(57)【要約】【課題】高品質の電子ビームを安定して発生させることができる電子銃、及び電子発生方法、並びに所望の偏光状態に制御することができる偏光制御素子を提供する。【解決手段】本発明の一態様にかかる電子銃は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子１５と、レーザ光源１１から偏光変換素子１５を介して入射したレーザ光を集光するレンズ１８と、レンズ１８によって集光されたレーザ光が入射するフォトカソード２１とを有するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、
前記レーザ光源から前記偏光変換素子を介して入射したレーザ光を集光するレンズと、
前記レンズによって集光されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備える電子銃。
【請求項２】
前記偏光変換素子が、レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように変換する請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
前記偏光変換素子が、放射状に分割された分割領域を複数有し、
前記複数の分割領域には、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられ
前記対向する分割領域において、前記波長板の光学軸がほぼ直交している請求項１、又は２に記載の電子銃。
【請求項４】
前記フォトカソード表面における前記レーザ光の偏光状態を電気的に調整する偏光調整素子が前記レーザ光の光路に設けられている請求項１、２又は３に記載の電子銃。
【請求項５】
前記偏光調整素子が、周方向に沿って配列された複数の電気光学素子と、
前記周方向に沿って配列された複数の電気光学素子の内側に設けられた第１電極と、
前記放射状に分割された複数の電気光学素子の外側に設けられた第２電極とを、備え、
前記複数の電気光学素子の光学軸が隣の電気光学素子の光学軸と異なる方向になっている請求項４に記載の電子銃。
【請求項６】
前記偏光調整素子が、
周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子と、
前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の内側に設けられた第１のコイルと、
前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の外側にそれぞれ設けられた第２のコイルとを、備え、
前記複数の磁気光学素子の光学軸が隣の磁気光学素子の光学軸と異なる方向になっている請求項４に記載の電子銃。
【請求項７】
前記偏光調整素子が、
周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子と、
前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子のそれぞれの外周に設けられたコイルを備え、
前記複数の磁気光学素子の光学軸が隣の磁気光学素子の光学軸と異なる方向になっている請求項４に記載の電子銃。
【請求項８】
前記偏光変換素子からのレーザ光とは別に前記フォトカソードにレーザ光が入射する請求項１乃至７のいずれかに記載の電子銃。
【請求項９】
前記フォトカソードにおいて、２本のレーザ光のプロファイルのピーク位置がずれている請求項８に記載の電子銃。
【請求項１０】
前記レーザ光源からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段が設けられている請求項１乃至９のいずれかに記載の電子銃。
【請求項１１】
前記レンズが中空形状になっており、
前記フォトカソードからの電子ビームが前記レンズの中空部分を通過する請求項１０に記載の電子銃。
【請求項１２】
前記レーザ光源からのレーザ光が前記フォトカソードの電子ビームの出射側と反対側から前記フォトカソードに入射する請求項１乃至１１のいずれかに記載の電子銃。
【請求項１３】
前記レーザ光源から、１ｐｓｅｃよりも短いパルス幅を持つパルスレーザ光が出射される請求項１乃至１２のいずれかに記載の電子銃。
【請求項１４】
フォトカソードにレーザ光を照射して、電子を発生させる電子発生方法であって、
直線偏光のレーザ光を偏光変換素子に入射させるステップと、
前記偏光変換素子によって、前記レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光された光に変換し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように、前記レーザ光の偏光状態を変換するステップと、
前記偏光変換素子から出射したレーザ光を集光して、フォトカソードに入射させるステップと、を備える電子発生方法。
【請求項１５】
電極間に配置された電気光学素子を有する偏光制御素子であって、
周方向に沿って配列された複数の電気光学素子と、
前記周方向に沿って配列された複数の電気光学素子の内側に設けられた第１電極と、
前記放射状に分割された複数の電気光学素子の外側に設けられた第２電極とを、備え、
隣り合う前記電気光学素子において、光学軸が異なる方向になっている偏光制御素子。
【請求項１６】
前記複数の電気光学素子の光学軸が放射状になっている請求項１５に記載の偏光制御素子。
【請求項１７】
前記複数の電気光学素子に対して独立して電場が与えられるよう、前記第１電極、及び第２電極の少なくとも一方が、前記複数の電気光学素子に対してそれぞれ設けられている請求項１５、又は１６記載の偏光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃、電子発生方法、及び偏光制御素子に関し、特に詳しくはフォトカソードを用いた電子銃、電子発生方法、並びにそれに好適な偏光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）、逆コンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線パルス光源、フェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）などの電子源として、電子銃が用いられている。通常、高輝度電子銃、又は超短パルス電子銃がこれらの用途に用いられる。
【０００３】
電子銃を電子放出の観点から分類すると、熱カソード電子銃、フォトカソード電子銃、及び電界放出型電子銃の３種類に分かれる。熱カソード電子銃は熱エネルギーにより電子放出を行う。フォトカソード電子銃は光電効果によって電子放出を行う。電界放出型電子銃は、高電界（１ＧＶ／ｍ以上）をカソードに印加することで電子を放出する。また、電子銃を電子加速方式から分類すると、ＲＦ電子銃と、ＤＣ電子銃の２つに分かれる。ＲＦ電子銃は、共振器空胴の助けを借りてマイクロ波（ＲＦ）により電子を加速する。ＤＣ電子銃は、対向する電極間に電圧を印加してＤＣ的（インパルス的）に電子を加速する。ビーム電流が大きい場合、フォトカソードとＲＦ加速方式の組み合わせ、並びに、熱カソードとＤＣ加速方式の組み合わせが一般的である。これは、両者の性質を合わせられるので相性がよいためである。また、電子ビームの重要な特性として、エミッタンスや輝度等が挙げられる。従って、低エミッタンスで高輝度な電子ビームを安定して発生させることができる電子銃の開発が望まれている。
【０００４】
フォトカソードＲＦ電子銃は、熱カソードＤＣ電子銃、及び電界放出型電子銃に比べて、（１）低エミッタンス化が可能であること、（２）光源の強度を制御することで容易に電子ビームの輝度を調整することができるため、制御性に優れていること、などの利点を有している。現在、世界最高輝度のパルス電子ビームは、フォトカソード電子銃により得られている。フォトカソード電子銃では、フォトカソードにレーザ光を照射して、電子を発生させている。
【０００５】
このような、フォトカソードでは、仕事関数が小さい材料を用いることが好ましい。すなわち、仕事関数を小さくすることによって、波長の長いレーザ光を用いることが可能になる。例えば、アルカリ金属では、仕事関数が、例えば、２〜３ｅＶ程度となる。しかしながら、アルカリ金属が大気中に暴露されると、その表面が劣化してしまう。従って、大気中でのメンテナンスができなくなってしまう。
【０００６】
また、安定して長時間使用することが可能な、銅やダイアモンドなどのカソード材料は仕事関数が大きい。従って、大気中で安定な金属材料等をフォトカソード材料として用いる場合、レーザを短波長化する必要がある。電子を放出させるために、深紫外の光源が必要である。そのため、必然的にレーザ光源が大型化、複雑化するという問題点がある。例えば、大気中に暴露しても安定な材料の場合、仕事関数が４ｅＶ以上になってしまう。仕事関数が４ｅＶ以上である場合、必要なレーザ波長は紫外領域となる。さらに、従来のフォトカソード電子銃では、暗電流が大きく、電子ビームのコントラストが低いという問題点がある。
【０００７】
レーザ光源装置の大型化という問題点に対して、フォトカソード電子銃と、電界放出型電子銃とを折衷させた電子銃が開示されている（非特許文献１）。この電子銃では、フォトカソードの仕事関数を小さくするため、フォトカソードの表面に垂直な高電場を印加している。具体的には、フォトカソードをニードル化して、先端の電界を高くしている。このようにすることで、先端部金属の仕事関数を小さくして、フォトカソードの量子効率を高くしている。
【０００８】
しかしながら、ニードル化したフォトカソードでは、レーザが入射されていない時にも、電子が放出されてしまう。従って、暗電流が大きくなってしまうという問題が発生してしまう。さらに、加速電場がニードル先端から大きく拡がっているために、電子ビームが加速とともに拡がってしまう。エミッタンスが劣化して、輝度が下がってしまうという問題点がある。このように上記の電子銃では、原理的に、暗電流の問題、及び加速電場形状の問題が発生してしまう。従って、実用化するのが非常に困難である。
【０００９】
また、カソードをニードル化しないで、高電場を得るためには、スパークチャンバーなどの非常に大型の高電圧発生装置が必要となってしまう。このため、コンパクトなＲＦ電子銃を得ることは、困難である。また、このような、高電圧発生装置では、インパルス的に運転することになるため、繰り返し運転が不安定になってしまう。
【００１０】
また、金属フォトカソードの量子効率を高めるために必要な電場は、約１ＧＶ／ｍ以上であることが知られている（非特許文献２）。上記のスパークチャンバーでは、１ＭＶ（１ｎｓｅｃ）程度の電圧が最大である。必要な電場（１ＧＶ／ｍ）を達成するためには、１ｍｍの電極間にインパルス高電圧を印加しなければならない。従って、最大でも、電子は１ＭｅＶまでしか加速されない。このため、電子が光速程度に加速されず、自分自身の空間電荷で拡がってしまう。従って、上記の加速システムでは、エミッタンスが劣化してしまう。さらに、連続して何段もの加速システムが必要となり、装置構成が非常に大型化、複雑化してしまうという問題点がある。
【００１１】
【非特許文献１】Ｙ．  Ｋａｗａｓｈｉｍａ，  "Ｐｒｏｐｏｓａｌ  ｏｆ  ａ  Ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ  Ｉｍｐｕｌｓｅ−Ｇｕｎ  ａｎｄ  Ｆｏｌｌｏｗｅｄ  ｂｙ  Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｔｏ  Ｐｒｏｄｕｃｅ  Ｌｏｗ  Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ，"  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ３７ｔｈ  ＩＣＦＡ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｂｅａｍ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｆｕｔｕｒｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，  ＷＧ４２２
【非特許文献２】Ｍ．Ｊ．  Ｄｅ  Ｌｏｏｓ  ｅｔ  ａｌ．，"Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｕｌｔｒａ  ｓｈｏｒｔ，  ｈｉｇｈ  ｃｈａｒｇｅ，  ｌｏｗ  ｅｍｉｔｔａｎｃｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｕｎｃｈｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ａ  １ＧＶ／ｍ  ＤＣ  ｇｕｎ"  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  １９９９  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ  Ｃｏｆｅｒｅｎｃｅ，  ｐ３２６６−３２６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、従来の電子銃では、高品質の電子ビームを安定して発生させることが困難であるという問題点がある。
【００１３】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、高品質の電子ビームを安定して発生させることができる電子銃、及び電子発生方法、並びに所望の偏光状態に制御することができる偏光制御素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様にかかる電子銃は、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光に入射位置に応じた位相差を与える偏光変換素子と、前記レーザ光源から前記偏光変換素子を介して入射したレーザ光を集光するレンズと、前記レンズによって集光されたレーザ光が入射するフォトカソードと、を備えるものである。これにより、フォトカソードに入射するレーザ光を所望の偏光状態とすることができる。よって、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を向上することができる。
本発明の第２の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光変換素子が、レーザ光を断面全体でほぼ半径方向に直線偏光し、光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように変換するものである。
【００１５】
本発明の第３の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光変換素子が、放射状に分割された分割領域を複数有し、前記複数の分割領域には、入射した光の位相をずらして出射する波長板がそれぞれ設けられ、前記対向する分割領域において、前記波長板の光学軸がほぼ直交しているものである。これにより、カソード表面において、Ｚ方向の電場が与えられる。このため、仕事関数が低下して、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００１６】
本発明の第４の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記フォトカソード表面における前記レーザ光の偏光状態を電気的に調整する偏光調整素子が前記レーザ光の光路に設けられているものである。これにより、電子ビームの輝度の調整を容易に行うことができる。
【００１７】
本発明の第５の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光調整素子が、周方向に沿って配列された複数の電気光学素子と、前記周方向に沿って配列された複数の電気光学素子の内側に設けられた第１電極と、前記放射状に分割された複数の電気光学素子の外側に設けられた第２電極とを、備え、前記複数の電気光学素子の光学軸が隣の電気光学素子の光学軸と異なる方向になっているものである。これにより、偏光状態の調整を精密に行うことができる。
本発明の第６の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光調整素子が、周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子と、前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の内側にそれぞれ設けられた第１のコイルと、前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の外側にそれぞれ設けられた第２のコイルとを、備え、前記複数の磁気光学素子の光学軸が隣の磁気光学素子の光学軸と異なる方向になっているものである。
本発明の第７の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光調整素子が、周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子と、前記周方向に沿って配列された複数の磁気光学素子の外周にそれぞれ設けられたコイルを備え、前記複数の磁気光学素子の光学軸が隣の磁気光学素子の光学軸と異なる方向になっているものである。
本発明の第８の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記偏光変換素子からのレーザ光とは別に前記フォトカソードにレーザ光が入射するものである。これにより、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００１８】
本発明の第９の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記フォトカソードにおいて、２本のレーザ光のプロファイルのピーク位置がずれているものである。これにより、電子ビームのエミッタンス特性を向上することができる。
【００１９】
本発明の第１０の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記レーザ光源からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段が設けられているものである。これにより、レーザ光の利用効率を高くすることができ、電子ビームの輝度を向上することができる。
【００２０】
本発明の第１１の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記レンズが中空形状になっており、前記フォトカソードからの電子ビームが前記レンズの中空部分を通過するものである。これにより、電子ビームに対する外乱を少なくすることができる。従って、電子ビーム特性を向上することができる。また、レンズをフォトカソードに近づけて設置することが可能となる。これにより、より大きな開口数を有するレンズを使用することが可能になり、電子ビームの輝度を高くすることができる。
【００２１】
本発明の第１２の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記レーザ光源からのレーザ光が前記フォトカソードの電子ビームの出射側と反対側から前記フォトカソードに入射すものである。これにより、簡便な構成で、電子ビームの輝度を高くすることができる。
本発明の第１３の態様にかかる電子銃は、上述の電子銃であって、前記レーザ光源から、１ｐｓｅｃよりも短いパルス幅を持つパルスレーザ光が出射される
【００２２】
本発明の第１４の態様にかかる電子発生方法は、フォトカソードにレーザ光を照射して、電子ビームを発生させる電子発生方法であって、直線偏光のレーザ光を偏光変換素子に入射させるステップと、前記偏光変換素子によって、前記レーザ光の光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように、前記レーザ光の偏光状態を変換するステップと、前記偏光変換素子から出射したレーザ光を集光して、フォトカソードに入射させるステップと、前記レーザ光によって前記フォトカソードから出射した電子を加速するステップと、を備えるものである。これにより、量子効率を向上することができ、電子ビームの輝度を高くすることができる。
【００２３】
本発明の第１５の態様にかかる偏光制御素子は、電極間に配置された電気光学素子を有する偏光制御素子であって、周方向に沿って配列された複数の電気光学素子と、前記周方向に沿って配列された複数の電気光学素子の内側に設けられた第１電極と、前記放射状に分割された複数の電気光学素子の外側に設けられた第２電極とを、備え、前記複数の電気光学素子の光学軸が隣り合う光学軸と異なる方向になっているものである。これにより、所望の偏光状態にすることができる。
【００２４】
本発明の第１６の態様にかかる偏光制御素子は、上記の偏光制御素子であって、前記複数の電気光学素子の光学軸が放射状になっているものである。これにより、直線偏光をラジアル偏光に近い偏光状態にすることができる。
【００２５】
本発明の第１７の態様にかかる偏光制御素子は、上記の偏光制御素子であって、前記複数の電気光学素子に対して独立して電場が与えられるよう、前記第１電極、及び第２電極の少なくとも一方が、前記複数の電気光学素子に対してそれぞれ設けられているものである。これにより、より精密な調整が可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、高品質の電子ビームを安定して発生させることができる電子銃、及び電子発生方法、並びに所望の偏光状態に制御することができる偏光制御素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００２８】
発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかる電子銃について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１にかかる電子銃１００の構成を模式的に示す図である。本実施の形態にかかる電子銃１００は、レーザ光５０がカソードに入射することによって、電子を発生するフォトカソード電子銃である。そして、電子銃１００で発生した電子は、マイクロ波源２４からのマイクロ波によって加速される。なお、本実施の形態にかかる電子銃１００は、反射型のフォトカソードを有している。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。
【００２９】
電子銃１００は、レーザ光源１１、波長変換素子１２、アキシコンレンズ１３、アキシコンレンズ１４、偏光変換素子１５、偏光調整素子１６、ミラー１７、レンズ１８、偏光調整用電源１９、フォトカソード２１、共振器２２、及びマイクロ波源２４を有している。
【００３０】
レーザ光源１１は、直線偏光のレーザ光５０を出射する。レーザ光源１１としては、例えば、再生増幅器付きのＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いることができる。従って、レーザ光源１１は、波長７９０ｍｍのパルスレーザ光を出射する。レーザ光源１１からの光ビームは、平行光束となって、波長変換素子１２に入射する。波長変換素子１２は、例えば、非線形光学結晶であり、レーザ光５０の波長を変換する。これにより、レーザ光５０の波長が短くなる。波長変換素子１２としては、例えば、ＢＢＯ結晶を用いることができる。すなわち、波長変換素子１２は、波長７９０ｎｍの基本波から、波長３９５ｎｍの２倍波を生成する。もちろん、２倍波に限らず、波長２６３ｎｍの３倍波を用いてもよい。このように、波長変換素子１２は、レーザ光５０の波長を変換する。
【００３１】
波長変換されたレーザ光５０は、１対のアキシコンレンズ１３、１４に入射する。アキシコンレンズ１３、１４は、円錐形状になっている。レーザ光５０は、１対のアキシコンレンズ１３、１４によって屈折され、輪状のビームに変換される。すなわち、アキシコンレンズ１４から出射したレーザ光５０の断面は、中空のリング状になっている。このように、１対のアキシコンレンズ１３、１４は、レーザ光５０から円環ビームを生成する。アキシコンレンズ１４からは、平行な光束が出射する。なお、１対のアキシコンレンズ１３、１４以外の構成で円環ビームを生成してもよい。例えば、１つのアキシコンレンズと１つの球面レンズとによって、円環ビームを生成することができる。このように、１枚以上のアキシコンレンズを用いることで、レーザ光強度の低下を防ぐことができる。あるいは、リング状のスリット（輪帯）を用いてもよい。このように、レーザ光源１１からのレーザ光を円環状の光ビームに変換する円環ビーム変換手段を設けることによって、レーザ光５０を効率よく利用することができる。
【００３２】
アキシコンレンズ１４から出射したレーザ光５０は、偏光変換素子１５に入射する。偏光変換素子１５は、レーザ光５０に入射位置に応じた位相差を与える。すなわち、偏光変換素子１５は、入射位置に応じて異なる位相だけ光を遅延する。偏光変換素子１５から出射したレーザ光５０は、偏光変換素子１５における入射位置に応じて、異なる偏光方向になっている。偏光変換素子１５としては、例えば、ナノフォトン社製のＺｐｏｌを用いることができる。この偏光変換素子１５は、直線偏光を偏光軸が放射状になるラジアル偏光に変換する。正確には、偏光変換素子１５に直線偏光のレーザ光５０を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となる。すなわち、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。この偏光変換素子１５を、レンズ１８と組み合わせることで、Ｚ方向（光軸方向）に大きな電場成分を持つＺ偏光を生成することができる。Ｚ偏光に変換されたレーザ光５０は、光の進行方向に振動する。この偏光変換素子１５、及びＺ偏光については、後述する。
【００３３】
偏光変換素子１５からのレーザ光５０は、偏光調整素子１６に入射する。偏光調整素子１６は、偏光変換素子１５によって変換されたレーザ光の偏光状態を調整する。偏光調整素子１６は、上記のＺ方向に大きな電場を持つＺ偏光が生成される位置を調整する。これにより、例えば、フォトカソード表面においてＺ偏光が生成されるように調整することができる。偏光調整素子１６は、偏光調整用電源１９に接続されている。そして、偏光調整用電源１９の電圧を制御することによって、偏光を電気的に調整することができる。なお、偏光調整素子１６については、後述する。
【００３４】
偏光調整素子１６を通過したレーザ光５０は、ミラー１７に入射する。ミラー１７は、レーザ光５０の光軸に対して４５°傾斜している。従って、ミラー１７は、レーザ光５０を、フォトカソード２１の方向に反射する。ミラー１７からのレーザ光５０は、レンズ１８に入射する。レンズ１８は、レーザ光５０は、レンズ１８によって屈折され、フォトカソード２１に入射する。すなわち、レンズ１８は、レーザ光５０を集光して、フォトカソード２１に照射する。
【００３５】
ミラー１７、及びレンズ１８は、中心部分がくり抜かれた中空形状になっている。また、アキシコンレンズ１３、１４によって、レーザ光５０が輪状になっている。このため、中空のミラー１７、及びレンズ１８を用いた場合でも、レーザ光のほとんどがフォトカソード２１に入射する。換言すると、ミラー１７、及びレンズ１８は、輪状のレーザ光５０に対応する中空部分を有している。よって、輪状のレーザ光５０は、ミラー１７、及びレンズ１８の中空部分には、入射しない。これにより、レーザ光５０のほとんどがフォトカソード２１に入射する。従って、レーザ光５０の利用効率の低下を防ぐことができる。
【００３６】
レンズ１８を通過したレーザ光５０は、共振器２３の開口部に入射する。レーザ光５０を共振器２３の空胴部分を通過して、フォトカソード２１に入射する。レーザ光５０は、レンズ１８によって、フォトカソード２１の表面に集光されている。すなわち、レンズ１８の焦点位置にフォトカソード２１の表面が配置されている。従って、レーザ光５０の集光点は、フォトカソード２１の表面となる。フォトカソード２１にレーザ光５０が入射すると、光電効果によって、電子が発生する。なお、レーザ光５０の光軸は、フォトカソード２１の表面と垂直になっている。すなわち、ミラー１７はフォトカソード２１に対して４５°傾斜している。よって、レーザ光５０は、フォトカソード２１に直入射する。
【００３７】
共振器２３には、マイクロ波源２４で発生したマイクロ波が入射されている。共振器２３は、空胴共振器であり、入力されたマイクロ波に応じた定在波を発生する。すなわち、ＲＦ共振器である共振器２３には、フォトカソード２１で発生した電子を加速するための電場が発生している。フォトカソード２１で発生した電子は、共振器２３内の電場で加速される。すなわち、所定の速度の電子ビーム６０となって共振器２３から出射する。ここでは、共振器２３で発生する定在波に応じて、レーザ光パルスのタイミングを調整する。すなわち、マイクロ波源２４からのマイクロ波とレーザ光のパルスを同期させる。これにより、共振器２３内に加速電場が生じているタイミングで、フォトカソード２１から電子が発生する。従って、電子ビーム６０が効率よく加速される。そして、加速された電子ビーム６０は、ミラー１７、及びレンズ１８の中空部分を通過する。これにより、電子ビーム６０に対して外乱が生じるのを防ぐことができる。すなわち、電子ビーム６０がミラー１７やレンズ１８などの構造物を通過しなくなる。ミラー１７、及びレンズ１８が電子ビーム６０と干渉しない。このため、電子ビーム６０の品質の劣化を防ぐことができる。
【００３８】
このようにして得られた電子ビーム６０は、所定の経路を通過して、Ｘ線自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）、逆コンプトン散乱によるフェムト秒Ｘ線パルス光源、フェムト秒時間分解電子顕微鏡、超短パルス電子線描画装置、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）などに利用される。なお、電子ビーム６０の経路中に存在するミラ−１７、及びレンズ１８は、真空中に配置される。すなわち、ミラー１７、及びレンズ１８は真空チャンバー内に配設される。従って、偏光調整素子１６からのレーザ光５０は、真空チャンバーに設けられたウィンドウを介して、ミラー１７に入射する。このように、偏光調整素子１６、及び偏光変換素子１５を大気中に配設している。これにより、光学系の調整等を容易に行うことができる。よって、利便性を向上することができる。
【００３９】
ここで、偏光変換素子１５、及びレンズ１８を用いることによって、レーザ光５０の焦点位置では、Ｚ方向の電場が発生している。フォトカソード２１の表面にＺ方向の電場をかけることで、ショットキー効果が発生する。ショットキー効果によって、フォトカソード２１の実効的な仕事関数が小さくなるため、量子効率が高くなる。波長の長いレーザ光を用いた場合でも、大気中で安定な材料をフォトカソード２１として用いることができる。例えば、仕事関数が４ｅＶ程度の銅や仕事関数が５．５ｅＶ程度の銅ダイアモンドなどをフォトカソード材料として用いることができる。換言すると、大気中で、フォトカソード２１をメンテナンスすることが可能になる。よって、メンテナンス性を向上することができ、電子銃の長寿命化を図ることができる。さらに、フォトカソード材料の選択幅を広くすることができる。また、波長の長いレーザ光を用いることができるので、レーザ光源１１の大型化、複雑化を防ぐことができる。すなわち、簡素な構成で小型のレーザ光源１１を用いることが可能になる。
【００４０】
フォトカソード２１に金属材料を用いる場合、光電効果のレスポンスは、１０ｆｓｅｃ程度である。従って、マイクロ波源２４のマイクロ波と同期して、レーザ光５０を照射することで、安定して電子を加速することができる。
【００４１】
本実施の形態では、偏光変換素子１５を用いてＺ偏光を発生させている。レーザ光５０によるＺ方向の電場を利用して、電子を発生させている。すなわち、Ｚ偏光をフォトカソード２１の表面に入射している。これにより、ニードル化したフォトカソードに比べて、エミッタンスを向上することができる。さらに、量子効率を向上することができるため、高輝度の電子ビーム６０を得ることができる。よって、簡便な構成で、高品質の電子ビーム６０を発生させることができる。また、実効的な仕事関数を低くすることができる。このため、金属やダイアモンドなどの大気中で安定なフォトカソード材料を用いることができる。これにより、低ランニングコストでメンテナンス性の高い電子銃１００を実現することができる。
【００４２】
次に、直線偏光をＺ偏光に変換するための偏光変換素子１５について、図２〜図４を用いて説明する。図２（ａ）は、偏光変換素子１５の構成を模式的に示す平面図である。図２（ｂ）は、偏光変換素子１５を通過したレーザ光５０の偏光状態を説明するための図である。図２（ｃ）は、偏光変換素子１５を通過したレーザ光５０の別の偏光状態を説明するための図である。図３は、偏光変換素子１５、及びレンズ１８によって変化する偏光状態を説明するための斜視図である。図４は、偏光変換素子１５、及びレンズ１８によって変化する偏光状態を説明するための側面図である。なお、図３、及び図４では、説明の簡略化のため、偏光変換素子１５、及びレンズ１８のみを示し、その他の構成部品（例えば、ミラー１７、偏光調整素子１６等）については省略している。また、図２〜図４では、レーザ光５０の進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面をＸＹ平面としている。Ｘ方向、及びＹ方向は互いに直交する方向である。
【００４３】
まず、図２を用いて偏光変換素子１５の構成について説明する。偏光変換素子１５は、例えば、ガラス等からなる透明基板の上に波長板を設けることによって形成される。偏光変換素子１５は、放射状に分割された４つの領域を有している。図２（ａ）に示すように、この４つの領域を分割領域１５ａ〜分割領域１５ｄとする。すなわち、偏光変換素子１５は、４つの分割領域１５ａ〜１５ｄを備えている。ここでは、上側に分割領域１５ａが配置され、下側に分割領域１５ｂが配置され、左側に分割領域１５ｃが配置され、右側に分割領域１５ｄが配置されている。分割領域１５ａ〜１５ｄは、中心点に対して対称に分割されている。従って、４つの分割領域１５ａ〜１５ｄは、放射状に配置されている。このように、放射状に分割された４つの領域が分割領域１５ａ〜１５ｄとなる。それぞれの分割領域の大きさは等しくなっている。分割領域１５ａ〜１５ｄは周方向の全体にわたって設けられている。従って、分割領域１５ａ〜１５ｄのそれぞれは、中心点に対応する内角が９０°の扇形となる。
【００４４】
分割領域１５ａ〜１５ｄにはそれぞれ異なる方向の光学軸を有する１／２波長板が設けられている。すなわち、分割領域１５ａ〜１５ｄ毎に、光の振動方向が異なっている。図２（ａ）には、分割領域１５ａ〜１５ｄにおける光学軸が矢印で示されている。ここで、それぞれの分割領域の光学軸は、隣の分割領域の光学軸から４５°ずれている。すなわち、Ｙ軸の方向を基準とすると、図２に示すように、分割領域１５ａにおける波長板の光学軸の角度は０°となり、分割領域１５ｂの光学軸は９０°となり、分割領域１５ｃの光学軸は−４５°となり、分割領域１５ｄの光学軸は４５°となっている。
【００４５】
従って、中心点に対して互いに対向する分割領域に設けられている１対の波長板は、光学軸が直交する。例えば、分割領域１５ａの光学軸は０°であり、分割領域１５ａに対向する分割領域１５ｂの光学軸は９０°となっている。また、分割領域１５ｃの光学軸と、分割領域１５ｄの光学軸は、互いに直交している。換言すると、互いに対向する分割領域に設けられている一対の波長板において、光学軸の角度の差が９０°となっている。このように、分割領域１５ａ〜１５ｄの中心点を挟んで対角に配置された一対の分割領域には、光学軸が９０°異なる波長板が設けられる。
【００４６】
１／２波長板は、入射光に１／２波長の位相差を与えて出射する。従って、直線偏光の方位が１／２波長板における光学軸に対して成す角度をθとすると、１／２波長板を通過した光は、元の直線偏光から２θだけ回転した直線偏光の光となる。例えば、１／２波長板の光学軸と、直線偏光の偏光軸とが４５°ずれている場合、１／２波長板は、偏光軸が９０°ずれた直線偏光を出射する。
【００４７】
図２（ｂ）では、偏光軸がＹ方向に沿った方向である直線偏光が入射した場合を示している。すなわち、Ｙ方向と平行な方向の偏光面を有するレーザ光５０が入射すると、図２（ｂ）に示す偏光状態となる。従って、入射偏光方位が０°の直線偏光が入射した時に出射される出射光の偏光方位について説明する。すなわち、分割領域１５ａの光学軸と、入射光の偏光軸が一致している場合について説明する。図２（ｂ）には、各分割領域から出射される出射光の偏光軸が矢印でそれぞれ示されている。分割領域１５ａ〜分割領域１５ｄから出射される直線偏光の偏光軸は放射状になっている。
【００４８】
具体的には、中心点に対して対向する一対の分割領域から出射される直線偏光の偏光軸が平行になっている。そして、対向する一対の分割領域では振動方向が反対になっている。また、隣接する分割領域から出射される光の偏光軸は９０°ずれている。例えば、分割領域１５ａ及び分割領域１５ｂから出射する光の偏光軸は、０°である。また、分割領域１５ｃ及び分割領域１５ｄから出射される光の偏光軸は、９０°である。従って、入射位置に応じて偏光軸の角度が変化して、出射偏光変位が放射状となる。このように、偏光変換素子１５は、入射位置に応じて入射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態になるよう制御する。
【００４９】
上記の偏光変換素子１５に直線偏光を入射させることで、ラジアル偏光に近い偏光状態となるよう制御することができる。具体的には、レーザ光５０の光軸と、偏光変換素子１５の中心点を一致させる。そして、分割領域１５ａの光学軸と直線偏光の偏光軸を一致させる。このようにすることで、直線偏光をラジアル偏光に近似する擬似ラジアル偏光にすることができる。また、上記の偏光変換素子１５に対して偏光軸がＸ方向の直線偏光を入射することによって、偏光軸が円形に近い形状となる。従って、アジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、アジマス偏光に近似する擬似アジマス偏光にすることができる。このときのＸＹ平面における偏光軸の分布は図２（ｃ）に示すようになる。なお、上記の説明では、４分割の偏光変換素子１５について説明したが、分割数はこれに限られるものではない。例えば、２分割や８分割の偏光変換素子１５を用いることもできる。
【００５０】
偏光変換素子１５の分割数を増加させることによって、よりラジアル偏光又はアジマス偏光に近い偏光状態とすることができる。すなわち、分割領域の数を増やすこと偏光軸がよりなめらかに変化する。換言すると、分割数を無限大にすると、理想的なラジアル偏光状態又は理想的なアジマス偏光状態を生成することができる。さらに、電場ベクトルのＺ成分を高くするためには、分割数を８以上とすることが好ましく、１６以上とすることがより好ましい。
【００５１】
具体的には、例えば、分割数が１６の場合、波長板の光学軸を隣の分割領域から１１．２５°ずらす。これにより、対向する分割領域で、光学軸が直交する。そして、この偏光変換素子１５に一定角度の偏光軸を入射させると、直線偏光が擬似ラジアル偏光又は擬似アジマス偏光となって出射される。
【００５２】
次に、偏光変換素子１５とレンズ１８とを組み合わせてＺ偏光を生成する点について、説明する。図３、及び図４に示すように、偏光変換素子１５によって擬似ラジアル偏光を生成する。すなわち、図２（ｂ）に示したように、対向する分割領域では、振動方向が１８０°反対向きになっている。すなわち、偏光変換素子１５を通過することによって、偏光軸が放射状になっている。このような偏光状態のレーザ光５０をレンズ１８で集光する。
【００５３】
偏光変換素子１５を光路上に配置すると、上側の分割領域１５ａを透過した光と下側の分割領域１５ｂを透過した光とで位相にずれが生じる。すなわち、上下に対向した配置された分割領域１５ａと分割領域１５ｂとで光の位相が１８０°ずれる。レーザ光５０から直線偏光が出力されているとすると、電気ベクトルの直交する成分の位相は一致している。直線偏光が偏光変換素子１５を通過した場合、分割領域１５ａと分割領域１５ｂとでは、電気ベクトルの位相が１８０°ずれることになる。すなわち上の分割領域１５ａと下の分割領域１５ｂとで電気ベクトルの振動方向が反対方向になる。上の分割領域１５ａと下の分割領域１５ｂとでは、偏光方向が反対方向となる。すなわち、上の分割領域１５ａを透過した光と下の分割領域１５ｂを透過した光とは同じ直線上の直線偏光であるが、その振動の向きが反対となる。
【００５４】
次に、図３、及び図４を用いて、Ｚ偏光を生成する方法について説明する。図３、及び図４の矢印はその位置における電気ベクトルの振動方向を模式的に示したものである。上述のように偏光変換素子１５を透過する前のレーザ光は直線偏光であるので全て同じ方向（Ｙ方向）に電気ベクトルが振動している。そして、偏光変換素子１５を通過することによって、その位置に応じて電気ベクトルの振動方向が変化する。図４に示すように、上の分割領域１５ａを透過した光の電気ベクトルは上方向に振動している。一方、下の分割領域１５ｂを透過した光の電気ベクトルは下方向に振動している。なお、図４において、中心を透過する光の振動方向は説明のため上方向として図示している。
【００５５】
次に偏光変換素子１５を透過した光がレンズ１８により試料上に集光された状態について、図４を用いて詳細に説明する。ここでは光の電気ベクトルの振動方向を光の進行方向に対して垂直な方向の成分（Ｙ方向）と平行な方向の成分（Ｚ成分）に分けて考える。なお、図３において、光の進行方向に対して垂直な方向（Ｙ方向）を上下方向とし、光の進行方向に対して平行な方向（Ｚ方向）を左右方向として説明する。
【００５６】
上の分割領域１５ａを透過した光はレンズ１８により下方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は図４に示すように右斜め上となる。中心を透過した光はレンズ１８により屈折されないので、振動方向はそのまま上方向のままである。下の分割領域１５ｂを透過した光はレンズ１８により上方向に傾くよう屈折される。従って、光の電気ベクトルの振動方向は右斜め下となる。このように位置に応じて異なる振動方向を持つ光が試料上に集光される。
【００５７】
レンズ１８を透過した後において、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域１５ａでは右斜め上で、下の分割領域１５ｂでは右斜め下であるため、上下方向の成分がそれぞれ反対である。これにより、フォトカソード２１上に集光された状態において、電気ベクトルの振動方向における上下方向の成分は、打ち消し合う。従って、光の進行方向と垂直方向の電気ベクトルの成分はほぼ０となる。すなわち、試料上において、光の電気ベクトルは進行方向と垂直な方向に振動しなくなる。
【００５８】
一方、電気ベクトルの振動方向は上の分割領域１５ａでは右斜め上で、下の分割領域１５ｂでは右斜め下であるため、左右方向の成分が同じ右方向である。これにより、電気ベクトルの左右方向の成分については、上の分割領域１５ａと下の分割領域１５ｂとで強め合う。従って、光の進行方向と平行方向の電気ベクトルの成分は右方向に強調される。すなわち、光の電気ベクトルは進行方向と平行な方向に振動していることになる。このように偏光変換素子１５によって位相がずれたレーザ光をレンズ１８で集光することによって、電気ベクトルが進行方向と平行な方向に振動した状態で、レーザ光５０をフォトカソード２１に照射することができる。なお、Ｚ方向の成分は、レンズ１８の焦点距離やＮＡ（開口数）に変化する。すなわち、焦点距離が短く、ＮＡが大きいレンズ１８を用いることによって、Ｚ方向の成分を増加させることができる。
【００５９】
このように、Ｚ偏光のレーザ光５０がフォトカソード２１に入射する。よって、フォトカソード表面には、Ｚ方向に強い電場が発生する。これにより、フォトカソード２１の実効的な仕事関数を低下させることができる。例えば、フォトカソード表面において１ＧＶ／ｍ程度の電場を発生させると、実効的な仕事関数をｅＶ単位で下げることができる。よって、銅等の安定な金属材料をカソード材料に用いた場合でも、長波長のレーザ光で電子が発生する。量子効率を向上することができる。例えば、ビームの直径を３０ｍｍ、レンズ１８の焦点距離を３００ｍｍ、レーザ波長を２６３ｎｍとする。この場合、レーザ光が１１ＭＷのピーク強度であれば、１ＧＶ／ｍの電場が発生する。すなわち、１１ＭＷのピーク強度を有するレーザ光を、放射状の偏光に変換すると、焦点で１ＧＶ／ｍの電場が発生する。なお、上記の値は計算結果である。
【００６０】
以下に、上記の計算について説明する。まず、光の強度Ｉと電場Ｅの関係は、（１）式で与えられる。
【００６１】
【数１】
2008288099.tif 000003
【００６２】
また、Ｘ偏光したレーザビームをレンズによって集光する場合、焦点位置におけるＸ偏光の強度Ｉｘはレンズに入射する光のパワーＰによって、（２）式で与えられる。
【００６３】
【数２】
2008288099.tif 000004
【００６４】
ここで、ａはレンズの直径、ｆはレンズの焦点距離、λは光の波長である。また、（２）式は、Ｍ．Ｂｏｒｎ  ＡＮＤ  Ｅ．ＷＯＬＦ，"Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃｓ，"  ７Ｔｈ  ｅｄ．，Ｃａｍｂｒｉｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓの"８．８  Ｔｈｅ  ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｎｅａｒ  ｆｏｃｕｓ"に記載の式２２と式３３により導出することができる。
【００６５】
ここで、８分割の偏光変換素子１５を用いた時の焦点におけるＺ偏光成分の強度をＩｚとする。また、８分割の偏光変換素子１５を用いない時のＸ偏光成分の強度をＩｘとする。なお、Ｉｚ、Ｉｘはそれぞれ、直径３０ｍｍ、焦点距離３００ｍｍのレンズの焦点における強度である。Ｚ偏光成分の強度Ｉｚと、Ｘ偏光成分の強度Ｉｘとの比は（３）式に示すようになる。
【００６６】
【数３】
2008288099.tif 000005
【００６７】
（１）式〜（３）式より、（４）式が得られる。
【００６８】
【数４】
2008288099.tif 000006
【００６９】
ここで、Ｅｚ＝１×１０９、ε＝８．８５×１０−１２、ｃ＝３．００×１０８、λ＝２．６３×１０−７、ｆ＝０．３００、ａ＝１．５×１０−２を数式４に代入する。すると、１ＧＶ／ｍの電場を得るために必要なパワーはＰ＝１．１×１０７（Ｗ）となる。１１ＭＷのレーザ光を用いることによって、仕事関数を下げることができる。また、焦点におけるＺ偏光成分の強度はレーザの波長の２乗に反比例する。そのため、波長を３９５ｎｍとした場合には、２５ＭＷのレーザ光、波長を７９０ｎｍとした場合には１００ＭＷのレーザ光を用いることによって１ＧＶ／ｍの電場が得られ、仕事関数を下げることができる。
【００７０】
次に、偏光変換素子１５の具体的構成の一例について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、偏光変換素子１５の構成を示す平面図であり、図５（ｂ）は側面断面図である。また、図５（ｃ）は、偏光変換素子１５に用いられる波長板を模式的に示す図である。なお、図５では、図２〜図４と異なり、８分割の偏光変換素子１５を示している。したがって、図５（ｃ）に示すように、８分割の分割領域に対応して、８枚の波長板を用意している。なお、図５（ａ）は、波長板が配置される前の状態を示している。図５（ｂ）は、一部に波長板が配置された状態を示している。
【００７１】
偏光変換素子１５は、図５に示すように、ホルダ５１、及び波長板５２を有している。ホルダ５１は８枚の波長板５２を保持する。すなわち、図（ａ）に示すホルダ５１に図５（ｃ）に示す波長板５２を配設することによって、偏光変換素子１５が完成する。ホルダ５１には、図５（ｂ）の左側に示すように、波長板５２を収納するための収納部５３が設けられている。さらに、収納部５３の下側には、貫通孔５４が形成されている。すなわち、貫通孔５４の上側が、波長板５２を収納するための収納部５３となる。ここでは、８分割の偏光変換素子１５を用いているため、８つの貫通孔５４が形成されている。８つの貫通孔５４は周方向に沿って配列されている。そして、それぞれの貫通孔５４の上部に、収納部５３が設けられる。収納部５３は輪状に形成される。収納部５３の外側にはホルダ５１の側壁が配置される。ここでは、ホルダ５１の厚さ方向（Ｚ方向）の途中で、貫通孔５４の大きさが変わることによって収納部５３が形成される。
【００７２】
収納部５３には、異なる光学軸を有する波長板５２が配置される。すなわち、貫通孔５４の大きさが変化している位置に、波長板５２が載置される。例えば、貫通孔５４はほぼ台形状に形成されている。そして、波長板５２は、貫通孔５４よりも一回り大きい台形状に形成されている。なお、波長板５２の光学軸は、図５（ｃ）の矢印に示すようになっている。８つの波長板５２は同じ台形状になっている。それぞれの波長板５２の光学軸が一定角度づつ変化している。８枚の波長板５２は周方向に沿って配置されている。８枚の波長板５２を配置すると、レーザ光の断面形状に応じた輪状になる。より具体的には、８枚の波長板５２を周方向に連接配置すると、中空の正八角形が形成される。
【００７３】
さらに、それぞれの収納部５３の外側には、ネジ穴５８が設けられている。図５（ｂ）の右側に示すように、ネジ穴５８にネジ５５を挿入する。すなわち、ネジ穴５８にネジ５５を羅合させていく。すると、ネジ５５の先端がスペーサ５７と当接する。スペーサ５７は、波長板５２の外側側面と当接している。従って、ネジ５５をネジ穴５８に螺入すると、波長板５２がホルダ５１に対して固定される。すなわち、ネジ５５は、スペーサ５７を介して、波長板５２をホルダ５１に押し付ける。このように、ネジ５５は、スペーサ５７を介して、波長板５２の側面を外側から押し付ける。これにより、波長板５２の内側側面がホルダ５１の収納部５３の側面と当接する。従って、波長板５２は、ホルダ５１とスペーサ５７とによって挟持される。このようにして、それぞれの波長板５２がホルダ５１内に保持される。このように、側面から波長板５２を固定することによって、光路上に構造物が配置されるのを防ぐことができる。
【００７４】
スペーサ５７としては、例えば、ゴムや樹脂などの弾性体を用いることができる。これにより、波長板５２が損傷するのを防ぐことができる。本実施の形態では、図１に示したように、レーザ光の断面が輪状になっている。このため、中央部分にはホルダ５１が配置されている。すなわち、偏光変換素子１５の中央には、レーザ光が入射しないため、波長板５２を光軸上に配置する必要がない。また、それぞれの波長板５２の大きさは、レーザ光の断面形状に応じたものとすることができる。また、貫通孔５４を設けることによって、レーザ光の利用効率を向上することができる。もちろん、ホルダ５１を透明な材質で形成する場合は、貫通孔５４を設けなくてもよい。
【００７５】
なお、上記の説明では、偏光変換素子１５が分割された複数の波長板を有していたが、偏光変換素子１５の構成はこれに限られるものではない。例えば、偏光変換素子１５として、透明基板上にフォトニック結晶を成長させたものを用いることができる。具体的には、ガラス基板上において溝パターンを形成する。溝パターンは、放射状に２以上分割された分割領域毎に異なる方向に形成されている。この溝パターンが設けられた基板上に、複数の誘電膜の周期構造からなるフォトニック結晶を形成する。これにより、対向する分割領域に光学軸がほぼ直交する波長板を形成することができる。簡便な方法で、擬似ラジアル偏光、又は擬似アジマス偏光を実現できる偏光制御素子を製造することができる。あるいは、偏光変換素子１５として螺旋位相遅延素子および波長板を用いたマッハツェンダー干渉計を用いることができる。この場合には、擬似ではなくほぼ理想に近いラジアル又はアジマス偏光を生成させることができる。[Ｓｔｅｖｅ  Ｃ．  ｅｔ  ａｌ．  "Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｒａｄｉａｌｌｙ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｂｅａｍｓ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ，"  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｖｏｌ．  ２９，  ｐ．２２３４]
【００７６】
次に、図６を用いて偏光調整素子１６の構成について説明する。図６は、偏光調整素子１６の構成を示す平面図である。偏光調整素子１６は、電極間に配置された電気光学素子を有する偏光制御素子である。そして、電極間に印加する電圧を変更することによって、偏光状態を制御する。
【００７７】
偏光調整素子１６は、周方向に沿って配列された複数の電気光学素子８１を有している。電気光学素子８１は、例えば、ＢＢＯなどの透明な電気光学結晶である。電気光学素子８１は、電場の大きさに応じて屈折率が変化する。従って、偏光調整素子１６には、電場の強さに比例して屈折率が変化するポッケルスセルが設けられている。ここでは、８つの電気光学素子８１は、周方向に沿って配列されている。それぞれの電気光学素子８１は、ほぼ同じ大きさになっている。従って、８つの電気光学素子８１は、周方向に一定の間隔で配置される。
【００７８】
それぞれの電気光学素子８１は、中空の扇形になっている。ここでは、８つの電気光学素子８１が設けられている。このため、それぞれの電気光学素子８１は、４５°の扇形状になっている。それぞれの電気光学素子８１の光学軸（ｃ軸）が図６の矢印で示されている。複数の電気光学素子８１の光学軸は、放射状になっている。すなわち、隣り合う電気光学素子８１の光学軸が異なる方向になっている。ここでは、８つの電気光学素子８１が設けられているため、隣り合う電気光学素子８１の光学軸がなす角度は４５°になる。隣の電気光学素子８１の光学軸から４５°ずれるように、複数の電気光学素子８１を円周方向に配置する。この電気光学素子８１は、例えば、図５で示したホルダ５１と同様の構成を有するホルダによって保持される。この電気光学素子８１にレーザ光５０が入射する。
【００７９】
８つの電気光学素子８１の内側には、第１電極８２が設けられている。第１電極８２は、中空の輪状に設けられている。そして、それぞれの電気光学素子８１の内側面と接触する。従って、第１電極８２の内側は中空になっている。さらに、８つの電気光学素子８１の外側には、第２電極８３が設けられている。第２電極８３は、中空の輪状に設けられている。そして、それぞれの電気光学素子８１の外側面と接触する。第２電極８３の内側に複数の電気光学素子８１が配置される。従って、第１電極８２は、８つの電気光学素子８１の内径に対応する大きさになっており、第２の電極８３は、８つの電気光学素子８１の外形に対応する大きさとなっている。
【００８０】
リンク状の第１電極８２、及び第２電極８３は、図１で示した偏光調整用電源１９と接続されている。偏光調整用電源１９は電極間に電圧を印加する。例えば、第１電極８２には、グランド（接地電位）が供給され、第２電極８３には所定の電位が供給される。そして、偏光調整用電源１９は、偏光を調整するため、印加電圧を変化させる。印加電圧が変化すると、電気光学素子８１にかかる電場が変わる。よって、複数の電気光学素子８１の屈折率が変化する。偏光調整用電源１９は、電気光学素子８１に、数ｋＶ／ｍの電場がかかるように、印加電圧を出力する
【００８１】
ここでは、８つの電気光学素子８１について、第１電極８２、及び第２電極８３が共通化されている。すなわち、それぞれの電気光学素子８１に印加される印加電圧は同じとなる。それぞれの電気光学素子８１にかかる電場の大きさは等しくなる。また、放射状の電場が発生する。ここでは、レーザ光５０の進行方向と垂直な方向に電場がかけられる。偏光調整素子１６は、放射状の光学軸を有している。すなわち、レーザ光５０の入射位置に応じて、光学軸が変化している。そして、電気光学素子８１の両側に配置された電極間に電圧が印加される。従って、光学軸の方向に沿った電場がかけられる。電気光学素子８１には、印加電圧に応じた複屈折が生じる
【００８２】
そして、印加電圧を変化することによって、レーザ光５０の偏光状態を調整することができる。これにより、フォトカソード２１の表面において、レーザ光５０のＺ方向の電場を最大にすることができる。例えば、製造上の誤差により、偏光変換素子１５の光学軸がずれていることがある。このような場合、対向する分割領域を通過した光の位相差が１８０°からずれてしまう。しかしながら、印加電圧を調整することによって、対向する電気光学素子８１を通過した光の位相差を１８０°に近づけることが可能になる。
【００８３】
偏光変換素子１５を通過したレーザ光５０の振動方向と偏光調整素子１６の光学軸が一致するように配置する。すなわち、偏光調整素子１６と偏光変換素子１５との角度を調整して、偏光変換素子１５の分割領域と、偏光調整素子１６の電気光学素子８１とを同じ配置にする。ＸＹ平面において、分割領域の境界線と、電気光学素子８１の境界線を一致させる。これにより、ＸＹ平面において、波長板５２ａに対応する位置に、電気光学素子８１ａが配置される。
【００８４】
レーザ光５０の偏光面と偏光調整素子１６の光学軸が一致している場合、上記のように、光の位相のみが変わる。従って、レーザ光５０が偏光面に平行な光学軸の電気光学素子８１を通過しても、偏光面は変化しない。すなわち、全ての電気光学素子８１の光学軸と平行な偏光面を有するレーザ光５０が入射すると、偏光状態は変化しない。しかし、偏光面に平行でない光学軸の電気光学素子８１をレーザ光５０が通過すると、偏光面が変化する。従って、ＸＹ平面において、レーザ光５０の偏光軸が回転する。電気光学素子８１の光学軸から偏光軸がずれていると、レーザ光５０の偏光面が変化する。換言すると、偏光面から傾いている光学軸を有する電気光学素子８１のみ、レーザ光５０の偏光面を変化させる。従って、光学軸と偏光面がずれている場合のみ、印加電圧によって、偏光面が変化する。印加電圧を調整することで、ＸＹ平面における偏光面の角度を変化させることができる。
【００８５】
そして、電子ビーム６０の電流をファラデーカップなどでモニタしながら、印加電圧を変化させる。すなわち、電子ビーム６０の電流が最大となるように、印加電圧を調整する。印加電圧に応じてレーザ光の偏光状態が変化する。このため、最適な電圧を偏光調整素子１６に印加することで、電子ビーム６０の輝度を高くすることができる。これにより、高品質の電子ビーム６０を得ることができる。すなわち、１バンチに含まれる電子数を多くすることができる。さらに、電気的に偏光状態を調整することで、簡便に電子ビーム６０の輝度を高くすることができる。
【００８６】
さらに、図７に示すように、第２電極８３を分割してもよい。なお、図７は、図６と異なる態様の偏光調整素子１６の構成を示す平面図である。図７の偏光調整素子１６には、８枚の電気光学素子８１に対して、異なる第２電極８３が設けられている。従って、８つの第２電極８３が離間して設けられている。８つの第２電極８３は、周方向に等間隔で配置されている。そして、偏光調整用電源１９は、それぞれの第２電極８３に別々の電位を供給する。対向して配置された１対の電気光学素子８１に対して、異なる強度の電場をかけることができる。これにより、それぞれの電気光学素子８１に独立して電場を与えることができ、より細かな調整を行うことができる。
【００８７】
具体的には、図７に示すように第１電極８２と第２電極８３ａとの間に電気光学素子８１ａが配置され、第１電極８２と第２電極８３ｂとの間に電気光学素子８１ｂが配置されているとする。ここで、第１電極８２を同じグランドとし、第２電極８３ａと第２電極８３ｂとを違う電位とする。これにより、電気光学素子８１ａと電気光学素子８１ｂに異なる強度の電場が与えられる。それぞれの電気光学素子８１からのレーザ光の偏光面を独立して調整することができる。すなわち、精密な偏光状態の調整が可能になる。このように、複数の電気光学素子８１にかける電場を独立して制御することによって、細かな調整が可能になる。対向する電気光学素子８１から出射されるレーザ光の位相を確実に１８０°ずらすことができる。すなわち、対向する電気光学素子８１からのレーザ光の電気ベクトルは、１８０°反対方向に振動する。もちろん、第２電極８３ではなく、第１電極８２を分割してもよい。このように、第１電極８２、及び第２電極８３の少なくとも一方を分割することで、より精密な調整が可能になる。
【００８８】
発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる電子銃について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態にかかる電子銃２００の構成を示す図である。なお、電子銃２００の基本的な構成は、図１で示した電子銃１００と同様であるため、説明を省略する。本実施の形態にかかる電子銃２００は、反射型のフォトカソードを有する電子銃である。すなわち、電子ビーム出射側からレーザ光を照射している。
【００８９】
本実施の形態では、Ｚ方向電場を発生するためのレーザ光源１１に加えて、光電効果を発生させるためのレーザ光源３１が設けられている。すなわち、２本のレーザ光をフォトカソードに照射している。レーザ光源１１によって、フォトカソード２１の表面にＺ方向の電場をかける。これにより、フォトカソード２１の仕事関数を低減することができる。そして、この状態でレーザ光源３１からのレーザ光を照射する。よって、量子効率を向上することができ、電子ビーム６０の輝度を向上することができる。異なるレーザ光源３１のレーザ光によって光電効果を発生させているため、エミッタンスを改善することができる。
【００９０】
図８に示すように、レーザ光源３１からはレーザ光７０が出射される。レーザ光源３１は、レーザ光源１１と同様の光源である。レーザ光７０の光路には、１対のアキシコンレンズ３３、３４、偏光変換素子３５、偏光調整素子３６、ミラー３７、ビームスプリッタ３８、及びプロファイル調整機構４０が設けられている。１対のアキシコンレンズ３３、３４、偏光変換素子３５、及び偏光調整素子３６は、実施の形態１で示した１対のアキシコンレンズ１３、１４、偏光変換素子１５、及び偏光調整素子１６と同様の構成である。このため、これらに対する詳細な説明を省略する。すなわち、レーザ光７０は、１対のアキシコンレンズ３３、３４によって、輪状の光ビームとなる。輪状のレーザ光７０は、偏光変換素子１５、及び偏光調整素子１６によって、所望の偏光状態になる。なお、偏光調整素子３６は、偏光調整素子１６と同様に偏光調整用電源３９に接続されている。レーザ光７０の偏光状態は、レーザ光５０と異なる偏光状態であってもよい。また、レーザ光７０を通常の直線偏光として、フォトカソード２１に入射させる場合は、偏光変換素子３５、及び偏光調整素子３６を設けなくてもよい。
【００９１】
偏光調整素子３６からのレーザ光７０は、ミラー３７に入射する。ミラー３７で反射したレーザ光７０は、プロファイル調整機構４０を介してビームスプリッタ３８に入射する。プロファイル調整機構４０はフォトカソード表面におけるレーザ光のプロファイルを調整している。なお、プロファイル調整機構４０については後述する。ビームスプリッタ３８は、ハーフミラーなどであり、レーザ光７０の一部を反射する。さらに、ビームスプリッタ３８は、レーザ光５０の光路中に配置されている。すなわち、ビームスプリッタ３８は、レーザ光５０の光路と、レーザ光７０の光路とが合流する箇所に配置されている。そして、ビームスプリッタ３８に入射したレーザ光５０の一部は、ビームスプリッタ３８を透過する。これにより、レーザ光５０とレーザ光７０とが合成される。ここで、レーザ光５０とレーザ光７０の光軸は、一致している。
【００９２】
合成されたレーザ光５０、及びレーザ光７０は、実施の形態１と同様に、ミラー１７で反射されて、レンズ１８に入射する。そして、レンズ１８は、レーザ光５０、及びレーザ光７０をフォトカソード２１の表面に集光する。これにより、フォトカソード２１から電子が発生する。すなわち、レーザ光５０は、ラジアル偏光になっているため、フォトカソード２１の表面にＺ方向の電場がかけられる。そして、Ｚ方向の電場がかけられている状態で、レーザ光７０がフォトカソード表面に入射する。レーザ光７０の光電効果によって、電子が発生する。そして、この電子は、共振器２３で加速され、電子ビーム６０となる。
【００９３】
レーザ光５０によって、Ｚ方向の電場が生成されているため、実効的な仕事関数を下げることができる。これにより、長波長のレーザ光７０を用いることができる。すなわち、Ｚ方向の電場によって下げられた仕事関数に応じて、レーザ光源３１を選択することができる。レーザ光源３１は、下げられた仕事関数に対応するエネルギーよりも高いレーザ光を出射する機能を有していればよい。これにより、レーザ光源３１の選択幅が広くなる。また、レーザ光源１１は、Ｚ方向の電場を生成する機能を有していればよい。このため、波長選択の幅が広くなる。例えば、レーザ光源１１とレーザ光源３１とを異なる波長の光源にすることができる。このように、Ｚ方向の電場を生成するレーザ光５０と、光電効果によって電子を発生させるレーザ光７０を異なるレーザ光としている。これにより、それぞれの機能に好適なレーザ光源を用いることができ、利便性を向上することができ
【００９４】
さらに、レーザ光７０の光路中には、プロファイル調整機構４０が設けられている。これにより、電子ビーム６０のエミッタンスを向上することができる。以下のエミッタンスを改善することができる理由について図９を用いて説明する。図９（ａ）は、Ｚ方向の電場強度Ｅｚのプロファイルを示す図である。図９（ｂ）は、レーザ光強度Ｉのプロファイルを示す図である。図９（ｃ）は、電子ビーム強度Ｉｅのプロファイルを示す図である。なお、図９（ａ）〜図９（ｃ）において、横軸はＸ方向の位置を示している。
【００９５】
ラジアル偏光を集光した場合、Ｚ方向の電場強度Ｅｚは、光ビームスポットの中心で最大となる。ここで、光電効果による電子発生の量子効率ＱＥは、電場強度Ｅｚのルートに比例している。すなわち、光ビームスポットの中心では、ショットキー効果が起こりやすくなり、量子効率ＱＥが最も高くなる。
【００９６】
さらに、量子効率ＱＥは、レーザ光７０の強度に比例する。ここで、プロファイル調整機構４０によって、レーザ光７０のプロファイルを図９（ｂ）に示す形状に調整する。すなわち、光ビームスポットの中心で窪みが存在し、その両側でピークが存在するように、調整する。例えば、プロファイル調整機構４０によって、レーザ光の焦点位置をＺ方向に微小にずらす。レーザ光７０は、円環ビームであるため、焦点位置をずらすことで、図９（ｂ）に示すプロファイルを得られる。具体的には、プロファイル調整機構４０は、レンズなどを有している。このレンズのＺ方向の位置を調整することによって、焦点位置が変換する。あるいは、絞りを用いて、光ビームのビーム径を調整することによって、プロファイルを調整してもよい。さらには、２次元空間位相変調素子、可変形状ミラーなどを用いてプロファイルを調整してもよい。
【００９７】
電子ビーム６０の強度Ｉｅは、Ｚ方向の電場強度Ｅｚ、及びレーザ光７０の強度Ｉに応じて変化する。すなわち、電子ビーム６０のプロファイルは、Ｚ方向の電場強度Ｅｚ、及びレーザ光７０の強度Ｉに依存する。単純には、電子ビームの強度Ｉｅは、Ｚ方向の電場強度Ｅｚのルートと、レーザ光７０の強度Ｉとの積に比例する。図９（ａ）に示すＺ方向の電場強度Ｅｚが存在する状態で、図９（ｂ）に示すプロファイルのレーザ光７０を照射する。すると、図９（ｃ）に示すように、電子ビーム６０のプロファイルがフラットトップになる。このように、レーザ光７０のプロファイルを調整することによって、電子ビーム６０の拡がりを低減することができる。よって、電子ビーム６０のプロファイルを改善することができ、エミッタンスを改善することができる。また、実施の形態１にかかる構成であっても、エミッタンスを改善することができる。すなわち、例えば、焦点位置をフォトカソード表面からずらす。これにより、電子ビーム６０のプロファイルを改善することができ、エミッタンスを改善することができる。
【００９８】
このように、レーザ光７０の強度Ｉのプロファイルのピーク位置をレーザ光５０の強度のプロファイルのピーク位置からずらす。これにより、電子ビーム６０の強度Ｉｅのプロファイルを最適化することができる。従って、高品質の電子ビームを得ることができる。
【００９９】
上記のように２本のレーザ光５０、７０を同期させてフォトカソード２１に入射させる。なお、同じレーザ光源１１からのレーザ光を２本に分割して、フォトカソード２１に入射させてもよい。例えば、パルス幅がサブピコ秒の場合、同じレーザ光源からのレーザ光を２つに分割する。そして、分割されたレーザ光の一方を偏光変換素子１５に入射させて、Ｚ方向の電場を生成する。他方のレーザ光は、偏光変換素子３５に入射させても、入射させなくてもよい。すなわち、少なくとも一方のレーザ光を偏光変換素子１５に入射させればよい。これにより、簡便な構成で、２本のレーザ光を同時に入射させることができる。これにより、発生する電子数を増加させることができる。２本のレーザ光を入射させる場合、焦点位置をずらすことによって、電子ビームのプロファイルを改善することができる。
【０１００】
さらに、レーザ光７０をフォトカソード２１に対して斜入射させることができる。すなわち、フォトカソード２１表面に対してレーザ光７０を傾けて入射させる。このとき、フォトカソード２１表面の垂線から、レーザ光７０の光軸が傾斜している。ここで、フォトカソード２１の材料によっては、電子発生の量子効率がＳ偏光とＰ偏光とで異なることがある。例えば、Ｐ偏光の方がＳ偏光よりも量子効率が高くなることがある。このような場合、レーザ光７０の偏光状態を制御することによって、電子ビームの輝度を高くすることができる。偏光変換素子１５、又は偏光調整素子１６のいずれか一方だけでも、偏光状態を制御することができる。あるいは、偏光変換素子１５、又は偏光調整素子１６以外の素子を用いて偏光状態を制御してもよい。すなわち、偏光変換素子１５、及び偏光調整素子１６の代わりの光学素子を用いて偏光状態を制御してもよい。
【０１０１】
発明の実施の形態３．
本実施の形態にかかる電子銃について図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態にかかる電子銃３００の主要な構成を示す図である。なお、本実施の形態にかかる電子銃３００は、透過型のフォトカソードを有する電子銃である。すなわち、電子ビーム出射側と反対側からレーザ光を照射している。また、レーザ光源１１、偏光変換素子１５、フォトカソード２１、共振器２３、マイクロ波源２４の構成については、実施の形態１と同様であるため、図示を省略している。
【０１０２】
図１０に示すように、レーザ光５０は、共振器２３と反対側からフォトカソード２１に入射する。すなわち、レーザ光５０は、共振器２３を介さず、フォトカソード２１に入射する。透過型のフォトカソード２１の場合、レーザ光５０の光路と、電子ビーム６０の経路が重ならない。従って、実施の形態１のように、１対のアキシコンレンズ１３、１４を用いて、レーザ光５０リング状にする必要はない。また、ミラー１７、及びレンズ１８を中空形状にする必要もない。すなわち、ミラー１７、及びレンズ１８を電子ビーム６０の経路である真空中に配置する必要がない。従って、ミラー１７、及びレンズ１８を大気中に配置することができる。
【０１０３】
本実施の形態では、レンズ１８が共振器２３と反対側に配置されている。このため、レンズ１８が共振器２３内の構造物と干渉することがなくなる。従って、レンズ１８をフォトカソード２１に対して近づけることができる。反射型のフォトカソード２１を用いた場合、レンズ１８を大気中に配置することができる。従って、レンズ１８をフォトカソード２１に対して近接配置することができる。これにより、レンズ１８を高ＮＡにすることが可能になる。Ｚ方向の電場強度を高くすることができる。この場合、レーザ光５０のビーム径をビームエキスパンダーなどで拡げてもよい。
【０１０４】
図１１にレンズ１８のＮＡ（開口数）と、Ｚ方向の電場の振幅との関係を示す。図１１は、レンズ１８の開口数を変えて、Ｚ方向の電場の振幅を計算した計算結果を示すグラフである。図１１に示すように、レンズ１８のＮＡを上げていくことによって、Ｚ方向の電場の振幅が飛躍的に高くなる。よって、透過型のフォトカソードを有する電子銃３００は、反射型のフォトカソードを有する電子銃１００、２００に比べて、電子ビームの輝度を向上することができるという利点を有する。
【０１０５】
さらに、レンズ１８を大気中に配置することによって、レンズ１８の位置を簡便に調整することができる。レンズ１８をＺ方向に沿って移動させると、Ｚ方向に焦点位置が変わる。レーザ光の焦点位置がフォトカソード２１表面になるように調整することができる。、反射型のフォトカソードを用いる場合でも、フォトカソードに対するレーザ光の入射角度をわずかに傾けることで、通常のレンズとミラーを用いることができる。この場合も、円環ビームを生成しなくてもよい。
【０１０６】
なお、実施の形態１、２では、アキシコンレンズによってレーザ光を円環状にしている。すなわち、１対のアキシコンレンズ１３、１４によって、レーザ光の断面形状が円環状になっている。これにより、Ｚ方向の電場強度をより高くすることができる。従って、実施の形態１、２に限らず、実施の形態３についても、円環状のレーザ光を用いることが好ましい。すなわち、図１０で示した透過型フォトカソードの光学系に、１対のアキシコンレンズ１３、１４を用いてもよい。１対のアキシコンレンズによって、対物レンズに入射するレーザ光を円環状に変換する。これにより、Ｚ方向の電場強度を高くすることができる。
【０１０７】
Ｚ方向の電場強度を高くすることができる理由について、図１２を用いて説明する。図１２は、円環状のレーザ光がレンズ１８によって集光される様子を模式的に示す側面図である。
【０１０８】
図１２に示すようにラジアル偏光のレーザ光がレンズ１８によって集光されている。レンズ１８は、レーザ光を焦点に集光する。従って、レンズ１８の外形端側になるほど、光が大きく屈折される。すなわち、Ｙ方向における光軸からの距離によって、レンズ１８によって屈折される角度が変わる。例えば、光軸上では光がレンズ１８によって全く屈折されない。従って、レンズ１８の中心に入射した光は、光軸と平行に伝播する。一方、レンズ１８の外形端の近傍では、光がレンズによって大きく屈折される。従って、レンズ１８の外形端側に入射すると、大きな角度で屈折される。レンズ１８の外形端の近傍で屈折された光は、光軸から大きく傾く。屈折される角度が大きくなると、速度のＺ成分が小さくなり、Ｙ成分が大きくなる。なお、フォトカソードの表面がレンズ１８の焦点位置になっている。
【０１０９】
ここで、レンズ１８によって屈折される角度が大きくなるほど、Ｚ方向の電場が高くなる。すなわち、光がＺ方向に進む場合、電場のＺ成分が０になる。光がＹ方向に進む場合、電場のＺ成分が最大になる。よって、レンズ１８で大きく屈折された光ほど、電場のＺ成分が大きくなる。ここで、ラジアル偏光のレーザ光が焦点に集光されている。よって、焦点位置では、電場のＺ成分が打ち消されない。そして、レンズ１８の外側部分ほど、電場のＺ成分が大きくなる。
【０１１０】
円環状のレーザ光では、光軸から離れた位置をレーザ光が伝播する。換言すると、１対のアキシコンレンズ１３、１４によって円環状にすると、光軸近傍を通過しなくなる。従って、レンズによって屈折される角度が大きくなる。これにより、電場のＺ成分が大きくなる。焦点位置において、Ｚ方向の電場強度を高くすることができる。すなわち、円環状にすると、レーザ光が光軸上を通過しなくなり、レンズ１８の外形端側を通過する。よって、レーザ光の速度のＺ成分が小さくなり、Ｙ成分が大きくなる。レンズ１８の外径端に近い部分を通過した光線の方が、光軸付近を通過した光線に比べて、焦点において発生するＺ偏光への寄与が大きい。円環ビームに変換することで、光が、レンズ１８の外径短に近い部分のみを透過する。よって、焦点位置におけるＺ方向の電場強度を高くすることができる。
【０１１１】
このように、レンズ１８における光の入射位置によって、Ｚ偏光成分を大きくすることができる。円環状のレーザ光の内径と外径の比を変えることで、Ｚ偏光成分を大きくすることができる。ここで、図１３に示すように、内径をｒ１、外径をｒ０とする。そして、内径（ｒ１）／外径（ｒ０）を円環の比率とする。図１４に、円環の比率を変えたときのＺ偏光の強度を示すグラフが示されている。すなわち、図１４は、円環の比率と、計算によって求められた焦点位置でのＺ偏光の強度との関係を示すグラフである。また、図１４には、アキシコンレンズと、マスクによって、円環状にした場合のグラフが示されている。図１３では、横軸が円環の比率となり、縦軸がＺ偏光の強度となっている。例えば、アキシコンレンズを用いた場合、円環の比率を変えることで、Ｚ偏光の強度を高くすることができる。さらに、円環の比率を３０〜５０％程度にすることが好ましく、さらに４０％とすることがより好ましい。例えば、１対のアキシコンレンズ１３、１４の距離等を変えることで、円環の比率を調整することができる。Ｚ偏光の強度を大きくすることで、Ｚ方向電場によるショットキー効果が生じる。このため、仕事関数を低下させることができる。さらに、１バンチ内の電子数を増やすことができる。また、１対のアキシコンレンズを用いることで、レーザ光の利用効率を高くすることができる。この効果は円環の比率ｒ１/ｒ０が大きい場合に特に有効である。
【０１１２】
また、ラジアル偏光のレーザ光をレンズ１８によって集光する場合、焦点位置では、Ｚ偏光成分のみ存在する。すなわち、焦点位置では、Ｙ偏光成分が打ち消され、Ｘ偏光成分が打ち消される。しかしながら、焦点位置からずれると、Ｙ偏光成分、及びＸ偏光成分も存在する。ここで、円環状のレーザ光を用いることで、Ｘ偏光成分、及びＹ偏光成分に比べて、Ｚ偏光成分の強度を相対的に大きくすることとができる。
【０１１３】
図１５を用いて、円形状のレーザ光を用いたとき電場強度と、円環状のレーザ光を用いたときの光強度について比較する。図１５（ａ）は、円環状ではないレーザ光、すなわち、円形状のレーザ光によって発生する焦点近傍での光強度を示している。図１５（ｂ）は、円環状のレーザ光によって発生する焦点近傍での光強度を示している。図１５において、横軸はＸＹ平面における位置を示している。ここで、ＸＹ平面における光軸の位置を０としている。縦軸が計算によって求められたＺ偏光成分の強度、及びＹ偏光成分の強度を示している。Ｙ偏光とは電気ベクトルの振動面がＺ方向に平行になっている直線偏光を示している。従って、Ｚ偏光の光強度が電場のＺ成分に対応し、Ｙ偏光の光強度が電場のＹ成分に対応する。
【０１１４】
なお、ここでの計算では、波長を７９０ｎｍ、レンズのＮＡを０．８としている。また、図１５（ａ）と図１５（ｂ）とで同じ光強度のレーザ光を用いている。円環ビームによる光強度は、円環の比率を０．８として算出されている。Ｚ偏光成分の強度は、０の位置、すなわち光軸上でピークとなっている。また、Ｙ偏光成分の強度は、光軸から離れた位置でピークとなっている。さらに、Ｙ偏光成分の強度は、光軸上で極小値となっている。円環状のビームを用いることによって、Ｙ偏光よりも十分大きくすることができる。よって、円形状のレーザ光よりも、Ｙ偏光成分に対するＺ偏光成分の割合を大きくすることができる。もちろん、Ｙ偏光成分に対するＺ偏光成分の割合だけでなく、Ｘ偏光成分に対するＺ偏光成分についても、同様に大きくなる。すなわち、Ｘ偏光成分、及びＹ偏光成分に比べて、Ｚ偏光成分の強度を相対的に大きくすることができる。Ｚ偏光の強度を大きくすることで、Ｚ方向電場によるショットキー効果が生じる。このため、仕事関数を低下させることができる。さらに、１バンチ内の電子数を増やすことができる。
【０１１５】
上述のように、本実施の形態１〜３では、偏光変換素子１５によって、ラジアル偏光を生成している。そして、ラジアル偏光をレンズ１８で集光している。従って、フォトカソード表面では、Ｚ方向の電場が形成される。Ｚ方向電場によるショットキー効果が生じるため、仕事関数を低下させることができる。よって、長い波長のレーザ光を用いることができる。そのため、構成を簡素化することができる。さらに、ショットキー効果によって、量子効率を向上することができる。これにより、電子ビームの輝度を向上することができる。よって、高品質の電子ビームを簡便な構成で発生させることができる。従って、上記の電子銃は、電子線加速器、電子線描画装置などの電子ビーム応用装置に好適である。
【０１１６】
このように、直線偏光のレーザ光５０を偏光変換素子１５に入射させている。そして、偏光変換素子１５によって、レーザ光の光軸に対して対向する領域において、電気ベクトルの振動方向が反対方向となるように、レーザ光５０の偏光状態を変換している。偏光変換素子１５からのレーザ光５０を集光して、フォトカソード２１に入射させる。レーザ光５０によってフォトカソード２１から出射した電子を共振器２３の電場によって加速する。このような方法で電子を発生させることによって、低エミッタンスで、高輝度の電子ビームを得ることができる。また、電子ビームのバンチ長は、２０ｐｓｅｃ程度とすることができる。
【０１１７】
レーザ光を照射して、フォトカソード２１表面に高電場をインパルス的に発生させる。このとき、レーザ光５０はＺ偏光であるため、フォトカソード表面に垂直な方向の電場が発生する。これにより、仕事関数が小さくなり、電子が放出されやすくなる。電子ビームの高輝度化を図ることができる。また、放電や暗電流の増加を防ぐことができる。このため、フォトカソード２１の量子効率を実効的に高くすることができる。
【０１１８】
また、仕事関数をｅＶ単位で下げることができる。例えば、通常、仕事関数が４ｅＶ程度であったとして、レーザ照射によって、仕事関数が２〜３ｅＶに低下する。このため、従来の紫外波長よりも長い近赤外波長域のレーザを直接光源として利用することができる。レーザ光源１１の構成を簡素化できるとともに、信頼性を向上することができる。例えば、銅を材料とするフォトカソード２１においては、従来、２７０〜２８８ｎｍよりも短い波長のレーザ光源が必要である。これに対して、上記の構成の電子銃では、チタンサファイアレーザの２倍波（３９５ｎｍ）や基本波（７９０ｎｍ）を用いることができる。また、ダイアモンドを材料とするフォトカソード２１においては、従来、２２６ｎｍよりも短い波長が必要である。これに対して、上記の構成の電子銃では、チタンサファイアレーザの３倍波（２６３ｎｍ）や２倍波（３９５ｎｍ）を用いることができる。
【０１１９】
実施の形態１〜３では、電気光学素子を有する偏光調整素子１６によって、偏光状態を調整したが、磁気光学素子を有する偏光調整素子１６によって、偏光状態を調整することもできる。磁気光学素子を有する偏光調整素子１６の構成について、図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は、磁気光学素子を用いた偏光調整素子１６の構成を示す平面図である。図１６（ｂ）は、偏光調整素子１６に用いられている磁気光学素子の構成を示す斜視図である。図１６では、光の進行方向と、磁場とが同一直線状となるファラデー配置としている。従って、図１６（ａ）において、磁場の向きは紙面と直交する方向になっている。また、図１６（ｂ）では、磁場の向きを白抜き矢印で示し、レーザ光の進行方向を矢印で示している。
【０１２０】
図１６（ａ）に示すように、偏光調整素子１６は、複数の磁気光学素子８５を有している。ここでは、８個の磁気光学素子８５が設けられている。複数の磁気光学素子８５は、周方向に沿って配列されている。より具体的には、正八角形の各辺の外側に１つの磁気光学素子８５が配設されている。８つの磁気光学素子８５の中心が光軸と一致する。すなわち、対角に配置された２つの磁気光学素子の中間に、光軸が配置される。従って、偏光調整素子１６に設けられた８つの磁気光学素子８５は、図５で示した偏光変換素子１５の８つの波長板５２に対応している。従って、ｌつの波長板５２を通過したパルスレーザ光は、１つの磁気光学素子８５に入射する。隣の磁気光学素子８５の光学軸（結晶軸）は異なる方向になっている。ここでは、８つの磁気光学素子８５の光学軸が図６と同様に放射状になっている。各磁気光学素子８５において、光学軸と磁場の向きが一致する。１つの波長板５２を通過したパルスレーザ光は、１つの磁気光学素子８５によって偏光状態が調整される。磁気光学素子８５としては、例えば、非磁性のガラス棒を用いることができる。例えば、直方体状のガラス棒によって、磁気光学素子８５が形成される。そして、ガラス棒の長手方向がＺ方向に平行になっている。
【０１２１】
それぞれの磁気光学素子８５には、コイル８６が巻かれている。すなわち、磁気光学素子８５を囲むように、導線を複数回巻くことによって、コイル８６が形成される。コイル８６はソレノイドコイルである。図１６（ｂ）に示すように、コイル８６は、磁気光学素子８５の外周を囲むように設けられている。従って、コイル８６は、Ｚ方向の磁場を発生させる。コイル８６に電流が流れると、ビオ・サバールの法則により磁場が生じる。磁場は、ガラス棒の長手方向に生じる。従って、電流を流した状態でガラス棒に直線偏光を通すと、レーザ光の偏光面（電気ベクトルの振動方向）が回転する。すなわち、ファラデー効果によって、光の偏光面が回転する。光の偏光面は、磁場の強さに応じて変化する。すなわち、磁気光学素子８５を通過する偏光状態の変化が、磁場の強さに応じたものとなる。コイル８６の巻き数、及び電流に応じて、磁場の強さが変わる。従って、電流に応じて、偏光状態が変化する。換言すると、偏光調整用電源３９で電流を調整することによって、偏光状態を調整することができる。これにより、それぞれの波長板５２を通過したレーザ光の偏光状態を調整することができる。
【０１２２】
さらに、磁気光学素子８５の配置は、ファラデー配置に限られるものではない。図１７に示すように、フォークト配置にすることも可能である。図１７（ａ）は、フォークト配置の磁気光学素子を用いた偏光調整素子１６の構成を示す平面図である。図１７（ｂ）は、偏光調整素子１６に用いられているフォークト配置の磁気光学素子の構成を示す斜視図である。なお、図１７で示した偏光調整素子１６の構成と同様の構成については、説明を省略する。従って、図１７（ａ）において、磁場の向きは紙面と直交する方向になっている。また、図１７（ｂ）では、磁場の向きを白抜き矢印で示し、レーザ光の進行方向を矢印で示している。
【０１２３】
フォークト配置を用いる場合、磁場の向きと光の進行方向を直交させる。すなわち、コイルを磁気光学素子８５の両側に配置する。例えば、図１７（ａ）に示すように、磁気光学素子８５よりも光軸側（内側）に配置されたコイル８６と、光軸と反対側（外側）に配置されたコイル８６とが、設けられている。具体的には、図１７（ｂ）に示すように、磁気光学素子８５がコイル８６ａとコイル８６ｂとの間に挟まれている。磁気光学素子８５の光軸側のコイル８６と磁気光学素子８５の外側のコイル８６は接続されており、同じ電流が流れる。図１７（ａ）において、磁場の向きは放射状になっている。隣の磁気光学素子８５の光学軸（結晶軸）は異なる方向になっている。ここでは、８つの磁気光学素子８５の光学軸が図６と同様に放射状になっている。従って、各磁気光学素子８５において、光学軸と磁場の向きが一致する。そして、各コイル８６に流れる電流を調整することによって、偏光状態を調整することができる。このように、フォークト配置、及びファラデー配置のいずれであってもよい。
【０１２４】
さらに、実施の形態１〜３では、フェムト秒パルスレーザ光に利用することが好ましい。すなわち、レーザ光源１１から出射するパルスレーザ光のパルス幅を１ｐｓｅｃよりも短くする。これにより、低エミッタンスの電子ビームを生成することができる。すなわいち、電子ビームのバンチの３次元形状を工夫することで、空間電荷効果を抑制することができる。以下に、フェムト秒パルスレーザ光を用いることの効果について説明する。
【０１２５】
まず、バンチ長が無限に長い場合について考える。この場合、無限に長い円筒状のビームにすることで、ラジアル方向（半径方向）に線形な空間電荷効果のみ存在しない状態にすることができる。すなわち、ラジアル方向に非線形な空間電荷効果を無くすことが可能になる。もし、ラジアル方向に線形な空間電荷効果しか存在しないならば、ソレノイド電磁石によって、エミッタンスの増大を低減することができる。例えば、電子銃に設けられているソレノイド電磁石で電子ビームをフォーカスする。これによって、ラジアル方向の空間電荷効果を補償することができる。すなわち、よって、フォトカソード全体として、ラジアル方向の空間電荷効果による電子ビームのエミッタンスの増大を抑制することができる。
【０１２６】
なお、実施の形態１〜３の電子銃はＲＦ電子銃である。このため、バンチは、有限の長さを有するパルス状になっている。単バンチを特徴とする場合、例えば、電子ビームのパルス幅（バンチ幅）を１０ｐｓｅｃ程度にする。また、カソード面におけるパルスレーザ光のスポットサイズが１〜２ｍｍ程度である。従って、バンチのアスペクト比は、１〜２倍程度である。ここで、アスペクト比とは、バンチの（縦方向の長さ）／（横方向の長さ）である。
【０１２７】
実際のバンチの３次元形状が円筒状である場合、その両端エッジのところで、エミッタンスが増大する。そのため、様々なエッジ形状にすることが検討されている。例えば、バンチ形状をエリプソイド（回転楕円体であるラグビーボール形状）にすることで、エミッタンスを低減することが分かっている。エリプソイド形状にする方法としては、ファイバーバンドル整形による提案と、回折光学素子による提案が知られている。そのうち、ファイバーバンドル整形による提案のみで、エリプソイド整形が実証されている。これらでは、入射するパルスレーザ光を整形することによって、バンチがエリプソイド形状になるように補償している（Ｔｏｍｉｚａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，"Ａｄａｐｔｉｖｅ  ｓｈａｐｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｂｏｔｈ  ｓｐａｔｉａｌ  ａｎｄ  ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｐｒｏｆｉｌｅｓ  ｏｆ  ａ  ｈｉｇｈｌｙ  ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ＵＶ  ｌａｓｅｒ  ｌｉｇｈｔ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  Ａ  ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ  ＲＦ  ｇｕｎ"  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＡＮＤ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｉｎ  Ｐｈｉｓｙｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ５５７（２００６）１１７−１２３参照）。
【０１２８】
このようなエリプソイド整形は、補償光学素子による整形が困難であり、空間プロファイル整形方法の時間応答性が遅くなる。このため、完全なエリプソイド形状にすることが難しい。上記の２つの提案は、いずれも固定光学素子による擬似的な整形である。しかしん、実際に整形したい対象がパルスレーザ光ではなく、電子ビームバンチである。このため、１０ｆｓｅｃの超短パルスレーザ光をフォトカソードに集光し、空間電荷効果によって拡がる電子ビームの性質を逆利用してエリプソイド形状のバンチを形成することができるというシミュレーション結果が発表されている（例えば、Ｊ．Ｂ．  Ｒｏｓｅｎｚｗｅｉｇ  ｅｔ  ａｌ．，"Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ  ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｐｒｏｆｉｌｅｓ"  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＡＮＤ  Ｍｅｔｈｏｄs  Ｉｎ  Ｐｈｉｓｙｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａ  ５５７（２００６）８７−９３参照）。
【０１２９】
この文献に記載された方法を用いると、超低エミッタンスを得ることが可能になるが、実証例はない。上記の電子銃では、直線偏光をラジアル偏光に変換する偏光変換素子１５を用いる場合、Ｚ方向電場を高強度化するためには、フェムト秒超短パルスレーザを利用することが理想的である。従って、フェムト秒レーザパルスをフォトカソードに照射することによって、エリプソイド形状を容易に得ることができる。すなわち、偏光変換素子１５とフェムト秒パルスレーザ光との組み合わせは、相性がよい。フェムト秒レーザオシレータのみで、フェムト秒パルスレーザ光を照射することができる。従って、コンパクトなレーザ光源で、エミッタンスを低減することができる。このように、パルス幅が０〜１ｐｓｅｃのフェムト秒レーザパルスを用いることが好適である。
【０１３０】
なお、偏光変換素子１５をアキシコンレンズ１３と波長変換素子１２の間に配置してもよい。この場合、偏光変換素子２４を小さくすることができるため、偏光変換素子２４の部品コストを低減することができる。
【０１３１】
また、偏光変換素子１５とフォトカソード２１との間に、リレー光学系を配置してもよい。これにより、偏光状態の分布の変化による影響を低減することができる。すなわち、パルスレーザ光が伝播する際に、回折の効果によって、ビーム断面における偏光状態の分布は変化する。この場合、回折による分布の変化が焦点面での電場分布に影響する可能性がある。このような、影響を低減するために、例えば、２枚のリレーレンズを配置する。
【０１３２】
例えば、実施の形態１の構成において、図１８に示すように、焦点距離がｆ１のリレーレンズ９１、焦点距離がｆ１のリレーレンズ９２を配置する。また、レンズ１８の焦点距離をｆ２とする。偏光変換素子１５とリレーレンズ９１をｆ１だけ離間して配置する。リレーレンズ９１とリレーレンズ９２を２×ｆ1だけ離間して、配置する。リレーレンズ９２とレンズ１８をｆ１だけ離間して配置する。レンズ１８とフォトカソード２１をｆ２だけ離間して配置する。このように結像することによって、偏光変換素子１５を透過直後の偏光状態と、レンズ１８の瞳の位置での偏光状態をほぼ同じにすることができる。よって、回折の効果による偏光状態の分布の変化を低減することができる。
【０１３３】
なお、上記の説明では、２倍波を用いたが、これに限るものではない。すなわち、フォトカソード材料や、レーザ光源１１の波長によって、基本波を用いることも可能になる。これにより、これにより、２倍波や３倍波を生成する波長変換素子を用いなくてもよくなる。波長変換素子１２が不要となり、より小規模なレーザ装置を用いることができる。さらに、レーザ光５０の光路を短くすることができるため、安定性を向上することができる。また、実施の形態１〜３の構成を適宜部分的に組み合わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図２】電子銃に用いられる偏光変換素子の構成を示す図である。
【図３】偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す斜視図である。
【図４】偏光変換素子を通過したレーザ光の偏光状態を示す側面図である。
【図５】偏光変換素子の具体的な構成例を示す図である。
【図６】偏光調整素子の構成を示す平面図である。
【図７】偏光調整素子の変形例の構成を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる電子銃によって得られる電子ビームのプロファイルを説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態１にかかる電子銃の構成を模式的に示す図である。
【図１１】レンズの開口数と、Ｚ方向の電場の振幅との関係を示すグラフである。
【図１２】円環状のレーザ光がレンズ１８によって集光される様子を模式的に示す側面図である。
【図１３】円環の比率を説明するための図である。
【図１４】円環の比率とＺ偏光の強度の関係を示すグラフである。
【図１５】焦点位置近傍でのＹ偏光成分とＺ偏光成分の強度を示すグラフである。
【図１６】ファラデー配置の磁気光学素子を用いた偏光調整素子の他の構成を説明するための図である。
【図１７】フォークト配置の磁気光学素子を用いた偏光調整素子の他の構成を説明するための図である。
【図１８】フォトカソードと偏光変換素子の間に配置されるリレーレンズ系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１１  レーザ光源、１２  波長変換素子、１３  アキシコンレンズ、
１４  アキシコンレンズ、１５  偏光変換素子、１６  偏光調整素子、１７  ミラー、
１８  レンズ、１９  偏光調整用電源、
２１  フォトカソード、２２  共振器、２４  マイクロ波源
３１  レーザ光源、３３  アキシコンレンズ、３４  アキシコンレンズ、
３５  偏光変換素子、３６  偏光調整素子、３７  ミラー、３８  レンズ、
３９  偏光調整用電源、４０  プロファイル調整機構、
５０  レーザ光、５１  ホルダ、５２  波長板、５３  収納部、５４  貫通孔、
５５  ネジ、５７  スペーサ、５８  ネジ穴、
６０  電子ビーム、７０  レーザ光、７１  磁気光学素子、７２  コイル
８１  電気光学素子、８２  第１電極、８２  第２電極、
８５  磁気光学素子、８６  コイル、
９１  リレーレンズ、９１  リレーレンズ、
１００  電子銃、２００  電子銃、３００  電子銃、
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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