレーザー発振器、パルスレーザーを生成するモードロックレーザーパルス発振器などを備えており、共振制御器８からの指示に基づき、ＣＷレーザー発振器、モードロックレーザーパルス発振器の何れかを起動させて、ＣＷレーザー又はパルスレーザーなどのレーザーを生成し、入射光学系３に入射させる。
【００８２】
入射光学系３は、レーザー光源２から出射されるレーザーを３次元光共振器４に導く複数の平面鏡９と、これら各平面鏡９で規定された光路上に配置され、レーザー光源２から出射されるレーザーのビーム径を整える複数のコリメートレンズ１０と、各平面鏡９によって規定された光路上に設置され、レーザーを直線偏光にする偏光ビームスプリッタ１１とを備えており、レーザー光源２から出射されるレーザーの偏光面、ビーム径を整えて、３次元光共振器４に入射させる。
【００８３】
３次元光共振器４は、図２に示す如く熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、高エネルギー電子ビーム発生装置の出射路に設けられた衝突チャンバ内に収納可能な大きさに形成される２つのリング部材１２、１３と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、各リング部材１２を所定距離だけ並行に離間させる４本の棒部材１４と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、水平方向に対し、時計方向に“４５度”傾くように、一方のリング部材１２に取り付けられる平板１５と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、平板１５に形成された各丸穴に取り付けられる２つの反射鏡保持枠（ステージ）１６、１７と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、水平方向に対し、反時計方向に“４５度”傾くように、他方のリング部材１３に取り付けられる平板１８と、熱膨張率が小さく、電子ビーム、放射線による損傷を受けにくい材料によって構成され、平板１８に形成された各丸穴に取り付けられる２つの反射鏡保持枠（ステージ）１９、２０とを備えている。
【００８４】
さらに、３次元光共振器４は、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、入射光学系３から出射されるレーザーの入射口に配置された反射鏡保持枠１６に取り付けられ、入射光学系３から出射されるレーザーを透過させるとともに、他方のリング部材１３側からのレーザーを反射する平面鏡２１と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、平面鏡２１が設けられたリング部材１２と対向するリング部材１３の反射鏡保持枠１９に設置され、平面鏡２１を透過したレーザー、および平面鏡２１で反射されたレーザーを反射する平面鏡２２と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、平面鏡２１が設けられたリング部材１２の反射鏡保持枠１７に設置され、平面鏡２２で反射されたレーザーを反射し、電子ビーム通路３７上に設定された衝突点で、ビームサイズが“１０μｍ”以下になるように集光させる凹面鏡２３と、反射率が“０．９９９”、透過率が“０．００１”に設定され、各反射鏡保持枠１６、１７、１９、２０のうち、凹面鏡２３が設けられたリング部材１２と対向するリング部材１３の反射鏡保持枠２０に設置され、凹面鏡２３でコリメートされたレーザーを並行なレーザーに戻し、平面鏡２１に戻す凹面鏡２４と、凹面鏡２４と反射鏡保持枠２０との間に配置され、共振制御器８から供給される駆動電圧に応じて、変形し、凹面鏡２４の位置を調整するピエゾ素子２５とを備えている。
【００８５】
そして、入射光学系３から出射されるレーザーを取り込み、平面鏡２１→平面鏡２２→凹面鏡２３→凹面鏡２４→平面鏡２１なる経路で、閉じ込めるとともに、ピエゾ素子２５によって調整された光路長に応じ、右円偏光又は左円偏光を選択して、蓄積する。
【００８６】
また、共振モニタ器５は、３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーを反射する平面鏡２６と、平面鏡２６で反射されたレーザーを受光し、レーザー強度に応じた電圧値を持つモニタ信号（３次元光共振器４内で共振しているレーザーの強度を示す信号）を生成するピンフォトダイオード２７とを備えており、３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーの強度を測定してモニタ信号を生成し、共振制御器８に供給する。
【００８７】
また、ゼロクロスフィードバック信号生成器６は、３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーを反射させ、３次元光共振器４から所定距離、離れた場所に導く複数の平面鏡２８と、３次元光共振器４から距離に応じた取り付け角度に調整され、最終段の平面鏡２８で反射されたレーザーの偏光面を調整するλ／２波長板２９と、λ／２波長板２９で偏光面が調整されたレーザーをＰ偏光、Ｓ偏光に分離する偏光ビームスプリッタ３０と、偏光ビームスプリッタ３０で分離されたＳ偏光側のレーザーを反射する平面鏡３１と、平面鏡３１で反射されたＳ偏光側のレーザーを受光し、Ｓ偏光側のレーザー強度を示すＳ偏光強度信号を生成するピンフォトダイオード３２と、偏光ビームスプリッタ３０で分離されたＰ偏光側のレーザーを反射する平面鏡３３と、平面鏡３３で反射されたＰ偏光側のレーザーを受光し、Ｐ偏光側のレーザー強度を示すＰ偏光強度信号を生成するピンフォトダイオード３４と、ピンフォトダイオード３２から出力されるＳ偏光強度信号とピンフォトダイオード３４から出力されるＰ偏光強度信号との差分を演算し、差分信号を生成する差動増幅器３５と、差動増幅器３５から出力される差分信号がゼロクロスしているかどうか、ゼロクロスしたとき、プラス側からマイナス側にゼロクロスしたか、マイナス側からプラス側にゼロクロスしたかどうかなどを判定し、これらの判定結果を示すゼロクロスフィードバック信号を生成するゼロクロス判定回路３６とを備えており、３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーを取り込んで、Ｐ偏光、Ｓ偏光に分離し、その強度を測定するとともに、その差分値を求めて、差分信号がゼロクロスしているかどうか、ゼロクロスしたとき、プラス側からマイナス側にゼロクロスしたか、マイナス側からプラス側にゼロクロスしたかどうかなどを示すゼロクロスフィードバック信号を生成し、共振制御器８に供給する。
【００８８】
また、偏光切替スイッチ７は、設定内容に応じて、右円偏光（または、左円偏光）を指定する指示信号又は高周波信号発生装置から出力される高周波信号に対応して、右円偏光、左円偏光を交互に指定する指示信号などを生成し、共振制御器８に供給する。
【００８９】
共振制御器８は、各種の演算を行うマイクロプロセッサ又は演算機能が組み込まれたＬＳＩなどが搭載された演算基板を備えており、偏光切替スイッチ７から出力される指示信号、共振モニタ器５から出力されるモニタ信号、ゼロクロスフィードバック信号生成器６から出力されるゼロクロスフィードバック信号に基づき、ランプ状の電圧値又は３次元光共振器４内に右円偏光又は左円偏光のレーザーを選択させるのに必要な電圧値の駆動電圧を生成して、３次元光共振器４のピエゾ素子２５に供給することにより、３次元光共振器４の光路長を制御し、３次元光共振器４内に右円偏光又は左円偏光のレーザーを選択的に、蓄積させる。
【００９０】
次に、図１に示す概略構成図、図２に示す斜視図を参照しながら、偏光レーザー発振システム１の動作を説明する。
【００９１】
偏光レーザー発振システム１の起動スイッチがオンされて、レーザー光源２からＣＷレーザーなどのレーザーの出射が開始されると、入射光学系３によって、レーザーの偏光面、ビーム径が整えられて、３次元光共振器４の平面鏡２１に入射されるとともに、平面鏡２１を透過したレーザーが平面鏡２１→平面鏡２２→凹面鏡２３→凹面鏡２４→平面鏡２１なる経路で、閉じ込められる。
【００９２】
また、この動作と並行し、共振モニタ器５によって、３次元光共振器４の平面鏡２２を透過したレーザーの強度が測定されてモニタ信号が生成され、共振制御器８に供給される。
【００９３】
また、これらの動作と並行し、ゼロクロスフィードバック信号生成器６によって、３次元光共振器４内で共振しているレーザーのうち、平面鏡２１を透過したレーザーが取り込まれて、Ｐ偏光、Ｓ偏光に分離され、その強度が測定され、その差分値が求められるとともに、ゼロクロスしているかどうかが判定されて、ゼロクロスフィードバック信号が生成され、共振制御器８に供給される。
【００９４】
また、この動作と並行し、共振制御器８によって、ランプ状に電圧値が高くなる駆動電圧が生成されて、３次元光共振器４内のピエゾ素子２５に供給され、３次元光共振器４の光路長が調整される。
【００９５】
そして、偏光切替スイッチ７から出力されている指示信号で、右円偏光又は左円偏光の何れか、例えば右円偏光が指定され、この状況で、ゼロクロスフィードバック信号生成器６によって、右円偏光が検出されたことを示すゼロクロスフィードバック信号が生成され、共振モニタ器５から３次元光共振器４内でレーザーが共振していることを示すモニタ信号が出力されたとき、共振制御器８によって、これが検知されて、駆動電圧の電圧値が固定される。
【００９６】
これにより、３次元光共振器４内の光路長がその時点で固定され、３次元光共振器４内で右円偏光のレーザーに対する共振が指定された時間、維持される。
【００９７】
また、レーザー光源２からモードロック発振で生成された大強度のパルスレーザーが出射されている場合も、同様な制御が行われて、３次元光共振器４内に右円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）又は左円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）が共振、蓄積されるとともに、少なくとも“０．００１秒”間、安定的に維持される。
【００９８】
このとき、モードロック発振周波数とパルスレーザーの時間輻とによって、パルスレーザーの線幅が決まり、また３次元光共振器４内では、衝突点におけるパルスレーザーのビームサイズが“１０μｍ”以下であることから、パルスレーザーの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内であれば、３次元光共振器４内における衝突点での、エネルギー強度を“１ｍＪ／パルス”以上にすることができる。
【００９９】
また、偏光切替スイッチ７から右円偏光、左円偏光を交互に指定する指示信号が出力されている場合にも、同様な制御が行われて、３次元光共振器４内に右円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）と、左円偏光のパルスレーザー（大強度のパルスレーザー）とが交互に、共振、蓄積される。
【０１００】
このときにも、モードロック発振周波数とパルスレーザーの時間輻とによって、パルスレーザーの線幅が決まり、また３次元光共振器４内では、衝突点におけるパルスレーザーのビームサイズが“１０μｍ”以下であることから、パルスレーザーの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内であれば、３次元光共振器４内における衝突点での、エネルギー強度を“１ｍＪ／パルス”以上にすることができる。
【０１０１】
このように、この形態では、レーザー光源２で得られたレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、偏光切替スイッチ７を操作するだけで、容易に切り替えさせることができる（請求項１、９の効果）。
【０１０２】
また、この形態では、レーザー光源２で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることができる（請求項２、１０の効果）。
【０１０３】
また、この形態では、レーザー光源２で得られた、時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内の大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、右偏光又は左偏光のどちらか一方に共振させることができるとともに、３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になるパルスレーザーを生成させることができる（請求項３、１１の効果）。
【０１０４】
また、この形態では、レーザー光源２で得られた大強度パルスレーザーを３次元光共振器４に導いて、３次元光共振器４内に設けられた衝突点に、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上になる右偏光パルスレーザー、左偏光パルスレーザーを交互に生成させることができる（請求項４、１２の効果）。
【０１０５】
《第２形態》
図３は図１に示す偏光レーザー発振システム１を使用した偏光放射線発生方法、偏光放射線発生システムの一例を示す概略構成図である。なお、この図において、図１、図２と対応する部分には、同じ符号が付してある。
【０１０６】
この図に示す偏光放射線発生システム５１は、システムを同期させるのに必要な高周波信号を発生する高周波信号発生装置５２と、加速器を持ち、高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号と同期した高周波電圧を使用して、電子を加速させて、電子ビームを出射する高エネルギー電子ビーム発生装置５３と、レーザー光源、モードロックレーザー発振器などを持ち、ＣＷ発振で得られたレーザー又は高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号と同期したパルスレーザーを生成する偏光レーザー発振システム１と、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される電子ビームと３次元光共振器４内のレーザーとの衝突角が８−２０度の範囲になり、“１μｍ”以内の衝突精度で衝突するように、偏光レーザー発振システム１を構成する３次元光共振器４が収納され、３次元光共振器４内のレーザーと衝突させたとき生じる逆コンプトン散乱によって放射線を生成させる衝突チャンバ５４と、衝突チャンバ５４で生成された放射線を取り出すとともに、放射線量を測定する放射線検出装置５５とを備えている。
【０１０７】
そして、高周波信号発生装置５２から出力される高周波信号によって、高エネルギー電子ビーム発生装置５３と、偏光レーザー発振システム１とを完全に同期させながら、偏光レーザー発振システム１の３次元光共振器４内に“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左円偏光特性（または、左円偏光特性）を持ち、パルスの時間幅が“３０ｐｓｅｃ”以内であり、ビームサイズが“１０μｍ”以下の大強度偏光パルスレーザーを発生させるとともに、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギーの電子ビームを出射させ、衝突チャンバ５４内でこれら高エネルギーの電子ビームと、大強度偏光パルスレーザーとを衝突させる。
【０１０８】
これにより、逆コンプトン散乱によって、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上になる極短パルス偏光放射線を発生させ、放射線検出装置５５によって、これを取り出させ、外部に導かせるとともに、外部に導かれた放射線の放射線量を測定させ、表示器（図示は省略する）などに表示させることができる。
【０１０９】
このように、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを衝突させて、極短パルス偏光放射線を発生させることができる（請求項５、１３の効果）。
【０１１０】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる（請求項６、１４の効果）。
【０１１１】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上であり、“１００ＭＨｚ”以上の超高繰り返しの特性を有する左右どちらかの円偏光を有する大強度偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光放射線を発生させることができる（請求項７、１５の効果）。
【０１１２】
また、この形態では、３次元光共振器４内に設定された衝突点で、高エネルギー電子ビーム発生装置５３から出射される規格化エミッタンス“１０ｍｍｍｒａｄ”以下の高品質特性を有する高エネルギー電子ビームと、３次元光共振器４内の衝突点に生成された、ビームサイズが“１０μｍ”以下で、エネルギー強度が“１ｍＪ／パルス”以上である右偏光のパルスレーザー又は左偏光のパルスレーザーとを、ほぼ正面衝突に近い衝突角度“８−２０度”の範囲で、かつ“１μｍ”以内の衝突精度で衝突させて、エネルギーが“０．２５ｋｅＶ”以上の特性を有する極短パルス偏光状のＸ線又はγ線を発生させることができる（請求項８、１６の効果）。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明は、レーザー逆コンプトン散乱などを使用してＸ線を発生する小型Ｘ線源の偏光レーザー発振方法、偏光放射線発生方法及びその装置、システムに係わり、特に左右円偏光性を自由に、選択し得る偏光レーザー発振方法、偏光放射線発生方法及びそのシステムに関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【０１１４】
１：偏光レーザー発振システム
２：レーザー光源
３：入射光学系
４：３次元光共振器
５：共振モニタ器
６：ゼロクロスフィードバック信号生成器
７：偏光切替スイッチ
８：共振制御器
９：平面鏡
１０：コリメートレンズ
１１：偏光ビームスプリッタ
１２：リング部材
１３：リング部材
１４：棒部材
１５：平板
１６：反射鏡保持枠
１７：反射鏡保持枠
１８：平板
１９：反射鏡保持枠
２０：反射鏡保持枠
２１：平面鏡
２２：平面鏡
２３：凹面鏡
２４：凹面鏡
２５：ピエゾ素子（圧電素子）
２６：平面鏡
２７：ピンフォトダイオード
２８：平面鏡
２９：λ／２波長板
３０：偏光ビームスプリッタ
３１：平面鏡
３２：ピンフォトダイオード
３３：平面鏡
３４：ピンフォトダイオード
３５：差動増幅器
３６：ゼロクロス判定回路
３７：電子ビーム通路
５１：偏光放射線発生システム
５２：高周波信号発生装置
５３：高エネルギー電子ビーム発生装置
５４：衝突チャンバ
５５：放射線検出装置
【図１】
2011035328.tif 000014
【図２】
2011035328.tif 000015
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011035328.tif 000019
【図７】
2011035328.tif 000020
【図８】
2011035328.tif 000021
【図９】
2011035328.tif 000022
【図１０】
2011035328.tif 000023
【図１１】
2011035328.tif 000024